Dieter Gerstenkorn und Arne Olligschläger, Braunschweig

Ein Wasserrad zur Förderung von Trinkwasser am Fuße des Kilimandscharo in Tansania

1. Das Projekt

In der ländlichen Region um die Touristenstadt Moshi am Kilimandscharo im Norden Tansanias ist in den Jahren 2007 bis 2012 im Rahmen des Projektes „Moshi Rural Water Supply Project“ (MRWSP) von der CES Consulting Engineers Salzgitter GmbH ein öffentliches Trinkwasserversorgungssystem realisiert worden. Das Versorgungsgebiet umfasst dabei sowohl Siedlungen an den südlichen Hängen des Kilimandscharo als auch Siedlungen in den flachen, steppenartigen Niederungen am Fuße des Berges.

Abb. 1: Blick auf den KilimandscharoAbb. 1: Blick auf den Kilimandscharo

Sowohl die Planung als auch das Material für das System wie beispielsweise Rohre, Formstücke, Armaturen, Zement usw. sind über eine nicht rückzahlbare Zuwendung der deutschen Regierung durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) finanziert worden. Das System wurde unter Anleitung von CES mithilfe von lokalen, nicht qualifizierten Arbeitern gebaut, wobei die Nutznießer der Versorgungsgebiete ihren Teil dazu beitrugen, indem sie die Rohrleitungsgräben manuell unentgeltlich ausgehoben haben. Durch diese Mitarbeit der Bevölkerung an dem Bau des Versorgungsnetzes ist eine hohe Identifikation mit dem Projekt erreicht worden, welche die Instandhaltung des Trinkwasserversorgungssystems stark verbessert hat und zur Nachhaltigkeit beiträgt. Dies ist wichtig, da vor allem in Entwicklungsländern fremdfinanzierte Infrastrukturprojekte ohne Eigenbeitrag sehr häufig nach kurzer Zeit nicht mehr betriebsbereit sind.

2. Das Wasserrad als Energiequelle für die Wasserversorgung in Kahe

Um die in den Niederungen gelegene ländliche Gemeinde Kahe mit Wasser zu versorgen, musste ein dezentrales System errichtet werden, das sein Trinkwasser aus einem Tiefbrunnen bezieht und über einen Hochtank anschließend verteilt. Der Wasserbedarf der etwa 8000-köpfigen Gemeinde liegt bei 350 m3/d, die erforderliche Gesamtförderhöhe vom Brunnen zum Hochtank beträgt 20 m. Bei einer 24-stündigen Förderung würde dies einer Pumpenleistung von 1,5 kW entsprechen. Der Brunnen ist 100 m tief, aber sein gespanntes Grundwasser steht bei 5 m unter der Geländeoberkante an. Da vor Ort kein öffentliches Stromnetz vorhanden ist, kommt nur eine dezentrale Energieversorgung infrage, um eine Pumpe zu betreiben.

Abb. 2: Nutznießer bei der Verfüllung eines RohrgrabensAbb. 2: Nutznießer bei der Verfüllung eines Rohrgrabens

Der Betrieb eines Stromaggregats würde zu relativ hohen „laufenden“ Kosten führen, außerdem müsste es regelmäßig gewartet werden. Um die arme Bevölkerung kostenmäßig nicht zu überlasten und aus Umweltschutzgründen kam die Idee auf, alternative Energiequellen zu verwenden.

Eine Förderung mittels Solarpumpen hätte zu recht hohen Investitionskosten geführt. Da die Sonnenscheindauer auf maximal 8–10 Stunden limitiert ist, hätte dies zur Folge, dass man das Fördersystem auf eine Kapazität von 4,5 kW auslegen müsste.

Da sich in der unmittelbaren Nähe des Brunnens ein Bewässerungskanal mit einem mittleren Durchfluss von 1,8 m3/s und einem dreiteiligen Wehr befindet, bot sich die Nutzung der Wasserenergie an. Nachdem die Anwohner sowie die Betreiber des Bewässerungskanals der Nutzung eines der drei 2,2 m breiten Wehrsegmente zum Betrieb eines Wasserrades zugestimmt hatten, wurde dieser Gedanke weiter entwickelt. Der durchschnittliche Abfluss eines Wehrsegmentes beträgt in etwa 0,6 m3/s mit einer Wasserspiegeldifferenz vor und nach dem Wehr von etwa einem Meter. Mit einem angenommenen Wirkungsgrad eines mittelschlächtigen Wasserrades von 75% liegt die verfügbare mechanische Energie an der Wehrstufe bei etwa 4,4 kW und damit deutlich über der benötigten Pumpleistung.

Die Vorteile des Wasserrades bestehen darin, dass es 24 Stunden in Betrieb ist, die Betriebskosten gering gehalten werden, keine Treibstoffkosten entstehen, das Wasserrad aus lokal verfügbarem Material hergestellt wird und es von den Dorfbewohnern selbst gewartet werden kann.

3. Planung des Wasserrades

Die Planung des Wasserrades wurde von Herrn Dominik Tröster im Rahmen seiner Dip­lomarbeit bei CES in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Hartmuth Drews, Pinneberg-Waldenau, vorgenommen.

Abb. 3: Wasserrad mit installierten KolbenpumpenAbb. 3: Wasserrad mit installierten Kolbenpumpen

Für den vorliegenden Fall versprach ein mittelschlächtiges Wasserrad den besten Wirkungsgrad. Die Breite des Wasserrades wurde aufgrund der vorhandenen Gegebenheiten mit B = 1,70 m gewählt.

Mit folgender empirischen Formel ermittelt man annäherungsweise den dazu effektivsten Durchmesser:

D = 2 · (H + Ht + [Htmax + Ht] / 2) + 1 / H bei H <1,50 m

D = 2 (1,00 + 0,10 + [0,30 + 0,10] / 2) + 1 / 1,00 = 3,60 m

Gewählter Wasserrad-Durchmesser:

D = 3,80 m

Der mechanische Wirkungsgrad des Wasserrades beträgt

μ ~ 0,75

Die Leistungsminderung durch Reibung zwischen dem strömenden Wasser und dem Gerinneboden bzw. den Gerinnewänden wird durch einen Beiwert μA = 0,88 berücksichtigt.

Die Umfangsgeschwindigkeit beträgt vu = 1,25 m/s, was somit eine Drehzahl von

n = ~ 6,3 min–1 ergibt

Um den benötigten Betriebswasserdurchfluss von 0,60 m3/s zu gewährleisten, benötigt man eine hydrostatische Vorstauhöhe von

hc = v2 / 2 g = 2,12 / 19‚62 = 0,225 m

Empirisch errechnet sich die radiale Radkranzfüllung zu

Formel Gerstenkorn

Überschlagsmäßig sollte die radiale Kranztiefe das 2,5-fache der Radkranzfüllung haben, das entspricht

0,32 m · 2,5 = 0,80 m

Die errechnete Kranztiefe von 0,80 m wurde gewählt.

Anhand der Annahme, dass der Schaufelabstand t = 40 cm betragen soll, wird die Anzahl der Schaufeln ermittelt.

Schaufelanzahl n = D · π / t

n = 3,80 m · 3,14 / 0,40 m = 29,83 Stück

Gewählt wurde eine Schaufelanzahl n von 30 Stück mit t = 0,398 m.

Leistungsabschätzung:

Pmech = Q · Heff · g · μ · ρ

= 0,60 m3/s · 0,775 m · 9,81 m/s2 · 0,75 · 1

= ~ 3,4 kW

Abb. 4: Planungsskizze des WasserradesAbb. 4: Planungsskizze des Wasserrades

4. Bau des Wasserrades

Der Bau des Wasserrades und des Anströmbleches wurde im Rahmen des MRWS-Projektes unter Anleitung und Mitarbeit des Diplomanden in einer lokalen Metallverarbeitungswerkstatt realisiert.

Abb. 5: Bau des Wasserrades unter lokalen BedingungenAbb. 5: Bau des Wasserrades unter lokalen Bedingungen

Die Leitwände aus Holzbalken, das Anströmblech sowie die Montagevorrichtungen für die Wasserradlager und für die Kolbenpumpen sind auf einem Stahlrahmen in der Werkstatt vormontiert und fertig zur Baustelle geliefert worden.

Um die exakte Ausrichtung des Wasserrades auf der vorhandenen Betonsohle des Kanales zu erzielen, wurde eine Unterkonstruktion aus Stahlrohren und U-Profilen direkt auf der Baustelle zusammengeschweißt. Der vormontierte Rahmen wurde bei Anlieferung auf der vorher ausgerichteten Unterkonstruktion verschraubt. Das Wasserrad konnte nach erfolgreicher Ausrichtung und Fixierung des Unterbaues in den Rahmen eingesetzt werden.

Eine Herausforderung war am Ende, die korrekte Kraftübertragung von der Wasserradachse auf die Kolbenpumpen-Antriebsachse zu gewährleisten. Nachdem unterschiedlich große Keilriemenscheiben und Riemen ausschieden, wurde das Getriebe eines ausgemusterten Bulldozers über eine Kardanwelle an das Rad gekoppelt und dessen Achse über Keilriemen mit der Pumpe verbunden.

5. Anwendung

Das Projekt ist sehr erfolgreich und seit Juli 2011 wird die Gemeinde Kahe ununterbrochen mit sauberem Trinkwasser versorgt.

Eine Nachahmung der Technik in anderen Dörfern mit ähnlich gelagerten Voraussetzungen und ohne externe Unterstützung ist leider bislang nicht erfolgt.

Abb. 6: Ausrichtung des WasserradesAbb. 6: Ausrichtung des Wasserrades