Strom aus Licht

Zelle

27.12.2011 von Michael Häßler

Strom an Bord ist immer Mangelware, besonders wenn man gerne am Anker übernachtet oder aus anderen Gründen keinen Landstrom zur Verfügung hat. Dem kann man begegnen, indem die Batteriekapazität erhöht wird, indem man einen Generator einbaut, Solarpanels installiert oder ganz modern und klimapolitisch korrekt mit Brennstoffzellen Strom aus Alkohol erzeugt.

Die solare Stromversorgung ist zwar verlockend und populär, scheitert aber oftmals an der Realität, die in diesem Fall „große unbeschattete Fläche“ heißt und zumindest auf Segelbooten selten in ausreichender Größe vorhanden ist. Die Preise für die Panels sind permanent in Bewegung und in letzter Zeit deutlich gesunken. Insbesondere monokristalline Panels aus fernöstlicher Fertigung für die Hausinstallation sind zu relativ preisgünstigen Massenartikeln geworden, während sich bei den Preisen für  trittfeste, polykristalline Panels wenig bewegt, die für Boote schon unter dem Aspekt des Diebstahlschutzes deutlich besser geeignet wären.

Bevor man jetzt aber vorschnell auf Einkaufstour geht, sollte man ein paar Fakten zusammentragen. Am Anfang jeder Stromversorgung steht die Energiebilanz, das heißt eine möglichst realistische Auflis­tung, was jeder Verbraucher pro Tag an Strom „verkonsumiert“. Auf der anderen Seite dieser Bilanz steht die Speicherkapazität der Akkus, ohne die es schon deswegen nicht geht, weil Solarstrom nur zur Verfügung steht, solange die Sonne scheint. Daraus ergibt sich die maximale Zeit, die man von externer Stromzufuhr unabhängig ist. Die Ladung durch die Lichtmaschine kann man bei Segelbooten nicht als feste Größe einplanen und bei Motorbooten wird die Sache erst dann interessant, wenn ein sogenannter Hochleistungsregler installiert ist, der den Lichtmaschinenstrom tatsächlich in überschaubarer Zeit in die Batterien bekommt. Der serienmäßige Lichtmaschinenregler ist nur dafür ausgelegt, die vom Anlasser entnommene geringe Kapazität wieder „nachzufüllen“. Er ist  mit seiner (spannungsbegrenzten) W-Kennlinie nicht in der Lage, große Batteriebänke in passabler Zeit aufzuladen. Je voller die Batterie wird, um so weniger Ladung nimmt sie pro Zeiteinheit von der Lichtmaschine auf. Ladezustände von mehr als etwa 70 Prozent sind unter realistischen Bedingungen so kaum zu erzielen.

Solarzellen können daher eine sinnvolle Möglichkeit auf Booten sein, zusätzlichen elektrischen Strom zu gewinnen. Bei Bojenliegern ist dies gleichzeitig auch die einzige Möglichkeit, die Bordakkus zu laden. Auch im Winterlager ist es oft nicht möglich, das Boot an die Steckdose anzuschließen. Die Alternative wäre, die Batterien zu Hause einzulagern und diese entweder permanent an ein dafür geeignetes Ladegerät mit geregelter Erhaltungsladung anzuschließen oder sie alle paar Wochen mal voll zu laden.

Das Ladegerät für die Verbraucherbatterie muss eine IUoU-Kennlinie besitzen. Ver­einfacht ausgedrückt heißt das, dass zuerst mit der vollen Stromstärke (I) bis knapp unter die Gasungsspannung von 14,4 Volt geladen wird. Danach ist die Batterie zu etwa 80 Prozent voll. Jetzt beginnt die „Nachladephase“ mit einer konstanten Spannung (U), wobei der Strom mit fortschreitender Ladung sinkt. Diese Phase ist besonders bei Verbraucherbatterien mit ihren dicken Bleiplatten für eine lange Nutzungsdauer wichtig. Nach etwa vier Stunden oder wenn die Stromstärke unter einen bestimmten Wert fällt, ist der Akku voll und das Ladegerät schaltet (0) auf eine konstante Erhaltungsspannung (U) um.
Einfache Ladegeräte mit W-Kennlinie haben auf einem Boot nichts verloren, weil solche Geräte die Spannung nicht begrenzen und die Batterien langsam aber sicher überladen werden können. Im günstigsten Fall merkt man das rechtzeitig und kann durch Nachfüllen von destilliertem Wasser einen größeren Schaden verhindern. Der Ausgangsstrom solcher Lader sollte niemals zehn Prozent der Batteriekapazität überschreiten.

Etwas besser geeignet sind Laderegler mit W(o)-Kennlinien, die bei einer bestimmten Spannung abschalten. Damit verhindert man zwar die Überladung, wird eine Batterie aber niemals ganz voll  bekommen. Der Akku wird nicht lange halten, weil teilentladene Batterien einer fortschreitenden Sulfatierung unterliegen, was deren Speicherfähigkeit mit fortschreitendem Alter drastisch reduziert. Das Beste, was  man für seinen Bleiakku tun kann, ist diesen immer voll zu halten.
Eine Wae-Kennlinie schaltet bei einer bestimmten Spannung auf eine konstante Erhaltungsladung von typischerweise 13,2 bis 13,8 Volt um. Ein solches Ladegerät kann, wie auch ein IUoU-Lader, längere Zeit angeschlossen bleiben. Das muss es aber auch, um den Ladezustand des Akkus auf 100 Prozent zu bringen, weil es gegen den immer höher werdenden Innenwiderstand arbeitet.

Solarregler
Diese Fakten treffen auch auf Laderegler für Solarpa­nels zu, ohne den ein Panel nicht an eine Batterie angeschlossen werden kann. Dessen Spannung muss, je nach Ladezustand, begrenzt werden.
Auch braucht der Regler eine Sperrdiode, damit das?Panel die Batterie nachts nicht entlädt. Als Maßnahme, um längerfristig ein Überladen der Akkus zu verhindern, braucht man, als einfachste Variante, eine Spannungsbegrenzung, die die Akkuspannung auf 13,8 Volt begrenzt.  Solche einfachen Regler eignen sich aber nur dann, wenn das Solar­panel nur unterwegs die Bordspannung puffern soll und das?Boot normalerweise von einem hochwertigen Ladegerät mit Landstrom versorgt wird, das die Batterien regelmäßig voll lädt.  

Eine kompliziertere Ladeelektronik ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Solarpanel die alleinige Stromquelle ist. Um die Batterien regelmäßig voll zu laden und um deren vorzeitiges Ende zu verhindern, ist eine mehrstufige Kennlinie notwendig. Hier zu sparen, bringt nichts, denn mit billigen Ladereglern braucht man bald neue Batterien, und die sind in jedem Fall teurer.
Eine besondere Form der Laderegelung stellen die „MPP-Regler“ dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Shuntreglern halten diese die Modulspannung auf einem Wert, bei dem das Solarmodul am „Maximum Power Point“ arbeitet, also an dem Punkt, bei dem die Funktion aus Spannung und Strom die höchste Leistung ergibt. MPP-Regler können die „Energieausbeute“ erhöhen, lohnen sich aber nur bei größeren Anlagen und auch nur bei kühlen Außentemperaturen. Je wärmer das Panel ist, umso mehr sinkt dessen Spannung und somit auch der Vorteil eines MPP-Reglers.

Die Gasungsspannung der Batterie beträgt normalerweise 14,4 Volt, kann bei hoher Temperatur aber auch darunter liegen. Deshalb verfügt ein guter Laderegler über einen Temperatursensor und passt seine Ausgangsspannung so an, dass die Batterie keinen Schaden nimmt. Weiterhin ist es wichtig, dass nach dem Laderegler möglichst keine Spannungsverluste mehr auftreten, was durch kurze und ausreichend dicke Kabel gewährleistet wird. Auch auf geringe Übergangswiderstände an Klemmen und Steckern sollte geachtet werden. Eine zu geringe Ladespannung verlängert die Ladezeit.
Monokristalline Zellen

Bei Solarpanels gibt es grundsätzlich drei verschiedene Bauformen. Monokris­tallin, polykristallin und amorph. Die monokristalline Zelle hat auf ihre Fläche bezogen den höchsten Wirkungsgrad bei idealen Bedingungen und die höchste Nutzungsdauer. Sie ist aber relativ empfindlich, was Abschattungen oder Bewölkung anbelangt. Schon der Schatten einer Leine kann die Stromausbeute des gesamten Panels drastisch einbrechen lassen, weil sich die Ausgangsleistung des gesamten Moduls an der schwächsten Zelle orientiert. Daneben erzeugt die monokristalline Zelle die höchsten Fertigungskosten und ist mechanisch relativ empfindlich. Sie muss in einem stabilen Rahmen unter einer robus­ten Glasplatte eingebettet werden und ist nicht trittfest. Ein solches Panel eignet sich in kleinerer Ausführung insbesondere zum temporären Pufferbetrieb am Ankerplatz und verschwindet ansonsten unter Deck. Zumindest bei Segelbooten kann es selten so untergebracht werden, dass es gleichzeitig unbeschattet ist und nicht „im Weg rumliegt“. Bei Motorbooten mit festem Steuerhausdach sieht die Situation wieder anders aus. Hier lässt sich eher ein geeigneter Platz für die feste Installation finden. Auch ein Geräteträger ist ein sinnvoller Ort. Monokristalline Import-Panels sind mittlerweile zum Massenartikel geworden. Ein 50-Watt-Modul ist für etwa 100 Euro zu bekommen.

Polykristalline Zellen

Bei den Fertigungskosten und vom Energieverbrauch her sind polykristalline Zellen günstiger, die grundsätzlich eine ähnliche Leistungscharakteristik wie monokris­talline Zellen besitzen. Sie benötigen bei gleicher Leis­tung aber etwas mehr Fläche.
Außer in der starren Ausführung mit Metallrahmen lassen sie sich auch zu dünnen, bis etwa drei Prozent biegsamen Modulen verarbeiten und eignen sich dadurch, um flächig auf dem Deck verklebt zu werden. Dadurch werden die Module begehbar und können an leichte Deckswölbungen angepasst werden. Auch ist die Diebstahlgefahr gering. Der „Pferdefuß“ dabei ist die Anschlussdose für das Kabel, die etwa einen Zentimeter über das Modul hervorsteht. Dahinter kann sich eine Leine verhaken und das Modul beschädigen. Solche Panels kosten etwa 600 Euro pro 50 Watt.
Amorphe Zellen

Sind die Standortbedingungen, durch Abschattungen oder mangels direkter Ausrichtung zur Sonne ohnehin nicht ideal, kann ein amorphes Dünnschichtmodul bei gleicher Leistungskategorie den besseren Durchschnittsertrag als kristalline Module liefern. Amorphe Panels sind bei gleicher Nennleistung aber deutlich größer als kris­talline Module. Insbesondere für kritische Anwendungen, beispielsweise unter einer lichtdurchlässigen Winterlagerlagerplane kann dieses Panel gut geeignet sein, wenngleich die Stromausbeute im nebligen Bodensee-Winter generell als katastrophal zu bezeichnen ist. Soll ein Panel unter der Plane auch im Dezember und im Januar eine brauchbare Erhaltungsladung liefern, muss dieses sehr großzügig dimensioniert sein. Je nach Standort sollte man ab etwa 30 Wp einplanen. Bindet man es außerhalb der Plane fest, kann es auch kleiner ausfallen, man muss aber das Diebstahlrisiko mit einkalkulieren. Vor allem im Bereich der Dünnschichttechnik ist noch mit großen Fortschritten zu rechnen, weil hier, aufgrund der geringen Fertigungskosten, die höchste Gewinnspanne lockt. Ein amorphes 50-Watt-Modul ist derzeit für etwa 160 Euro zu bekommen. Neben starren Panels sind insbesondere flexible Dünnschichtmodule interessant, die beispielsweise auch in die Persenning eingenäht werden könnten. Solche Panels können auch „fliegend“ verwendet und dort an Reling oder Aufbau gebunden werden, wo gerade die Sonne scheint. Sie werden meistens in kleinerer Ausführung hergestellt und kosten bei 25 Watt Leistung etwa 350 Euro. Das sind 700 Euro für 50 Watt.

Ausrichtung zur Sonne
Die Leistung von Solarpanels wird in Watt Peak (Wp) angegeben. Das ist ein reiner Laborwert, dessen Parameter in der Praxis praktisch nie vorhanden sind und der deshalb nicht für seriöse Berechnungen zur „Stromausbeute“ herangezogen werden kann.

Deswegen sind auch viele vollmundige Angaben über die Leistung von Solaranlagen nicht haltbar, weil ihnen die installierte, theoretisch mögliche Laborleistung zugrunde liegt und nicht die Leistung, die tatsächlich erzeugt wird. Im praktischen Betrieb unterscheiden sich beide Werte deshalb teilweise dramatisch.
Die Sonne ist eine wandernde, punktuelle Lichtquelle. Ein Solarpanel ist in eine Himmelsrichtung und in einem bestimmten horizontalen Winkel ausgerichtet. Nur genau dann, wenn die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Modulfläche treffen, kann die Maximalleistung erzielt werden. Dazu kommt, dass ein Boot auch mal seinen Kurs ändert beziehungsweise um seinen Anker oder die Boje schoit. Deshalb kann das Solarpanel auf dem Boot sinnvollerweise nur waagerecht platziert werden.
 Wie viel Strom eine Solaranlage tatsächlich erzeugt, hängt aber noch von anderen Faktoren ab. Beispielsweise wird der Ertrag umso geringer, je wärmer das Modul wird. Deswegen ist eine Hinterlüftung sinnvoll.

Erzielbare Leistung
Eine sehr grobe Faustformel besagt, dass in unseren Breiten die Peakleistung des Panels mit dem Faktor vier multipliziert werden kann, um einen durchschnittlichen sommerlichen Tagesertrag in Wattstunden zu erhalten. Im Mittelmeerraum gilt dafür der Faktor fünf.
Ein Panel mit einer Peak­leistung von 50 Watt wird in unseren Breiten im Juni und Juli durchschnittlich etwa 200 Wattstunden am Tag generieren, wenn es waagerecht und unbeschattet montiert wird. Das ergibt mit den entsprechenden Ladeverlus­ten durchschnittlich etwa 14 Amperestunden, die pro Tag in der Batterie gespeichert werden. An sonnigen Tagen liegt dieser Ertrag aber deutlich höher, während an trüben Regentagen die erzeugte Leistung kaum der Rede wert ist. Minimum und Maximum liegen also jeweils weit von der Durchschnittsleistung entfernt.

Praktische Erfahrungen des Autors zeigen, dass ein monokristallines 50-Watt-Modul, das waagerecht auf dem Achterschiff festgebunden ist, an sonnigen Tagen die Energie für eine Kompressorkühlbox mit 40 Litern Inhalt bereitstellt. Der nächtliche Verbrauch an Batteriestrom wird bis zum folgenden Abend ebenfalls wieder ausgeglichen. Wer auch an trüben Tagen vom Land­strom unabhänig sein will und Wert auf kalte Getränke legt, braucht aber eine relativ große Batterie.
Batterien

Grundsätzlich sind die Akkus das limitierende Element jeder Energieversorgung. Bleiakkus brauchen, weitgehend unabhängig von der Kapazität des Ladegeräts, mehrere Stunden, bis sie voll sind. Das liegt daran, dass Bleiakkus den angebotenen Strom nicht in unbegrenzter Höhe aufnehmen können. Etwa 20 bis 25 Prozent der Nennkapazität ist bei normalen Bleiakkus und hochwertigen Ladegeräten realis­tisch. Eine Batterie mit 80 Amperestunden kann danach etwa 16 bis 20 Ampere Ladestrom aufnehmen.

Seit einiger Zeit gibt es  „schnelle“ AGM-Akkus, die mehr Ladestrom aufnehmen können. Aber auch AGM-Akkus brauchen Zeit, bis sie zu 100 Prozent voll sind. Auch entstehen bei jedem Ladevorgang Verluste, die umso höher ausfallen, je mehr Strom der Generator in Richtung Batterie schickt.  Unter anderem ist auch das ein Grund, weshalb sich eine Solaranlage, die ihren Strom in Bleiakkus speichert, energetisch nie amortisieren kann. Aber das ist ein anderes Thema.
Ein weiterer Effekt bei der Batterieladung ist, dass der?Innenwiderstand mit steigendem Ladezustand ebenfalls ansteigt. Und zwar exponentiell. Das heißt, dass die Ladung umso langsamer vonstatten geht, je voller die Batterie ist. Auch das spricht für eine große Batteriebank, denn von einem gegebenen Ladestrom kann eine große Batterie in gleicher Zeit einen höheren Anteil speichern.

Spätestens seit ein amerikanischer Klima-Börsenhändler den Friedensnobelpreis verliehen bekam, träumt die ökobewegte Welt von Elektromobilität. Dazu sind aber Batterien mit völlig anderen Betriebscharakteris­tika notwendig. Ein hoffnungsvoller Anfang der grünen Zukunft könnten Lithium-Ionen(LiIon)-Akkus sein, wie man sie von Laptops oder Handys her kennt. Eine Weiterentwicklung sind Lithium-Eisen-Polymer-Akkus (LiFePo), die eine höhere Betriebssicherheit aufweisen und nicht „thermisch durchgehen“, also abbrennen können. Diese Akkus können sehr schnell geladen werden und besitzen eine hohe Energiedichte, sind also sehr klein und insbesondere deswegen für den Einsatz auf einem Boot höchst interessant. Der Nachteil ist ihr exorbitanter Preis. So kostet ein LiFePo-Akku von Mastervolt, der mit einer Kapazität von 320 Amperestunden und 2000 Zyklen gut für den Einsatz auf einem mittelgroßen Boot geeignet wäre, fast 5500 Euro. Er besitzt eine Nennspannung von 12 Volt, hat ein Gewicht von 55 Kilogramm und die Maße 623 ? 199 ? 345 Millimeter. Er liefert einen kurzfristigen Anlasserstrom von über 3200 Ampere und kann deswegen sowohl als Verbraucher- wie auch als Starterbatterie verwendet werden. Bei Lithium-Akkus gibt es keinen „Peukert-Effekt“, das heißt, dass die Kapazität, anders als beim Bleiakku,  konstant und nicht vom Entladestrom abhängig ist.

Bis die Preise für die effizientere Akkutechnik auf einem akzeptablen Niveau angekommen sind, dürften sie eher als „zukunftsweisend“ anzusehen sein,  denn derzeit sieht die Welt der Bootsbatterien noch deutlich banaler aus: Auf einem Boot mit kleinen Verbrauchern dient die Starterbatterie gleichzeitig als Verbraucherbatterie. Sinnvollerweise schaltet ein Tiefentladeschutz alle Verbraucher bis auf den Anlasser ab, wenn die Spannung auf einem niedrigen Niveau angekommen ist, unter dem ein Motorstart kritisch werden könnte.

Eine Starterbatterie enthält viele dünne Bleiplatten mit großer Oberfläche, damit über einen kurzen Zeitraum hohe Ströme abgegeben werden können. So dünne Platten sind im teilentladenen Zustand aber sehr schnell wegkorrodiert, weshalb eine solche Batterie für zyklischen Betrieb mit hoher Entladetiefe nicht geeignet ist. Batterien für diese Bedingungen sind mit wenigen, dafür aber dicken Platten ausgestattet.

Offene Batterien sind auf Segelbooten nur bedingt geeignet, weil sie bei Krängung auslaufen könnten. Hier sind geschlossene Batterien vorzuziehen, wenngleich diese nicht aufgefüllt werden können. Das sollte in der Praxis aber keine Rolle spielen, weil Flüssigkeitsverlust nur bei zu viel Spannung durch ein minderwertiges Ladegerät auftritt.
Getrennte Batterien für Motorstart und Versorgung  sind sinnvoll. Mit Kühlschrank ist eine ausreichend große Servicebatterie ohnehin unerlässlich.

Optionen

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Weitere Infos

Der Laderegler ist direkt am Akku platziert. Das ermöglicht kurze Kabelwege mit geringen Verlusten nach der Regelung und die Erfassung der Akkutemperatur durch den integrierten Sensor. Der Regler hat eine IUoU-Kennlinie und ist damit in der Lage, bei abgeschalteten Verbrauchern die Batterien voll zu laden. Während der I-Phase lädt er mit vollem Strom, bis eine Spannung von 14,4 Volt erreicht ist. Diese Spannung wird so lange gehalten, bis nur noch ein minimaler Strom fließt. Danach schaltet er auf die zweite U-Phase um und hält den Akku auf einer konstanten Erhaltungsladung.

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