Solaranlagen

Der Begriff Solaranlage ist bewusst gewählt, denn darunter fallen mehrere Arten von Energiegewinnung aus dem Sonnenlicht:

Letztere sind für Reisemobile nicht relevant und werden hier nicht weiter erwähnt.

Thermische Solarkollektoren

Am Abend am Reiseziel an- oder von einer Wanderung zum Fahrzeug zurückkommen und mit warmem Wasser im Überfluss duschen? Die Sonne macht's möglich.

Auf "duschtechnische" Besonderheiten (Sichtschutz, Windschutz, Aufweichen des Bodens, Abwasser, etc.) wird hier nicht weiter eingegangen.

Solardusche

Das einfachste System zur Wassererwärmung in der Sonne ist der schwarze Duschsack vom Camping-Versender:

Fazit Solardusche

Billige Variante aber ziemlich unpraktisch, obwohl … (mehr dazu).

Röhrenkollektoren

Röhrenkollektoren werden meist als Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt, die sehr effizient (Endtemperaturen bis über 200°C) aber auch teuer und empfindlich sind. Sie sind deshalb hier nicht weiter ausgeführt.

Flachkollektoren

Flachkollektoren sind meist als schwarz beschichtetes Kupfer- oder Alublech mit aufgebrachten Röhren realisiert, durch die eine Flüssigkeit zirkuliert und sich erwärmt 2. Endtemperaturen bis über 100°C sind leicht möglich. Bereits ein relativ kleines Panel (z.B. 50 x 50 cm) reicht aus, um die paar Liter Duschwasser auch unterwegs zu erwärmen.

Damit haben sich die Vorteile aber auch schon erschöpft. Ihnen gegenüber steht ein hoher apparativer Aufwand, der sich nicht rechnet und eine Komplexität mit sich bringt, die man vermeiden möchte. Hier nur die wichtigsten Punkte:

Fazit Thermische Solarkollektoren 

Im Reisemobil — gemessen an den Vorteilen — als fest installiertes System zu komplex und zu schwer. Allenfalls realisierbar als einfacher, direkt vom Duschwasser durchströmter, mobiler Kollektor mit Umwälzpumpe, mit ähnlichen Nachteilen wie die Solardusche (oben).

Analoge Überlegungen lassen sich anstellen, wenn das Duschwasser mit der Abwärme des Fahrzeugmotors erwärmt wird. Das Fazit ist allerdings auch analog, speziell da es heikel ist, den Kühlerkreislauf um einen Wärmetauscher zu erweitern: die Garantie durch den Motorenhersteller dürfte dardurch erlöschen und die Pannenanfälligkeit nimmt zu. Diese Lösung wurde aber schon oft praktiziert und ist sinnvoller als Flachkollektoren aufs Dach.

Unterwegs dürfte die einfachste Lösung — abgesehen von einem elektrisch oder mit Gas beheizten, kleinen Boiler — das Erwärmen des Duschwassers auf dem Kocher sein. Fürs Duschen reichen 6-8 Liter zu 40°C. Das entspricht einer Mischung von 6 Liter zu 20°C und 2 Liter zu 100°C; das Erwärmen von 2 l von 20°C auf 100°C erfordert im besten Fall einen Energieaufwand von 2 ∙ 4.2 kJ ∙ 80°C = 672 kJ, realistischer eher das Doppelte, also ca. 1.5 MJ, was in etwa dem Heizwert von ca. 30 g Benzin oder Diesel entspricht. Dies ist von allen "Systemen" sicher das energieeffizienteste, wenn die graue Energie, die für die Herstellung der notwendigen Komponenten einzusetzen ist, auch einkalkuliert wird. 

Photovoltaik (PV)

Photovoltaische Solarpanels ("PV-Panels"), die Strom erzeugen, werden in grosser Sortimentsbreite angeboten, sind vielfach erprobt, und die Preise sinken laufend. Ganz so klar, dass man auf einem Reisemobil Solarpanels wirklich braucht, ist es aber doch nicht.

Im Fahren die Batterien laden?

Solarertrag

Ein gutes — und deshalb auch teureres — PV-Panel von ca. 1 m x 0.5 m (= 0.5 m2) liefert unter besten Bedingungen um 100 W Nennleistung [Wp] bei ca. 16  bis 18 V. Um eine 12-Volt-Batterie zu laden braucht es einen Laderegler, der die Spannung herabsetzt (typisch auf 14.4 V) und den Ladezustand der Batterie berücksichtigt. Idealerweise kann dieser Laderegler zugleich auch das Solarpanel im optimalen Betriebspunkt abgreifen, damit die maximale Leistung auch wirklich abgeholt werden kann (MPP-Tracking). Natürlich arbeitet der Regler selbst nicht verlustfrei, das Panel ist leicht verschmutzt, es gibt Leitungsverluste, etc., wodurch auf der Batterieseite noch etwa 90 W ankommen. Bei 14.4 V fliessen dann gut 6 A; pro Stunde also maximal ca. 6 Ah elektrische Energie. 

An einen durchschnittlichen Tag im Hochsommer liegen in Süddeutschland mit einem horizontal eingerichteten Solarpanel von 100 Wp bis gegen 40 Ah Ertrag bei 12 V drin. Im Frühling und Herbst ca. 50%, im Winter 20% davon. In Wirklichkeit ist es während der Fahrt wegen zusätzlicher Schatten noch weniger. In sonnenreichen Ländern liegen im Durchschnitt 50 bis 100% mehr drin.

"Lichtmaschine" (Generator) und Akkus

Der Generator des T-Rex liefert maximal 140 A Strom bei 13.9 bis 14.4 V; er regelt dynamisch seine Ausgangsleistung in Abhängigkeit seiner Drehzahl und des Gesamtwiderstands der Last. Einen Teil des Stroms verbrauchen die elektrischen Systeme des Fahrzeugs gleich selbst (Dieselpumpe, Steuerelektronik ABS, Licht, etc.). Es ist aber offensichtlich, dass nach Abzug des Eigenverbrauchs theoretisch bis zu 15-mal mehr Strom zum Laden der Batterie(n) zur Verfügung steht, als das Solarpanel unter optimalen Bedingungen liefern kann. Und dies wetterunabhängig. 

Allerdings "schlucken" Akkus nicht einen konstanten Ladestrom bis sie voll sind, sondern der Ladestrom nimmt mit zunehmendem Füllgrad der Batterie kontinuierlich ab. Beispiel: Nach mehreren Wochen Ruhe zeigt eine 4-jährige Blei-Säure-Starterbatterie (100 Ah) bei 20°C eine Spannung von 12.1 V, was auf eine Restladung von ca. 30% schliessen lässt. Nach dem Starten des Motors (T-Rex) steigt die Spannung innert 10 Sekunden auf 14.3 V, der Ladestrom liegt bei knapp 30 A (Standgas), Tendenz nach ein paar Minuten bereits abnehmend. Der T-Rex-Generator macht keinen grossen Unterschied in seiner Lieferfähigkeit in Bezug auf Standgas resp. Fahrbetrieb. Es wird also im Fahren mehrere Stunden dauern, bis die Batterie wieder voll ist (die beschriebene Batterie steht bereits nahe an ihrem Lebensende und hat eine Kapazität von vielleicht noch 80 Ah).

LiFePO4-Akkus haben eine "bessere" Ladekurve als Blei-Säure-Batterien und können ohne Schaden auf gegen 100% der Nennkapazität entladen werden. Im entladenen Zustand nehmen sie hohe Ströme auf und speichern dementsprechend viel Energie in kurzer Zeit. Eine zu 90% entladener Akku kann in 25 Minuten um 20 Ah aufgeladen werden, typischerweise eine Tagesration. Auch im 90% geladenen Zustand nimmt ein 100-Ah-Akku noch 25 A auf. Siehe diese Seite für eine gemessene Ladekurve.

Ökologie

Natürlich ist der Strom von der Lichtmaschine nicht "gratis", sondern führt zu einem Mehrverbrauch an Treibstoff. Generatoren haben einen relativ guten Wirkungsgrad, nehmen wir mal 80%. Ein Dieselmotor selbst ist bei normaler Fahrt mit einem Wirkungsgrad von, sagen wir, 15% unterwegs. Diesel enthält grob 10 kWh Energie pro Liter. Um die 40 Ah Ertrag (= 480 Wh) des Solarpanels zu erzeugen, verbraucht der Motor also 0,4 Liter Diesel. Als Faustregel können wir uns merken: 1 Liter Diesel pro 100 Ah; das entspricht dem Maximalertrag des Panels über 2.5 Tage.

Eins zu Null für das PV-Panel, sollte man denken. Nun müssen wir aber die Solarseite zu Ende rechnen, denn diese Anlage würden wir ja eigens zum Laden der Batterien anschaffen. Bei Solaranlagen für den kommerziellen Gebrauch geht man davon aus, dass 

Unser Panel mit 100 Wp hätte übers ganze Jahr betrachtet einen Ertrag von grob 9'000 Ah, über zweieinhalb Jahre also etwa 22'500 Ah, das wären 225 Liter Diesel. Zusätzlich durch das Mehrgewicht der Solaranlage verursachten Verbrauch, lassen wir mal beiseite. Man muss sein Reisegefährt resp. das Solarpanel also mindestens 2.5 Jahre mit Maximalertrag nutzen, bis ein ökologischer Mehrwert entsteht.

Wirtschaftlichkeit

Eine PV-Anlage mit 100 Wp und Laderegler kostet ohne Montage je nach Wirkungsgrad von Solarmodulen und Regler zwischen 400 und 800 €. Bei einem Dieselpreis von 1.30 € (Stand 5.2014) ist die Anlage zu 400 € erst nach gut 300 Litern ∙ 2.5 Tage = 750 Tage = ca. 2 Jahre mit Maximalertrag amortisiert.

Fazit PV-Panel im Fahren vs. Lichtmaschine des Fahrzeugs

Das PV-Panel ist erst nach 2.5 Jahren mit voller Auslastung ökologischer als Strom von der Lichtmaschine,

wirtschaftlicher auch erst ab über 2 Jahren mit Maximalertrag (grob überschlagene Werte).

Als weitere Nachteile hat man mit einer Solaranlage ein komplexeres Gesamtsystem und mehr Gewicht an Bord.

Im Stand die Batterien laden?

Ok, Solarstrom im Fahren lohnt sich offenbar nicht. Und im stationären Betrieb möchte man aus Respekt zur Natur und zu den Camping-Nachbarn den Fahrzeugmotor nicht als Generator missbrauchen. Solar panels to the rescue! 

Sonne und Schatten

Leider steht bereits dem erfolgreichen Beginn der Solarnutzung ein Konflikt im Weg: während das PV-Panel möglichst unverschattet und direkt zur Sonne gerichtet sein will, stellen wir unsere Fahrzeuge im Normalfall lieber in den Schatten. Nun mag man denken, dass ein bisschen Schatten dem Solarertrag nicht viel nimmt, zumal unter einem Baum, wo immer etwas Licht durch das Blätterdach aufs Panel fällt. Das Gegenteil ist der Fall: die einzelne Solarzelle eines Solarmoduls liefert nur ca. 0.5 bis 0.6 V. Um auf die 16 bis 18 V zu kommen, die ein Panel normalerweise liefert, müssen gegen 30 Zellen in Serie geschaltet werden. Und jetzt kommt's: liegt von diesen 30 Zellen auch nur eine Zelle im Schatten, fliesst durch sie kein Strom mehr hindurch — und wegen der Serieschaltung durch die anderen 29 auch nicht mehr. Kleine Module um 0,5 m2 bestehen oft nur aus ca. 30 Zellen, also ist der Ertrag = Null.

In Wirklichkeit ist die Welt nicht ganz so schwarz und weiss: die Solarpanel-Hersteller bauen nämlich oft sogn. Bypass-Dioden ein, mit denen der Strom Zellen umgehen kann, die beschattet sind. Es hängt vom Produkt ab, ob und wie viele solche Dioden verbaut sind, und meist werden Stränge aus mehreren Zellen gebildet, die über eine Bypass-Diode umgangen werden können. Es lohnt sich, vor dem Kauf zu prüfen, ob und wie Bypässe verbaut sind, sodass bei Teilabschattung immer noch ein positiver Ertrag resultiert. Trotzdem: das Solarpanel sollte sich gerade bei Reisen in warme Länder räumlich vom Fahrzeug getrennt aufstellen lassen.

Ausrichtung und Solarertrag

Der direkt von der Sonne eingestrahlte Anteil des Lichts, das auf ein Solarpanel fällt, ist auch gleich der massgebliche, obwohl die Diffusstrahlung vom Himmel und reflektiertes Licht von der Umgebung (Wiese, See, Schnee, Sand) einen erheblichen Beitrag ausmachen. Insgesamt sollte das Panel deshalb immer genau zur Sonne ausgerichtet sein, müsste also dem Lauf der Sonne nachgeführt werden, um den maximalen Tagesertrag zu erzielen. Dies bedingt einen apparativen Aufwand, der sich kaum rechnet, obwohl gegenüber der festen horizontalen Einrichtung bis zu 40% Mehrertrag resultieren kann.

Ist das Panel fest eingerichtet, so hat es mit Ausrichtung nach Süd (±30°) und einer Neigung von 30° gegen die Horizontale in Mitteleuropa über das ganze Jahr die ideale Stellung 3. Im Sommer ist etwas flacher noch günstiger, im Winter etwas steiler. Idealerweise lässt sich das Solarpanel also unabhängig vom Fahrzeug nach der Sonne ausrichten.

Das oben für die Ertragsrechnung verwendete 100-Wp-Solarpanel kann, wenn es im stationären Betrieb unverschattet und optimal ausgerichtet aufgestellt ist, an einem durchschnittlichen Tag knapp 15% mehr Ertrag liefern, also bis gegen 45 Ah. Stellt man es im Lauf des Tages noch ein paarmal nach der Sonne, liegen über 50 Ah drin. 

Wann braucht man wirklich ein Solarpanel ?

Ein PV-Panel braucht man dann, wenn der Stromverbrauch während der maximalen Standzeit die gespeicherte Energie in der Versorgungsbatterie übersteigt und keine anderen Möglichkeiten bestehen, die Batterien während dieser Zeit zu laden.

Nun ist aber der Stromverbrauch allein durch die eingeschalteten Geräte bestimmt, was wiederum von Komfort und Gewohnheiten abhängt. Die grossen elektrischen Verbraucher sind in der Regel:

Es ist sinnvoll, zuerst einmal den Verbrauch zu reduzieren, was aber z.B. im Winter nur bedingt gelingt. Doch hilft genau dann das Solarpanel auch nicht wirklich weiter.

Wenn der Verbrauch minimiert ist, kann die Batteriekapazität erhöht werden. Hier bieten sich heute vor allem die LiFePO4-Akkus an, die bei geringerem Gewicht eine deutlich höhere nutzbare Speicherkapazität und eine mehrfach längere Lebensdauer aufweisen als Blei-Säure-Akkus. Ein 100-Ah-LiFePO4-Akku mit nutzbarer Kapazität von 80 Ah, was dem Solarertrag von mindestens 2 Tagen entspricht, wiegt 14 kg — nur ca. 4 kg mehr als ein übliches 100 Wp Solarpanel mit Montagematerial, Laderegler und Kabeln.

Natürlich steckt auch in einem Akku viel graue Energie, zumal auch er oft in China produziert wird. Aber der Akku ist vielseitiger einsetzbar als das PV-Panel, d.h. nicht nur, wenn die Sonne scheint, so kann er gleichzeitig als Backup für die Starterbatterie dienen. Die Lebensdauer von LiFePO4-Akku wird mit 3000 vollen Ladezyklen angegeben, was für ein Reisemobil während Jahrzehnten ausreicht.

Welche Technologie ?

Die meisten handelsüblichen PV-Module sind aus kristallinem Silizium gefertigt. Panels mit monokristallinen Zellen sind teuerer aber auch etwas leistungsfähiger als solche mit polykristallinen Zellen. Die Zellen können auf eine feste Platte mit einem festen Rahmen (100 Wp wiegen dann ca. 9 kg) oder auf ein flexibles Material (100 Wp wiegen dann teilweise unter 1.5 kg) aufgebracht werden. Letztere sind teurer und werden meist direkt aufgeklebt, was eine Erwärmung und einen verringerten Ertrag mit sich bringt, dafür sind sie sehr aerodynamisch, was bei den aufgeständerten oft nicht der Fall ist und einen höheren Dieselverbrauch bedeutet. Hier entscheidet vor allem das Budget.

PV-Module aus amorphem Silizium haben einen sehr viel kleineren Wirkungsgrad als kristalline. Deshalb braucht es für den gleichen Ertrag 3- oder 4-fache Fläche. Dafür sind sie pro Flächeneinheit auch billiger, und es wird vermutet, das hier noch grosse Technologiesprünge anstehen. Amorphe Zellen werden eher im Gebäudesektor verwendet, aber es gibt keine Gründe, sie nicht auch auf Reisemobilen einzusetzen. Als Vorteil erhöht sich der Wirkungsgrad mit steigender Zellentemperatur.

Wegen der Reinheit der benötigten kristalline Zellen braucht dies sehr viel Energie in der Herstellung, was die Ökobilanz schmälert.

Fazit PV-Panel

Das PV-Panel wird allgemein überschätzt, oder es wird montiert, weil "man das so macht". Die Verschattungs-problematik bei fest montierten Panels ist besonders in heissen Ländern gravierend.

Wirklich benötigen tun PV-Panels nur wenige (man richtet sich oft auf den Fall ein, der dann doch nie eintritt),

resp. es gibt Alternativen. Ökologisch sinnvoll ist es für unsere Reisemobile in den wenigsten Fällen.

Wenn man ein Solarpanel montiert, dann muss aus ökologischen Gründen darauf geachtet werden, dass es über

seine Lebensdauer möglichst viel Strom produziert. Bei Sonnenschein müsste dann auch im Fahren darauf

geachtet werden, dass die Batterien nicht über die Lichtmaschine geladen werden. Sind die Batterien voll, so kann

der Strom noch dazu verwendet werden, um in einem elektrischen Boiler warmes Wasser zu machen, eine Wärmepumpe zu betreiben, oder das E-Bike zu laden.