Blackout (5): Solarstrom-Praxis

Vor einigen Jahren begann ich mich intensiver mit Solarstrom zu beschäftigen. Deshalb beschloss ich, daraus ein ingenieurgemäßes Hobby zu machen und mir eine Notstromversorgung zu bauen. Von Anfang an wollte ich so meine Funkanlage netzunabhängig machen. Wer das Folgende als Frickelei betrachtet, hat damit nicht so ganz unrecht: Das ist ein experimentelles System ohne das Ziel, die Stromrechnung zu verringern. Mein Haus eignet sich nicht für eine der üblichen Solaranlagen, weil 3/4 des Dachs nach Norden geneigt ist und südlich meines Grundstücks Bäume stehen, die viel höher sind als der First des nach Süden geneigten Dachs.

Solarexperimente ganz billig

Ohne Ahnung vom Thema wollte ich keine großen Fehlinvestitionen riskieren. Auch hatte ich keinen Zeitdruck und der ganze einschlägige Kram wird mit enormer Geschwindigkeit billiger. Also suchte ich mir erst mal genug Bastelmaterial zusammen:

Die Solarmodule 1 und 2 kosteten mich gebraucht 60 EUR. Das waren ursprünglich drei Module, aber das dritte lieferte weniger als die Hälfte des Stroms der beiden anderen. Die Nennleistung jedes Moduls ist 70 Wp. Beim gewählten Aufbau hole ich maximal etwa 50 W aus jedem Modul.
Für das Solarmodul 3 sagte ich einfach "Danke". Es hat eine Nennleistung von 130 Wp, von denen ich rund 100 W auch öfter mal sehe. Dieses Modul war Teil einer größeren Anlage auf einem Scheunendach im unmittelbaren Voralpenbereich. Es sah über viele Jahre extrem intensive Sonne. Es kam vom Dach, weil in die Anlage der Blitz einschlug.
Beim Solar-Laderegler habe ich richtig Geld in die Hand genommen und einen Victron-MPPT-Regler mit Bluetooth-Modul für rund 170 EUR gekauft. Es ging mir vor allem um das Sammeln und Auswerten der Daten. Dazu unten mehr.
Gebrauchte Blei-Gel-Akkus sind recht preiswert zu bekommen. Meine beiden 100-Ah-Akkus wurden vorher im Großhandel in Kommissionierwagen genutzt und hielten als Stromquelle für Notebook und Drucker keinen ganzen Arbeitstag mehr durch. Bei einigen anderen Blei-Gel-Akkus reichte sogar ein einfaches "Danke". Für weniger als 100 EUR kam ich so zu etwa 2 kWh Speicherkapazität.
Für Montagematerial, vom UV-festen Kabel bis zu den Schraubhaken, gab ich rund 100 EUR aus.

Die Solarmodule hängen an Schraubhaken, wie man auch Blumenampeln aufhängen würde. Alle drei stelle ich mit 30 cm langen Stöcken etwas schräg, was die Ausbeute doch merklich erhöht. Wenn wir den Platz am Balkon brauchen, nehme ich einfach die Stöcke weg. Die Anschlussleitungen sind lang genug, dass ich die Solarmodule bei Sturmwarnung abnehmen kann.

Die Erfahrungen

Mein Aufbau ist für Experimentiermöglichkeiten optimiert: Ich mache die Balkontür auf und stehe vor den Modulen. So kann ich mit dem Zangen-Amperemeter problemlos den Strom jedes Moduls messen. Damit prüfte ich beispielsweise, wie gut die unterschiedlichen Module harmonieren oder wir stark sich Abschattungen auswirken. Meine Erfahrungen sind so auch praxisnäher für die Fälle, wo die Module behelfsmäßig oder in einem zurückgesetzten Balkon aufgestellt werden. Man beachte den Schattenfall im Bild oben, das am frühen Nachmittag aufgenommen wurde.

Auch das Temperaturverhalten der Module konnte ich so leicht prüfen: Vor allem die schwarzen Module heizen sich im Sommer leicht auf 60°C auf. Mit Wasserkühlung per Gartenschlauch konnte ich leicht sehen, dass die Ausbeute der kalten Module deutlich besser ist.

Die vertikale Montage kostet natürlich Ausbeute, aber spart massenweise Kosten und Aufwand. Wer genug Platz hat, sollte also lieber mehr Module an die Wand hängen, als wenige Module optimal ausrichten. Zusätzlicher Vorteil: Im Winter bleibt praktisch kein Schnee darauf liegen.

Die schwarzen (Dünnschicht-) Module reagieren recht gutmütig auf teilweise Abschattung. Ganz anders ist das beim monokristallinen Modul 3. Dort bestimmt die Siliziumscheibe mit der größten Beschattung den Strom des gesamten Strangs! Ursprünglich erwartete ich ein Verhalten wie bei einer normale Silizium-Diode, was auch der Temperaturgang der Modulspannung nahelegt. Erklärungen für das Verhalten fand ich bislang nicht. Meine Theorie ist, dass die Sperrschicht bewusst sehr dick ist, um möglichst viele Photonen einzufangen. Dadurch könnte die Feldstärke in der Sperrschicht zu niedrig sein, um Elektronen-Löcher-Paare zu erzeugen.

In meiner anderen Solaranlage, die zwei Module vom Typ des Moduls 3 benutzt, führt das zu recht überraschenden Messungen:

Bei bedecktem Himmel stellt der MPPT-Regler für die zwei in Serie geschalteten Module eine Spannung von rund 60 V bei 0,1-0,3 A ein.
Sobald das eine Modul voll in der Sonne liegt, halbiert sich die Spannung, aber der Strom steigt auf über 1 A an. Dann liefert nur noch dieses Modul Leistung, beim anderen sind die Freilaufdioden leitend.
Innerhalb weniger Minuten, ehe das zweite Modul voll beschienen wird, steigt die Spannung wieder auf über 50 V an, jetzt mit bis zu 2 A. Das liegt wirklich an einer einzigen Siliziumscheibe!

Das erklärt auch das Verhalten der MPPT-Laderegler dieses Herstellers: Typisch alle 5 min reduziert und erhöht der willkürlich die Eingangsspannung sehr deutlich. Damit prüft er offensichtlich, ob er nur ein lokales Optimum nutzt und es womöglich ein besseres Optimum gibt. Wer in der Schule mal Funktionskurven höherer Ordnung diskutiert hat, versteht meine Aussage.

Ein begrenzender Faktor ist der maximale Ladestrom des Akkus. Recht häufig passiert es, dass der Laderegler in die Spannungsbegrenzung läuft, obwohl der Akku noch lange nicht voll ist. Das merkt man schnell, wenn die nächste Wolke kommt: Die Akkuspannung sinkt schnell auf 13,2 V ab, obwohl der Laderegler vorher bei 14,3 V abgeregelt hat. Wohl gemerkt: auch bei 13,2 V fließt noch Ladestrom.

Das ist aber kein Dimensionierungsfehler: Die meiste Zeit brennt die Sonne nicht vom Himmel. Die Ausbeute bei bedecktem Himmel ist deshalb sehr wichtig. Zahlen dazu kommen unten. Wer Angst um seinen Akku hat, kann den Ladestrom mit dem Laderegler begrenzen. Der maximale Ladestrom meiner Anlage ist knapp 10 A, das sollten 150 Ah Akkukapazität problemlos aushalten. Aber dafür müssten die Akkus leidlich frisch sein, was sie nicht sind.

Das elektrische Existenzminimum

Die Aufgabe dieser Solaranlage ist, unter möglichst allen Randbedingungen ein Minimum an Strom bereitzustellen. Im Blackout ist das für die meisten der Bedarf für Beleuchtung und Kommunikation (Radio, Funkgerät). Für andere kann das elektrische Existenzminimum viel höher sein, etwa für Diabetiker: Die müssen ihren Insulinvorrat kühlen. Noch viel kritischer ist das für Menschen, die z.B. von einem Beatmungsgerät abhängig sind, das in der Regel nur 24 h ohne Netzstrom durchhält. Aber dieses Thema habe ich schon diskutiert.

Das Bild zeigt den Ertrag der oben gezeigten Solaranlage im August/September 2021. Man sieht, dass der Ertrag stark schwankt, aber im gezeigten Zeitraum kaum unter etwa 100 Wh/Tag fiel. Diese 100 Wh/Tag sind ausschließlich Ertrag bei bedecktem Himmel. Was man an diesem Tag über diese 100 Wh hinaus verbraucht, muss der Akku liefern. Je größer die Akku-Kapazität ist, um so mehr Tage hintereinander kann man das tun. Innerhalb bestimmter Grenzen ist die Alternative, mehr Solarmodule zu benutzen. Dann wirft man aber zunehmend möglichen Stromertrag weg.

Diskutieren wir noch den rot eingerahmte Zeitraum. Im Normalbetrieb nutze ich den Solarstrom, um USB-Geräte zu laden und um meine Funkanlage und mein Notebook samt Monitor zu betreiben. Da kommen so 200-300 Wh/Tag zusammen.

Am 14.09. schien so viel Sonne, dass der Akku voll geladen wurde.
Vom 15. bis 17.09. war der Himmel weitgehend bedeckt. Der Akku wurde an diesen Tagen nicht vollständig geladen.
Am 18.09. schien den ganzen Tag die Sonne von einem wolkenlosen Himmel. Hätte der Akku die Energie aufnehmen können, hätte die Solaranlage schätzungsweise 700 Wh liefern können. Siehe den nächsten Abschnitt.

Die Länge der einzelnen Balken zeigt den Ertrag für den entsprechenden Tag. Die Schattierung zeigt, welchen Teil der Zeit der Laderegler in welchem Zustand war:

Während des weißen Zeitanteils konnte der Akku alle Energie aufnehmen, die aus den Solarmodulen kam.
Die hellblauen Anteile zeigen den Zeitraum der Konstantspannungs-Phase. In dieser Zeit regelt der Laderegler langsam ab, bis der Akku voll ist. Für die Lebensdauer von Bleiakkus ist diese Phase und ihre Länge sehr wichtig.
Während des dunkelblauen Zeitanteils schaltet der Laderegler auf Ladungserhaltung, d.h. regelt die Akkuspannung auf 13,6 V. Während dieser Zeit wird der Akku kaum noch geladen. Die Verluste sind aber nicht so groß, wie die Zeit nahelegt: Meist sind das Nachmittagsstunden, in denen die Ausbeute nicht mehr so hoch ist. Außerdem kann man parallel Leistung entnehmen, die dann direkt aus den Solarmodulen stammt. Der Akku puffert dann nur noch Verbrauchsspitzen.

Um die Winter-Sonnenwende herum sieht das deutlich schlechter aus, wie man im obigen Diagramm vom November 2021 sieht: Die Skalierung zeigt, dass der maximale Ertrag pro Tag deutlich niedriger ist. An einigen Tagen konnte so gut wie kein Strom geerntet werden.

Hier sollte es um die Frage gehen, welche Leistung meine Notstromanlage mit leidlich großer Sicherheit liefern kann. Eines ist dabei klar: Wessen Leben davon abhängt, dass er ständig genug Strom hat, der kommt ohne einen Benzingenerator samt einigen vollen Benzinkanistern nicht aus.

Ähnliches gilt natürlich auch für das Europäische Stromnetz: Eine leistungsfähige Leitungs-Infrastruktur kann viele lokale Überschüsse und Defizite ausgleichen, aber weder nachts den Solarstrom ersetzen noch sich gegen die Europäische Großwetterlage stemmen. Das ginge nur mit einer Speicher-Infrastruktur, die Überschüsse im Sommer bis zum folgenden Winter aufheben könnte. Was es bislang an Pumpspeicher-Kraftwerken gibt, kann bestenfalls die Schwankungen innerhalb eines Tages ausgleichen. Mit Batterien lassen sich auf absehbare Zeit schon wegen der Materialbeschaffung und der damit verbundenen Umweltzerstörung keine hinreichenden Speicherkapazitäten aufbauen. Manche Forscher hoffen, dass sich Lithium durch Natrium oder Magnesium ersetzen lässt und auch Kobalt oder Seltene Erden überflüssig werden könnten. Wenn dann noch die Herstellungskosten in einem ähnlichen Maß sinken wie in den letzten 20 Jahren, dann könnten Speichersysteme unser Stromnetz stabilisieren. Bis dahin brauchen wir herkömmliche Kraftwerke – nicht nur bis 2030, wie manche technischen Dilettanten glauben. Es geht nicht um Jahres-Mittelwerte, sondern um die kontinuierliche Stromversorgung in jeder Sekunde.

Fazit

Anleitungen zum Selbstbau von Fotovoltaik-Anlagen gibt es massenweise im Internet. Dieser Text will an einem Beispiel zeigen, worauf man achten sollte und was in etwa heraus kommt. Das sollte so manchem helfen, sich auf einen längeren Stromausfall vorzubereiten.

Einen ganz entscheidenden Punkt kann man auf die aktuelle Politik übertragen: Ohne ausreichende Speichermöglichkeiten führt das Abschalten der konventionellen Kraftwerke früher oder später zu großflächigen, länger dauernden Stromausfällen. Allein mit dem regenerativen Zappelstrom aus Fotovoltaik- und Windanlagen funktioniert die Energiewende nicht. Genügend Speichermöglichkeiten sind weit und breit nicht zu sehen.