Wasseraufbereitung in Entwicklungsländern

von Ann-Christin Pfeil, Alexander Doppelbauer und Simon Pelz Die Begabten AG des Melanchthon Gymnasiums in Bretten (MGB) bearbeitete in den letzten zwei Jahren ein Projekt mit dem Titel „Wasseraufbereitung in Entwicklungsländern“. Das Ziel des Projekts ist es Möglichkeiten aufzuzeigen, möglichst jedem Menschen den Zugang zu sauberem Trinkwasser zu ermöglichen. Genauer gesagt soll möglichst sauberes Trinkwasser für das Ezbet-Gebiet in Kairo zur Verfügung gestellt werden.  In einer präziseren Zielsetzung wurde festgehalten, dass die Wasseraufbereitung autark, autonom und günstig funktionieren soll. Die BegabtenAG des MGB arbeitet in diesem Projekt zusammen mit der deutschen evangelischen Oberschule (DEO) in Kairo und der Organisation Claim for Dignity e.V..
Im ersten Jahr des Projekts im Schuljahr 2015/2016 wurde entschieden, dass die Aufgabe mit Hilfe der Sonnenkraft gelöst werden sollte, da in Ägypten eine hohe Sonneneinstrahlung vorherrscht. Naheliegend war die Entscheidung Wasser zu erhitzen, um Bakterien und andere Schädlinge abzutöten. Dies soll durch einen Sonnenkollektor geschehen, der Wasser mit Hilfe der Sonne erhitzt. Das heiße Wasser des Primärkreislaufs gibt seine Energie über einen Wärmetauscher in einen Tank ab und wird anschließend wieder vom Sonnenkollektor erhitzt. Dabei sollte die Temperatur im Tank möglichst über 70 °C ansteigen, um möglichst viele Keime abzutöten. Nach Abkühlung ist das Wasser im Tank als Trinkwasser geeignet.
Im ersten Jahr des Projekts ging es also darum, den Prototyp aus Tank und Solarmodul fertigzustellen. Auf Basis des Atmega328P Prozessor wurden diverse Programme zur Steuerung der Anlage geschrieben, um eine sich selbst regulierende Anlage zu ermöglichen. Der Prototyp wurde fertiggestellt und erste Messungen konnten durchgeführt werden. Diese Messungen sind damals wie heute elementar, um Optimierungen und Verbesserungen der Anlage gezielt vornehmen zu können. Zur Automatisierung der Messungen wurden in Eigenarbeit Datenlogger gebaut und programmiert, welche die Messdaten automatisch speichern. Mit diesen automatisch aufzeichnenden Sensoren konnten auch Messreihen über mehrer Tage durchgeführt werden.
Schon nach einigen Messreihen kristallisierte sich heraus, das mit diesem Prototyp die erforderlichen 70-80°C im Tank nicht erreicht werden können. Deshalb wurde der Entschluss gefasst, die Anlage auszubauen und zu optimieren.
Im Schuljahr 2016/2017 (2. Projektjahr) wurde auch direkt ein Plan zur Optimierung und Fertigstellung der Anlage aufgestellt. Um noch mehr Sonnenenergie für die Erwärmung des Wassers zu gewinnen, wurde ein Photovoltaikmodul integriert. Dieses Modul liefert die elektrische Energie zum Betreiben der Pumpe und der Steuerung. Zudem liefert es Strom für einen im Tank montierten Heizstab. Darüber hinaus wird ein Lithium-Ionen Akku geladen. So kann die Anlage auch bei schechten Bedingungen oder in der Nacht das Wasser erhitzen.
Das Modul wurde von einem Unternehmen aus der Region gesponsert. Es kam die Idee auf, die Halterung des Photovoltaikmoduls so zu bauen, dass es sich nach der Sonne ausrichten kann, um den Energiegewinn zu erhöhen. Dieser Plan wurde umgesetzt und die automatisch gesteuerte Halterung des Moduls wurde nach einiger Arbeit fertiggestellt. Damit sich das Photovoltaikmodul automatisch zur Sonne ausrichten kann wurden Sensoren installiert und Programme geschrieben.
Als weitere Aufgabe galt es das vorhandene Solarmodul und das System zu verbessern. Hierzu wurde nach Absprache mit unserem teschnischen Betreuer Herr Edgar Walter der vorhandene 200l Wassertank durch einen kleineren 150l fassenden Tank ausgetauscht. Es muss nun also weniger Wasser erhitzt werden. Zudem wurden die Schläuche zwischen Solarmodul und Tank verkürzt. Das System verliert auf der Strecke zwischen Solarmodul und Tank weniger Energie.
Während dem 2. Projektjahr findet auch ein regelmäßiger Wissenstransfer mit den Schülern der DEO Kairo statt. Zudem werden Baupläne und Teilelisten erstellt, um den Schülern der DEO Kairo ein möglichst leichtes Nachbauen der Anlage zu ermöglichen.
Um das Projekt abzuschließen, muss die Wasseraufbereitungsanlage noch endgültig fertiggestellt werden. Das heißt das noch die letzten Programme geschrieben, Messreihen vervollständigt und letzte Feinschliffe an der Technik vorgenommen werden müssen.
Am 14. Juli wird dann diese Projektarbeit zur Wasseraufbereitung in Entwicklungsländern benotet, um eine Abiturnote für die Schüler festzumachen. Denn obwohl es bei diesem Projekt um die Zukunft von Entwicklungsländern geht, darf nicht vergessen werden, dass das Projekt eine Abiturprüfung für die Schüler darstellt.
  
English
Water treatment in developing countries
from Ann-Christin Pfeil, Alexander Doppelbauer und Simon Pelz
During the last two years, a science group from the Melanchthon secondary school of Bretten (MGB) developed a project called „Water treatment in developing countries“. The objective of the project is to create alternatives for guaranteeing drinking water access to people. Concretely, this project focuses drinking water offer in the Ezbet area of Cairo, Egypt. This endeavour conceives water treatment as a process that should function in a self-sufficient, autonomous manner. The students of MGB developed this project in cooperation with the German Protestant High School of Cairo (DEO) and Claim for Dignity.

In the first year of the project (2015/2016 school year) it was decided that this task had to count with solar energy, given that solar radiation in Egypt is strong. Besides, it was necessary to heat water to destroy bacteria and pests. This must be accomplished with a solar panel that heats the water with the help of sunrays. The hot water from the primary cycle releases its energy in the tank through a heat exchanger, it becomes warm again by the solar panel. If possible, water temperature should rise above 70 °C, so as many bacteria as possible are eliminated. After water cools down again it is ready for consumption.
In the first year of the project, there was also the goal of completing the prototype of a tank and a solar panel. Based on an Atmega328P processor, different programs were created to control the device and enable an autonomous mechanism. The prototype was finished and measurements were made. Just like before, the measures are essential to prepare further optimization and improvements of the mechanism. In order to automatise the measurement process, a data logger was constructed and programmed to automatically save the collected data. With the help of such automatic record sensors, it was possible to control the measures for several days in a row.
After a couple of attempts, it was already clear that this prototype would not reach the necessary level of 70-80 °C in the tank. It was then decided to dismount the mechanism and fix it. In the school year 2016/2017 (2nd year of the project) a plan was created to optimize and finish the device. For the sake of gaining more energy for water heating, a photo-voltaic module was integrated. This module provides electric energy to run the pumps and the controls. Besides, it provides energy for a heating rod that has been placed in the tank. It also charges a lithium-ion battery. Hence, this device can heat water even under bad weather conditions or during the night. 
The module was sponsored by a company from the region.
A concept was developed to construct the holder of the photo-voltaic module so it would turn towards the sun and gain more energy. This plan was implemented and the automatic holder of the module was finished by the team. Some sensors were installed to guarantee that the photo-voltaic module would automatically turn towards the sun. A program was developed as well. Another pending task was improving the existing system and the solar panel. After consulting our technical advisor, Mr. Edgar Walter, the previous 200 liters water tank was changed for a 150 liters tank. It was necessary to work with smaller quantities of water. Additionally, the hose between the solar module and the tank was shortened. The system losses less energy from the solar module to the tank in this way.  
In the second year of the project, a constant knowledge transfer occured between the MGB students and the personnel from DEO Cairo. Besides, building plans and parts lists were created to enable DEO Cairo students to effectively and rapidly reproduce the device. In order to finish the project, the water treatment device had to be fully implemented. Hence, the last programs were written, the measurements were completed and the final technical adjustments were made. On 14 July, this project work for water treatment in developing countries will be graded, and it will determine the final grade (Abitur) of the MGB students. Despite the fact that the project has been developed to be implemented in developing countries, we must not forget that it is part of their final examination.
 Español
Tratamiento del agua en países en desarrollo

Los miembros del club de ciencias del Liceo Melanchthon de Bretten (MGB) han trabajado durante los últimos dos años en un proyecto titulado „Tratamiento del agua en países en desarrollo“. El objetivo de este proyecto es abrir posibilidades para facilitar el acceso al agua potable de cada persona. En concreto, el proyecto busca garantizar el acceso al agua potable en Ezbet, un área de la ciudad de El Cairo. Esto se debe a la determinación de que el tratamiento de agua debe funcionar de manera independiente y auto-suficiente. El grupo de trabajo de MGB trabaja en este proyecto de manera conjunta con el Instituto de Enseñanza Evangélica de Alemania (Deutsche Evangelische Oberschule – DEO) en El Cairo y la organización Claim for Dignity.  
En el primer año del proyecto (año escolar 2015/2016), se tomó la decisión de trabajar en base a la energía solar debido a la fuerte radiación de Egipto. Claramente, la apuesta era calentar el agua para así destruir las bacterias y otros parásitos. Esto se realiza por medio de un panel solar, el cual calienta el agua por medio de la energía del sol. El agua caliente del primer ciclo deposita su energía en un tanque a través de un intercambiador de calor, y posteriormente es calentada de nuevo por el panel solar. La temperatura en el tanque debe subir por encima de 70 °C, para así eliminar la mayor cantidad de bacterias posible. Una vez el agua del tanque se enfría, se la considera apta para consumo.  
Otro objetivo del primer año del proyecto era terminar el prototipo de tanque y panel solar. En base a un procesador Atmega328P, se idearon diversos programas para controlar el dispositivo, y así crear una planta que pudiera autoregularse. El prototipo fue fabricado, con lo que fue posible realizar las primeras mediciones. Estas mediciones son en todo caso esenciales para poder plantear optimizaciones y mejoras del mecanismo. Para la automatización de la medición, se construyó y programó un data logger que grabara los datos de forma automática. Con estos sensores automáticos pudieron tomarse medidas durante varios días. Ya después de algunas mediciones se comprobó que con este prototipo no se podían alcanzar los 70-80 °C necesarios en el tanque. Por esto se decidió desarmar el dispositivo y mejorarlo.  
En el año escolar 2016/2017 (2 año del proyecto) se hizo un plan para optimizar y concluir el dispositivo. Así, se integró un módulo fotovoltaico para poder conseguir más energía solar que ayudara con el calentamiento del agua. Este módulo provee la energía eléctrica para mover la bomba y el control. De otra parte, provee también corriente para un calentador de inmersión puesto en el tanque. Adicionalmente se carga una batería de ión de litio. De esta manera, el dispositivo puede calentar agua en condiciones climáticas desfavorables o aún de noche.  
El módulo fue patrocinado por una empresa de la región.
Se desarrolló la idea de construir el soporte del módulo fotovoltaico de manera que se orientara hacia el sol, para maximizar así la ganancia de energía. El equipo de trabajo logró implementar el plan y también el direccionamiento automático del módulo. Igualmente, se desarrolló un programa y se instalaron sensores para garantizar que el módulo fotovoltaico girara automáticamente.  
La siguiente tarea era mejorar el módulo solar existente y su sistema. Después de consultar a nuestro asesor técnico, el señor Edgar Walter, se cambió el tanque de agua de 200 lts por uno de 150 lts. Hacía falta trabajar con menos agua. Además, se acortaron las mangueras entre el módulo solar y el tanque. De esta manera, el sistema pierde menos energía en el trayecto entre ambas partes.  
En el segundo año del proyecto se propició un intercambio continuo de conocimiento entre los estudiantes de MGB y el personal del DEO de Cairo. Actualmente se realizan planos de construcción y listas de partes, para facilitar a los estudiantes de DEO Cairo la reproducción del dispositivo.
Para concluir el proyecto hace falta perfeccionar el dispositivo de tratamiento de agua. Esto quiere decir: escribir los últimos programas, completar la serie de mediciones y hacer los  ajustes tecnológicos finales.
El próximo 14 de julio se califica este proyecto para el tratamiento de agua en países en desarrollo. La nota va incluida en el examen de selectividad (Abitur) de los estudiantes. Pese a que este proyecto ha sido desarrollado para implementación en países en desarrollo, no hay que olvidar que también hace parte del examen de selectividad de los estudiantes.