Aufrüstung einer Yacht von der Stange zur Blauwasseryacht

Hier wurde schon oft darauf hingewiesen, dass die Energieversorgung auf Langfahrtyachten das größte technische Problem ist. Denn fast immer wird es unterschätzt, weil "zu Hause", beim Segeln von Steckdose zu Steckdose, die elektrische Energie praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht. Erst unterwegs, zu spät für einfache Aufrüstungen zum langfahrttauglichen Schiff, wird vielen klar, was sie versäumt haben, als sie sich mit dem Thema nicht rechtzeitig auseinandergesetzt haben. Deshalb wurde das Thema Energieversorgung auf dem kommenden 12.Bobby Schenk`s Blauwasserseminar (hier ist das Programm!) wiederum zum Schwerpunkt. Nachfolgender Artikel, aus der erlebten Bordpraxis beim Langfahrtsegeln verfaßt, zeigt die Probleme auf und bietet praxiserprobte Lösungen für alle, die auf Große Fahrt gehen wollen, rechtzeitig an.

Energieverbrauch - was der Langfahrtsegler wissen muß zu: Batterien, Solarpanels, Windgenerator, Laderegler & Co.
von Sven Seren

Wieviel Energie brauche ich überhaupt auf Langfahrt? Das hängt auch davon ab, wie luxuriös oder spartanisch man unterwegs sein möchte. Da das sehr individuelle Ansichten sind, will ich im Folgenden am Beispiel unseres kleineren Segel-Katamarans Blue Felix (Catalac 10M - blue-felix.de) ein paar nachvollziehbare Beispielrechnungen aufführen, die als Anleitung dienen könnten, die eigene Energiebilanz grob abzuschätzen.

Hungriger Kühlschrank

Kühlschrank: Ist der Kühlschrank an, läuft der Kompressor bei uns ca. 1 min. Aus ist er dann für ca. 4 min, bevor der Kompressor erneut anspringt. Die Zeiten hängen sehr stark von der Außentemperatur und auch von der Isolierung ab; im kühleren Europa ist der Kompressor bei uns nur halb so lange gelaufen. Das kann man unkompliziert durch Hinhören und auf die Uhr schauen feststellen. Wenn der Kompressor arbeitet, fließt bei uns ein Strom von ca. 6 Ampere (messen oder in technischen Daten nachschauen). Wie hoch ist nun der Energieverbrauch des Kühlschranks in 24 Stunden? Würde der Kompressor permanent laufen, würde er pro Stunde (man bezieht den Energieverbrauch sinnigerweise auf die Zeiteinheit Stunde) verbrauchen:

Strom, der fließt x Zeit, die der Strom fließt (in Stunden) = 6 A x 1 h = 6 Ah

Der Kühlschrank hat also einen Energieverbrauch von 6 Amperestunden pro Zeiteinheit (= 1 Stunde). In 24 Stunden verbraucht er somit 24 x 6 Ah = 144 Ah. Nun ist der Kühlschrank aber nicht immer an, sondern nur solange, bis der Thermostat den Kompressor wieder ausschaltet, weil die gewünschte Temperatur erreicht worden ist:

„uptime“ Kühlschrankkompressor (in Prozent) = Zeit Kompressor an / Zeit Kühlschrank in Betrieb = 1 min / (1 + 4) min = 20%

Der Kompressor arbeitet und verbraucht damit Energie nur in 20% der Zeit. Bezogen auf den Verbrauch von 6 Ah ist der Verbrauch in 24 Stunden (angegeben als Ah/d; d = Tag): 24 x 6 Ah x 0,2 = 28,8 Ah/d

Für eine Kühlbox bei uns an Bord gilt vergleichbares. Insgesamt kostet uns also die Kühlung der Lebensmittel sowie das obligatorische kalte Bier rein rechnerisch rund 58 Ah/d.

Unterwegs frißt der Autopilot den Strom

Autopilot: Unser Autopilot benötigt ca. 6 A unter Last (also bei Kurskorrektur), ansonsten (Ruhestrom) ca. 1 A. Der Kurs wird allerdings je nach Wind, Welle, vor allem aber Trimm der Segel (und damit mehr oder weniger ausgewogenem Segeldruckpunkt), im Mittel nur ca. einmal alle drei Sekunden korrigiert. Und nur dann fließt der hohe Strom von 5 A für die Servopumpe. Und das im Mittel auch höchstens für eine Sekunde, was ausreicht, um die Ruder neu zu justieren. Die Servopumpe braucht also nur ca. in einem Drittel der Zeit Strom.

Energiebedarf Autopilot pro Stunde = 1 Ah + 5 A x 0,3 h = 2,5 Ah/h oder pro Tag: 60 Ah/d

Weitere Verbraucher: Wie kann nun der Energiebedarf all der kleineren Verbraucher, die installiert sind, abgeschätzt werden? Meist ist der Stromverbrauch auf den entsprechenden Geräten angegeben oder aber deren Energieverbrauch bzw. Leistung. Falls die Leistung (engl. Power) in Watt (oder was dasselbe ist, siehe Formel unten, in VA, also Volt x Ampere) angegeben ist:

Leistung (in Watt) = Spannung (in Volt) x Strom (in Ampere)

Anmerkung: Hier müsste eigentlich mit der aktuell anliegenden Spannung gerechnet werden, z.B. 13,8 V und nicht stur mit 12 V, was aber keinen großen Fehler zur Folge hat.

Wenn also z.B. auf dem 12 V-Ladegerät für das Laptop 90 W steht, dann fließt unter Volllast, also wenn der Laptopakku gerade geladen wird, das Laptop an ist und der Prozessor auch arbeitet, ein Strom von

Strom = Leistung / Spannung = 90 W / 12 V = 7,5 A

Würde das Ladegerät unter Volllast nun 24 Stunden laufen, läge der Energieverbrauch immerhin bei 180 Ah/d. Normalerweise ist der Laptopakku bei Benutzung aber schon halbwegs voll, OpenCPN benötigt eher wenig Rechenpower und das Display wird auch nur ab und zu aufgeklappt, um nach dem Kurs zu schauen. Somit muß das 90 W Netzteil auch nur liefern, was der Laptop für seine aktuelle Aufgabe gerade wirklich braucht und das ist je nach Gerät nur ein Bruchteil dessen. Unserer kommt mit ca. 3 A (entspricht 36 W) aus, selbst wenn das Display andauernd an ist und damit reduzieren sich die 180 Ah/d auf 72 Ah/d.

Obiges Beispiel soll vor allem zeigen, wie man mit Hilfe einer Leistungsangabe eines Geräts den Stromverbrauch ausrechnen kann. Um nun den Strom- bzw. Energieverbrauch für seine Yacht zu berechnen, muß man nun alle Verbraucher berücksichtigen und dann noch mit einrechnen, ob sie andauernd den so berechneten Strom verbrauchen oder ob dieser wie im Falle des Kühlschrankkompressors oder des Autopiloten zeitlich nur einen gewissen Prozentsatz lange fließt.

Wenn ich das für uns grob überschlage (bzw. mit Energiemonitor oder Zangenamperemeter messe), komme ich mit Funkgerät (nur Empfang, ca. 1 A), Navigationsinstrumenten (ca. 1 A), Navigationsbeleuchtung (1 bis 2 A, je nach Anzahl LEDs; wenn keine LEDs, Wattangabe pro Glühbirne beachten), Radio (ca. 1 A), einigen Kleinverbrauchern (< 1 A) wie z.B. Handyladegerät, auf ca. 300 Ah/d.

Größe der Batterie entscheidet

Eine Batteriebank müßte nun in etwa das Doppelte an Kapazität haben, um genügend Strom für unsere Verbraucher 24 Stunden lang zu liefern. Der Faktor 2 kommt daher, dass man eine „Batterie“ (also einen auf Blei/Säure basierenden Akkumulator) nur bis etwa zur Hälfte entladen sollte, damit sie dauerhaft keinen Schaden nimmt.

Nun haben wir aber nur ca. 250 Ah zu Verfügung und kommen damit trotzdem gut aus, weil die Batterien ja nicht 24 Stunden Strom abgeben und erst dann, in einem separaten Zyklus, wieder voll geladen werden. Bei uns hauptsächlich durch Solarpanels und Windgenerator, obwohl letzterer eine ziemlich untergeordnete Rolle spielt. Die Solarpanels laden die Batterien an einem nicht zu bewölkten Tag bis zum frühen Nachmittag voll auf und für den Rest des Tages liefern die Panels nur noch Strom für Ladungserhaltung und natürlich die Verbraucher. Das bedeutet, dass entladen nur wird in der Zeit, in der die Sonne nicht effektiv scheint und das ist derzeit bei uns in der Karibik der Fall zwischen ca. 4 Uhr nachmittags und ca. 8 Uhr morgens, je nachdem, wie das Schiff ausgerichtet ist. Unsere Solarpanels sind fest installiert und um ein paar Grad gekippt, damit Wasser abfließen kann. Würde man sie kippbar installieren, könnte man sie der Sonne ausrichten und die Zeit, in der sie Strom liefern, verlängern. Also immerhin müssen die Batterien das Schiff für ca. 16 Stunden mit Strom versorgen. Unser Energiemonitor (dieser zählt die Amperestunden, die aus der Batterie heraus bzw. in die Batterie hinein fließen) zeigt uns aber an, dass wir pro Nacht, in der wir vor Anker liegen (also fast immer) ca. 50 Ah verbrauchen. Hauptsächlich durch Kühlschrank und Ventilator. Die Kühlbox machen wir nachts aus.

Woher kommt der Strom?

Wieviel müssen dazu die Solarpanels liefern (wir sind mit etwa 500 Wp etwas überdimensioniert)?

Strom aus Solarpanels bei Mittagssonne = Leistung Solarpanels / Spannung = 500 Wp / 12 V = 41,7 A

Würden die ca. 40 A nun eine Stunde lang fließen, hätte die Sonne 40 Ah für uns generiert und damit die 50 Ah, die wir über Nacht verbraucht haben, schon fast wieder bereitgestellt. Dem ist aber nicht ganz so. In unsere Batterien fließen höchstens (gemessene) 30 A, weil die Batterien im aktuellen Ladezustand nicht mehr aufnehmen können, was bei unserer Batteriekapazität völlig normal ist (in etwa entspricht ein typischen Ladestrom in der Hauptladephase C/10, also 10% der Batteriekapazität, was in unserem Beispiel ja gerade 25 A ergibt). Das sollte auch bedacht werden, wenn mit der Maschine geladen werden soll. Bei den 25 A, die die Batterien aufnehmen, müßte die Maschine schon über 2 Stunden laufen, um die fehlenden 50 Ah aufzufüllen.

Steht kein relativ teurer Energiemonitor zur Verfügung, kann mit einem günstigen Zangenamperemeter der Stromfluss in die und aus den Batterien bequem genmessen werden.

Solarpanels brauchen Platz und Blick zur Sonne!

Dieses Fazit können wir aus unseren bisherigen Erfahrungen ziehen: Solarpanels mit einer ausreichenden Leistung sind eine feine Sache. Sie sind, einmal angeschafft und installiert, wartungsfrei (keine beweglichen Teile) und degenerieren kaum. Wenn man im Voraus eine grobe Überschlagsrechnung über den zu erwartenden Energieverbrauch anstellt, hat man später Ruhe (im wahrsten Sinne des Wortes, wenn man an das Batterieladen mit der Maschine denkt). Natürlich benötigen Solarpanels Platz (Abschattung beachten), allerdings läßt sich das mit einem vorhandenen Geräteträger (hier gibt es kaum Abschattung) oder Davits gut kombinieren. Unseren Windgenerator würden wir nicht mehr installieren, obwohl er sehr gut funktioniert, allerdings bei den eher überdimensionierten Solarpanels mit 500 Wp selten merklich zur Stromerzeugung beiträgt. Außerdem sucht man sich ja gerade geschützte Ankerplätze, wo der Wind sowieso nicht sehr stark bläst. Bei unserem Stromverbrauch hätten 300 Wp Solarpanels sicherlich auch gut ausgereicht. Unsere Konfiguration mit einem separaten Regler für jeden Stromlieferant hat sich gut bewährt (Vermeidung von Rückwärtsströmen), allerdings sollte man den Ladezustand der Batterien gut beobachten, um einer nicht vollständigen Ladung auf Dauer vorzubeugen. Dazu können wir einen fest installierten Batteriemonitor, der nicht nur den aktuell fließenden Strom messen kann, sondern auch die aus der Batterie und in die Batterie hinein fließenden Amperestunden zählt, wärmstens empfehlen. Insbesondere werden auftretende Fehler in der Bord-Elektrik dadurch sehr schnell erkannt.

Laderegler denken mit

Anmerkung zu Ladereglern. Ein Laderegler mißt, vereinfacht gesagt, permanent die Batteriespannung und paßt den Ladestrom dann fortwährend so an, dass möglichst schnell und batterieschonend die Ladeschluss-Spannung (etwa 13,8 V, variiert um einige hundert mV bei unterschiedlichen Batteriebauarten wie AGM etc.) erreicht wird. Der zeitliche Strom- und Spannungsverlauf beim Laden heißt Ladekurve und weist aufgrund der chemischen Vorgänge, die sich in der Batterie beim Laden abspielen, einige Charakteristika auf, aufgrund derer der Laderegler „weiß“, wann er im zeitlichen Verlauf des Batterieladens welche Spannung liefern muß (z.B. IUoU Kennlinie). Vereinfacht dargestellt, ist der Ladestrom am Anfang, also wenn die Batterie entladen ist, sehr hoch und fällt dann immer mehr ab, je voller die Batterie wird, bis er am Ende einen konstanten Wert annimmt, der dann nur noch für eine Ladungserhaltung sorgt. Und damit ergibt sich folgendes Problem: bei mehreren Ladereglern erhöht jeder einzelne Regler (egal ob Regler der Lichtmaschine, des Windgenerators oder der Solarladeregler) die Ladespannung, damit Strom in die Batterie fließen kann. Damit mißt aber ein weiterer Regler im System, der den anderen elektrisch ja parallelgeschaltet ist, eine erhöhte Batteriespannung und regelt die eigene Spannung zurück, was zur Folge hat, dass dieser Regler nicht mehr optimal lädt. Bei einer entladenen Batterie, also einer Batterie, die mindestens C/10 an Ladestrom aufnehmen kann, macht das nicht viel aus, da die Batteriespannung, solange die Batterie sich in der Hauptladephase befindet, im Wesentlichen durch den Ladezustand definiert wird. Die Batterie zieht die Spannung des Ladereglers somit durch den hohen Stromfluss nach unten. Wird sie voller, erhöht sich aber langsam die Batteriespannung, es fließt weniger Ladestrom und die Batteriespannung nähert sich langsam der Ladeschluss-Spannung an. In diesem Bereich der Ladekurve macht sich ein „Konkurrenzkampf“ der Laderegler untereinander bemerkbar. Die Batterie zieht nun nicht mehr die Terminalspannung nach unten, die Laderegler schalten zu früh auf Erhaltungsladung. Die Folge ist, dass die Batterie nicht vollständig geladen wird, was auf Dauer einen merklichen Kapazitätsverlust zur Folge hat. Erschwerend dazu kommt, dass ja während der Ladephase auch Strom aus der Batterie entnommen wird. Z.B. der Kühlschrankkompressor schaltet sich regelmäßig an und wieder ab, was aus Sicht des Ladereglers im zeitlichen Verlauf der Ladekurve immer wieder Spannungseinbrüche zur Folge hat, was wiederum dem optimalen Folgen einer definierten Ladekurve entgegen wirkt. Auch werden Solarpanels regelmäßig durch Wolken abgeschattet, was keinen konstanten Stromfluss ermöglicht.

Wie kann man dem entgegenwirken? Z.B., indem ein intelligenter Kombiregler verwendet wird, an den Solarpanels und Windgenerator angeschlossen werden. Oder, in dem z.B. eine Situation geschaffen wird, in der ein Laderegler dominiert, wie z.B. das gelegentliche Laden der Batterie nach Sonnenuntergang mit der Maschine (diese kann ja problemlos konstanten Strom liefern). Wir haben die Maschinen, außer in sehr wenigen Ausnahmefällen, nie zum Laden der Batterie verwendet und wir haben neben den Reglern der Lichtmaschinen 3 separate Regler (Regler Windgenerator, 2 x Solarladeregler). Wir behelfen uns mit folgendem Trick: Die Solarladeregler sind mit einem Temperaturfühler ausgestattet, der die Batterietemperatur permanent überwachen, und die temperaturabhängige Ladeschluss-Spannung anpassen soll. Dabei regelt der Laderegler die Ladeschluss-Spannung um einige 100 mV nach unten, wenn sich die Batterietemperatur erhöht, um einer weiteren Erwärmung durch zu hohen Stromfluss entgegenzuwirken. Diese an sich sinnvolle Regelung bei moderaten Temperaturen, ist im karibischen Temperatur-Regime (Hauptursache für den erhöhten Batterie-Verschleiß) jedoch kontraproduktiv, da hier die Ladeschluss-Spannung von vornherein zu weit abgesenkt und dadurch ein vollständiges Laden verhindert wird. Die „überhöhten“ Temperaturen kommen hier nicht von der sich beim Laden erwärmenden Batterie selbst, sondern herrschen bereits vor. Daher haben wir den Temperaturfühler, es handelt sich normalerweise um einen NTC (Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient), durch einen Poti (100 kOhm) ersetzt und können damit die Ladeschluss-Spannung in einem gewissen Bereich stufenlos einstellen (ca. 13,6 bis 15,6 V) und schaffen es so, unsere Batterien voll zu bekommen, da ein Laderegler mit einer etwas höheren Ladeschluss-Spannung das System dominiert und (dann allerdings als einziger) den letzten Teil des Batterieladens übernimmt, während die anderen Regler im System schon auf Erhaltungsladung geschaltet haben. Das erfordert ein (wenn auch simples) Eingreifen in den Laderegler und sollte nur gemacht werden, wenn man sich im Klaren darüber ist, was man tut. Insbesondere geschieht dies auf eigene Verantwortung! Mit dauerhaft zu hoher Ladeschluss-Spannung kann eine Batterie in kurzer Zeit zerstört werden.

Welche Solarpanels?

Solarpanels bestehen in der Regel aus „strings“ in Reihe geschalteter Solarzellen. Eine einzelne Solarzelle liefert unter realen Betriebsbedingungen in etwa eine Spannung von einem halben Volt. D.h., wenn man z.B. ein 16 V Solarpanel hat, sind dort normalerweise in etwa 32 Solarzellen in Reihe geschaltet. Wird nun nur eine einzige Solarzelle (wenn auch nur teilweise) abgeschattet, z.B. durch den Schatten des Mastes, Großbaums o.ä., liefert diese Zelle keinen relevanten Strom mehr. Solarzellen sind in Rückwärtsrichtung betriebene Dioden und eine Solarzelle, die keinen Strom liefert, verhält sich nun wie eine Diode und sperrt. D.h., obwohl alle anderen Solarzellen noch Strom liefern, kommt an den Terminals des Solarpanels kaum mehr etwas an. Werden mehrere Solarpanels parallelgeschaltet (um z.B. nur einen einzigen Solarladeregler verwenden zu müssen), kann durch ein teilweise abgeschattetes Solarpanel ein Rückwärtsstrom fließen, gespeist durch das nicht abgeschattete Solarpanel. Dieser Strom fehlt dann am Ausgang des Solarladereglers und damit ist nicht nur das abgeschattete Panel nahezu inaktiv, sondern auch das nicht abgeschattete liefert im schlechtesten Fall nur noch einen Bruchteil seines Nominalstroms.
Solarpanels, die für Hausdächer konzipiert wurden, haben eine höhere Spannung, sind also nicht für 12 V Systeme ausgelegt. Dafür sind sie billig, ca. 1 € pro Wp (das Wp steht für Watt peak und bezeichnet die Leistung unter optimalen Bedingungen, i.e. Sonne steht am Zenit). Es handelt sich dabei meist um multikristalline Standard-Silizium-Solarzellen, die ihren Zweck gut erfüllen (als Pendant zu monokristallinen Solarzellen, die aus dem höherwertigen Ausgangsmaterial monokristallines Silizium gefertigt werden. Der höhere Preis dafür rentiert sich allerdings eher selten). Die überschüssige Spannung solcher Solarpanels kann allerdings durch einen geeigneten 12 V Laderegler in nutzbaren Strom umgewandelt werden (Stichwort maximum power point tracking „MPPT“ bzw. pulse width modulation „PWM“. Einfache, billigere Laderegler „vernichten“ die überschüssige Spannung durch Wärmegeneration über einen Shunt-Widerstand.). Solarpanels bestehen aus in Reihe geschalteten, sehr empfindlichen Halbleiterbauelementen, den Solarzellen, die hermetisch unter Glas in eine Kunststoffschicht einlaminiert werden. Die Reihenschaltung geschieht dabei durch Verlöten. Ist das Solarpanel nicht mehr 100% dicht, degenerieren neben den Solarzellen selbst auch die Lötstellen durch Oxidation und das Panel liefert weniger Strom (hat aber meist noch die nominale offene Klemmenspannung Voc).

Sogenannte Rückkontakt-Solarzellen sind optisch ansprechend (dunklere, gleichmäßige Oberfläche, keine sichtbare Grid-Struktur der Frontkontakte auf der Zellvorderseite) und liefern etwas mehr Strom (da der Frontkontakt auf die Rückseite verlegt wurde und somit keine Abschattung mehr verursacht). Allerdings müssen diese in der Regel mit elektrisch leitenden Klebern verschaltet werden, die sehr viel anfälliger gegen Degeneration sind (bedingt durch eindringende Feuchtigkeit, hohe Temperaturen, etc.), was zur Folge hat, dass diese Module, die zudem merklich teurer sind, nach wenigen Jahren ausfallen können.

zur Home-Page

Page by Bobby Schenk
E-Mail: mail@bobbyschenk.de
URL of this Page is: https://www.bobbyschenk.de/n005/energ.html