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Der nachfolgende Text ist urheberrechtlich geschützt. © 2014 dtintemann
Für Schäden jeder Art, die sich aus der Anwendung der Überlegungen in der Praxis ergeben, wird keine Haftung übernommen!

Wohnwagen autark - Teil 1, Stromversorgung Theorie

Zelt Es hat in England einmal zu viel geregnet. Der Campingplatz am Hadrianswall verwandelte sich langsam in eine idyllische Seenlandschaft. Das Zelt trotzte zwar den Wassermassen von oben, aber der Zeltboden nahm langsam die Eigenschaften eines bequemen Wasserbettes an. Da bleibt nur eine Lösung, der Zeltboden muss einfach ein Stück vom Erdboden entfernt werden, und schon ist es von unten wieder trocken. So der Plan. Die Umsetzung erfolgte recht zeitnah in Form einer Alublechbüchse auf zwei Rädern, auch Wohndose, Caravan oder Wohnwagen genannt. Mit dem Umzug vom Zelt zum Wohnwagen gibt es natürlich neue Herausforderungen, denen sich der Camper zu stellen hat. Zum Beispiel Strom. Strom kommt aus der Steckdose, Butter aus dem Kühlregal und Brot vom Bäcker, so die gängige Meinung. Das mit dem Strom aus der Dose funktioniert sogar im Wohnwagen, solange man in Reichweite des CEE-Kabels eine geeignete Stromquelle findet. Was aber, wenn der Stellplatz zwar schön, aber kein Strom da ist? Licht aus der Taschenlampe ist eine Lösung, aber ein Wohnwagen hat doch einiges an Luxus mehr als ein Zelt. Und der Luxus will mit Strom versorgt werden.

Recherche

Nach einiger Recherche zum Thema gibt es etliche Lösungsansätze, die sich im Aufwand erheblich unterscheiden:

  1. ohne Umbaumaßnahmen
    • 12V Stromversorgung über die Starterbatterie des Zugfahrzeuges, also Zugfahrzeug anhängen
    • 12V Stromversorgung über ein Powerpack und Einspeisung über den 13-poligen Anhängerstecker
    • Stromversorgung über ein Benzingenerator und Einspeisung über den 230V-CEE Eingang
  2. mit Umbaumaßnahmen
    • 12V Akku als Festeinbau für die 12V Anlage und Wechselrichter

Aus Komfortgründen wird die Variante 2. gewählt, auch weil alles unter 1. entweder zu unsicher oder zu laut ist.

! Hinweis: Arbeiten an elektrischen Anlagen erfordern Fachkenntnisse, geeignete Werkzeuge und Hilfsmittel. Für Schäden durch unsachgemäße Arbeiten ist jeder selbst verantwortlich. Im Zweifelsfalle lohnt es sich, fachkundigen Rat einzuholen.

Unsere Wohndose wurde gebraucht gekauft und ist ein älteres Modell. Ein Autark-Paket ist nicht Teil der Ausstattung. Also schreiten wir zur Tat und machen eine Bestandsaufnahme sowie grundsätzliche Überlegungen.

Soll und Ist

  1. Was wollen wir?
    • Wenigstens eine Woche ohne externe Energieversorgung auf einem Stellplatz stehen können.
  2. Was benutzen wir für elektrische Geräte?
    • Licht, Pumpen, Ladegeräte für Kameras und Telefon, Notebook, Radio, Heizung
  3. Bestandsaufnahme
    • Licht: im Wohnwagen sind Halogenstrahler verbaut. 50W in der Sitzecke, jeweils 20W in Küche, Bad und Vorzeltleuchte, 6-mal 10W als Leselampen. Der Schaltplan aus der Bedienungsanleitung verrät noch, dass es sich um 12V Wechselspannung handelt
    • Pumpen: 2-mal 12V Gleichstrom
    • Gebläse: Trumavent 12V Gleichstrom
    • Therme: Truma 230VAC - 300W
    • Kühlschrank: Gas, 12V, 230V
    • Radio: 230V

Nr. 1 - 3 geben wir jetzt in den Mixer und schütteln mal kräftig. Mal sehen was rauskommt.

Erstbewertung

Kühlschrank: läuft mit Gas und verbraucht 250g/Tag oder 1,75kg/Woche → erledigt

Therme: Aufheizzeit auf 65°C ca. 50 min macht 250Wh oder bei 12V ca. 21Ah → das legen wir erst mal bei Seite

Pumpen und Gebläse: 12V Gleichstrom, geschätzt 2Ah/24h Verbrauch (25Wh) → kein Problem

Licht: 12V Wechselstrom, geschätzter Verbrauch ca. 200-300 Wh/24h sind bei 12V etwa 16-24 Ah/24h. Eine direkte Einspeisung von 12V Gleichstrom in das Wechselstromnetz geht nicht, das die Sekundärwicklung des Umformers (Trafo) wie ein Widerstand wirkt → ca. 20Ah für Licht ist ziemlich viel

Ladegeräte und Notebook: 230VAC zwischen 5-90 W, maximal 1-2 h/24h. Entweder mit einem Sinus-Wechselrichter 230VAC erzeugen, oder neue Ladegeräte und Netzteile kaufen. Da ein Wohnwagen theoretisch länger hält als ein modernes Spielzeug ist der Wechselrichter sicher eine gute Wahl. 0,5-16 Ah/24h Verbrauch → vielleicht muss man sich Einschränken

Radio: das 230V CD-Radio wird durch ein Autoradio ersetzt. Bei 4h Radiohören bei Zimmerlautstärke 2Ah/24h (25Wh) → kein Problem

Wmin = 25 + 200 + 5 + 25 = 255Wh → Cmin = 21Ah
Wmax = 25 + 300 + 200 + 25 = 550 → Cmax = 44 Ah

Summe: Bei einer 12V Versorgung brauche ich geschätzt 21-44 Ah/24 an Akkukapazität. Gehen wir vom Durchschnitt aus, brauche ich einen 12V Akku mit ca. 230Ah um eine Woche autark zu sein. Ein entsprechender Blei-Akku wiegt um die 70kg. Das ist wohl etwas viel. Zuladung ist eine kostbare Ressource, die man nicht mit Bleigewichten vernichten sollte.

Nachdenkfabrik I - Verbrauch optimieren oder reduzieren

Die bei Seite gelegte Therme liefert das warme Wasser. Das kann jedoch auf dem Herd problemlos "hergestellt" werden. Für maximalen Komfort kann die Trumatherme gegen einen Boiler mit Gasbetrieb ausgetaucht werden. Das kostet einiges und bringt Mehrgewicht. Wer natürlich bereits einen Gasboiler hat, ist hier fein raus.
Die Pumpen und Gebläse lassen sich nicht optimieren. Anders sieht es hingegen beim Licht aus. Halogenlampen haben bekanntermaßen die Eigenschaft viel Wärme und wenig Licht zu erzeugen. Warum nicht wie zu Hause auf Energiesparlampen umrüsten. Die gibt es für 12V. Viel besser ist natürlich eine LED-Beleuchtung. Passende Leuchtmittel gibt es zwischenzeitlich für alle gängigen Fassungen. Also Neuberechnung der Leuchtmittel.
Für eine 50W Halogenlampe sollte eine 500-600 Lumen LED-Lampe zum Einsatz kommen. Die hätte etwa 8-11 W. Eine 20W Lampe sollte durch eine LED mit ca. 300 Lumen (3,5W) ersetzt werden. Wenn alle Leuchtmittel ersetzt sind, werden in Summe ca. 75 - 150 Wh/24h zusammenkommen. Damit würde für Licht nur noch eine Akkukapazität von 6 - 12 Ah/24h benötigt.
Am Verbrauch für Radio, Ladegeräte und Notebook ändert sich nichts, hier kann man sich nur einschränken, aber wer will das schon.

Wmin = 25 + 75 + 5 + 25 = 130Wh → Cmin = 10,4Ah
Wmax = 25 + 150 + 200 + 25 = 400 → Cmax = 32 Ah

Die nötige Akkukapazität liegt nun bei 10,4-32 Ah/24h, oder im Mittel bei ca. 150Ah je Woche.

Nachdenkfabrik II - Stromfresser

So man in der absoluten Wildnis seinen Stellplatz hat und das Notebook wegen mangelnder Verbindung zum Rest der Welt eher nutzlos ist, stellt sich die Frage, was verbraucht jetzt den meisten Strom. Die Überschlagsrechnung zeigt, dass es die Beleuchtung ist. Kann man da noch was rauskitzeln an Einsparung? Wenn man mit einem Lötkolben umgehen kann, geht das.
Zuerst ein Aufwärmbeispiel, der klassische 12V - LED-Stripe. Genau betrachtet bestehen aktuell viele aus identischen Abschnitten von 3 LED und einem Widerstand. Wenn 5050 SMD LED's verbaut sind, haben 3 LED eine Flussspannung von 9,6V bei 60mA. Bei 12V Betriebsspannung sind 2,4V zu vernichten oder anders: je Abschnitt werden 0,144W verbraten. Ein guter 1m-Streifen hat 60 LED's in 20 Abschnitten und braucht 14,4W. 2,88W werden verbraten, also 20% der zugeführten Energie.
Ähnlich ist die Lage bei einigen LED-Leuchtmitteln.
Abhilfe gegen die "Stromverschwendung" gibt es in Form von getakteten Konstantstromquellen (KSQ). Schöne kleine Module liefert zum Beispiel die Firma Anvilex. Das heißt aber auch, man muss seine Lampen selber bauen. Also LED's besorgen, löten und sich mit der Kühlung befassen. Damit kann man den Verbrauch der Beleuchtung nochmals um 15-20% senken.

! In Kfz-Bordnetzen können Störspitzen auftreten. Die KSQ's sind nicht gegen solche Störungen geschützt und können beschädigt werden. Wer auf Nummer sicher gehen will, baut einen Schutz in seine Lampe ein.
Transientenschutz

Nachdenkfabrik III - geht noch mehr?

Nun liegt die benötigte Akkukapazität in meinem Fall bei 150Ah die Woche. Das macht stolze 45-50 kg Blei im Wohnwagen. Aber das ist noch nicht alles. Blei-Akkus, selbst Deepcycle-Typen, mögen es gar nicht, wenn sie restentleert werden. Sie danken dies mit kurzer Lebensdauer. Also doch eine mit 250Ah nehmen oder wegen der Gewichtsverteilung 2 Akkus mit 120Ah. Oder zwischendurch nachladen. Möglichkeiten gibt's derer einige:

  • Autolichtmaschine und Booster
  • Brennstoffzelle
  • Benzingenerator
  • Solarpanele
  • Windgenerator

Ohne die Vorschläge auszudiskutieren, das Solarpanel ist eine preiswerte suboptimale Lösung zum Nachladen. Der Rest fällt durch wegen zu laut oder zu teuer oder zu schwer. Also ist wieder rechnen angesagt. Ein 100W Modul liefert unter optimalen Aufstellbedingungen in Mitteleuropa zwischen 20 - 700Wh Energie, je nach Wetterlage. Gehen wir mal von nicht optimalen Bedingungen aus (weil das Modul möglicherweise flach auf dem Dach liegt), sind es vielleicht noch 15-600Wh Energie. Bei einer Ladespannung von 13,5V könnte man ca. 44Ah am Tag nachladen, wenn man einen MPP-Laderegler hat.

MPP ! Eine kurze Erklärung. Ein (12V) Solarmodul liefert seine Nennleistung bei etwa 18V. Der Strom liegt dann bei etwa 5,5A. Das macht grob 100W. In der I/U-Kennlinie des Moduls ist das der MaximumPowerPoint (MPP). Zum Laden des Akkus brauchen wir 13,5V. Ein normaler Serien- oder Shuntregler verbindet das Solarmodul direkt mit dem Akku. Der Arbeitspunkt verschiebt sich in Richtung aktuelle Ladespannung. Der Ladestrom verändert sich nur leicht nach oben, Aber die Modulspannung sinkt kräftig. Wir "ernten" weniger Energie als eigentlich möglich wäre. Der Verlust kann bis zu 25% betragen. Ein MPP-Regler vermeidet die Verschiebung des Arbeitspunktes und würde unter optimalen Bedinungen die anliegenden 100W in zum Laden verwenden, also ohne Verluste gerechnet 13,5V und 7,4A Ladestrom.

Mit einem Serienladeregler kann man ca. 400Wh an einem Sommer-Sonnentag ernten. Im restlichen Jahr sieht es nicht ganz so gut aus oder sogar eher schlecht (April - Juni - September: 300Wh - 420Wh - 230Wh). Das sind im Sommer etwa 30Ah/24h oder 210Ah die Woche. Und das ist mehr als die durchschnittlichen 150Ah je Woche, die wir brauchen. Jetzt lässt sich auch ein Akku wählen. Ohne das weiter zu vertiefen, für Solaranwendungen braucht es Solarakkus. Diese müssen zyklenfest sein. Die Technologie ist erst mal nicht entscheidend.
Um sicher zugehen, dass uns der Strom nicht zu schnell aus geht, rechnen wir mit dem Maximalverbrauch. Der Maximalverbrauch je Tag liegt bei 32Ah. Für eine lange Lebensdauer sollte der Akku nicht mehr als 50% Entladen werden. Das Minimum ist also in unseren speziellen Fall ein 64Ah-Akku. Für ein klein wenig Schlechtwetterreserve wählen wir lieber einen mit 75-85Ah aus. Der wiegt dann etwa 25-30kg. Das ist im Vergleich zur ersten Berechnung eine Gewichtsreduzierung um 57%.

Grobes Rechenwerkzeug

Licht: je 10W Halogenlicht = 100 Lumen  
Wirkungsgrad Wechselrichter = 90%  
Leistung = Spannung * Stromstärke P = U * I
Energie(Verbrauch) = Leistung * Zeit(spanne) W = P * t
Akkukapazität = Strom * Zeit(spanne) C = I * t

erforderliche Akkukapazität je x Stunden bei 12,5V und gegebener Leistung: C = P / 12,5 * x

Grobschmied's Berechnungen

für ein 12V System mit flach montierten Solarmodulen (16 - 22 V Modulspannung) und Serienladeregler
Die Berechnung stellt einen Kompromiss aus Anlagengewicht und Luxus dar. Falls mal längere Zeit (3-4 Tage) keine Sonne scheint, wirds finster im Wohnwagen. Oder man muss seinen Stromverbrauch dem Wetter anpassen. Nur gering berücksichtigt wird die Alterung der Komponenten. Will man dies noch berücksichtigen, sollte man 5% Verlust pro Betriebsjahr einrechnen. Das schlägt sich aber im Gewicht nieder, da alles überdimensioniert werden muss.

  1. Minimal- und Maximalverbrauch (Wmin, Wmax) über 24 Stunden ermitteln oder berechnen in Wh
  2. Durchschnitt W daraus berechnen (Wmin + Wmax) / 2
  3. minimal erforderliche Akkukapazität C berechnen C = W * 0,185 in Ah *)
  4. geeignete Modulgröße berechnen Wp = Wmax * 0,25 in W
  5. Ein Akku mit C Ah und ein Solarmodul mit einer Leistung von Wp ergeben eine Anlage, die bei regelmäßigen täglichen Sonnenschein funktioniert. Wenn man in Gegenden ohne regelmäßigen täglichen Sonnenschein fährt, muss man entweder den Verbrauch reduzieren, also Wmin, oder die installierte Modulleistung vergrößern.

*) wer ganz sicher gehen will, nimmt statt W lieber Wmax für die Berechnung

Das wars, jetzt kommt der praktische Planungsteil und die Ausführung. Teil 3
Oder wer möchte, kann weiter Theorie lesen. Teil 2

Stand Januar 2014