Kurzantwort
Ein solares Bewässerungssystem nutzt PV-Module, um eine Pumpe anzutreiben, die Kulturen meist über Tropfschläuche mit Wasser versorgt. Dimensionieren Sie es anhand des maximalen täglichen Wasserbedarfs, der Gesamtförderhöhe und der Sonnenstunden im ungünstigsten Monat. Viele Betriebe pumpen Wasser in einen Hochbehälter und bewässern anschließend per Schwerkraft. Dadurch wird Wasser statt Strom gespeichert, allerdings sind dafür Tropfbewässerungskomponenten für niedrigen Druck erforderlich.
Was ist ein solares Bewässerungssystem?
Ein solares Bewässerungssystem nutzt Photovoltaikmodule (PV), um eine Wasserpumpe anzutreiben, die Wasser aus einem Brunnen, Fluss, Teich oder Tank fördert und den Kulturen meist über Tropfbewässerung zuführt. Da es mit Sonnenlicht arbeitet, entfallen Kraftstoffkosten und die Abhängigkeit vom Stromnetz. Das macht es für abgelegene Felder, kleinbäuerliche Betriebe und Regionen mit teurer oder unzuverlässiger Stromversorgung attraktiv.
Solarpumpen lassen sich gut mit Tropfbewässerung kombinieren: Beide arbeiten am besten mit gleichmäßigen, moderaten Durchflüssen, und die hohe Effizienz der Tropfbewässerung ermöglicht bei derselben Kultur eine kleinere Pumpe und weniger Solarmodule. Wo das Gelände es zulässt, werden Solarpumpen häufig mit einem Hochbehälter und Schwerkraft-Tropfbewässerung kombiniert, sodass Pflanzen auch ohne Sonnenschein bewässert werden können. Dieser Ratgeber erläutert, wie ein solarbetriebenes Tropfbewässerungssystem funktioniert, wie Sie es dimensionieren und wann Schwerkraftbewässerung oder Bewässerung aus der Regentonne allein ausreicht.
Wie funktioniert ein solarbetriebenes Tropfbewässerungssystem?
Ein typisches solares Tropfbewässerungssystem besteht aus sechs Teilen:
- PV-Modulfeld: auf den Leistungsbedarf der Pumpe abgestimmte und zur Sonne ausgerichtete Module, teilweise mit manueller oder automatischer Nachführung, um die Pumpbetriebszeit zu verlängern.
- Pumpensteuerung oder Wechselrichter: passt die schwankende Leistungsabgabe der Module an die Pumpe an. Viele Solarpumpensteuerungen regeln die Pumpendrehzahl je nach Sonneneinstrahlung und verfügen über Trockenlaufschutz und eine Abschaltung bei vollem Tank.
- Solarwasserpumpe: eine Tauchpumpe für Bohrbrunnen oder eine Oberflächenpumpe für flache Brunnen, Teiche und Kanäle. DC-Pumpen eignen sich für kleine Systeme; oberhalb weniger Kilowatt sind AC-Pumpen mit Solarwechselrichter üblich.
- Speicher: ein Hochbehälter oder bodennaher Tank, der Wasser statt Strom speichert, oder eine Batteriebank, wenn nachts bewässert werden muss.
- Kopfstation: Filter, optionaler Düngerinjektor, Druckregler und Ventile.
- Verteilung: Hauptleitungen, Unterhauptleitungen und Tropfschläuche oder Tropfband.
Welche Konfiguration für die solare Bewässerung sollten Sie wählen?
Es gibt drei gängige Anlagenkonfigurationen. Die Wahl hängt vom erforderlichen Druck Ihres Tropfbewässerungssystems, der Feldgröße und davon ab, ob Sie auch außerhalb der Sonnenstunden bewässern müssen.
| Konfiguration | So funktioniert es | Stärken | Einschränkungen | Besonders geeignet für |
|---|---|---|---|---|
| Direkte Förderung in die Tropfbewässerung | Die Pumpe versorgt das Tropfbewässerungssystem direkt, solange die Sonne scheint | Am einfachsten und günstigsten; kein Tank | Durchfluss und Druck schwanken mit der Sonneneinstrahlung; Bewässerung nur tagsüber | Druckkompensierende Tropfbewässerung auf kleinen bis mittleren Flächen in sonnigen Klimazonen |
| Solarpumpe zum Hochbehälter, anschließend Schwerkraft-Tropfbewässerung | Die Pumpe füllt einen Tank; die Tropfbewässerung arbeitet per Schwerkraft | Wasserspeicherung ersetzt Batterien; Bewässerung jederzeit möglich | Niedriger Druck begrenzt die Zonengröße; Kosten für Tank und Untergestell | Kleinbetriebe, Gemüsebau, Hanglagen |
| Solarpumpe mit Batterie oder hybrider Stromversorgung | Batterien oder Stromnetz/Generator sichern die Versorgung des PV-Modulfelds ab | Stabiler Druck; Bewässerung nach beliebigem Zeitplan | Höchste Kosten; Batterien müssen ersetzt werden | Gewächshäuser, hochwertige Kulturen, automatisierte Fertigation |
Bei den meisten Tropfbewässerungssystemen im Freiland ist die Speicherung von Wasser in einem Tank günstiger und langlebiger als die Speicherung von Strom in Batterien.
Wie dimensionieren Sie ein Bewässerungssystem mit Solarwasserpumpe?
Die Dimensionierung erfolgt ausgehend vom Wasserbedarf der Kultur an den heißesten Tagen. Eine vereinfachte Methode:
- Maximalen täglichen Wasserbedarf abschätzen. Multiplizieren Sie die Fläche mit dem maximalen Wasserverbrauch der Kultur. Als Beispiel: 0.5 ha Gemüse mit einem Verbrauch von ungefähr 5 mm pro Tag benötigen etwa 25 m³ pro Tag. Lokale Daten zur Evapotranspiration der Kultur von einer landwirtschaftlichen Beratungsstelle liefern genauere Werte.
- Gesamte dynamische Förderhöhe bestimmen. Addieren Sie den Höhenunterschied vom Wasserstand (bei seinem saisonalen Tiefststand) zum Tank oder Feld, die Reibungsverluste in Rohren und Formstücken sowie den vom Tropfbewässerungssystem benötigten Druck (etwa 10 m Förderhöhe pro bar).
- Durch die effektiven Pumpstunden teilen. Die Vollsonnenstunden variieren je nach Standort und Jahreszeit und liegen häufig bei etwa 4–6 Stunden. Bei 5 Stunden erfordern 25 m³ pro Tag eine Pumpe mit einer Förderleistung von etwa 5 m³/h.
- Pumpenleistung berechnen. Die hydraulische Leistung ergibt sich aus Volumenstrom mal Förderhöhe mal Wasserdichte mal Erdbeschleunigung. Bei 5 m³/h und 40 m Förderhöhe sind das ungefähr 0.55 kW. Teilen Sie diesen Wert durch einen realistischen Gesamtwirkungsgrad von der elektrischen Aufnahme bis zur hydraulischen Abgabe, der stark von Pumpentyp und -größe abhängt, um die elektrische Aufnahmeleistung zu ermitteln.
- PV-Modulfeld dimensionieren. Wegen Wärme, Staub und Einstrahlungswinkel liefern Module im Feldeinsatz selten ihre Nennleistung. Daher werden Modulfelder meist um etwa 20–50% größer als die Aufnahmeleistung der Pumpe ausgelegt. In diesem Beispiel ergibt sich daraus ein Modulfeld in der Größenordnung von 1.5–2 kWp.
- Ungünstigsten Monat prüfen. Dimensionieren Sie für den Monat mit dem höchsten Wasserbedarf im Verhältnis zur Sonneneinstrahlung, nicht für den Jahresdurchschnitt.
Die Wahl einer effizienten Tropfbewässerung reduziert jeden Wert in dieser Berechnungskette. Unser Ratgeber zur Planung eines Tropfbewässerungssystems behandelt Zonendurchflüsse und die Anordnung der Tropfleitungen ausführlicher.
Was ist Schwerkraft-Tropfbewässerung?
Schwerkraft-Tropfbewässerung nutzt die Aufstellhöhe eines Wassertanks anstelle einer Pumpe, um Wasser durch Tropfschläuche zu drücken. Jeder Meter Höhe erzeugt etwa 0.1 bar (ungefähr 1.4 psi) Druck. Ein Tank auf einem 2 m hohen Untergestell liefert daher am Auslass vor Abzug der Reibungsverluste nur etwa 0.2 bar. Das liegt deutlich unter den rund 1 bar, für die viele Standardtropfer ausgelegt sind.
Ein schwerkraftgespeistes Tropfbewässerungssystem benötigt daher Komponenten, die für niedrigen Druck ausgelegt sind:
- Niederdruck-Tropfbänder oder -Tropfer mit größeren Durchflusskanälen, die bei geringer Druckhöhe funktionieren; gewöhnliche druckkompensierende Tropfer öffnen unterhalb ihres Mindestdrucks häufig nicht richtig.
- Kurze Tropfleitungen und großzügige Rohrdurchmesser, um die Reibung gering zu halten, denn jeder Druckverlust zählt.
- Filter mit geringem Druckverlust, die häufig gereinigt werden, da ein teilweise verstopfter Filter den größten Teil der verfügbaren Druckhöhe aufzehren kann.
- Ebene oder leicht geneigte Felder; in bergab verlaufenden Tropfleitungen steigt der Druck, in bergauf verlaufenden sinkt er.
Ein schwerkraftgespeistes Bewässerungssystem ist einfach, geräuschlos und sehr zuverlässig. Seine Grenze liegt in der versorgbaren Fläche: Ein einzelner Tank kann bei niedrigem Druck nur eine begrenzte Anzahl von Tropfern gleichzeitig versorgen. Größere Betriebe teilen das Feld daher in kleine Zonen ein, die nacheinander bewässert werden. Kulturspezifische Anordnungen finden Sie unter Tropfbewässerung für Gemüse und kleine landwirtschaftliche Betriebe.
Funktioniert Tropfbewässerung aus der Regentonne?
Bewässerung aus der Regentonne ist Schwerkraft-Tropfbewässerung im kleinsten Maßstab. Eine auf Blöcken erhöhte Tonne, die Dachabflusswasser sammelt, kann einen kurzen Tropf- oder Perlschlauch für einige Beete versorgen. Am besten funktioniert dies, wenn:
- die Tonne so hoch wie praktikabel aufgestellt wird und die Beete in der Nähe liegen;
- am Auslass ein feines Sieb angebracht ist, da Dachabflusswasser Sand und organische Rückstände mitführt;
- die Tropfbewässerungskomponenten für niedrigen Druck ausgelegt sind oder eine kleine Pumpe für die Tropfbewässerung aus der Regentonne den Druck erhöht.
Eine kleine solarbetriebene Wasserpumpe für die Gartenbewässerung macht zusammen mit einem solarbetriebenen Bewässerungstimer aus einer Tropfbewässerung aus der Regentonne ein automatisches System. Für gewerbliche Anbauer lässt sich dasselbe Prinzip auf Regenwasserspeicherteiche und Tanks übertragen, die eine Solarpumpe speisen.
Wie funktionieren Filtration und Fertigation bei Solar- und Schwerkraftsystemen?
Niederdrucksysteme vertragen weniger Druckverluste. Daher muss die Kopfstation sorgfältig ausgelegt werden:
- Filtration: Bei Teich- und Regenwasser ist vor den Tropfschläuchen meist eine Scheiben- oder Medienfiltration erforderlich, und der Druckverlust des Filters muss innerhalb der verfügbaren Druckhöhe liegen. Automatische Rückspülfilter benötigen einen Mindestzulaufdruck, den Schwerkraftsysteme möglicherweise nicht bereitstellen können. Lesen Sie den Ratgeber zu Bewässerungsfiltern und prüfen Sie für solarbetriebene Pumpensysteme mit ausreichendem Druck ein Gerät wie einen automatischen Scheibenfilter mit Zahnradantrieb.
- Fertigation: Venturi-Injektoren benötigen eine erhebliche Druckdifferenz, die bei direkt solarbetriebenen Systemen und Schwerkraftsystemen möglicherweise nur begrenzt verfügbar ist. Stattdessen kann Dünger im Speichertank eingemischt oder mit einer kleinen proportionalen oder elektrischen Dosierpumpe eingespritzt werden. Unser Artikel über Fertigation und Düngerinjektoren vergleicht die Optionen.
- Steuerung: Solargeeignete Steuergeräte und batteriebetriebene Ventil-Timer können Zonen ohne Netzstrom automatisieren. Unter intelligente Bewässerungssteuerungen finden Sie wichtige Funktionen wie stromsparenden Betrieb und Eingänge zur Tankfüllstandserfassung.
Welche Vorteile und Grenzen hat die solarbetriebene Bewässerung?
Vorteile:
- Nach der Installation keine Kraftstoffkosten und geringe Betriebskosten.
- Funktioniert fernab des Stromnetzes und erspart die Kraftstofflogistik.
- Die Förderleistung ist an heißen, sonnigen Tagen am höchsten, wenn die Kulturen den größten Wasserbedarf haben.
- Wenige bewegliche Teile im Vergleich zu einer Pumpe mit Verbrennungsmotor; geringe Geräuschentwicklung und keine Abgase.
Grenzen:
- Höhere Anschaffungskosten als bei einer Pumpe mit Verbrennungsmotor durch Solarmodule, Pumpe, Steuerung, Montagesystem und gegebenenfalls Tank oder Batterien.
- Die Leistung sinkt an bewölkten Tagen und im Winter, sodass ein Speicher oder eine Reserveversorgung erforderlich sein kann.
- Solarmodule benötigen Diebstahlschutz und in staubigen Gebieten regelmäßige Reinigung.
- Kostengünstiges Pumpen kann eine übermäßige Grundwasserentnahme begünstigen. Die FAO empfiehlt, solare Bewässerung mit Wassermanagementplänen zu verbinden, damit niedrige Betriebskosten nicht zur Erschöpfung der Grundwasservorräte führen.
Bei geringer Sonneneinstrahlung, sehr hohem Bedarf oder erforderlichem Pumpbetrieb rund um die Uhr kann eine Einheit mit Verbrennungsmotor wie ein motorbetriebenes IoT-Bewässerungssystem oder eine Hybridlösung mit Solarenergie zweckmäßiger sein.
Können Solarpumpen die Bewässerung in Gewächshäusern und Hydroponikanlagen versorgen?
Ja, aber mit Vorsicht. Tropfbewässerung im Gewächshaus und rezirkulierende Hydroponik benötigen Wasser nach einem festen Zeitplan, oft mehrmals täglich und mitunter nach Einbruch der Dunkelheit. Eine solarbetriebene Wasserpumpe für die Hydroponik benötigt daher normalerweise einen Batteriespeicher oder einen Netzanschluss als Reserve. Ein Pumpenausfall in einer NFT-Rinne an einem heißen Nachmittag kann eine Kultur innerhalb weniger Stunden schädigen. Redundanz ist deshalb wichtiger als bei der Feldbewässerung.
Für Betriebe mit mehreren Bewässerungszonen, die Zeitsteuerung, Fertigation und Fernüberwachung in einem Paket wünschen, lässt sich eine integrierte Kopfstation wie unser IoT-System zur Bewässerung und Düngung landwirtschaftlicher Flächen mit Solarstrom oder einer hybriden Stromversorgung betreiben, sofern ihr Leistungsbedarf bei der PV-Auslegung berücksichtigt wird.
Planungscheckliste für Solar- und Schwerkraftbewässerung
- Art der Wasserquelle, saisonaler Wasserstand und Wiederergiebigkeit des Brunnens
- Maximaler täglicher Wasserbedarf der Kultur und Anbaufläche
- Gesamtförderhöhe einschließlich des Betriebsdrucks der Tropfbewässerung
- Lokale Spitzen-Sonnenstunden im ungünstigsten Monat
- Ob die Bewässerung nachts oder an bewölkten Tagen laufen muss
- Verfügbare Tankhöhe und Speicherkapazität für die Schwerkraft-Tropfbewässerung
- Anforderungen an Filtration und Fertigation sowie deren Druckverluste
- Örtliche Genehmigungen zur Wasserentnahme
Mars Vertical Farm liefert Kopfstationen für die Tropfbewässerung, Filter und Fertigationsausrüstung aus seinem Werk in Shanghai und exportiert unter anderem nach Brasilien, Südafrika, Saudi-Arabien, Vietnam und Australien. Entdecken Sie das Sortiment für Bewässerung, Fertigation und Wasseraufbereitung oder senden Sie uns Ihre Feldgröße, Wasserquelle und Förderhöhe für einen passenden Vorschlag zur Kopfstation.
