Planung der Stromversorgung einer Zehn-Meter-Yacht

Die Anforderungen an die Energieversorgung sind abhängig von der Nutzung der Yacht

In gut mit Yachthäfen erschlossenen Fahrtgebieten, wie beispielsweise der Ostsee oder den Niederlanden, ist die Energieversorgung der eigenen Yacht leicht, zumindest so lange jeden Abend eine Marina angelaufen wird. Der typische „Hafenhopper“ segelt praktisch von Steckdose zu Steckdose. Folglich genügt eine Kapazität der Bordbatterie, die ausreicht, die elektrischen Systeme der Yacht für maximal einen Tag mit Strom zu versorgen.

Nun gibt es viele Gründe, das Hafenhopper-Szenario zu verlassen. Volle Häfen oder die ruhige Natur motivieren zum Ankern oder eine längere Tour mit Nachtfahrt steht an. Dadurch ergeben sich neue Anforderungen an die Energieversorgung der Yacht. In der Folge wird die Installation der Stromversorgung an Bord aufwendiger und komplexer, da sie auch autark, also unabhängig vom Stromnetz an Land, funktionieren muss.

Ein Fahrtensegler, der von Bucht zu Bucht segelt und nur sporadisch in Marinas anlegt, ist gut beraten, die Batteriekapazität an Bord zu vergrößern und für eine zusätzliche Lademöglichkeit unterwegs zu sorgen. Damit ist das Thema eigentlich schon gelöst …

Ähnlich verhält es sich bei „Liveaboards“, also Seglern, die permanent auf ihrer Yacht leben oder zumindest sehr viel Zeit dort verbringen. Nur solange die Yacht in Marinas liegt, steht auch Landstrom zur Verfügung.

Liveaboards, die vor Anker liegen, oder Blauwassersegler, die oft mehrere Tage auf See verbringen, haben die Möglichkeiten, die Marinas bieten, so nicht. Sie müssen autark sein und sich diese Unabhängigkeit mit einer recht komplexen Energieversorgung erkaufen.

Die Anforderungen an die Stromversorgung auf Yachten haben sich verändert

Mit dem Fortschritt der Elektronik ist auch die Zahl der Möglichkeiten „Strom zu verbrauchen“ gewachsen. Früher gab es auf Yachten keine Bildschirme, Gefrierfächer, Subwoofer oder elektrische Winschen. All das hat einen erhöhten Energiebedarf zur Folge.

Hinzu kommt, dass viele Segelboote eine beträchtliche Lebensdauer aufweisen und daher häufig Technik an Bord haben, die vor 30 oder 40 Jahren sicherlich angemessen und sinnvoll war, heute aber so nicht mehr eingebaut werden würde. Das ist der Grund, warum es beispielsweise für die Aufgabe, zwei Batterien an Bord einer Yacht zu laden, eine unüberschaubare Anzahl verschiedener technischer Lösungen gibt. Viele dieser Lösungen zum Laden von Bordnetz- und Motorbatterie sind heute jedoch nicht mehr zeitgemäß.

Um hier ein wenig Ordnung zu schaffen, möchte ich in diesem Beitrag darstellen, wie eine zeitgemäße elektrische Energieversorgung für ein typisches Segelboot im Bereich von etwa neun bis elf Meter Länge aufgebaut ist. Damit ist keineswegs gesagt, dass die vorgestellte Anlage in allen Fällen die bestmögliche ist, doch sollte sie einen guten Startpunkt für eigene Überlegungen darstellen. Forsch formuliert: Man kann alles anders machen, aber dann sollte man auch einen Grund dafür nennen können. 🙂

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Die Stromversorgung für Fahrten- und Blauwassersegler hat besondere Anforderungen

Für Segler, die mehr Zeit abseits der Stromversorgung durch Landstrom verbringen, ergeben sich besondere Anforderungen an die Batteriekapazität und die Ladeinfrastruktur, wobei beide Faktoren nicht völlig unabhängig zu betrachten sind.

Ein Ansatz ist, die gewünschte Autarkiedauer festzulegen und dann die Kapazität der Bordbatterie entsprechend groß zu dimensionieren. Damit wäre man dann zwar von einer Nachladung während der Tage abseits vom Landstrom unabhängig, bezahlt das aber mit einer großen und schweren Batteriebank.

Der gegenteilige Ansatz ist, die Nachlademöglichkeiten, die auch unterwegs zur Verfügung stehen, so groß zu dimensionieren, dass die Batteriekapazität nicht verändert werden muss. Das kann dann jedoch zu unpraktikablen Dimensionen bei Solarpanelen, Generatoren oder anderen Lademöglichkeiten führen. Nicht selten wird man dann feststellen, dass sich die gewünschte Anlage nicht oder nur mit unvertretbarem Umbauaufwand an Bord unterbringen lässt.

Die Installation der Stromversorgung muss also zur Yacht passen und der Strombedarf, der nicht direkt nachgeladen werden kann, mit einer ausreichenden Batteriekapazität abgepuffert werden. Wie viel Energie insgesamt benötigt wird, muss individuell ermittelt werden und ist nicht Gegenstand dieses Beitrags. Eine Mustertabelle (Excel) zum Erstellen einer Energiebilanz gibt es hier.

Generelle Anforderungen an die Stromversorgung auf Yachten

Eine moderne Anlage zur Stromversorgung auf Yachten sollte Bedienfehler verhindern. Idealerweise läuft sie vollautomatisch, also ohne Eingreifen von Skipper oder Crew. Motor- und Bordnetzbatterie müssen voneinander getrennt sein, damit beispielsweise die Motorbatterie nicht vom Bordnetz entladen wird, was die gefährliche Folge hat, dass in einem Notfall der Motor nicht gestartet werden kann.

Eine weitere Anforderung ist, die zur Verfügung stehende Energie optimal zu nutzten, unterwegs ist Energie meistens knapp und kostbar. Die installierten Komponenten sollten zudem geschont werden, beispielsweise durch auf installierte Batterietypen angepasste Ladekennlinien.

Insgesamt sollte die Komplexität und Wartbarkeit der Anlage im Auge behalten werden. Nicht alle Batterien müssen zwangsläufig aus allen Quellen geladen werden, was auch weniger Verkabelung bedeutet. Nicht zuletzt ist auch die Anpassung an neue Anforderungen und die Skalierbarkeit der Anlage wichtig. Wer weiß schon, welches Gerät in fünf Jahren dazukommt?

Energiequellen zur Ladung der Batterien auf Yachten

Auf nahezu jedem Segelboot der hier betrachteten Größe findet sich ein Einbaudieselmotor mit Lichtmaschine. Die Leistung dieser Lichtmaschine hat in den letzten Jahrzehnten deutlich zugenommen und beträgt bei neuen Motoren mehr als 1.400 Watt. Das entspricht einer Stromstärke von 100 Ampere in einem 12-Volt-System.

Ebenso steht auf nahezu jedem Boot ein Landstrom-Ladegerät zur Verfügung. Es soll in Leistung und Ausstattung zu den installierten Batterien passen und eine Vollladung in einer Nacht ermöglichen.

Als regenerative Energieform und dritte Quelle hat sich die Versorgung mit Solarstrom, also die Photovoltaik (PV), im Yachtbereich durchgesetzt. Daher wird im Folgenden von einer PV-Anlage ausgegangen.

Energiespeicher auf Yachten

Als Motorbatterie haben sich seit Jahrzehnten Batterien auf Basis von Blei bewährt, wobei solche mit flüssiger Säure (VRLA – valve regulated lead acid) ebenso geeignet sind wie Bauformen, bei denen die Säure in einer Glasfasermatte absorbiert ist (AGM – Absorbant Glass Mat). Hinsichtlich der Anforderungen an die Ladetechnik unterscheiden sie sich kaum. An Bord ist der Umstand, dass im Schadensfall aus AGM-Akkus keine flüssige Säure auslaufen kann, ein gutes Argument. Daher gehen wir im Folgenden von einer AGM-Motorbatterie aus.

Zur Speicherung der Elektroenergie für das Bordnetz haben sich neben Akkus mit Bleiplatten und immobilisiertem Elektrolyt (sei es als AGM- oder Gel-Bauform) zunehmend solche mit dem Arbeitsstoff Lithiumeisenphosphat etabliert (gerne als Lithiumbatterie, LiFePO4 oder LFP abgekürzt). Beide Bauarten haben Vor- und Nachteile, und eine zeitgemäße Bordelektrik sollte für beide Bauarten geeignet sein.

Aktuelle Ladetechnik für Batterien auf Yachten

In einer korrekt ausgeführten Anlage versorgt die Motorbatterie ausschließlich den Einbaumotor und ist nur für den Startvorgang erforderlich. Sie kann daher nach der maximal auftretenden Stromstärke beim Anlassvorgang dimensioniert werden. Eine Motorbatterie wird beim Anlassen kaum entladen, da der Vorgang auch mit Vorglühen nur wenige Sekunden dauert, und durch die Lichtmaschine umgehend wieder aufgeladen. Daher ist eine Ladung der Motorbatterie per Landstromladegerät bei einem Segelboot in der Regel überflüssig und dient mehr der Beruhigung des Eigners. Aufgrund der geringen Entladetiefe erreichen viele Motorbatterien auch Lebensdauern von zehn Jahren und in Einzelfällen noch mehr, auch wenn ein vorsorglicher Austausch spätestens nach acht Jahren sinnvoll erscheint.

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Anders verhält es sich mit der Bordnetzbatterie. Diese wird im Betrieb deutlich entladen und bedarf daher auch mehr Aufmerksamkeit bei der Aufladung. Für alle Batterietypen gilt, dass ein Zusammenhang zwischen der Entladetiefe und der Lebensdauer besteht: Je tiefer eine Batterie entladen wird, desto kürzer ist ihre Lebensdauer. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass alle Akkutypen auch durch einfachen Zeitablauf altern, sodass es gerade bei den LiFePO4-Typen in vielen Fällen gar nicht möglich ist, die maximale Zyklenzahl auszunutzen, weil die Akkus vorher durch Zeitablauf unbrauchbar geworden sind. Aber auch bei AGM-Bordnetzbatterien ist es in der Praxis häufig so, dass diese eher wegen der Alterung und nicht wegen zu vieler Zyklen austauschreif werden.

Eine andere wichtige Rolle spielt die verwendete Ladetechnik. Sie hat Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie. Hier besteht generell ein Zielkonflikt zwischen schonender und schneller Ladung. Als guter Kompromiss hat sich in den letzten Jahrzehnten die IU0U-Kennlinie erwiesen, die mit firmenspezifischen Modifikationen von allen Herstellern von Ladegeräten eingesetzt wird. Bei geeigneter Anpassung ist diese auch für die Ladung von LiFePO4-Akkus geeignet.

Diese Kennlinie sorgt also für eine schonende und effektive Ladung und ist daher sowohl für die Ladung mit Landstrom als auch für die Ladung mit dem Solarpanel zu verwenden. Aus Sicht der Batterie gibt es wenige Unterschiede zwischen dem Landstromladegerät und dem Solarregler: Beide laden die Bordnetzbatterie mit der richtigen Kennlinie.

Schwieriger ist dies bei der Ladung der Bordnetzbatterie mit der Lichtmaschine, da hier traditionell kein Laderegler eingesetzt wird, der diese Kennlinie erzeugen würde; die Lichtmaschine erzeugt eine konstante Spannung, welche eine schonende, aber eher langsame Ladung bewirkt; insbesondere die Vollladung von Bleibatterien, die im Hinblick auf die Lebensdauer wünschenswert ist, dauert mit der Lichtmaschine sehr lange.

Ist die Ladung per Lichtmaschine für den gesamten Energiehaushalt nicht von größerer Bedeutung, beispielsweise weil der Motor nur kurz zum Ab- und Anlegen läuft, so ist eine solche Schaltung akzeptabel. Diese Sichtweise trifft aber letztlich nur für den Hafenhopper zu. Sobald man darauf angewiesen ist, auch unterwegs elektrische Energie zu gewinnen, ist die Effizienz jeder Quelle wichtig, also auch der Lichtmaschine. Das bedeutet praktisch, dass kaum ein Weg um die Verwendung eines Geräts herumführt, welches mit der Lichtmaschine als Energiequelle die korrekte Ladekurve nachbildet. Solche Geräte werden als Lichtmaschine-zu-Batterie- (Alternator-to-Battery oder kurz A2B) oder als Batterie-zu-Batterie-Ladegerät (Battery-to-Battery oder kurz B2B) angeboten; auch sogenannte Hochleistungsregler fallen in diese Kategorie.

Installationsvorschlag zur Stromversorgung auf Yachten

In meinem Beispiel wird die Motorbatterie von der Lichtmaschine geladen. Die Bordnetzbatterie wird aus drei Quellen geladen und das jeweils mit der passenden Kennlinie: aus dem Landstromladegerät, aus dem Solarregler und aus der Lichtmaschine mit einem A2B- oder B2B-Laderegler. Der Betrieb erfolgt vollautomatisch, das heißt, es ist keine manuelle Bedienung erforderlich. Das Landstromladegerät arbeitet, sobald der Landstrom angeschlossen ist, und der Solarregler, der immer angeschlossen ist, lädt, sobald die Solarmodule hinreichend Spannung liefern. Die Ladung mit dem B2B beginnt, sobald die Spannung am Eingang über einen Schwellwert steigt, der nur bei laufender Lichtmaschine erreicht wird.

Korrekt eingestellt, kann das Bordnetz keine Energie aus der Motorbatterie entnehmen. Die meisten B2B-Ladegeräte sind ab Werk so eingestellt. Bei passender Auswahl des B2B wird auch eine Überlastung der Lichtmaschine verhindert, was insbesondere bei der Verwendung von LiFePO4-Batterien von Bedeutung ist. Mit dem B2B wird das Energieangebot der Lichtmaschine besser genutzt als bei direktem Anschluss der Bordnetzbatterie mittels Wahlschalter oder Trenndiode; dies gilt insbesondere bei der Verwendung einer AGM-Bordnetzbatterie, bei der sonst der Ladestrom mit zunehmender Ladung zurückgeht.

Für eine optimale Nutzung des solaren Energieangebots ist im Allgemeinen ein hochwertiger Regler vorteilhaft. Unabhängig davon, aus welcher Energiequelle die Bordnetzbatterie geladen wird, erfolgt die Ladung immer mit der optimalen Kennlinie. Dagegen wird die Motorbatterie, die ausschließlich für das Anlassen des Motors dient und daher kaum entladen wird, nicht mit der Bordnetzbatterie zwangsweise mitgeladen, sondern angemessen und schonend mit der Konstantspannung der Lichtmaschine geladen.

Trotz der beschriebenen Merkmale ist die Anlage übersichtlich aufgebaut. Sofern die drei Laderegler korrekt aufeinander abgestimmt sind, ist nicht mit Wechselwirkungen zwischen ihnen zu rechnen. Aufgrund des Aufbaus ist es im Fehlerfalle leicht möglich, die Fehlerquelle zu isolieren. Es ist auch problemlos möglich, eine weitere Energiequelle, beispielsweise einen Windgenerator, hinzuzufügen, die Bordnetzbatterie gegen eine neue mit anderer Kapazität oder anderer Bauart (beispielsweise LiFePO4) zu tauschen oder einen neuen Zweig im Verbrauchsteil (beispielsweise eine weitere Batterie im Bug für Ankerwinde und Bugstrahler) hinzuzufügen.

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Die passende Installation der Stromversorgung als Schema

Die folgenden Schemata teilen sich in drei Bereiche. Links sind die Energiequellen dargestellt, die alle mit der positiven Leitung (rot) zur Batterie und weiter zum Bordnetz verbunden sind. Das Landstromladegerät und der Solarregler versorgen beide die Batterie mit der passenden Ladekennlinie. Dabei ist darauf zu achten, dass beide Geräte mit den gleichen Werten der Ladeparameter eingestellt sind. Diese Einstellmöglichkeiten unterscheiden sich je nach Hersteller, weswegen die Einstellung häufig einfacher wird, wenn die Geräte vom gleichen Hersteller stammen – erforderlich ist das aber nicht. Das Gleiche gilt für den B2B, der in seinen Ladeparametern ebenso mit den beiden anderen Energiequellen übereinstimmen sollte.

In der Mitte ist die Bordnetzbatterie dargestellt. Sie ist mit ihrem Minuspol mit dem Messwiderstand (Shunt) des Batteriemonitors und von dort zur Schiffsmasse verbunden. Am Pluspol werden zunächst ein Trennschalter und eine Hauptsicherung angeschlossen. Danach geht es weiter zu der Stelle, an der die Batterie mit den Energiequellen (von links) und dem Verbrauchernetz (von rechts) verbunden ist. Das Verbrauchernetz im rechten Teil des Schemas besteht im einfachsten Falle aus einer Schalttafel mit Schaltern und Sicherungen unter Deck, von der aus die einzelnen Verbraucher versorgt werden. Größere Verbraucher wie die Ankerwinde werden separat abgesichert und versorgt.

Ganz unten im Bild ist als schwarze Linie die Schiffsmasse dargestellt, mit der alle Minuspole verbunden werden. Bei den meisten Installationen sind hier weder Schalter noch Sicherungen erforderlich. Oben verläuft quer eine dicke rote Linie, welche die Energiequellen und das Verbrauchsnetz mit dem zentralen Sammelpunkt verbindet.

Die passende Installation der Stromversorgung für Hafenhopper

In dieser Standardversion wird die Bordnetzbatterie unterwegs mit der Lichtmaschine und im Hafen mit dem Landstromladegerät geladen.

Die passende Installation der Stromversorgung für Fahrtensegler

Um auch unterwegs die Bordnetzbatterie nachladen zu können, wird der Solarladeregler einfach parallel zum Landstromladegerät eingefügt.

Sonderfall Stromversorgung mit extra Bugbatterie

Wird eine dritte Batterie für die Versorgung eines Bugstrahlers oder der Ankerwinde im Bug vorgesehen, so wird diese mit einem zweiten B2B-Gerät an das System angeschlossen.

Fazit

Die Innovationen in der Bordelektrik haben vieles vereinfacht, aber ziehen zwangsläufig auch einen höheren Stromverbrauch nach sich. Glücklicherweise hat sich auch im Bereich der Lade- und Speichertechnik von Energie an Bord von Yachten einiges getan. Im besten Fall läuft heutzutage die Ladung der Batterien an Bord vollautomatisch im Hintergrund, schont die Batteriebank und versorgt auch die Yachten zuverlässig mit Strom, die sich auch mal für längere Zeit abseits eines Anschlusses für Landstrom bewegen.