Blackout (3): Stromerzeugung

Blackout (5): Solarstrom-Praxis

Blackout (4): Solarstrom

Über viele Jahrzehnte war Notstromversorgung synonym mit einem Benzin- oder Dieselmotor, der an einen Stromgenerator geflanscht war. Im Baumarkt bekommt man solche Geräte für wenige 100 EUR. Für die Blackout-Vorbereitung sind sie aber meist ungeeignet: Benzin ist nur wenige Monate haltbar und das Öl im Motor auch nicht viel länger. Man muss also regelmäßig einen Ölwechsel machen und das Benzin erneuern. Diesen Weg kann also vorzugsweise jemand gehen, der für den Stromgenerator auch anderweitig Verwendung hat – etwa am Wochenend-Grundstück ohne Stromanschluss. Die überzeugende Alternative ist eine Solar-Stromversorgung:

• Solarmodule altern kaum.
• Wenn man Akkus etwas pflegt, halten sie mindestens 5 Jahre.
• Benzingeneratoren kann man längst nicht überall betreiben. Außerdem sind sie laut. Im Ernstfall will man auch nicht die ganze Nachbarschaft darauf hinweisen, dass man noch Strom hat.
• Im Blackout wird es schwierig, Benzin aufzutreiben. Die Sonne scheint auch bei Stromausfall – jedenfalls immer wieder.

Betrachten wir deshalb die Fotovoltaik für den Stromausfall etwas genauer.

1. Den Strombedarf bestimmen

Im einfachsten Fall reicht es, ein paar USB-Geräte zu laden: Handy zum Radiohören, ein paar Lampen. Wärme muss man anders erzeugen. Standard-Beispiel: Ein Gas-Campingkocher ist im Ernstfall unverzichtbar und ausgesprochen billig. Aufwändiger wird es, wenn man beispielsweise trotz Stromausfall einen Kühlschrank betreiben muss. Damit meine ich nicht, dass das Gefriergut auftaut: Das ist noch ein paar Tage haltbar und in der Zeit kann man Vieles davon essen. Ich denke eher an Diabetiker, die ihr Insulin kühlen müssen. Es gibt auch medizinische Geräte, die für ihre Nutzer unverzichtbar sind.

Im Fall USB-Geräte sollte man als erstes alle Powerbanks mit eingebauten Solarzellen vergessen: Aus Solarmodulen mit weniger als etwa 30 x 30 cm Fläche kommen keine sinnvollen Leistungen heraus. Diese Solar-Powerbanks sind aber sowieso widersprüchliche Produkte: Das Solarmodul muss in die pralle Sonne, während die nasse Chemie im Akku möglichst kühl bleiben soll. Egal wie: Da kommt auch an einem sonnigen Tag kaum genug heraus, um ein Handy auch nur einmal zu laden.

Wer eine begrenzte Menge Kühlgut durch den Stromausfall bringen muss, sollte an eine Kühlbox aus dem Wohnmobil-Bereich denken, weil deren Leistungsbedarf gewöhnlich viel geringer ist als der eines üblichen Kühlschranks. Die Kühlbox kann man direkt aus einem 12-V-Akku betreiben, womit man sich den Spannungswandler auf 230 V samt seiner Verluste spart. Bei der Kühlbox sollte man auf die minimale Betriebsspannung achten: Bis 11 V herunter muss diese Kühlbox auf jeden Fall funktionieren. Optimal ist eine Einstellmöglichkeit für die minimale Batteriespannung, damit man den Akku nicht beschädigt. Die meisten Akkus reagieren höchst empfindlich auf Tiefentladung.

Aufwändig wird es auch, wenn man 230-V-Geräte weiter betreiben will: Man braucht einen Wechselrichter und viele Geräte haben einen sehr hohen Anlaufstrom. Das gilt vor allem für alles, das einen Motor enthält. Ein Kühlschrank mag im Betrieb nur 80 W aufnehmen, aber ein 300-W-Wechselrichter schaltet vermutlich bei Einschalten wegen Überlast ab – und wenn es nur ist, weil der Akku unter dem Anlaufstrom in die Knie geht. Wenn der Akku das Problem ist, bekommt man das Problem vermutlich mit einem Powercap in den Griff, wie ich das bei meiner Kurzwellen-Mobilstation erfolgreich geschafft habe. Problematisch ist auch, den Wechselrichter durchlaufen zu lassen: Selbst wenn nichts dranhängt, saugt ein Wechselrichter 10 W oder auch deutlich mehr. Nur wenige, relativ teuere, Wechselrichter haben eine Zeitsteuerung. Die schaltet den Wechselrichter in einstellbaren Intervallen ein. Falls dann kein Gerät Strom zieht, legt sich der Wechselrichter wieder schlafen.

An anderer Stelle tun auch Geräte weh, die zwar recht wenig Leistung brauchen, das aber über lange Zeit: Bei kleineren Anlagen kostet das Speichern von 1 kWh Energie mehrere 100 EUR. Ernsthaft billiger wird es nur im Eigenbau, der aber vor allem aus Sicherheitsgründen nicht ganz trivial ist.

Es lohnt sich also, den Energiebedarf genauer zu bestimmen. Für 230-V-Geräte gibt es passende Zwischenstecker, um die entsprechenden Daten zu sammeln. Für Gleichspannungsverbraucher eignen sich Geräte, wie ich sie zur Akkuüberwachung nutze. Wenn man einen Wechselrichter nutzen will, muss man dessen Wirkungsgrad berücksichtigen, zudem dessen Leerlaufverluste. Auf den 230-V-Verbrauch sollte man deshalb 50% aufschlagen.

2. Die Akkutechnik bestimmen

Aus dem Leistungsbedarf und der Überbrückungszeit kann man die Akkukapazität bestimmen. Vor allem bei Bleibatterien findet man gewöhnlich nur Nennspannung und Nennkapazität. Diese beiden Angaben kann man multiplizieren: 12 V * 7 Ah = 84 VAh = 84 Wh. Allerdings kann man davon bestenfalls die Hälfte nutzen, will man den Akku nicht beschädigen: Die 84 Wh bekommt man sowieso nur heraus, wenn man den Akku über 20 h gleichmäßig entlädt und das auch nur vielleicht 30mal. Entnimmt man 84 W, ist der Akku nach etwa 30 min leer.

Die nächsten zwei Absätze sind nur für Selbstbauer interessant, denn die Bleitechnik ist ein Auslaufmodell.

KFZ-Batterien sind auf den ersten Blick die billigsten, für unseren Zweck aber ungeeignet: Sie sind für ganz kurze Stromstöße gedacht (Anlassen des Motors) und sollen unmittelbar danach wieder aufgeladen werden. Beim Anlassen werden nur wenige Ah genutzt. So betrieben halten sie leicht 5-8 Jahre durch, nicht aber in einer Notstromversorgung.

In Alarmanlagen usw. werden andere Bauformen (Blei-Gel, AGM, Vrla...) genutzt. Dort werden sie routinemäßig nach drei Jahren ausgetauscht. Genau das ist eine Chance, weil man solche gebrauchten Akkus relativ leicht und billig bekommt. Mir liefen mal zwei 12 V/100 A-Blei-Gel-Akkus für 30 EUR über den Weg. Die mögen nicht mehr die ursprüngliche Kapazität haben und auch nicht mehr so große Ströme liefern. Aber bei mir sind sie seit zwei Jahren das Rückgrat meiner Notstromversorgung.

Wenn man Akkus neu kaufen muss, sollte man jede Bleitechnik vermeiden. Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LiFePO4) ist in jeder Hinsicht überlegen, gerade auf längere Sicht:

• Man kann etwa 80% der Nennkapazität mehrere 1000mal nutzen.
• Die Batteriespannung ist über einen weiten Ladungsbereich fast konstant.
• Man kann auch große Ströme entnehmen, ohne dass die nutzbare Kapazität stark leidet.
• Diese Technik hat eine bedeutend größere Lebensdauer. 10 Jahre sollten, bei leidlich pfleglicher Nutzung, kein Problem sein.

LiFePO4-Akkus sind auch vergleichsweise sicher. Dass Lithium-Ionen-Akkus in Handys hochgehen, kommt zwar kaum noch vor. Aber die sind sowieso teurer und spielen ihre Gewichts- und Platzvorteile bei anderen Einsatzfällen aus – beispielsweise Handys.

3. Die Akkukapazität bestimmen

Aus dem oben bestimmten Energiebedarf und dem jeweils nutzbaren Anteil der Akkukapazität kann man den benötigten Energiegehalt des Akkus bestimmen. Aus dem Leistungsbedarf ergeben sich Hinweise auf die benötigte Systemspannung. Ich empfehle, den Akku nach dem Energiebedarf von mindestens drei Tagen zu bestimmen. Das beruht auf der Hoffnung, dass spätestens am vierten Tag mal wieder die Sonne scheint oder die Solarmodule auch bei bedecktem Himmel noch etwas Leistung liefern. Wer sicherheitshalber eine ganze Woche überbrücken muss, muss entsprechend tiefer in den Geldbeutel greifen.

Diese Diskussion ist übrigens auch dann wichtig, wenn man die Notstromversorgung nicht selber bauen will.

Fangen wir mit dem Leistungsbedarf an: Bis etwa 1 kW Spitzenlast bietet sich 12-V-Technik an. Das bedeutet, dass man mit Strömen von 100 A rechnen muss, die nicht ganz einfach handzuhaben sind. Man braucht Strippen mit mindestens 16 mm² Querschnitt, die auch sorgfältig verarbeitet werden müssen. sonst ist die Brandgefahr groß. Dafür ist die 12-V-Technik billig und leicht verfügbar. Wer mit gebrauchten Akkus, egal welcher Technik, arbeiten will, ist meist auf 12 V begrenzt: Die meisten Akkus liefern 12 V. Für höhere Spannungen muss man sie in Serie schalten, was man nur mit möglichst identischen Akkus machen sollte. Durch die Serienschaltung merkt man nur schwer, wenn eine der Zellen zu tief entladen wird. Dadurch wird nicht nur der eine Akku beschädigt, es kann sogar gefährlich werden.

Wer z.B. Elektrowerkzeuge wie Bohrmaschine oder Flex betreiben will, braucht 3 kW aufwärts. Dafür gibt es zwar noch 12-V-Technik, aber braucht richtige Prügel von Kabeln und Akkus, die entsprechend viel Leistung liefern können. Das ist ausdrücklich nichts mehr für Laien.

Steigt man auf 24 V um, hat man nur noch mit einem Viertel der Drahtquerschnitte zu tun: Die Ströme sind nur noch halb so groß und Spannungsabfälle spielen eine geringere Rolle. Diese Technik wird beispielsweise im LKW-Bereich genutzt. Auch dafür gibt es deshalb eine Menge Gerätschaften.

Wer in seinem Haus eine normale Solaranlage mit Akku betreibt, arbeitet vermutlich mit 48-V-Technik. Das ist eindeutig der Aufgabenbereich für Profis. Da halte ich mich raus.

Jetzt kommen wir endlich zu Akkukapazität in Ah (Amperestunden): Man teile den benötigten Energiegehalt des Akkus durch die Systemspannung. Ein Hinweis zu Powerbanks usw.: Dort ist die angenommene Systemspannung etwa 3,6 V. Den 7 Ah eines 12-V-Akkus entsprechen 28.000 mAh einer Powerbank!

Nachdem nichts so anschaulich ist wie ein Beispiel:

• Nehmen wir mal einen Energiebedarf von 100 Wh (0,1 kWh) pro Tag an. Dann sind das für drei Tage 300 Wh.
• In Bleitechnik braucht man dann eine Batteriekapazität von 600 Wh. Geteilt durch 12 V ergibt das 50 Ah Batteriekapazität. Neu kostet ein AGM-Akku dieser Kapazität etwa 150 EUR und wiegt 15 kg.
• In Lithium-Eisenphosphat-Technik braucht man etwa 400 Wh, macht 35 Ah. Handelsüblich sind 30 Ah. Neu bekommt man so einen Akku für etwa 200 EUR. Gewicht: 4 kg! 50 Ah in LiPO4-Technik gibt es ab 350 EUR, liefert aber deutlich mehr nutzbare Kapazität als 50 Ah in Bleitechnik. Die Preise stammen vom September 2021 und sind in einem steilen Sinkflug.

4. Eigenbau oder Fertiggerät?

Warnung: Bei 12 V bekommt man zwar keinen Stromschlag, aber die Akkus können enorme Ströme liefern. Da helfen nur drei Dinge: Sicherungen, dicke Leitungen und zuverlässige Verbindungen. Jede Leitung muss nicht nur den maximalen Strom vertragen. Jede Leitung muss auch so niederohmig sein, dass der Auslösestrom der Sicherung davor erreicht werden kann. Im Zweifelsfall Ersatzsicherungen bereitlegen und mal ausprobieren!

Gerade bei Anlagen der USB-Klasse bietet sich der Eigenbau an:

• Man kaufe sich ein kleines Solarmodul, beispielsweise mit 20 Wp Leistung. Je größer, desto billiger wird das Wp. Mehr als 40 EUR sollte das nicht kosten.
• Laderegler für solche Anlagen gibt es ab 20 EUR. Der Laderegler sollte wenigstens zwei USB-Ausgänge haben und die Ausgänge bei geringer Batteriespannung abschalten.
• Jetzt fehlt nur noch ein Akku. Das ist die optimale Anwendung für einen gebrauchten Blei-Gel-Akku mit 7 Ah. Solche Akkus kann man auch problemlos parallel schalten, um die Kapazität zu erhöhen.

Vielleicht findet sich ein sonniges Fenster, in das man das Solarmodul stellen kann. Dann hat man auch gleich die normale Ladestation für sein Handy. Vorteil: Man lernt die Möglichkeiten und Grenzen kennen und führt regelmäßig Funktionstests durch.

Natürlich gibt es auch Fertigeräte:

• Die erste Klasse sind reine Solar-Ladegeräte, die aus Solarmodul und Ladegerät mit USB-Ausgang bestehen. Da kann man direkt sein Handy anschließen und das Solar-Ladegerät auf den Rucksack schnallen. Für Notstromzwecke eignen die sich weniger, denn es gibt auch mal eine Woche ohne Sonnenschein.
• Dann gibt es Powerbanks mit Solar-Laderegler. Im Gegensatz zu Solar-Powerbanks kann man hier ein hinreichend großes Solarmodul anschließen und die Powerbank in den Schatten legen. Hier muss man auf die Systemspannung der Powerbank achten: Häufig werden die Kapazitäten der enthaltenen Zellen addiert – siehe oben. Manche Powerbank enthält auch einen Gleichstrom-Wandler, der z.B. 12 V oder 19 V liefert.
• Darüber gibt es die Klasse der Powerstationen. Das sind All-in-One-Geräte, die (Solar-) Ladegerät, Akku, USB-Anschlüsse, 12-V-Ausgang und 230-V-Ausgang enthalten. Die Preisspanne geht von vielleicht 250 EUR bis über 2000 EUR, immer ohne Solarmodul. Diese Geräte sind auch vom Laien zu beherrschen und haben den Vorteil, dass man sie leicht zum Einsatzort transporieren kann. Man muss aber auch mit den Schwächen des einzelnen Geräts leben – beispielsweise einem Wechselrichter mit hohen Leerlaufverbrauch. Einen ungeregelten 12-V-Ausgang kann man auch als Vorteil werten: Dann hat man direkten Zugang zur Akkuspannung, was einem die Verluste eines Spannungswandlers erspart. Mit einem geeigneten Verbraucher, siehe Kühlbox, ist das hervorragend.

Zwischen Fertiggerät und komplettem Eigenbau gibt es diverse Abstufungen auf dem Markt, beispielsweise Komplettbausätze. Wer intensiver in den Eigenbau einsteigen will, findet in meiner Website noch mehr Anregungen.

5. Aufbau der Solarmodule

Solarmodule aufs Dach bauen ist eine Arbeit für Fachleute – von der fachgerechten, regendichten Mechanik bis zum korrekten Anschluss mit Erdung, Überspannungsschutz und Sicherung. Für Notstromzwecke, speziell im provisorischen Aufbau, geht es auch bedeutend einfacher.

Fangen wir damit an, dass die Notstromversorgung nur im Notfall gebraucht wird. Es gibt einen großen Markt für gebrauchte Solarmodule. Die kamen vom Dach, weil sie unterschiedlich gealtert sind und deshalb in großen Verbünden nicht mehr verwendbar sind. Oder sie wurden durch leistungsfähigere Module ersetzt, die auf der gleichen Dachfläche mehr Leistung liefern. Da sollte man über Kleinanzeigen usw. in der Nachbarschaft suchen, denn der Versand ist teuer. Es ist hilfreich, die Module vor dem Kauf mal an einen Laderegler zu hängen und in die Sonne zu halten.

Gerade für die Solarmodule, die die sperrigsten und auffälligsten Teile sind, bietet sich der provisorische Aufbau an: Man probiert die ganze Notstromversorgung mal aus und lagert dann Teile davon ein. Wenn man die Akkus mit einem geeigneten Ladegerät nachlädt, braucht man sich dann um nichts mehr kümmern und hat bei jedem Stromausfall seine Reserve.

Bei normalen Solaranlagen versucht man, möglichst viel Energie zu ernten. Hier ist es anders: Wir wollen im Notfall so einfach wie möglich so viel Energie haben, wie wir unbedingt brauchen. Deshalb bietet es sich an, die Solarmodule einfach an die Wand zu hängen oder sonst irgendwie in die Sonne zu stellen. Es ist auch nicht so wichtig, die Module optimal auf die Sonne auszurichten: Wenn die Umgebung frei ist, kann man sie einfach auf den Boden legen. Bei bedecktem Himmel ist das sogar die beste Ausrichtung.

Bei mir hängen die Module einfach senkrecht an der Wand. Das kostet zwar bis zur Hälfte der Spitzenleistung, aber so teuer sind Solarmodule nicht mehr – vor allem wenn man sie gebraucht kauft. Zusätzliche Vorteile hat diese Anordnung im Winter: Die Sonne steht sowieso tief und Schnee bleibt auch nicht liegen. So lange es in der Nähe bedeutend höhere Bäume, Häuser usw. gibt, schlägt in die Module auch kein Blitz ein.

Natürlich muss man auch beim Selbstbau für Sicherheit sorgen: Die Module im 10. Stock mit Kabelbindern außen an den Balkon zu montieren geht sicher nicht! Das Bild unten sollte mit dem einfachen Aufhängen der Module versöhnen: Das ist ein sehr steiles Dach und trotzdem wird da bei Sonnenschein nur noch recht wenig Strom rauskommen.

6. Solarmodule dimensionieren

Wie viele und wie große Solarmodule man nutzen kann, hängt von den Aufstellmöglichkeiten ab. Deshalb kommt die Dimensionierung erst jetzt. Im Prinzip gilt hier: Viel hilft viel.

Erst der Hinweis auf juristische Fußangeln: Das Finanzamt betrachtet das Erzeugen von regenerativen Strom als gewerbliche Tätigkeit, auch wenn man nichts ins Netz einspeist. Das ist etwa so, als müsse man Einkommenssteuer dafür zahlen, dass man sein Essen selber kocht. Die unterste Freigrenze ist eine Leistung der Solarmodule von 600 Wp. Wann die gilt oder vielleicht nicht, konnte mir noch niemand genau erklären. Jedenfalls habe ich weniger als 600 Wp an der Hauswand hängen. Für viele Notstromzwecke sollte man damit auch auskommen. Und wenn man die Solarmodule nur bei Stromausfall alle aufstellt, sollte das sowieso niemanden interessieren.

Wenn man preiswert an gebrauchte Solarmodule möglichst eines Typs kommt, sollte man alle Aufbaumöglichkeiten nutzen. Dabei ist es auch egal, wenn der Nennstrom der Module größer ist als der maximale Ladestrom des Akkus: Dann regelt der Solarregler zwar ab, wenn die Sonne vom Himmel brennt. Aber so lange es nicht gerade regnet, liefern Solarmodule immer noch Strom – 10-20% der Nennleistung sind häufig möglich. Das kann man so weit treiben, dass man tagsüber auch bei bedecktem Himmel kaum noch Leistung aus dem Akku entnommen werden muss. Darauf verlasse ich mich beim Dimensionierungsvorschlag für den Akku (3 Tage).

7. Dies ist keine Bauanleitung

Mancher mag an dieser Stelle auf eine Bauanleitung für genau seine Solaranlage warten. Sorry, die gibt es hier nicht. Im Internet gibt es massenweise solche Bauvorschläge oder auch Videos, wo man mehr oder weniger erfahrenen Selbstbauern zusehen kann. Mir ging es hier um die speziellen Prinzipien, nach denen man seine Solarstromversorgung für einen speziellen Einsatzzweck bauen sollte. Genau darin steckt das Fachwissen, das ich mir in den letzten Jahren erarbeitet habe.

Die Standard-Solaranlage enthält entweder keinen Akku, damit kommt man zur kürzesten Amortisationszeit. Oder der Akku wird so dimensioniert, dass man den am Tag erzeugten Stromüberschuss im Lauf des Abends und der Nacht verbrauchen kann. Auch dafür kommt man mittlerweile auf Amortisationszeiten, die unter der Lebensdauer der Anlage liegen.

In diesem Text ging es darum, mit möglichst geringem Aufwand möglichst immer das Existenzminimum an Strom zu haben. Dieses Existenzminimum muss jeder für sich definieren. Beispiele dafür habe ich genannt. In den letzten Jahren habe ich gut 200 kWh geerntet. Auf der Stromrechnung wären das rund 70 EUR. So viel haben allein die UV-festen Kabel zwischen den Solarmodulen und den Ladereglern gekostet.

8. Fazit

So lange man wenigstens ein sonniges Fenster hat, kann man im Notfall Strom erzeugen. Das mag für den Alltag nicht interessant sein und die Mitbewohner werden maulen, wenn man ihnen das einzige Sonnenfenster wegnimmt. Obige Überlegungen und Erfahrungen lassen sich auch hochskalieren:

• Wenn man Solarmodule oder Windräder stark ausbaut, kann man auch mehr Strom ernten. Das ändert aber nichts daran, dass eine Solaranlage im Winter 16 Stunden pro Tag nichts liefert und ein Windrad in der Flaute still steht. Solcher Zappelstrom liefert also ohne ausreichende Speicherkapazitäten keinen zuverlässigen Beitrag zur Stromversorgung.
• Elektrische Energie in Akkus zu speichern ist enorm teuer. Damit gelingt es auf keinen Fall, ausreichend Energie vom Sommer bis zum Winter zu speichern. Da müssen andere Methoden her. Deshalb können wir auf absehbare Zeit auch nicht auf Kohlekraftwerke verzichten, denn nur die können heute und morgen das Loch füllen.
• Eine Möglichkeit, das Problem zu entschärfen, sind sehr großflächige, sehr leistungsfähige Hochspannungsnetze, vorzugsweise in Gleichstromtechnik (HGÜ). Denn Europa ersteckt sich über vier Zeitzonen und irgendwo in Europa weht immer Wind. Beispiel: Die Orkney-Inseln nördlich von Schottland haben schon heute das Problem, dass sie all ihren regenerativen Strom nicht los werden. Der Wind weht dort so stark und gleichmäßig wie sonst kaum, weshalb dort massenweie neue Techniken ausprobiert werden.

Um das ganze Dilemma zu illustrieren: Wer in einem Nebelloch wie der Oberrheinischen Tiefebene wohnt, sieht in manchen Jahren von November bis Februar keine Sonne. Schon 200 m höher, an den Hängen des Schwarzwalds, ist das ganz anders. Dieser Nebelsee wird dadurch verursacht, dass der Westwind am Kamm der Vogesen den Bodenkontakt verliert. Dafür weht er 50 km weiter, am Kamm des Schwarzwalds, um so zuverlässiger. Der Kamm des Schwarzwalds wäre also die optimale Stelle, große Mengen Windstrom zu ernten. Das wird aber auf lange Zeit nicht passieren, weil die Umweltschützer garantiert irgendwelche Viecher oder Pflanzen finden, die darunter vielleicht leiden könnten. Wie ich die Badener kenne, geht es ihnen aber in erster Linie ganz egoistisch um die Optik: Sie wollen ihre Heimat nicht verspargelt haben. Ein klassisches St.-Florians-Prinzip.