Multimeter Zange / © Engelmann Fotografie
Dieser Beitrag soll ein ein leicht verständliches, kleines 1×1 über Leistung, Strom und Energie im Bereich autarke Stromversorgung sein. Dies gilt im besonderen für Menschen, die autark mit Inselanlagen oder Autostrom leben. Doch auch Musiker und andere Künstler mit mobilen Akkusystemen können hier profitieren. Hier gibt es wichtiges Basis Wissen über die Kapazität von Batterien und wie wir den Batterieverbrauch einzelner Verbraucher messen und beurteilen können oder wie wir die Laufzeit der Batterie bei bekannter Kapazität abschätzen können.
NACHTRAG: Da der Artikel über autarke Stromversorgung sehr beliebt ist, habe ich zum Schluss noch eine einfache Abschätzung für eine Photovoltaikanlage in Verbindung mit der zugehörigen Batteriekapazität drangehängt und zusätzlich einen Link zu akkugespeisten Lautsprechern und Bühnenlampen.
Basiswissen für den richtigen Umgang mit Akkus und Autobatterien
Autarke Stromversorgung betrifft immer mehr unserer Lebensbereiche. Deswegen gibt´s einen erweitertern Relaunch dieses Beitrages mit Stand 8/24:
- Balkonkraftwerke, deren Kernelemente Solarzellen und (manchmal) Speicherbatterien sind. Hier geht die Energie direkt ins versorgergespeiste Hausnetz.
- Wohnmobile und KFZ, die über konventionelle Blei- oder moderne LiFePo4 Batterien mittlerweile bis zu 100% Autarkie erreichen können ( Sogar mit elektrischen Öfen und anderen Großverbrauchern)
- Inselanlagen, die ähnlich wie Balkonkraftwerke ihre Energie über mit Batterien gekoppelte Solarzellen beziehen und diese dann über einen Wechselrichter auf die benötigten 230V wandeln. Parallel dazu kann das Batterienetz mit 12V ( Manchmal auch 24 oder 48V) direkt genutzt werden für entsprechende Lampen, TV etc.
- Musiker und Freizeit- oder Profianwender, die direkt mit Akkus gepuffertes Equipment wie Lautsprecher, Lampen Mischpulte etc. fernab vom 230V Netz betreiben. Interessant für diese und andere Anwender sind Powerstationen, die mit hoher Kapazität auch 230V Equipment direkt betreiben können, dabei aber „tragbar“ und hochmobil sind. Die wohl weltweit besten Profigeräte für härteste Einsätze kommen von Instagrid
- Powerstationen für jeden, der mobil auf 12V / USB Strom und 230V zugreifen möchte. Diese Powerstationen kombinieren Akkus und Wechselrichter in einem einzigen Gerät. Je nach Kapazität und maximaler Leistungsabgabe gibt es diese Alltagshelfer bereits ab unter 200 € und mit einem Gewicht von unter 4 Kg.
Beliebt für Universalanwendungen oder auch z.B. für Autofahrer mit Kompressor- Kühlschränken. Geladen werden sie i.a. mit 12 V, mit Solar oder über ein 230V Netzteil.
Es gibt viele Arten, Energie zu speichern: Akkus, Batterien, sonstige chemische, mechanische oder thermische Speicher. Da wir uns im Bereich PKW und Wohnmobile bewegen, gehe ich zur Vereinfachung davon aus, dass wir es mit einem 12-Volt-System zu tun haben. In dem Fall ist unser Energiespeicher eine Autobatterie.
Autarke Stromversorgung: Wie können wir uns eine Batterie vorstellen?
Am einfachsten wie ein Bierfass mit Zapfhahn. Das Fass hat dann eine bestimmte Menge Bier, das wir entweder langsam oder schnell abzapfen: je nachdem, wie weit der Zapfhahn geöffnet ist, fließt mehr oder weniger Bier. Klar auch – zapfen wir langsam und kontinuierlich wenig – haben wir lange was davon. Zapfen wir große Halbe mit weit geöffnetem Zapfhahn, ist das Fass schneller leer.
Und irgendwann isses leer. Wie bei einer Batterie; sie hat eine bestimmte Kapazität an elektrischer Ladung, die entweder schnell oder langsam entnommen werden kann. Diese „Ladungsmenge“, die wir in Form von elektrischem Strom entnehmen, ist auf der Batterie als Ah – Amperestunde angegeben. Dabei ist A der aktuell fließende Strom in Ampere , die Zeiteinheit 1 h = 1 Stunde .
Strommessung berührungslos mit der Stromzange
So lässt sich der Strom an einer Batterie messen, in unserem Beispiel nehmen wir eine Batterie, die mit 12 Volt und 100 Amperestunden angegeben ist. Um die positive 12 V Zuleitung wird eine Stromzange gelegt, die den Strom misst, den wir der Batterie entnehmen. Denn wenn wir den Strom messen, wissen wir, welche Leistung der Batterie momentan entnommen wird. Das geht recht einfach nach der Formel:
Die Leistung ist der aktuell fließende Strom der mit der Batteriespannung malgenommen wird:
Leistung P (Watt) = Stromstärke I (Ampere) · Spannung U (Volt)
Das Amperemeter zeigt uns den Strom an, die Batterieleistung nehmen wir konstant mit 12 Volt an. Ein Beispiel: wir messen den Ruhestrom des Spannungswandlers mit 1 Ampere, dann ist die verbrauchte Leistung = 1 Ampere mal 12 Volt = 12 Watt. Schalten wir weitere Verbraucher dazu, steigt der Strom, den wir der Batterie entnehmen und entsprechend auch die Leistung.
Ich hab´ zu dem Thema hier mal einige Videos vorbereitet:
Korrektur: beim letzten Video ist mir ein Rechenfehler unterlaufen: 50 / 25 sind natürlich 2 und NICHT 20! Die Batterie hält also 2 Std.
Wie lange hält also unsere Batterie?
Auch einfach: Jede Batterie hat einen Aufdruck wieviel Amperestunden sie an Kapazität hat. Nehmen wir eine AGM-Batterie mit dem Aufdruck 100 Ah, dann kann diese Batterie theoretisch 100 Stunden lang 1 Ampere liefern oder 50 Stunden lang 2 Ampere oder eben 2 Stunden lang 50 Ampere.
Hinweis: In der Praxis der Autarke Stromversorgung ist es so, dass man diesen Batterien nur maximal 50% der Kapazität entziehen soll, damit sie keinen Schaden nehmen. Das hieße, dass wir 50 Ah entnehmen können, also beispielsweise 1 Ampere dann über 50 Stunden. Nutzt man hingegen moderne LiFePO4 Akkus, so sind diese deutlich kleiner und leichter und können fast zu 100% entladen werden.
Also würde sich ein leichter 50 Ah Lifepo4 Akku in der Praxis ähnlich verhalten wie ein schwergewichtiger 100 Ah Blei-Akku.
Wer jetzt wissen möchte, welche Energie die Batterie insgesamt zur Verfügung stellt, nutzt folgende Formel: Energie = Leistung · Zeit. Dann hätte unsere Batterie mit 12 Volt und 100 Ah eine Gesamtenergie von 100 Ah mal 12 Volt = 1.200 Watt-Stunden. Das wären 1,2 KWh.
Gegenüberstellung Blei vs. LiFePo4
Blei:
+ Kaufpreis oft günstig
+ Hohe Stromfähigkeit (Starterbatterie)
– Empfindlich (verträgt keine Tiefentladung, Selbstentladung, nur bis zu 50% entladbar)
– Ladezeit hoch
– Schwer
– meist kurze Lebensdauer (Wenige Ladezyklen)
LiFePo4:
+ ca. 60% leichter
+ Zu fast 100 % entladbar
+ meist Schnelladefähig = kurze Ladezeiten
+ Lange Lebensdauer ( > 3.000 Ladezyklen)
+ Langfristig deutlich günstiger als Blei
– Nur wenige Modelle als Starterbatterie geeignet
– Unter 0°C zwar zu nutzen, aber nicht zu laden (Gute LifePo4 haben im BMS = Batteriemanagement System einen automatischen Temperaturschutz. Oft Bluetooth Zugriff auf die Batteriefunktionen)
Was passiert, wenn wir unsere Batterie nachladen?
Wieder einfach: Solange die zugeführte Energie die entnommene Energie mindestens ausgleicht und die minimal zugelassene Entladekapazität der Batterie nicht unterschritten wird, können wir mit der Batterie arbeiten.
Stromzange mit APP und Bluetooth Verbindung für erweiterte Möglichkeiten
Um sich frei im Auto zu bewegen oder auch Langzeitmessungen (Dauerverbrauch / Spitzenwerte / Stromlecks) zu machen, ist es sinnvoll die Messwerte auf ein Handy oder Tablet zu übertragen. Dazu gibt es passende Stromzangen, die auch weitere Messaufgaben übernehmen können. In diesem Video ist so eine Zange zu sehen:
Komplette Energiemessung
Wenn Ihr den Gesamtverbrauch über die Zeit, also die Energie messen wollt, ist es sinnvoll, euch ein Energiemessgerät zuzulegen. Im Bild seht ihr eines meiner Geräte, das allerdings für 230V Wechselspannung (Batterien laufen mit Gleichstrom) ausgelegt ist. Im KFZ braucht ihr daher an der Batterie ein Energiemessgerät für 12V Gleichspannung.
Batterie mit Ladung durch Solarpanel
Zum Schluss ein (idealisiertes) Beispiel, wie man den benötigten Speicherbedarf in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage berechnet.
Wir gehen von folgender Situation aus: Wir brauchen pro Tag für Licht, TV, Kaffeemaschine, Handy, Tablet, Allgemeinstrom insgesamt 1200 Wh = 1,2 KWh. Das entspricht nach unserer Formel bei einer 12 Volt AGM Batterie einem Verbrauch von 100 Ah. Wir wissen, dass wir nicht mehr als 50% der Gesamtkapazität entnehmen, damit die Batterie nicht beschädigt wird. Also brauchen wir die doppelte Kapazität, nämlich 200 Ah.
Jetzt müssen wir natürlich die Batterie nachladen. Um wirklich dauernd autark zu sein, laden wir mit Solarzellen nach. Diese müssen also pro Tag mindestens 1.200 Wh erzeugen. Gehen wir davon aus, dass wir pro Tag 10 Sonnenstunden haben und unser Energie Ertrag bei 30% der maximalen Ausbeute liegt, so brauchen wir:
1.200Wh / 30% x 10h = 400 Watt Panelleistung
In unserem Beispiel würde unsere Energieversorgung so aussehen, dass wir eine Batterie mit 200 Ah bräuchten und Photovoltaikpanele mit einer Gesamtleistung von 400W.
In der Praxis würden wir uns bei häufigem Gebrauch eine modernen Akku mit einer höheren Entlademöglichkeit zulegen und auch die PV-Panelen großzügiger dimensionieren.
Akkubetriebene Lautsprecher und Lampen für Musiker, Events und Freizeit
Das Angebot ist mittlerweile enorm. Deswegen könnt ihr direkt hier in eine riesige Auswahl bei Thomann einsteigen. Hier findet ihr weit über 100 Akkulautsprecher. Und außerdem möchte ich euch noch auf 100 mobile Akkuscheinwerfer aufmerksam machen …
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