Solar Powered

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Hier mal ein paar Gedanken zum Thema Solarenergie und wie man als Mieter etwas davon hat – oder auch nicht.

USB-Solarpanels

Angefangen hat es mit einem kleinen Solar Panel mit USB-Anschluss, das ich im Januar günstig bei einem großen Online-Anbieter mit A erstanden habe. Ausgeklappt sollte es maximal 14 Watt liefern, also maximal 2.8 Ampere bei 5V. Klar, so naiv war ich schon vor dem Kauf nicht das zu glauben. Aber bei gutem Wetter, sprich mitten im Sommer und bei wolkenlosem Himmel gabs nur 0,8 Ampere. Aus 14 versprochenen Watt wurden also 4 Watt effektive Leistung. Nun gut, kostete auch nur 15 Euro.

Das muss besser gehen – daher gabs jetzt vor einigen Tagen ein Upgrade in Form eines 24 Watt Panels, das – angeblich – deutlich besser sei. Kurzum: die Panels dürften es auf die doppelte Größe bringen, und siehe da, bei bestem Augustwetter gabs 1,76A auf der 5V Schiene des USB-Ausgangs. Bei trübem Wetter kam allerdings früher nichts mehr heraus als beim 14 Watt Panel. Und da mir selbst im Angebot 54 Euro dafür zuviel war – fairerweise muss man sagen, dass es noch einen zweiten USB-Anschluß beim 24 Watt Panel gab der allerdings auf max 1A begrenzt war – habe ich es zurück geschickt.

Wir machen das richtig: mit einer Insel-Solaranlage

Geplant war ein 100 Watt Panel mit 12-18V, etwa 1 Meter mal 0,5 Meter Größe. Faltbar ist das nicht mehr und einen USB-Anschluss hat es auch nicht. Dafür passt es wunderbar an meinen französischen Balkon in der Küche – dieser ist idealerweise nach Süden ausgerichtet und wetter- und auch hagelfest.

Die Kosten: ca. 100 Euro für das 100 Watt Panel, dazu unter 20 Euro für einen passenden Laderegler, ca. 130 Euro für einen mittleren Spannungswandler mit reiner Sinuskurve (günstiger mit modifizierter Sinuskurve gehts ab 40 Euro) plus Batterie.

Welcher Batterietyp?

Tja, mit der Batterie ist es hier das gleiche wie bei Elektroautos. Sucht mal eine Batterie, die eine hohe Kapazität aufweist, keine allzu komplexe und damit teure Ladeelektronik benötigt, nebenbei noch bezahlbar ist und eben mit dem Lade- /Entladeverhalten zurecht kommt.

Ein Kollege half mir sehr gut mit seinen Erfahrungen aus und schnell war klar, dass eine normale Blei-Batterie fürs Auto hier ungeeignet ist. Diese ist gut, um kurzfristig hohe Ströme zum Anlassen bereitzustellen und sich dann sofort wieder laden zu lassen. Tiefere Entladevorgänge verkraftet eine solche Batterie jedoch nicht.

Ich brauche aber eine Batterie, die nur langsam geladen wird, dann aber auch mal viel Kapazität mit hohen Entladeströmen abgeben muss. Und am besten so, dass sie auch lange hält und genau das ist der Punkt. Eine hohe Ladezyklen-Zahl erreicht man bei Blei-Akkus nur, wenn man bei voller Batterie möglichst wenig Kapazität entnimmt und dann sofort wieder voll läd. Sprich, mehr als 30% sollte man nicht entnehmen und selbst das ist schon kritisch.

Besser wird das mit AGM-Batterien, die eigentlich für Autos mit Start/Stop-Funktion ausgestattet sind. Diese müssen auch mal mehr Kapazität abgeben können, bevor sie wieder voll geladen werden müssen.

Lichtausbeute

Bevor ich auf ein praktisches Beispiel eingehen kann, noch ein paar Worte zur Lichtausbeute. In einem Video der HTW Berlin wird anschaulich gezeigt, dass an einem wolkenlosen Sommertag von der Sonne etwa 1.000 Watt pro Quadratmeter bei uns ankommen. Bewölkt sich der Himmel, sinkt dieser Wert schnell auf ein Zehntel, also etwa 100 Watt pro Quadratmeter.

Das Panel, das ich eingangs erwähnte, ist einen halben Quadratmeter groß, somit kommen an sonnigen Tagen 500 Watt und an trüben Tagen 50 Watt an. Das Panel ist mit einer Effizienz von 18% angegeben, somit erreicht es an sonnigen Tagen maximal 90 Watt und an trüben Tagen sogar nur 9 Watt.

E-Bike Akku laden

Will man nun z.B. seinen Fahrrad-Akku laden (Bosch System, habe den “kleinen” mit 400Wh) und möchte dies über den mitgelieferten Lader direkt über Solar Panels tun, hat man ein Problem. Der Lader benötigt als Input 230V und 1.5A, also 345 Watt (genauer kann man das sagen, wenn der EBike Akku von fast leer auf voll mit einem Strommesser geladen wurde). Ich bräuchte also knapp 40 dieser Panels, um auch bei trüben Tagen den Fahrrad-Akku aufladen zu können. Vierzig Panels sind natürlich als Mieter reiner Unfug.

Ergo muss eine Puffer-Batterie her. Hier gibt es zwei Optionen.

  • AGM-Batterien, die bei einer Entladung um 30% (also von 100% auf 70%) noch mindestens 1.000 Zyklen mitmachen, bevor sie kaputt sind oder
  • LiFePo Akkus, die ähnlich viele Zyklen oder sogar deutlich mehr Zyklen (stark abhängig vom Hersteller) auch dann noch bieten, wenn sie um 70% entladen werden (von 100% auf 30%)

LiFePo Akkus sind quasi die entschärfte Variante der LiPo Akkus, die ich seit Jahren in meinem RC-Hobby einsetze. Sie bieten zwar eine geringere Energiedichte als LiPos, sind dafür aber sicherer, da sie kein flüssiges Elektrolyt aufweisen, das bei höheren Temperaturen gasförmig wird und sich der Akku dann ausbeult bis er schließlich platzt. Einen explodierenden LiPo will niemand in seinen Wohnräumen oder auch nur im Keller erleben. Übrigens: Lithium-Ionen-Akkus sind hier nur geringfügig weniger gefährlich.

Will ich also meinen Fahrrad-Akku über eine Puffer-Batterie laden und lassen wir mal Verluste beim Übertragen der Energie außen vor, benötige ich eine Batterie, von der ich 400Wh entnehmen kann, ohne dass sie zu tief entladen wurde. Bei einer AGM-Batterie müssen diese 400Wh also in 30% der Kapazität passen, so dass die AGM-Batterie mindestens 1.330Wh Kapazität braucht. Eine LiFePo Batterie müsste nur 571Wh aufweisen, da sie gefahrlos um 70% entladen werden kann. Um auf die übliche Angabe bei Batterien zu kommen (Amperestunden) wären das bei einer AGM-Batterie mit 12 Volt also 111Ah, bei LiFePos mit 14,4 Volt (also 4 Zellen à 3,6 Volt in Serie geschaltet) 40Ah.

Batteriekosten

Preislich werden die Unterschiede schnell klarer. Ein einfacher Blei-Akku (der wie vorhin erwähnt nicht verwendet werden kann) kostet mit 110Ah etwa 100 Euro. Eine AGM-Batterie mit gleicher Kapazität kostet schnell 190 Euro und eine LiFePo-Batterie (4SxP) kostet von Victron mal eben 650 Euro.

Um nicht abzuheben: als Mieter, der sein E-Bike hin und wieder aufladen möchte, werde ich mir keine 650 Euro teure LiFePo-Batterie in die Küche stellen.

Also sind die Kosten erstmal komplett:

  • Solarpanel 100Watt – 100 Euro
  • Solar Laderegler – 20 Euro
  • Spannungswandler reiner Sinus 1.000 Watt Dauerstrom – 130 Euro
  • AGM-Batterie 12V mit 110Ah – 190 Euro

In Summe also 440 Euro.

Wie lange dauert’s laden?!

Um die Stimmung etwas zu trüben, kommen wir zur Frage, wie lange es eigentlich dauert, bis die Batterie wieder voll ist. Es geht also um die 30% Kapazität, die aus der vollen AGM-Batterie entnommen werden darf, bevor man wieder aufladen muss um die Zyklenzahl nicht zu ruinieren und die Batterie vorzeitig altern zu lassen. Also um 33Ah oder 396 Wh.

Auch hier vernachlässigen wir die Effizienz der Ladeelektronik, gehen aber mal von folgenden Parametern beim Wetter aus: im Sommer haben wir durchschnittlich 5 nutzbare Sonnenstunden. Es könnten deutlich mehr sein, würde man das Solarpanel noch per Motor immer zur Sonne ausrichten. Aus dem Bauch heraus würde ich sagen, dass zwei drittel dieser Zeit bewölkt ist.

Daraus ergibt sich für das obige Panel im frei gewählten Zeitraum von April bis September:

(1/3 * 5 Stunden * 90 Watt + 2/3 * 5 Stunden * 9 Watt) / 5 Stunden = (150 + 30 Watt) / 5 = 36 Wh

Bei den angenommenen 5 Stunden Energieproduktion können pro Tag also 5 * 36 Wh = 180 Wh Energie erzeugt werden. Die entnommenen 30% des AGM-Akkus wären also nach 2,2 Tagen zu je 5 Stunden (nach obiger Gewichtung) wieder voll geladen.

Rechnet man Verluste beim Laden und Entladen der AGM Batterie grob mit 50% ein, würde sich der Zeitraum auf etwa 4,5 Tage erhöhen. Da ich nicht jeden Tag mit dem EBike fahre, wäre das durchaus praktikabel!

Lade- und Entlade-Rate: die C-Rate 

Eine Sache haben wir noch ausgelassen: Lade- und Entlade-Raten. Einen Akku kann man nicht einfach per Spannungswandler an einen Verbraucher hängen. Zu beachten ist die maximale Rate, mit der eine Batterie ge- und entladen werden darf.

Exkurs: LiPos im RC-Bereich

Beispiel LiPo-Akkus aus dem RC-Bereich: ich verwende gerne die Flightmax Hard-Case Akkus von Zippy mit 6000mAh bei 7,4 Volt (4 Zellen 2S2P), die mit einer Entladerate von 50C (sprich: 50x die Kapazität des Akkus) angegeben sind. Damit darf ich maximal 50*6Ah kontinuierlich entnehmen, bevor ich den Akku ruiniere (sprich, bevor er heiß wird, das flüssige Elektrolyt gasförmig wird und der Akku sich ausbeult und platzt). Das sind also 300A bei 7.4V und somit 2.200 Watt. Zwei davon in Serie geschaltet befeuern einen Tenshock 3500 Watt (5 PS!) Elektromotor in meinem Monster Truck.

Aber: die Laderate ist eine ganz andere, nämlich nur 1C. Mit mehr als 6 Ampere darf ich diese Zippy-Akkus also nicht laden, sonst werden sie heiß – mit den gleichen Folgen.

Bei einer AGM-Batterie habe ich eine Empfehlung von 0,2C Ladestrom im Ohr. Das wären bei obiger 110Ah AGM-Batterie also maximal 22Ah. Selbst wenn die Sonne pro Tag 5 Stunden lang herunterbrennen würde und das Solarpanel dadurch seine maximalen 100 Watt produziert, kämen trotzdem nicht mehr als 100 Watt / 12 bis 18 Volt = 5,5 bis 8,3 Ah in der Batterie als Ladestrom an.

Modular erweitern

Kritisch wird also die Laderate erst, wenn man drei dieser Panels in Reihe verwendet, denn dann kommen wir rein rechnerisch mit 3 * 8,3Ah über die 22Ah des maximalen Ladestroms der AGM-Batterie. Zwei Panels würden aber noch funktionieren. Und bei drei bis vier Panels müsste man einfach eine weitere AGM-Batterie parallel zur ersten anschließen.

An dem Beispiel mit dem E-Bike Akku ändert sich somit nichts – sehr schön! Aber jetzt wirds trübe, und zwar mit der Frage:

Wann hat man die Kosten wieder eingespielt?

Der Einfachheit halber gehe ich beim Strompreis von 0,25 Euro pro kWh aus. Um die AGM-Batterie um 30% zu laden, sind 396 Wh an Energie nötig. Würde ich sie an ein einfaches Ladegerät hängen, würde mich das einmalige Laden der AGM-Battierie von 70% auf 100% also 9,9 Cent (!) kosten: die Wattstunde kostet nur 0,00025 Euro (0,25 Euro/kWh), das mal 396 Wh = 0,099 Euro.

Geht man davon aus, dass die AGM-Batterie etwa 1.000 Zyklen durchhält, spart mir die Anlage damit 1000 * 0,099 Euro = 99 Euro, bevor ich eine neue Batterie benötige.

Müsste ich also von April bis September alle 5 Tage den EBike-Akku aufladen, würde das bei 1.000 Zyklen, welche die AGM-Batterie aushält, bevor sie kaputt geht, also für gute 27 Jahre reichen, bevor die Batterie kaputt ist:

1000 / (6 Monate * 30 Tage / Nutzung alle 5 Tage) = 1000 / 36x Aufladung pro Jahr = 27,7 Jahre.

Oder anders gesagt: bei 36 maligem Aufladen des AGM-Akkus pro Jahr würde ich also 36 * 0,099 Euro = 3,50 Euro im Jahr sparen. Damit hätte sich die Anlage nach 440 Euro / 3.50 Euro = 125 Jahren amortisiert.

Unter der Voraussetzung, dass der EBike Akku und die AGM-Batterie a) noch einwandfrei funktionieren und b) noch nicht gegen einen Fusionsreaktor im Taschenformat ersetzt wurden, bin ich mir nicht ganz sicher, ob c) unsere Medizin und auch die Krankenkassen radeln in so hohem Alter von 165 Jahren zulassen würden – erst recht ist es fraglich, ob ich eine positive Bilanz dieser Investition noch erleben werde. ;-)

Die Unterlassungsalternative

In der BWL (I&F) gibt es den Begriff der Unterlassungsalternative, sprich, wie entwickeln sich die Finanzen, wenn man eine Investition nicht tätigt. Beim Thema Solar-Power fürs EBike wird schnell klar, dass man ohne die oben beschriebene Solar-Inselanlage günstiger fährt – sprichwörtlich. Auch wenn es zunächst cool klingt wenn man sagen kann: ich fahre mein EBike rein über Solarenergie.

Um korrekt auf die Unterlassungsalternative zu referenzieren, sollte ich diese noch ausrechnen. Diese besteht immer darin, den Investitionsbetrag gewinnbringend anzulegen. Bei 440 Euro und unter der Vernachlässigung einer neuen Batterie alle 27 Jahre komme ich dann bei einem durchschnittlichen Jahreszins von (optimistisch geschätzt) 3% und einer Laufzeit von 125 Jahren auf 440 * (1,03)^125 = 17.705 Euro. Soviel Strom sparen kann man nach aktueller politischer und wissenschaftlicher Lage (noch) nicht. ;-)

Fazit

Geld sparen wird man mit so einer Inselanlage also nicht. Ein Wochenendhäuschen oder eine Gartenlaube mit Strom befeuern kann man damit hingegen schon. Und je nach Sichtweise und Dringlichkeit sind 440 Euro wiederum nicht viel.

Ansonsten ist und bleibt es wie ausführlich gezeigt nur ein Gehirnfurz. ;-)

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