Autark an Bord: So wird die Solaranlage geplant

​Sieben Uhr morgens, einsam vor Anker in einer traumhaften Bucht, doch plötzlich wird die Idylle vom schrillen Batteriealarm unterbrochen. Das Ankerlicht hat über Nacht offenbar die Restkapazität aufgezehrt, die nach zwei Segeltagen und -nächten ohne Landverbindung noch in den Stromspeichern steckte. Solche Momente lassen Gedanken an eine autarke Energieversorgung aufkommen.

Auch interessant:

• ​Lifehacks: Die besten Solar-Tricks unserer Leser
• ​Werkstatt: So installieren Sie ein individuell angefertigtes Solarmodul an Bord
• ​Technik: Diese Solarmodule gibt es, und so werden sie installiert

Die Stromversorgung stellt auf Segelyachten seit je eine Herausforderung dar. Zwar sind inzwischen sparsamere Verbraucher wie beispielsweise LED-Leuchtmittel verfügbar. Allerdings sind auch immer mehr und immer stärkere Verbraucher an Bord gekommen, wie unter anderem große Multifunktionsdisplays, AIS, mobile Internetrouter, Laptops, Tablets und Smartphones.

​Anspruchslose Lösung für alle Fälle

Natürlich könnte man im vorgenannten Fall auch einfach den ausgekuppelten Bootsdiesel anwerfen, um über die Lichtmaschine Strom zu erzeugen. Dies ist jedoch weder effizient noch komfortabel. Ein günstigeres Verhältnis von Einsatz und Ertrag verheißen Dieselgeneratoren, die jedoch ebenfalls Treibstoff verbrauchen und somit die Reichweite dezimieren. Eine Alternative bieten Brennstoffzellengeneratoren. Sie arbeiten effizient, leise und nahezu emissionsfrei, sind allerdings recht teuer. Hinzu kommt, dass der Brennstoff, Methanol, nicht überall einfach verfügbar ist.

Ganz ohne Treibstoffeinsatz liefern Wind- und Hydrogeneratoren den ersehnten Strom. Erstere benötigen allerdings bewegte Luft, wobei es auch nicht zu viel Wind sein darf. Ferner muss man mit einer gewissen Geräuschentwicklung und mitunter auch mit Vibrationen leben. Schleppgeneratoren funktionieren wiederum nur in Fahrt, für ausgedehnte Liegezeiten ohne Landstrom bieten sie keine Lösung.

Deutlich anspruchsloser geben sich Solarmodule, die weder Wind noch Vortrieb voraussetzen. Obendrein gibt es keine beweglichen Komponenten und dementsprechend wenig Verschleiß und Wartungsaufwand. Sobald morgens die Sonne aufgeht, darf man mit entsprechendem Ertrag rechnen. Wie hoch dieser ausfällt, hängt von verschiedenen Faktoren ab, die bei der Konzeption einer Solaranlage an Bord bedacht werden sollten.

​Wie viel Strom wird benötigt?

Der erste Schritt besteht in einer gewissenhaften Bedarfsermittlung: Wie viel Strom wird benötigt und wie lange soll die Yacht autark bleiben können? Auf diese Frage gibt es mindestens ebenso viele Antworten, wie es Vorstellungen von einem perfekten Segeltörn gibt. Wer jeden zweiten Tag wieder am Landstrom hängt, benötigt weniger Reserven als jemand, der vorzugsweise vor Anker liegt oder gar eine Weltumsegelung plant.

Und auch bei den benötigten Verbrauchern gibt es unterschiedliche Präferenzen: Der eine benötigt lediglich das Ankerlicht in der Nacht, während unter Deck eine Petroleumlaterne baumelt. Andere legen Wert auf einen gewissen Komfort mit laufendem Kühlschrank, Internetzugang und Entertainment. Hinzu kommt die Ausstattung: Gibt es einen Inverter an Bord, der zum Beispiel den Laptop speist? Wird ein Induktionskochfeld oder vielleicht sogar eine Klimaanlage betrieben? Von einer Yacht mit elektrischem Antrieb ganz zu schweigen.

Hier muss jeder seine eigene Rechnung aufmachen. Dabei hilft eine Tabelle, in der alle Verbraucher mit ihrer durchschnittlichen täglichen Betriebsdauer aufgelistet werden. Die Leistung jedes Verbrauchers in Watt (W) multipliziert mit den täglichen Betriebsstunden (h) liefert den Bedarf in Wattstunden (Wh/Tag). Addiert man alle Werte, ergibt sich der Gesamtbedarf pro Tag.

​Wie viel Strom Mensch und Boot in 24 Stunden verbrauchen

​Der größte Stromfresser ist der Kühlschrank, gefolgt von USB-Ladung und Autopiloten. Um die Wattstunden in Amperestunden umzurechnen: Wh / V (Nennspannung der Akkus). 720 Wh entsprechen also 60 Ah in einem 12-V-Netz. Bei herkömmlichen Akkus ist für ­diesen Verbrauch eine Batterie mit rund 120 Ah nötig. Handelt es sich um LiFe-Akkus, genügen im Prinzip 67 Ah.

​Je detaillierter die Aufstellung, desto verlässlicher das Ergebnis. Eine Druckwasserpumpe hat zwar eine höhere Leistungsaufnahme als ein Kartenplotter, läuft aber nur selten, während die Navigationselektronik über mehrere Stunden in Betrieb ist. Beim dauerhaft laufenden Kühlschrank liegt die mittlere Leistungsaufnahme derweil unter der Nennleistung, weil der Kompressor zwischenzeitlich abschaltet, hier behilft man sich mit einem Schätzwert.

Welche Ladung ist gewünscht?

Der nächste Blick gilt der Batteriekapazität an Bord, die meist in Amperestunden (Ah) bemessen wird. Ein 120-Ah-Bordakku kann theoretisch 120 Ampere (A) für eine Stunde bereitstellen oder 5 Ampere über 24 Stunden liefern. Es kommt allerdings auf den Akkutyp an: Während sich Lithium-Eisenphosphat-Akkus fast vollständig entladen lassen, die damit nahezu ihre gesamte Kapazität bereitstellen, 90 bis 95 Prozent, kann man Blei-Säure-Akkus einschließlich AGM- und Gel-Batterien nur zum Teil entladen, ohne ihre Lebensdauer zu beeinträchtigen.

Als Richtwert lassen sich 50 Prozent nutzbare Kapazität ansetzen. Ein Blei-Säure-Akku mit 120 Amperestunden stellt realistisch also nur 60 Amperestunden bereit. Multipliziert mit einer Nennspannung von annähernd 12 Volt (V) ergeben sich 720 Wattstunden (60 Ah x 12 V = 720 Wh). Diese Kapazität steht mit einer vollen Bleibatterie ohne Nachladen zur Verfügung.

Nun wird die verfügbare Kapazität dem Tagesverbrauch gegenübergestellt. Daraus ergibt sich, wie lange man maximal ohne Nachladung auskommt. Nehmen wir an, wir kommen mit den 720 Wattstunden bislang über einen Tag, 24 Stunden. Künftig wollen wir zwei zusätzliche Tage unter Segeln und vor Anker verbringen. Somit läge der zusätzliche Bedarf bei 1.440 Wattstunden (2 x 720 Wh). Diese müssten über die insgesamt drei Tage erzeugt werden, die wir autark sein möchten, also 480 Wattstunden pro Tag (3 x 480 Wh = 1.440 Wh).

​Der tatsächliche Bedarf hängt auch von den Rahmenbedingungen ab. Wenn wir tagsüber mit voller Batterie starten, kann diese natürlich zunächst keine weitere Ladung aufnehmen. Zudem bleiben Motorlaufzeiten unberücksichtigt. Die Beispielrechnung soll lediglich der Orientierung dienen.

​Theorie und Realität

Wenn wir von einer Sonnenscheindauer von 8 Stunden am Tag ausgehen, müsste das Solarmodul im Mittel 60 Watt liefern, um den benötigten Strom bereitzustellen (8 h x 60 W = 480 Wh). Das erscheint zunächst nicht viel, ein 60-Watt-Modul ist weder groß noch teuer, doch Theorie und Praxis liegen weit auseinander. Die Leistung von Solarmodulen wird meist in Wattpeak (Wp) angegeben. Dabei handelt es sich um den Spitzenwert unter Idealbedingungen. Ein 60-Wattpeak-Modul könnte zwar durchaus 60 Watt liefern, aber nur bei optimaler Einstrahlung. Die Intensität der Sonneneinstrahlung verändert sich jedoch mit dem Sonnenstand und ebenso im Jahresverlauf. Hinzu kommt die geografische Breite.

Auf der Website des Solarmodul-Herstellers Sunware (www.sunware.solar) finden sich Vergleichswerte für verschiedene Reviere. Demnach liefert ein 100-Wattpeak-Modul im kroatischen Split im Juli 545 Wattstunden pro Tag, während in Kiel nur 370 Wattstunden drin sind. Im September sinkt der Tagesertrag in Kiel auf 207 Wattstunden, während in Split immer noch mit 348 Wattstunden zu rechnen ist. Es handelt sich jeweils ums Monatsmittel, Schlechtwettertage sind bereits einkalkuliert.

Der mittlere Ertrag in den Monaten Mai bis September liegt in Kiel bei rund 325 Wattstunden pro Tag. Das entspricht 3,25 Peak Sun Hours (PSH) pro Tag, die Einheit bezieht sich auf die Stunden mit einer äquivalenten Sonneneinstrahlung von 1 Kilowatt pro Quadratmeter (0,325 kWh : 0,1 kW = 3,25 h). Für die von uns benötigten 480 Wattstunden würde an der heimischen Ostseeküste ein 100-Wattpeak-Modul also nicht ausreichen. Wir bräuchten ungefähr den 1,5-fachen Ertrag (325 Wh x 1,5 = 487,5 Wh), also ein Modul mit 150 Wattpeak. ​Vorausgesetzt, es gibt keine Leistungseinbußen durch eine ungünstige Ausrichtung oder Verschattung. Verluste können sich ferner durch Verkabelung und Regler ergeben. Wer es ganz genau wissen will, kann diese Leitungsverluste ebenfalls berechnen.

Zellentypen und benötigte Fläche

Wie viel Fläche für die angestrebte Leistung benötigt wird, hängt vom Wirkungsgrad der Zellen ab. Solarmodule setzen sich üblicherweise aus mehreren untereinander verschalteten Zellen zusammen, die aus mono- oder polykristallinem Silizium bestehen. Monokristalline Zellen können einen Wirkungsgrad um die 20 Prozent erreichen. Weiterentwicklungen wie unter anderem PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), IBC (Interdigitated Back Contact) und HJT (Heterojunction Technology) steigern den Wirkungsgrad auf bis zu 25 Prozent.

Polykristalline Zellen weisen einen niedrigeren Wirkungsgrad auf, 15 bis 18 Prozent. Noch etwas darunter liegen Dünnschichtzellen, amorphe Zellen, die sich dafür recht flexibel geben und sich auch für teilverschattete Bereiche eignen. Für flexible Module werden heute ebenso siliziumfreie CIS- und CIGS-Zellen eingesetzt, die eine ansprechende Leistung liefern. Wer bereit ist, in effiziente Module zu investieren, kommt also mit weniger Fläche aus. Für ein Solarmodul mit 150 Wattpeak sind je nach Ausführung zwischen 0,7 und 1,2 Quadratmeter einzuplanen. Eine Aufteilung auf mehrere Module erhöht den Flächenbedarf.

Der passende Platz

​Grundsätzlich gilt: Je weniger Schatten und je direkter die Ausrichtung zur Sonne, desto höher der Ertrag. Deshalb tragen viele Blauwasseryachten einen stabilen Geräteträger am Heck, auf dem die Solarmodule ungetrübt ihren Dienst verrichten können, teilweise sogar neigungsverstellbar für eine optimale Ausrichtung. Wer keine solche Konstruktion montieren möchte, findet vielfältige Alternativen. Der Markt bietet heute für nahezu jeden Bootstyp und Anspruch eine praktikable Lösung, von hochklappbaren Modulen für den Seezaun über begehbare Varianten für den Kajütaufbau bis zu flexiblen Ausführungen für Sprayhood und Bimini. Es gibt sogar vorheißbare Module für den Mast. Hinzu kommen Spezialausführungen für Baum und Segel.

Geht es lediglich um die Stromversorgung vor Anker, wären auch mobile Varianten denkbar, die an Deck aufgestellt werden, oder Module, die sich an die Reling hängen lassen. Soll das Ganze ebenso unterwegs funktionieren, wäre wiederum ein Geräteträger die beste Wahl, oder man sieht sich nach passenden Lösungen für die feste Montage an Deck oder auf dem Kajütdach um.

Bei dem im Beispiel genannten Bedarf von rund 150 Wattpeak liegen die Preise für entsprechende Einzelmodule im Mittel bei etwa 350 bis 450 Euro. Einfache Einstiegsmodelle gibt es mitunter schon günstiger, je nach Ausführung und Lieferumfang, Sets mit Befestigungssystem, Laderegler etc., können aber auch bis zu 1.000 Euro und mehr aufgerufen werden, etwa für Hochleistungszellen sowie faltbare und flexible Versionen. Ist der Platz an Deck begrenzt, ließe sich auch erwägen, parallel in eine erweiterte Batteriekapazität zu investieren, um den Bedarf an zusätzlichem Solarstrom zu verringern. So oder so: Die Investition in Sonnenenergie zahlt sich in mehr Freiheit aus, indem sie mehr Zeit zur Verfügung stellt, die man entspannt und emissionsfrei auf dem Wasser verbringt.

​Der richtige Regler

Um die Bordakkus effizient zu laden, bedarf es eines passenden Ladereglers, der zwischen dem Solarmodul und der Bordbatterie sitzt. Er sorgt für einen optimalen Ladestrom und schützt vor Überladung. Zudem sollte der Laderegler auf das jeweilige Modul und den Batterietyp abgestimmt sein.

Technologisch dominieren zwei Typen: PWM-Regler (Pulse Width Modulation) und MPPT-Regler (Maximum Power Point Tracking). Erstere gelten als einfach, preiswert und robust. MPPT-Regler sind komplexer aufgebaut und teurer – allerdings auch deutlich effizienter. Sie speisen nahezu die gesamte vom Solarmodul gelieferte Energie in die Batteriebank ein.

Einige Modelle besitzen mehrere Ausgänge, beispielsweise zum gleichzeitigen Laden der Starterbatterie. Werden mehrere Module in Reihe geschaltet, muss der Laderegler die höhere Spannung verarbeiten können. Parallele Schaltungen dagegen erhöhen den Strom. Hohe Ladeströme erfordern ausreichend dimensionierte Kabel und eine besondere Sorgfalt bei der Installation.

Achtung: Solarladeregler sind speziell für Photovoltaik-Systeme ausgelegt und dürfen nicht für andere Stromquellen verwendet werden!

​Praxisfaktoren, die den Solarertrag mindern

• Verschattung: Schon kleine Schatten, zum Beispiel durch einen pendelnden Großbaum, die Verstagung, die Dirk, eine Talje oder die Salinge, können die Leistung eines Solarmoduls merklich reduzieren. In der Praxis ist ein Leistungsverlust von 10 bis 30 Prozent keine Seltenheit.
• Ausrichtung zur Sonne: Die Maximalleistung eines Solarmoduls lässt sich nur durch eine optimale, möglichst senkrechte Sonneneinstrahlung realisieren. Dauerhaft flach liegende oder ungünstig zur Sonne geneigte Solarmodule mindern den Ertrag im Tagesmittel. Wie hoch dieser ausfällt, hängt von der Jahreszeit ab.
• Temperatur: Hohe Modultemperaturen senken den Wirkungsgrad. Im Mittelmeer oder in tropischen Gefilden kann dies weitere 5 bis 10 Prozent kosten.
• Verkabelung und Ladetechnik: Verluste durch Leitungswiderstände und minderwertige Regler können sich auf zusätzliche 5 bis 10 Prozent Verlust addieren.

​Buchtipps

Die Seemannschaft behandelt zentrale Bereiche der Yachtausrüstung, Bootspflege, Wartung und elektronischen Navigation. Leserinnen und Leser erhalten Orientierung für den technischen Bordalltag und können die Auswahl sowie den Betrieb ihrer Ausrüstung besser einordnen.

Sicher Segeln auf See richtet den Blick auf die sichere Nutzung einer Segelyacht. Der Ratgeber behandelt unter anderem Risiken der Bordelektrik und digitale Helfer wie AIS und GRIB-Dateien.

Wie viel Technik braucht eine Yacht wirklich, um mehrere Tage autark zu sein? Teilen Sie Ihre Erfahrungen mit Solarstrom an Bord in den Kommentaren.