Bordstrom aus Sonnenlicht! Solarmodule an Bord verheißen ungetrübte Segel- und Ankerstunden, ohne sich über den Energiehunger der elektrischen Verbraucher an Bord Gedanken machen zu müssen. Wir beleuchten ihren Nutzen und erklären, worauf es bei der Produktauswahl ankommt.
Stromverbrauch ist auf seegehenden Segelyachten seit jeher ein heikles Thema. Schließlich sorgt hier im Gegensatz zu Motorbooten nicht eine permanent mitlaufende Lichtmaschine für beständigen Nachschub. Unter Segeln limitiert die Kapazität der Bordbatterie – oder zutreffender: des Bordakkus – die Möglichkeiten. Nicht ohne Grund setzten Segler lange Jahre nachts auf eine Dreifarblaterne im Topp anstelle der gängigen Positionslichter – Stromsparen war oberstes Gebot. Auch der auf Segelyachten übliche Toplader-Kühlschrank, bei dem die kalte Luft bei Öffnen nicht gleich „herausfällt“, zollt dieser Problematik Tribut.
Zwar hat sich die Situation dank energieeffizienter Verbraucher, wie zum Beispiel LED-Laternen, auf der einen und leistungsfähiger Akkutechnologien auf der anderen Seite mit der Zeit verändert – die grundlegende Problematik begrenzter Energieressourcen besteht jedoch weiterhin. Zumal mit der Zeit zusätzliche Verbraucher hinzugekommen sind – von großen Farbdisplays für Kartenplotter & Co. über vernetzte elektronische Instrumente und AIS bis zu Smartphones und Tablets sowie zusätzlichem Entertainment-Equipment für die Crew. Von Wassermachern, mobilem Internetroutern oder einer Klimaanlage an Bord ganz zu schweigen.
Unerschöpfliche Quelle
Zwar könnte man zum „Strommachen“ zwischenzeitlich auch einfach den Bootsdiesel mitlaufen lassen, um die Lichtmaschine als Generator zu nutzen, dies ist jedoch sehr ineffizient. Die Leistung steht in einem ungünstigen Verhältnis zum Verbrauch, zudem wird die Reichweite reduziert. Hinzu kommen vermehrte Wartungskosten aufgrund der höheren Laufleistung der Maschine.
Größere Yachten behelfen sich mitunter mit einem separaten Generator. Entsprechende Dieselgeneratoren arbeiten bei der Stromerzeugung zwar effizienter als der Bootsmotor, verbrauchen aber ebenfalls Kraftstoff, der in hinreichender Menge zur Verfügung stehen muss. Hinzu kommen Wartungsaufwand, Geräuschentwicklung und Abgase als weitere Knackpunkte.
Relativ neu sind Brennstoffzellengeneratoren, die gleichsam effizient sowie leise, vibrations- und nahezu emissionsfrei arbeiten. Sie sind allerdings wiederum recht teuer in der Anschaffung und verbrauchen ebenfalls Brennstoff (Methanol), der außerdem nicht überall leicht zu bekommen ist.
Attraktiver erscheinen regenerative Wege der Stromerzeugung, bei denen man die benötigte Energie nicht in anderer Form, als Brennstoff, an Bord vorhalten muss. Hier bieten sich Wind- und Schleppgeneratoren sowie Solarmodule an.
Windgeneratoren benötigen hinreicht Wind (es darf aber auch nicht zu viel sein), wobei ihre Leistung je nach Windgeschwindigkeit schwankt. Hinzu kommen eine gewisse Geräuschentwicklung und mitunter zusätzliche Vibrationen. Schleppgeneratoren liefern erst ab einer gewissen Fahrt im Schiff die erhoffte Energie – für das längere Verweilen am Ankerplatz bieten sie somit keine Lösung. Selbiges gilt für Flauten, wenn unter Motor gefahren wird, da dann der Strom ohnehin von der Lichtmaschine kommt. In letzterem Fall muss ebenso der Windgenerator passen. Beide weisen zudem diverse bewegliche und damit potenzielle Verschleißkomponenten auf.
Ganz ohne bewegliche Teile und Brennstoff kommen Solarmodule aus. Sie benötigen zur Energieerzeugung lediglich Licht. Und wenn eines absolut sicher vorherzusagen ist, dann dass spätestens am nächsten Morgen die Sonne wieder am Himmel steht. Natürlich kann es tagsüber auch mal bedeckt sein, was die Leistung der Solaranlage entsprechend reduziert. Abgesehen von Abschattungen gestalten sie sich aber bemerkenswert anspruchslos.
Zellen, Flächen und Wirkungsgrad
Solarmodule zur Stromerzeugung sollten nicht mit Solarkollektoren verwechselt werden, die zur Wärmeerzeugung durch Sonnenlicht dienen. Übliche Solarmodule setzen sich aus mehreren Solarzellen zusammen, die untereinander verschaltet sind. Diese Zellen enthalten meist mono- oder polykristallines Silizium. Fällt Sonnenlicht auf die Zellen, liefern diese eine elektrische Spannung. Indem auf einem Modul mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden, lässt sich die gewünschte Nennspannung erzielen.
Der Wirkungsgrad der Zellen bestimmt, welche Fläche für die angestrebte Leistung benötigt wird. Als effizienteste Variante gelten monokristalline Zellen. Sie erzielen Wirkungsgrade von über 20 Prozent, können also rund ein Fünftel der auftreffenden Sonnenstrahlung in Energie umwandeln. Noch etwas mehr schaffen monokristalline Rückkontakt-Zellen. Poly- beziehungsweise multikristalline Zellen weisen einen merklich niedrigeren Wirkungsgrad auf, sind aber meist günstiger. Hier wäre für dieselbe Leistung jedoch eine größere Fläche erforderlich. Einen noch etwas niedrigeren Wirkungsgrad haben Dünnschichtzellen – ebenso als amorphe Zellen bekannt –, die sich dafür auch für schwierige Lichtbedingungen und unebene Flächen eignen. Für flexible Paneele kommen mitunter auch siliziumfreie CIS-/CIGS-Zellen zum Einsatz.
Der erzeugte Strom hängt bei allen Zellarten von der Intensität des einfallenden Sonnenlichts ab. Im Gegensatz zu einem brennstoffbetriebenen Generator wird hier also kein konstanter Strom erzeugt. Vor diesem Hintergrund werden Solarmodule meist auch nicht zur direkten Versorgung von Verbrauchern eingesetzt, sondern zum Laden eines Akkus, aus dem sich dann wiederum die Verbraucher bedienen. Wobei hier auch noch eine andere Überlegung eine wichtige Rolle spielt: So speichert die Akkubank an Bord den erzeugten Strom zugleich für Zeiten, in denen kein Sonnenlicht zur Energieerzeugung zur Verfügung steht.
Wer über die Installation einer Solaranlage an Bord nachdenkt, sollte sich daher auch immer Gedanken über eine sinnvolle Akkukapazität an Bord machen.
Unverzichtbar: ein geeigneter Laderegler
Um die Akkus an Bord optimal zu laden, bedarf es einer entsprechenden Spannung und eines geregelten Ladestroms. Zumal die Nennspannung eines Solarmoduls in der Regel über der des üblichen 12-Volt-Bordsystems liegt. Für eine kontrollierte Ladung sorgt der Laderegler, der zwischen Solaranlage und Batterie installiert wird.
Üblich sind heute pulsweitenmodulierte PWM-Regler und sogenannte Maximum-Power-Point-Tracking-Regler (MPPT). Während PWM-Regler in erster Linie auf die optimale Spannung abstellen, was zu Leistungsverlusten führen kann, wird bei MPPT-Reglern die gesamte vom Solarmodul bereitgestellte Energiemenge in die Akkubank eingespeist. MPPT-Regler sind somit effizienter, aber meist auch teurer.
Wichtig ist, dass Solarmodul und Laderegler aufeinander abgestimmt sind. Ferner sollte man stets bedenken, dass Solar-Laderegler auf die spezifischen Eigenheiten von Solarmodulen ausgelegt sind. Sie können daher gemeinhin nicht zum Laden über andere Stromquellen genutzt werden. Es gibt auch Solar-Laderegler mit mehreren Ausgängen, um beispielsweise neben dem Serviceakku ebenso die Starterbatterie mitladen zu können.
Zur Erhöhung des Ladestroms besteht die Möglichkeit, mehrere Solarmodule parallel zu schalten. Ebenso können mehrere Solarmodule zur Erhöhung der Ladespannung in Reihe geschaltet werden. In letzterem Fall muss der Laderegler die hohen Spannungen verarbeiten können. Hohe Ströme erfordern wiederum eine große Sorgfalt bei der Installation und Bemessung der Kabelquerschnitte. Darüber hinaus ist zu bedenken, ob bei der Kombination von unterschiedlichen Modultypen gegebenenfalls auch abweichende Laderegler erforderlich sind.
Auf einen Laderegler zu verzichten, bedeutet derweil ein hohes Risiko im Hinblick auf etwaige Spannungsspitzen. Und ein möglicher Folgeschaden an der Akkubank ist meist deutlich teurer als die Investition in einen guten Solar-Laderegler.
Bereits an dieser Stelle dürfte die Erkenntnis reifen, dass die Planung einer Solaranlage für das eigene Boot einiges an Know-how erfordert. Es ist daher grundsätzlich zu empfehlen, dabei einen Fachmann hinzuzuziehen und sich eingehend beraten zu lassen.
Der erste Schritt: eine gewissenhafte Bedarfsermittlung
Was man selbst vorab erledigen kann, ist eine detaillierte Bedarfsanalyse. Hier geht es zunächst um die Frage, welche Zielvorstellung man mit der Installation verfolgt. Das Spektrum erstreckt sich von einer ergänzenden Stromquelle für gelegentliche Ankertage bis zur kompletten Autarkie – gegebenenfalls in Kombination mit anderweitigen Stromerzeugern (siehe oben). Hier werden Blauwassersegelnde, die einen mehrjährigen Törn rund um die Welt planen, andere Ansprüche haben Fahrtensegelnde, die sich in ihrem Heimatrevier für maximal 48 Stunden vom nächsten Landstromanschluss entfernen. Von Yachten mit elektrischem Antrieb anstelle eines Bootsdiesels ganz zu schweigen.
Im nächsten Schritt sollte man sich die Kapazität des/der an Bord installierten Serviceakkus anschauen. Die Akkukapazität wird in aller Regel in Amperestunden (Ah) angegeben. Eine 100-Ah-Batterie kann theoretisch 100 Ampere (A) für eine Stunde liefern. Wobei bei Bleisäure-Batterien (AGM/Gel) aber nur einen Bruchteil der Kapazität genutzt werden kann, um die Lebensdauer zu erhalten. Gehen wir beispielsweise einmal von 50 Prozent aus, dann könnte dieser Akku also 50 A für eine Stunde oder gute 2 A für 24 Stunden liefern. Lithium-Ionen-Akkus stellen hingegen einen erheblich größeren Teil ihrer Kapazität bereit.
Nun geht es an die Betrachtung der typischerweise betriebenen Verbraucher, die an den Akku angeschlossen sind. Hier spielt wieder der individuelle Anspruch mit hinein: Möchte ich beispielsweise meine Akkustandzeit lediglich auf gelegentliche Ankerzeiten ausweiten, spielt der Verbrauch der Navigationselektronik keine Rolle, da diese vor Anker liegend abgeschaltet werden kann. Einen Ankeralarm könnte man auch auf einem Handheld-Gerät oder Smartphone einrichten. Aber vielleicht möchte ich vor Anker einen WLAN-Router oder gar satellitengestütztes Internet nutzen oder einen Film unter Deck anschauen, was wiederum auf See unter Segeln wegfallen würde.
Am besten behilft man sich mit einer Tabelle, in der alle relevanten Verbraucher mit ihrer jeweiligen Leistung und ihrer voraussichtlichen Laufzeit gelistet werden. Hierbei sollte man von typischen beziehungsweise Durchschnittswerten ausgehen. Die jeweilige Anzahl (zum Beispiel der eingeschalteten Lampen) multipliziert mit der typischen Leistungsaufnahme (Watt) multipliziert mit der durchschnittlichen Betriebsdauer in Stunden pro Tag ergibt den entsprechenden Verbrauch in Wattstunden (Wh) pro Tag (siehe Tabelle). Wird der Tagesverbrauch für alle Verbraucher addiert, erhält man den Leistungsbedarf in Wattstunden pro Tag. Durch die Bordnetzspannung von typischerweise 12 Volt geteilt ergibt sich der Strombedarf in Amperestunden (Ah).
Eine detaillierte Betrachtung ist wichtig, weil die Leistungsaufnahme allein noch nichts über den Tagesverbrauch aussagt. So wird ein Plotter, der vielleicht im Mittel eine Leistung von 10 oder 15 Watt zieht, über den kompletten Tag deutlich mehr Strom verbrauchen als eine Druckwasserpumpe mit 100 Watt, die aber nur für einige Minuten läuft. Wird zur Warmwasserbereitung zum Duschen und zur Nutzung der Ankerwinsch zwischenzeitlich der Motor angeworfen, wäre wiederum der dabei von der Lichtmaschine bereitgestellte Strom zu subtrahieren.
Einige Solarmodul-Hersteller bieten auch entsprechende „Online-Bedarfsrechner“ auf ihrer Homepage an. Genauso gut lässt sich das Ganze aber mit einer einfachen Excel-Tabelle lösen. Ebenso hilft ein Batteriemonitor an Bord, um den Bedarf in typischen Situationen zu testen. Eine belastbare Bedarfsplanung erfordert etwas Zeit und Mühe, die allerdings gut investiert sind, um hinterher nicht enttäuscht zu werden – sei es durch einen leeren Akku bei einer Unterkapazität oder unnötige Ausgaben bei einer Überversorgung.
Eine Frage des Reviers
Gehen wir als Beispielwert von einem Bedarf von rund 970 Wh beziehungsweise 81 Ah pro Tag aus (siehe Tabelle). Jetzt stellt sich die Frage, wie viel Strom unsere Solarmodule dafür erzeugen müssen. Mit welchen Werten dabei gerechnet wird, hängt vom Revier ab. Denn während wir unseren Bedarf für eine Tageslänge von 24 Stunden ermitteln, vermag das Solarmodul nur für wenige Stunden pro Tag Energie zu produzieren. Die Zahl der durchschnittlichen Sonnenstunden pro Tag spielt somit eine wichtige Rolle.
Gehen wir beispielhaft von acht Stunden (h) hinreichendem Sonnenschein an einem Sommertag in Nordeuropa aus. Somit müsste unser Solarpanel rund 121 Watt (W) beziehungsweise 10 Ampere (A) pro Stunde liefern, um den Verbrauch von 972 Wh/81 Ah auszugleichen (8 h x 121 W = 968 Wh, entsprechende Batteriekapazität vorausgesetzt).
Die Leistung von Solarmodulen wird herstellerseitig gern in „Watt peak“ (Wp) angegeben. Das ist die maximale Leistung, die ein Solarmodul unter idealen Testbedingungen liefern kann. Ein 100-Wp-Modul könnte somit im Idealfall 100 Watt pro Stunde bereitstellen. Wer nun jedoch davon ausgeht, den benötigten Bedarf von 121 Watt pro Stunde mit einem 120-Wp-Modul nahezu decken zu können, unterliegt einem Trugschluss.
Denn wie bereits erwähnt, steht und fällt der von den Solarmodulen erzeugte Strom mit der Intensität der Sonneneinstrahlung. Und auch diese unterscheidet sich je nach Revier beziehungsweise geografischer Breite. Dies hat neben der Anzahl an Sonnenstunden pro Tag auch mit dem Sonnenstand zu tun. Eine eher tief stehende Sonne liefert weniger Intensität, als wenn sie direkt im Zenit steht. Hinzu kommt noch die Häufigkeit und Stärke der Bewölkung, welche die Leistungsausbeute weiter reduziert.
Auf den Balearen ließe sich mit besagtem 120-Wp-Modul daher eine deutlich höhere Leistungsausbeute erzielen als in der dänischen Südsee. Der Solarmodul-Hersteller Sunware stellt auf seiner Homerpage einen Vergleichsrechner bereit. Demnach wäre mit einem 100-Wp-Modul im Juli auf Mallorca eine Leistungsausbeute von 591 Wh pro Tag möglich, während im dänischen Nyborg nur 415 Wh drin sind – jeweils bezogen auf das Monatsmittel. Im September sinkt der Wert für Nyborg auf 224 Wh ab, während er auf Mallorca immer noch bei 401 Wh liegt.
Die richtige Leistung
Wie man aus diesen Zahlen ersehen kann, sind auch die 100 Wp nicht wirklich auf die Praxis übertragbar. Denn auf Mallorca ist im Juli mit durchschnittlich 10 Sonnenstunden pro Tag zu rechnen, so dass wir eigentlich eher bei 1.000 Wh und nicht bloß bei 591 Wh landen müssten. Die Wp-Angabe bezieht sich eben auf ideale Laborbedingungen, die im wahren Leben selten gegeben sind.
Tatsächlich könnte ein 100-WP-Modul in der Mittagssonne durchaus einmal 100 Watt (und sogar etwas mehr) liefern, sofern es denn hinreichend gekühlt würde – denn auch die Betriebstemperatur beeinflusst die Ausbeute –, im Tageschnitt liegt der realistisch erzielbare Ertrag aber deutlich darunter. Hinzu kommen Verluste durch Kabel, Regler und bordseitige Abschattungen.
Angesichts der vielfältigen individuellen Einflussfaktoren ist es schwierig bis unmöglich, hier allgemeingültige Richtwerte anzugeben. Als Faustformel kann man in unseren Breiten (Nord-/Ostsee) von einem Ertrag von maximal 50 Prozent der Nennleistung ausgehen. Mit einem 100-Wp-Modul ließen sich zwischen Mai und September in der Kieler Bucht gemäß des vorgenannten Bedarfsrechners Tageserträge von durchschnittlich 325 Wh erzielen.
Für den im Beispiel angesetzten Tagesbedarf von 925 Wh bräuchten wir also knapp die dreifache Leistung. Aber dies auch nur, wenn wir die vorhandene Akkukapazität an Bord komplett erhalten wollen. Fahren wir hingegen mit vollen Akkus los und wollen nur ein/zwei Ankertage überbrücken, können wir auch mit einer angepassten Akkukapazität einiges kompensieren. Es kommt eben immer ganz darauf an, welchen Anspruch man verfolgt.
Installation und Ausrichtung
Ein weiterer wichtiger Faktor für die Energieausbeute ist die Installation. Dabei spielen vor allem mögliche Abschattungen eine große Rolle. Über die Module verlaufende Leinen, Schattenwürfe von Segeln, Rigg oder Großbaum sowie unebene Untergründe setzen die Leistung der Module deutlich herab. So führt ein stark gebogenes Modul zu einer entsprechend ungleichmäßigen Sonneneinstrahlung auf die einzelnen Zellen.
Gerade auf Segelyachten sind unverschattete ebene Flächen an Deck rar gesät. Daher empfiehlt sich hier der Griff zu hochwertigen Modulen mit einem hohen Wirkungsgrad, um die wenigen geeigneten Plätze effizient zu nutzen. Entsprechende Paneele für den Einsatz auf Yachten gibt es in unterschiedlichsten Varianten – drunter auch in begehbarer und sogar einlaminierbarer Ausführung.
Blauwassersegler setzen gern auf einen ausladenden Geräteträger am Heck, um großflächige Solarpaneele möglichst verschattungsfrei unterzubringen. Auf üblichen Fahrtenyachten können variable Module für Sprayhood und Bimini eine Alternative bieten. Hinzu kommen hochklappbare Module am Seezaun. Es gibt außerdem Solarmodule zum Aufstellen an Deck oder zum Vorheißen im Rigg, wenn die Yacht beispielsweise vor Anker liegt. Der Markt hält mittlerweile für jede Aufgabenstellung eine passende Lösung bereit.
Profis schwören auf eine nachführbare Montage, um die Solarmodule stets direkt zur Sonne ausrichten zu können. Rein technisch betrachtet ist dies absolut sinnvoll, da der Einfallswinkel starken Einfluss auf die Energieausbeute hat. Abgesehen davon, dass es dafür wiederum einen passenden Montageplatz an Bord braucht, muss man sich aber obendrein die Mühe machen, die Ausrichtung beständig anzupassen. Hier muss jeder selbst entscheiden, ob er dazu bereit ist. Die Alternative besteht darin, in zusätzliche Kapazitäten zu investieren.
Sven M. Rutter