Eine Notstromversorgung für HAMNET

Notstromversorgung im Shack (1)

Fotovoltaik für spezielle Zwecke

Angeblich gibt es feste Regeln, wie Fotovoltaik-Anlagen aufzubauen sind. Für die Mehrheit der Anlagen, die möglichst viel Energie ins allgemeine Stromnetz einspeisen sollen, mag dem auch so sein. Aber zumindest für Inselnetze, wenn man mit Solarmodulen Akkus lädt, sollte man einige weitere Aspekte betrachten. Das gilt ganz besonders beim Eigenbau.

Die folgenden Thesen sind die Quintessenz aus meinen Experimenten über zwei Jahre. Mein Ziel ist, als Funkamateur auch bei einem längeren Stromausfall weiter Funkbetrieb machen zu können. Natürlich sehe ich das ganz wesentlich als ingenieurgemäßen Zeitvertreib, der Hintergrund ist aber ernsthafter: Selbst wenige Stunden Stromausfall schneiden den Großteil der Bevölkerung von jeder Kommunikationsmöglichkeit ab. Als Funkamateur kann ich auch ohne Infrastruktur wie Internet über größere Entfernungen kommunizieren.

1. These: Die Solarmodule machen nur einen kleinen Teil der Kosten aus.

Bislang versuchen die meisten Erbauer, mit jedem Solarmodul möglichst viel Sonnenernergie zu ernten. Das war lange sicher sinnvoll. Mittlerweile sind die Preise für Solarmodule so stark gesunken, dass man andere Kosten der Installation nicht mehr vernachlässigen darf. Es kann also billiger sein, die Module weniger optimal auf die Sonne auszurichten, dafür aber ein paar mehr Solarmodule zu benutzen.

Wenn man diesen Weg geht, braucht man natürlich mehr Modulfläche für die gleiche Leistung und auch mehr Verkabelung. Aber oft genug kostet heute der Unterbau mehr als das Solarmodul. Oder man nutzt Dachflächen, die man bislang als ungeeignet ausgeschlossen hat. Konkret:

• Solarmodule liefern auch dann noch Strom, wenn die Sonne nicht senkrecht darauf scheint. Wenn man Module senkrecht an die Fassade baut, reduziert sich meiner Erfahrung nach die Ausbeute im Sommer um 30-40%, wobei der Verlust im Sommer größer ist als im Winter. Im Winter haben senkrecht montierte Module auch den Vorteil, dass kaum Schnee auf ihnen liegen bleibt. Zudem taut dieser Schnee bei Sonnenschein schnell weg, weil sich die dunklen Module in der Sonne stark aufheizen.
• Bei Inselnetzen ist es sinnvoll, die Solarmodule unterschiedlich auszurichten. Der begrenzende Faktor ist bei Inselnetzen häufig nicht die Leistung der Solarmodule, sondern der maximale Ladestrom des Akkus. Die Hersteller definieren einen maximalen Ladestrom und es kann auch nicht schaden, diese Grenze nicht auszunutzen. So liefert ein einzelnes 150-W-Modul in der Spitze etwa 10 A. Wenn man mit Blei-Gel-Akkus arbeitet, braucht man für diesen Ladestrom eine Speicherkapazität von mindestens 100 Ah bei 12 V. Selbst in Blei-Gel-Technik kostet so ein Akku etwa dreimal so viel wie das Solarmodul. Man wird den Akku nur dann an einem Tag voll kriegen, wenn den ganzen Tag keine Wolke am Himmel stand. Richtet man ein Modul nach SW und eines nach SO aus, beginnt die Stromproduktion früher und endet später. Die Chancen, den Akku an einem Tag voll zu bekommen, steigt.
• Das Überdimensionieren der Solarmodule erhöht die Verfügbarkeit. Viele Inselnetze werden nicht errichtet, um mögichst viel Strom ernten zu können, sondern um bei Bedarf Strom zu haben. Den Akku wird man dann nach dem Bedarf dimensionieren, beispielsweise für die Beleuchtung und ein paar Kleinverbraucher in einem Wochenendhaus – Kühlschrank und Herd kann man billiger mit Gas betreiben. Es genügt, wenn der Akku vor dem Wochenende voll ist. Aber was passiert, wenn es die ganze Woche bedeckt war? Auch dann liefern Solarmodule durchaus noch 5-10% ihrer normalen Leistung! Das ist meist mehr als bei Sonnenschein im Schatten. Voraussetzung ist allerdings ein MPPT-Regler und eine Solarspannung, die wesentlich höher ist als die Batteriespannung. Dafür kann man entweder zwei 18-V-Module in Serie schalten oder 36-V-Module nutzen.
• 18-V-Module erfordern sehr teuere Kabel – zumindest wenn man sie einzeln nutzt oder parallel schaltet und einen billigen PWM-Laderegler benutzt. Der Grund ist, dass die 18 V Nennspannung für die Nenntemperatur 20°C gilt und sich Solarmodule in der Sonne stark aufheizen. 60°C sind da völlig normal. Silizium-Zellen haben einen Temperaturgang von -2 mV/K, das ist eine Materialkonstante! Bei vollem Sonnenschein sinkt der Spannungspunkt für die maximale Leistung schon mal auf 15 V ab. Dann bleiben für Kabel, Solarregler usw. kaum noch 1 V Spannungsabfall. Konkret: Wenn man mit 4 mm² Kabelquerschnitt arbeitet, sollte das Kabel bis zum Akku nicht länger als 5 m werden. Arbeitet man mit 36-V-Technik, halbieren sich die Ströme und die Spannungsabfälle werden viel weniger kritisch: Der Solarregler hat genug Fleisch um dem Akku immer die optimale Ladespannung liefern zu können.
• MPPT-Regler lohnen sich fast immer. Das gilt völlig unabhängig von der Überlegung, dass man aus einem Solarmodul unter optimalen Bedingungen so noch etwas mehr Leistung herausholen kann. So ist es einfacher, Module in Serie zu schalten, als sie parallel zu schalten. Im ersten Fall kann man sie einfach zusammenstecken, im zweiten braucht man Zwischenstecker. Die Kabel können billiger und länger werden. Und dann kann man auch dann noch Strom ernten, wenn der Himmel bedeckt ist. Dann sink die Spannung von 18-V-Modulen so stark ab, dass man damit keinen 12-V-Akku mehr laden kann. Aber ein MPPT-Regler holt dann über sehr lange Zeiten 5-10% der Nennleistung aus dem Solarmodulen.
• Das gezielte Steuern von Verbrauchern kann helfen. Wir sind gewohnt, elektrische Verbraucher willkürlich ein- und auszuschalten. In einem Inselnetz kann es sich lohnen, hier mehr Gehirnschmalz zu investieren. Die beste Ausbeute bekommt man, wenn man den Solarstrom direkt verbraucht und dabei den Akku nur zum Puffern benutzt: Man braucht dafür keine Speicherkapazität vorzuhalten und der Wirkungsgrad eines Akku ist auch deutlich kleiner als 1. Sobald der Akku also leidlich voll ist, sollte man zeitlich unkritische Verbraucher einschalten. Das kann der Luftentfeuchter im Keller sein oder eine Lüftung, die immer mal wieder für Luftaustausch sorgt. Oder man hat einige Geräte mit eigenem Akku, die man erst dann nachlädt. Im einfachsten Fall steuert man das mit einem zweiten Batteriewächter, der erst bei 14,0 V Akkuspannung ein- und bei 13,5 V schon wieder ausschaltet.

Noch ein Tipp: Es gibt mittlerweile einen Markt für gebrauchte Solarmodule. Die stammen typisch aus Repowering, d.h. sie wurden abgebaut, um leistungsfähigeren Modulen Platz zu machen. Manchmal schlägt auch der Blitz ein und beschädigt Module. Dann tauscht man größere Teile der Module aus, denn große Anlagen brauchen Module mit gleichmäßiger Leistung. All das braucht einen bei einem kleineren Inselnetz nicht zu stören. Man sollte sich z.B. bei Ebay-Kleinanzeigen auf die Lauer legen, bis ein passendes Angebot in der Nähe erscheint. Nähe ist wichtig, weil man die Module vor dem Kauf in der Sonne ausmessen sollte und der Transport ein wesentlicher Kostenfaktor ist: Versand geht nur per Spedition, typisch für 35 EUR für ein Modul.

2. These: Blei-Akkus sind besser als ihr Ruf, aber ihre Technik ist am Ende.

In letzter Zeit sinken die Preise von Lithium-Eisenphosphat-Akkus mit atemberubender Geschwindigkeit. Wer elektrische Energie für den regelmäßigen Gebrauch speichern will, sollte mittlerweile auf diese neue Chemie umsteigen [1]. Für spezielle Zwecke wie Notstromversorgung, wo die volle Kapazität der Akkus nur sehr selten abgerufen wird und kaum je hohe Ströme gezogen werden, bleibe ich bei meiner bisherigen Aussage – vor allem wenn man gebrauchte Blei-Akkus mehr oder weniger kostenlos bekommt.

Mittlerweile kann man Blei-Gel-Akkus als leistungsschwache, veraltete Technik betrachten. Sieht man sich die Fakten näher an, ergibt sich ein differenzierteres Bild. In vielen Anwendungen bleibt als größter Nachteil der Bleitechnik, dass sie bei sehr niedrigen Temperaturen viel weniger Leistung liefern kann.

• Die optimale Akkutechnik hängt vom Einsatzzweck ab. Viele lehnen die Blei-Gel-Technik mit dem Argument ab, dass die Lebensdauer dieser Akkus zu gering sei. Das ist richtig, wenn man darauf besteht, regelmäßig die volle Kapazität zu nutzen. Die Hersteller geben bei kompletter Entladung des Akkus typische Lebensdauern von 200-300 Zyklen an. Aber wenn man maximal 30% der Kapazität nutzt, sind typisch 1000 Zyklen möglich. Wenn man bei einem Wochenendhaus 100 Tage Nutzung unterstellt, halten die Akkus von daher 10 Jahre durch. Da überwiegen andere Alterungsmechanismen. Auch sollte man berücksichtigen, dass jede alternative Akkutechnik, auf die Kapazität bezogen, mindestens doppelt so viel kostet. Finanziell ist es also egal, ob man Lithium-Eisenphosphat-Akkus jeweils zu 100% entlädt oder Blei-Gel-Akkus immer nur zu 50%. Blei-Gel-Akkus haben zudem den Vorteil, dass man im Ausnahmefall die doppeltefache Energiemenge nutzen kann. Etwa wenn man einmal im Jahr ein Sommerfest veranstaltet und dann die ganze Festbeleuichtung braucht. Bleiben also als Nachteil der Bleitechnik, dass die Akkus viel größer und schwerer sind als bei den alternativen Akkutechniken. Das kann stören, muss aber nicht.
• Die Umweltbilanz von Bleiakkus ist weit besser, als gewöhnlich behauptet. Ich will überhaupt nicht bestreiten, dass Blei giftig ist und das Recycling von Blei-Akkus auch seine Probleme hat. Tatsache aber ist, dass es nur für Bleibatterien einen lange eingefahrenen Recycling-Kreislauf gibt. Das ist kein Downcycling, wie das beispielsweise bei Verpackungen existiert. Aus alten Bleiakkus werden wieder neue Bleiakkus hergestellt. In Deutschland wird wohl 95% alles eingesetzten Bleis immer wieder genutzt. Nur ein geringer Teil des Verbrauchs wird aus dem Bergbau befriedigt. Dazu kommt, dass man relativ leicht an gebrauchte Blei-Akkus kommt: In vielen Notstromversorgungen, etwa bei Alarm- oder Telefonanlagen, werden Blei-Gel-Akkus entsprechend einschlägiger Vorschriften alle drei Jahre ausgetauscht. Diese Akkus wurden in aller Regel immer gut geladen und kaum je entladen. Solche Akkus kann man relativ leicht und oft kostenlos bekommen. Das ist nicht nur eine sehr billige Lösung, sondern auch unter Umweltgesichtspunkten optimal: Spätestens wenn man diese Akkus regeneriert und am Ende dem Recycling zuführt, kann man sie noch einige Jahre ohne jede zusätzliche Umweltbelastung nutzen.

Die Akkus rechts im Bild hatten im Neutzstand über 300 Ah Kapazität und kosteten mich weniger als 100 EUR. Unterstellen wir 50% Restkapazität, habe ich deutlich weniger als 1 EUR/Ah gezahlt.

Warnung: Die Akkus im Bild können problemlos mehrere 100 A liefern. Damit kann man auch sehr dicke Kabel abbrennen!

Wer hier selber Hand anlegt, muss zwingend zwei Grundsätze berücksichtigen:

• Jede Leitung muss den Auslösestrom der Sicherung davor aushalten. Konservativ sollte man mit 10 A/mm² Kupferqueschnitt arbeiten. Das gibt ausnahmslos für alle Leitungen! Will man dünnere Leitungen nutzen, muss eine passende Sicherung davor – beispielsweise im Stecker.
• Der Widerstand der Leitungen hinter einer Sicherung muss so gering sein, dass ein Kurzschluss an einer beliebigen Stelle die Sicherung davor auch auslöst. Diesen Grundsatz missachten viele Mehrfachstecker für 12 V aus Fernost: Die Steckdosen im Auto sind typisch mit 20 A abgesichert. Wenn der Widerstand der Kabel bis zum Gerät auch nur 1 Ohm beträgt, löst die Sicherung nicht mehr aus. Aber 12 V * 20 A sind 240 W! Das macht gut warm...

Das Zusammenschalten von Akkus erfordert deshalb besondere Vorsicht: Im Bild kann man sehen, dass ich jeden Akku einzeln abgesichert habe – man verfolge die roten Leitungen. Jeder der Akkus ist mit 5 A abgesichert, auch die dicken Dinger mit ursprünglich 110 Ah. Aber 6 * 5 A sind auch 30 A. Die Leitung bis zur nächsten Sicherung hat 0,3 Ohm Widerstand. Da brauche ich schon 10 V Batteriespannung, um die Sicherungen überhaupt auslösen zu können. Ich darf hier also keine weiteren Akkus parallel schalten. Mittelfristig werde ich vermutlich auf 24-V-Technik umstellen. Deshalb lege ich mir die Akkus auch immer paarweise zu.

Verweise

[1] YouTube, Kanal Mortons on the Move: Don't Waste Your Money On Batteries – The Shocking Truth I Discovered When Testing RV Batteries (abgerufen 210206)

Dieses Video behandelt einen anderen Einsatzzweck für Akkus: RV (Recreational Vehicles) = Wohnmobile. Dort sind Gewicht, Volumen, Wirkungsgrad und Dauerbetrieb entscheidend, weniger der Anschaffungspreis. Zudem schrieb ich diese Seite 2019 und seitdem haben sich die Preise von Lithiumakkus zumindest halbiert.