Energie an Bord erzeugen: Lichtmaschine, Solar, Landstrom

Energie an Bord kommt aus drei Quellen: aus dem Motor, aus der Sonne und aus dem Landanschluss. Jede hat eine andere Charakteristik, eine andere Regelung und eine andere Schwäche. Dieser Fachbereich zeigt, wie man sie einzeln auslegt und danach zusammenschaltet, ohne dass sie sich gegenseitig stören.

Die drei Quellen im Vergleich

Der entscheidende Unterschied liegt nicht in der Leistung, sondern in der Verfügbarkeit. Eine Lichtmaschine liefert viel Strom, aber nur solange der Motor läuft. Solar liefert wenig Strom, dafür jeden Tag und ohne Zutun. Landstrom liefert unbegrenzt, aber nur am Liegeplatz.

Die Zeile, die in der Planung am häufigsten fehlt, ist die erste: Eine serienmäßige Lichtmaschine ist dafür gebaut, den Motor zu versorgen — nicht dafür, eine große Verbraucherbatterie-Bank zu füllen.

Die Lichtmaschine

Die Serienlichtmaschine eines Dieselmotors liefert im Leerlauf oft nur 30 bis 40 Ampere und arbeitet mit einem einfachen, meist einstufigen Regler. Der hält eine feste Spannung und beendet die Ladung damit faktisch bei etwa 80 Prozent. Wer täglich zwei Motorstunden hat und eine Batterie-Bank mit 400 Ah versorgen will, kommt damit nie an.

Eine Hochleistungslichtmaschine ändert zwei Dinge gleichzeitig: Sie liefert deutlich mehr Strom, und zwar bereits bei niedriger Drehzahl, und sie lässt sich von einem externen Mehrstufenregler steuern. Erst dieser Regler macht aus der Lichtmaschine ein vollwertiges Ladegerät mit Kennlinie, Temperaturkompensation und einer Abschaltung, die zum Batterietyp passt.

Wie groß sie sein darf, entscheidet nicht der Wunsch, sondern die Batterie: Nassbatterien nehmen bis etwa 25 Prozent ihrer Kapazität als Ladestrom an, Gel bis 35, Standard-AGM bis 40, TPPL- und Kohleschaum-AGM bis 100 Prozent. Eine Batterie-Bank mit 300 Ah AGM-Zellen passt damit zu rund 120 Ampere.

Drei mechanische Punkte entscheiden darüber, ob der Umbau hält: die Befestigungsgeometrie am Motor, die Riemenscheibe und die Riemenart. Oberhalb von etwa 100 Ampere bei 12 Volt reicht ein einfacher Keilriemen nicht mehr — dann sind Doppelkeil- oder Rillenriemen nötig, gegebenenfalls mit Umrüstsatz.

WarnungWer auf LiFePO4 umrüstet, muss die Lichtmaschine gegen Lastabwurf schützen. Trennt das Batteriemanagement unter Last, verschwindet die Batterie schlagartig aus dem Bordnetz, und die entstehende Spannungsspitze zerstört Dioden und Regler. Ein Schutzmodul zwischen B+ und B- ist die einfachste Absicherung dagegen, eine Pufferbatterie oder ein Ladewandler die gründlichere.

Zwei Batteriekreise verbinden

Sobald es eine Starter- und eine Verbraucherbatterie-Bank gibt, stellt sich die Frage, wie beide aus derselben Quelle geladen werden, ohne dass die eine die andere leert. Dafür gibt es drei Bauarten, und sie sind nicht austauschbar.

Ein Trennrelais verbindet beide Kreise, sobald eine Ladespannung anliegt, und trennt sie wieder, wenn sie wegfällt. Einfach, günstig, verlustarm — aber beide Batterie-Bänke sehen dieselbe Spannung. Das setzt voraus, dass sie dieselbe Ladekennlinie vertragen.

Ein Ladewandler entkoppelt die Kreise elektrisch. Er nimmt Energie aus dem einen Kreis auf und gibt sie mit eigener, einstellbarer Kennlinie an den anderen ab. Das ist die richtige Antwort, wenn die Batterie-Bänke unterschiedliche Technologien haben — Bleistarter, Lithiumversorger — oder wenn die Ladespannung am Ende einer langen Leitung nicht mehr ausreicht.

Eine Trenndiode ist die älteste Variante und kostet Spannung: Sie fällt über der Diode ab und fehlt der Batterie. Ohne Ausgleich an der Lichtmaschine bleiben beide Batterie-Bänke unterversorgt.

Solar

Solar ist die einzige Quelle, die ohne Zutun läuft, und deshalb die einzige, die eine Batterie-Bank über Wochen halten kann. Sie ist zugleich die Quelle, bei der am häufigsten falsch gerechnet wird.

Die Nennleistung eines Moduls in Watt-Peak gilt unter Laborbedingungen. In der Praxis liegt der Tagesertrag im mitteleuropäischen Sommer größenordnungsmäßig beim Vier- bis Fünffachen der Nennleistung in Wattstunden, im Winter bei einem Bruchteil davon. Wer mit den Datenblattwerten plant, plant die Hälfte der nötigen Fläche ein.

Beim Regler stellt sich nur eine echte Frage: Ist die Anlage groß genug oder die Modulspannung hoch genug, dass sich ein MPPT-Regler lohnt? Er sucht laufend den Arbeitspunkt mit der höchsten Leistung und holt gegenüber einer einfachen Regelung besonders bei Kälte und Teilverschattung deutlich mehr heraus.

Landstrom

Der Landanschluss ist die einzige Quelle, bei der Wechselspannung ins Spiel kommt, und damit die einzige, bei der ein Fehler unmittelbar Personen gefährdet. Entsprechend anders sind die Anforderungen: Fehlerstromschutz, definierte Trennung beim Umschalten zwischen Quellen und ein Umgang mit dem Schutzleiter, der die Korrosion nicht verschlimmert.

Denn genau das passiert, wenn der Schutzleiter mehrere Boote am selben Steg verbindet: Es entsteht ein Pfad für galvanische Korrosion über das Wasser. Ein galvanischer Isolator oder ein Trenntransformator unterbricht diesen Pfad, ohne die Schutzfunktion aufzuheben.

Mehrere Quellen zusammenschalten

Sobald zwei Quellen gleichzeitig laden, konkurrieren ihre Regelungen. Jede misst die Batteriespannung und leitet daraus ab, in welcher Ladephase sie sich befindet. Hebt eine Quelle die Spannung an, schließt die andere daraus auf eine vollere Batterie, als tatsächlich vorliegt, und nimmt sich zurück.

Praktisch heißt das: Die Ladeschlussspannungen aller Quellen müssen zueinander passen und alle zum Batterietyp. Eine Quelle mit veralteter Bleikennlinie in einem Lithiumsystem bremst nicht nur — sie verhindert, dass die Batterie-Bank je die Synchronisationsschwelle des Batteriemonitors erreicht. Wo die Regelungen über ein Bussystem miteinander sprechen, löst sich das Problem von selbst, weil dann eine Instanz die Ladung führt.

Typische Fehler

• Nur die Batterie getauscht. Eine Lithiumbatterie-Bank hinter einer unveränderten Serienlichtmaschine wird weder voll noch sicher geladen.
• Lichtmaschine ohne Blick auf die Ladeakzeptanz gewählt. Eine große Maschine an einer Nassbatterie-Bank bringt nichts.
• Riemen nicht angepasst. Über 100 Ampere rutscht ein einfacher Keilriemen, staubt und reißt.
• Kein Temperaturfühler an der Lichtmaschine. Ein externer Regler ohne Fühler regelt ins Blaue und kann die Maschine überhitzen.
• Kein Schutz gegen Lastabwurf. Der Ausfall kommt nicht schleichend, sondern in dem Moment, in dem das BMS trennt.
• Solarertrag nach Nennleistung gerechnet. Ergibt regelmäßig die halbe nötige Fläche.
• Ladeschlussspannungen nicht abgeglichen. Zwei Quellen mit unterschiedlicher Kennlinie bremsen sich gegenseitig aus.
• Ladewandler zu groß gewählt. Er zieht dann mehr, als Lichtmaschine und Leitung hergeben.

Normen und Vorschriften

ISO 13297:2020 deckt seit ihrer aktuellen Ausgabe beide Seiten ab: Gleichstromanlagen bis 50 V Nennspannung und einphasige Wechselstromanlagen bis 250 V. Für die Ladeseite heißt das vor allem: Jede Ladequelle mit eigener Leitung zur Batterie braucht eine Absicherung dieser Leitung, und zwar nahe an der Batterie — nicht am Gerät.

Auf der Wechselstromseite kommen Fehlerstromschutz und die Frage der Umschaltung hinzu. Zwei Quellen dürfen nie gleichzeitig aufgeschaltet sein; die Umschaltung muss zwangsläufig trennen, bevor sie verbindet. Im nordamerikanischen Raum regelt ABYC die Anforderungen an Ladesysteme zusätzlich und verlangt bei Lithiumsystemen ausdrücklich ein Batteriemanagement, das die Batterie innerhalb ihres sicheren Betriebsbereichs hält.