28.02.2022

Erneuerbare Energieträger - Praxis in Haus und Garten

Schon immer habe ich mich mit dem Gedanken getragen, in meinem Lebensbereich weitgehend erneuerbare Energieträger für Heizung, Strom- und Wasserversorgung einzusetzen. Dazu kamen die Erfahrungen, die ich während der Schneekatastrophe im Münsterland 2005 bei einem mehrtägigen Stromausfall gemacht hatte. So habe ich seitdem z.B. immer ein startbereites Notstromaggregat  in der Garage. Es mag dahingestellt sein, in wie weit das in der heute von mir genutzten modernen Stadtwohnung sinnvoll ist, aber es ist allemal interessant, am Beispiel unseres Gartenhauses die Möglichkeiten einer autarken Versorgung mit erneuerbaren Energieträgern zu sondieren.

Wasserversorgung

Solange das Wasser ganzjährig zuverlässig aus der städtischen Wasserleitung kommt, macht man sich kaum Gedanken über eine alternative Wasserversorgung. In den zukünftig deutlich heißer werdenden Sommern wird man aber öfter mit einer kurzzeitigen oder auch länger andauernden Trinkasser-Knappheit rechnen müssen. Auch kann jederzeit durch Schadensereignisse die öffentliche Trinkwasserversorgung beeinträchtigt werden oder auch zusammenbrechen. 
Der erste Schritt wäre, das wenige Wasser, welches man in Trinkwasserqualität benötigt, vom Wasser für den sonstigen Bedarf zu trennen. 
Zu diesem Zweck fangen wir das Regenwasser von den Dachflächen in Behältern von derzeit insgesamt ca. 2 m² auf und können es mittels Pumpe zum Gießen, Reinigen und mit geringem Aufwand auch zur Toilettenspülung verwenden.
Außerdem befindet sich auf dem Grundstück ein Brunnenrohr mit angeschlossener Pumpe, welches bei Bedarf Wasser ganzjährig annähernd in Trinkwasserqualität liefert. Hier ist beabsichtigt, regelmäßige Wasseruntersuchungen vornehmen zu lassen und ein Hauswasserwerk aus dem Baumarkt als alternative Wasserversorgung zu installieren. 

Heizung

Das Gartenhaus ist mit Kalksandsteinen gemauert und hat eine Betondecke sowie ein Satteldach mit Betonpfannen. Eine besondere Wärmedämmung ist nicht vorhanden, wenn man von der Holzverkleidung der Decke absieht. Das Haus wird ganzjährig meistens mehrere Stunden am Tag genutzt, allerdings nicht zum dauerhaften Wohnen, was auch nicht zulässig wäre und als erste Maßnahme eine komplette Wärmedämmung erfordern würde.
Somit muss man im vorliegenden Fall dafür sorgen, dass das Haus im Winter insgesamt frostfrei gehalten wird und dass der stundenweise genutzte Raum komfortabel und vor allem schnell aufgeheizt wird.
Das schnelle Aufheizen übernimmt derzeit als Relikt aus der fossilen Ära eine Außenwand-Gasheizung (ca. 4 kW), betrieben mit Flüssiggas über eine Rohrleitung zu außen gelagerten Flüssiggasflaschen.

Abb. 1 und 2:  Gasheizung mit Außenwandanschluss

Ersatzweise kann ein elektrisch betriebener Heizlüfter, kurzzeitig aus der Batterieanlage gespeist, diese Funktion übernehmen.
Ein zeitgleich angeheizter Kaminofen (8,2 kW) aus Stahl erzeugt nach ca. einer 1/2 Stunde ausreichend Wärme, so dass die Gasheizung wieder abgeschaltet werden kann. Der Kaminofen wird derzeit fast ausschließlich mit Nadelholzbriketts geheizt. Diese haben ideale Restfeuchte, einen hohen Heizwert und hinterlassen kaum Asche. Beim Anheizen bekommt er auch noch zwei Tassen Pellets spendiert. Dann geht es mit dem Feuern richtig rund, zur schnellen Wärmeverteilung läuft auch noch ein kleiner Lüfter mit (Siehe im Bild rechts auf dem Herd).

Mit schlechtem Gewissen wird nach und nach noch ein Restbestand an Braunkohlenbriketts verfeuert, die der Vorbesitzer hinterlassen hat. Das mache ich aber nur wochentags, wenn sowieso kaum jemand in der Anlage herumläuft, denn man kann ja stets genau riechen, wer was verfeuert und schließlich will ich mein Öko-Image nicht unnötig beschädigen.

Nach einigen Stunden Betrieb reicht die Restwärme des Ofens und seiner Umgebung aus, auch an sehr kalten Tagen sämtliche Räume sowie das angebaute "Badezimmer" bis zum nächsten Tag sicher frostfrei zu halten.

Abb. 3:  Kaminofen. Mit dem Wasserkessel im Fach kann man sich energiesparend das tägliche Tee- und Spülwasser heiß machen.

Als Ergänzung sorgt aber für alle Fälle im Toilettenbereich ein elektrisch betriebener und thermostatgesteuerter Heizkörper stets für Temperaturen über 5 C°. Bisher hat er sich nur sehr selten an frostigen Tagen und nur für kurze Zeit eingeschaltet.
Für den sicheren und ordnungsgemäßen Betrieb des Kaminofens musste zunächst von einer Fachfirma ein doppelwandiger Außenwandschornstein aus Edelstahl aufgebaut werden. Dieser sowie der Kaminofen selbst entsprechen den aktuellen Vorschriften, wurden vom Bezirks-Schornsteinfegermeister abgenommen und werden nunmehr regelmäßig gekehrt.

Strom

Die elektrische Energie wird dem Verein von den Stadtwerken zur Verfügung gestellt und von diesem einphasig an die einzelnen Gärten verteilt. Die Stromentnahme für einen einzelnen Garten soll 16A nicht überschreiten, somit hat der erste Leitungsschutzschalter nach dem Zähler genau diesen Wert. Auf Experimente mit einer von den Leitungsquerschnitten her durchaus möglichen höheren Stromentnahme wurde verzichtet.
Nach der Übernahme des Gebäudes musste festgestellt werden, dass sich ein oder mehrere Vorbesitzer in beinahe krimineller Weise an der Elektroinstallation nach dem Zähler vergangen haben. So wurden flexible Leitungen mit nicht ausreichendem Querschnitt fest verlegt und der stets vorhandene und mitgeführte Schutzleiter in Steckern und Steckdosen meistens abgekniffen und so vorsätzlich nicht angeschlossen. Ein RCD war ursprünglich natürlich auch nicht vorhanden, sondern nur eine einzige 20A-Schmelzsicherung. Diese sei niemals durchgebrannt, auch nicht bei seinem dicken Schweißgerät, berichtete stolz ein Vorbesitzer. Es wundert mich wirklich, dass Personen in der Vergangenheit nicht zu Schaden gekommen sind bzw. die Bude nicht abgebrannt ist. Der Grund für dieses gefährliche Desaster hat sich mir nicht erschlossen, zumal später nach einer teilweisen Überholung der Installation selbst Geräte im Außenbereich mit sehr hoher Stromaufnahme niemals zum Auslösen eines 30 mA-RCDs führten. Die grundsätzliche Funktion des nachgerüsteten RCDs war natürlich an jeder Steckdose geprüft worden.

Installierte Geräte mit höherem Strombedarf sind heute ein 5 l - Warmwasserbereiter unter der Spüle, ein kleiner Elektroherd sowie ein Warmwasserbereiter für die Dusche.  Hinzu kommen ein Wasserkocher, die Mikrowelle und ein kleiner Heizlüfter. Sie werden alle eher selten und nicht zeitgleich benutzt.

Solarstrom

Besessen von der Idee, zumindest einen Teil der benötigten elektrischen Energie mittels Photovoltaik und Windkraft bereitzustellen, machte ich mich an die Planung einer kleinen unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) mit dem Ziel, bei Ausfall der öffentlichen Stromversorgung einen Tag oder länger ausreichend elektrische Energie zur Verfügung zu haben.

Ein Übersichts-Schaltplan der bis dato realisierten Anlage ist beigefügt und erinnert eher an einen Schaltplan aus dem mir vertrauten Elektronikbereich als an eine normgerechte Zeichnung aus dem Bereich der Elektroinstallation.


Als zentrales Gerät wählte ich einen 3kVA 230V Inverter an einer 24-Volt Batterieanlage (2x 12V/100Ah).

Abb. 4 : Unterbrechungsfreie Stromversorgung 3kVA (USV)

 

Abb,5: Lins der RCD hinter der USV, rechts der Umschalter S2 zwischen Netz und Notstromaggregat. Die zwei Schalter in der Mitte sollen noch durch einen RCD 300mA am Eingang der USV ersetzt werden.

Bei Netzausfall (oder vom Netz trennen) wird innerhalb von 50 ms auf Inverterbetrieb umgeschaltet. Das Gerät beinhaltet weiterhin einen Akkuladeregler für Solarpanels und ein Akku-Netzladegerät. Alle möglichen Schutzmechanismen, z.B. gegen Überladen oder Tiefentladen, sind vorhanden. Überschreitet die entnommene Leistung (Inverter oder durchgeschleiftes Netz) den Wert von 3kVA, schaltet sich das Gerät ab und es ist dunkel.
Abgeschaltet wird auch, wenn z.B. ein Generator als Netzersatz eine ungleichmäßige und zu verzerrte Spannung liefert.
Über einen Umschalter kann man wählen zwischen der Versorgung der drei Stromkreise des Hauses entweder über die originale Netzversorgung oder aber über die USV mit Inverter bzw. durchgeschleiften Netz und auf ca. 3 kVA begrenzter Leistung. In beiden Fällen ist die Versorgung über jeweils einen RCD abgesichert. Abgesehen von den Umschaltern werden als Schalter handelsübliche Leitungsschutzschalter 16A für Hutschienenmontage verwendet.

Abb. 6:  Akkuanlage 2x 12V/100Ah. Links die 120A Thermosicherung. Daneben ein sog.  Balancer, der mit max 10A stets für Spannungsgleichheit der Akkus auf ca. 20mV genau sorgt. Insbesondere dann wichtig, wenn man die Akkus nicht mit ca. 24V lädt, sondern aus technischen Gründen nur 1 Akku mit ca. 12V. Unten rechts ein 10 A Leitungsschutzschalter für die Windkrafteinspeisung,  der, wie getestet,  entgegen landläufiger Meinung auch bei Gleichstrom ohne Kleben der Kontakte sofort elektromagnetisch auslöst, anstatt nur nach einiger Zeit thermisch abzuschalten. Die beiden Krokodilklemmen an den Polen gehören zu einem externen Ladegerät für 24V 30A, welches auch ohne USV die Akkus mit dem Netz oder mit einem Notstromaggregat laden kann. Rein theoretisch und nicht ganz unwahrscheinlich könnte ja ein EMP die Elektronik der USV zerstoren, dann lädt das Trafo-Ladegerät immer noch.

Der Anschluss von Solarpanels an die USV hat sich wie die PLug-and-Play-Installation von Windows-PCs gestaltet. Standort wählen, Kabel verlegen und anschließen, fertig. Zum Einsatz kommen 2 x 120 W Solarpanels.

Abb. 7: Im Vordergrund zwei Solarpanels für die USV mit jeweils 120W, im Hintergrund das monokristalline Sokarpanel mit 330W für den Mikroinverter.

Die zwei Solarpanels laden an sonnigen Sommertagen die Akkus soweit auf, dass am Folgetag und auch noch länger Beleuchtung, Fernsehen, Wasserkocher und Mikrowelle in üblichem Umfang autark betrieben werden können.

An dieser Stelle muss ich natürlich auch auf einen für mich persönlich wichtigen Verbraucher zu sprechen kommen, auf das Schaltnetzteil 13,5V 20A für meine Funkgeräte, denn schließlich bin ich Funkamateur und Amateurfunk ist mein Hobby Nr. 1. Betrieben werden im Garten ein Retevis VHF/UHF-FM-Mobilfunkgerät an einer 2m/70cm/23cm Rundstrahlantenne für den Nahbereich und ein Kenwood Kurzwellentransceiver TS50 S an einem Draht zum nächsten Kirschbaum, vorzugsweise für FT8 und WSPR auf den 10m-30m-Kurzwellenbändern.
In einer Darstellung, die sich u.a. mit Autarkie und Notfallmanagement beschäftigt, ist der Hinweis auf diese funktechnischen Möglichkeiten durchaus angebracht. Wir wissen heute, dass Jederzeit eine Gefahrensituation entstehen kann, in der Satelliten- und Mobiltelefon, Internet sowie Rundfunk und Fernsehen nicht mehr funktionieren. Dann ist aber u.a. im Rahmen des Notfunks der Funkamateure nicht nur im Nahbereich, sondern auch über Kontinente hinweg eine Kommunikation immer noch möglich.

Solarstrom kann im privaten Bereich im Wesentlichen entweder, wie vorab beschrieben, einer Akkuanlage zugeführt werden oder man kann über einen sog. Mikroinverter direkt ins Netz eingespeisen. Letzteres ist meines Wissens bis 600W Leistung genehmigungsfrei, muss aber beim örtlichen Versorger angezeigt werden, der den vorhandenen Zähler auf Eignung überprüft und ggf. auswechselt. Bedauerlicherweise können/dürfen die heutigen digitalen Zähler nicht mehr rückwärts zählen. Schade eigentlich, das tiefe Gefühl der Befriedigung, einen alten analogen Zähler rückwärts laufen zu sehen, ist durch Nichts zu ersetzen.

Für den zukünftigen Betrieb direkt am Netz wurde ein monokristallines 330W-Panel mit Mikroinverter beschafft, welches bei Sonnenschein auch ordentlich elektrische Energie liefert. Hinter der USV im Inverterbetrieb funktioniert das aber nur solange, wie die von den Verbrauchern entnommene Energie größer als die vom Mikroinverter gelieferte Energie ist. Ansonsten kommt die Regelung des USV-Inverters durcheinander, er weiß nicht, "wohin mit dem Strom" und schaltet sich und damit auch den Mikroinverter rigoros ab. Bei durchgeschleiftem Netz gibt es jedoch keine Probleme.
Als Anschluss des Mikroinverters für alle Betriebsarten der USV bietet sich die Steckdose 1 direkt hinter der ersten Sicherung nach dem Zähler an. Im ungünstigsten Fall fließt hier lediglich der vom Mikroinverter generierte überschüssige Strom ins Netz ab. Bringt kein Geld, schadet aber der Anlage und dem Netz auch nicht. Zwar befindet sich diese Steckdose vor irgendeinem RCD, der Personen- und Brandschutz ist aber durch einen Personenschutzschalter an der Steckdose gewährleistet.

Windenergie

Was macht man, wenn die Akkus leer sind, die Sonne nicht mehr scheint und der Sprit für den benzinbetriebenen Generator alle ist?  Da wäre doch noch die Windenergie, welche dazu beitragen könnte, die Akkus langsam aber stetig zu laden. Genau das habe ich mir auch gedacht und wollte nun unbedingt den Strom eines oder mehrerer kleiner Windräder in die USV implementieren. Hört sich einfach an, sorgt aber im urbanen Gartenbereich für ungeahnte Schwierigkeiten.
Der Wind sollte konstant und mit mäßiger Geschwindigkeit und ohne besondere Richtungswechsel wehen. Ideale Standorte wären dafür z.B. ländliche Höhenzüge oder der Küstenbereich. In parkähnlich angelegten Gartenbereichen mit Hecken und hohen Bäumen gibt es das aber nicht. 
Hier hat der Wind nicht oder kaum die nötige Geschwindigkeit, das Windrad zum Laufen zu bringen mit einer Drehzahl, die am Akku wenigstens die Leistung von einigen 10 W abliefert.
Außerdem ist der Wind in der Regel böig und kommt dann oft von allen Seiten, Versuche mit horizontalen Windrädern mit 3 oder 5 Blättern schlugen fehl. Die Windräder liefen nicht oder nur bei Sturmstärke kurzzeitig an. Die vertikalen chinesischen "Laternen" mit 5 Flügeln waren zwar schön anzusehen und drehten sich oftmals auch gemütlich, erreichten aber niemals die Systemspannung von 12 oder 24 V in Verbindung mit einem Strom, der zum effizienten Laden eines Akkus erforderlich ist.
In meiner Situation sozusagen als bis jetzt geringstes Übel haben sich die bestens dokumentierten vertikalen Savonius-Windturbinen ElvWIS Adventure 125S (max. 100W) und ElvWIS II Aluminium (max. 190W) erwiesen.

Abb. 8: ElvWIS Adventure 125 S links und rechts ElvWIS II Aluminium

Auch sie haben an meinem Standort Schwierigkeiten, bei leichtem bis mittleren Wind einige W Leistung zu liefern und werden erst bei Sturmstärke richtig munter. Besser geht es mit MPPT-Boost-Ladereglern. Zusätzlich habe ich in meiner Verzweiflung in die elektrotechnische Trickkiste gegriffen und mit gerade vorhandenen Ringkern-Netztrafos zwei Drehstromtrafos zusammengestellt, die die Generator-3-Phasen-Wechselspannung jeweils verdoppeln oder verdreifachen und bei Überschreiten der Systemspannung nach dem Gleichrichter spannungsmäßig einfach in die Begrenzung gehen. So wird der Ladungsbeginn in Richtung Schwachwind verschoben. Ein Ringkern hat ungefähr die Scheinleistung von 60 VA. Erfreulicherweise funktioniert es auch bei Frequenzen deutlich kleiner oder größer 50 Hz.

Abb. 9: Die 2 MPPT-Boost-Laderegler für die Windräder links und rechts ein Drehstromtrafo zur Spannungsverdoppelung oder Verdreifachung.  (Der gelb-grüne Draht bildet selbstverständlich keine geschlossene Windung.)

Insgesamt muss ich die Nutzung von Windenergie in meinem Fall als noch nicht besonders gelungen betrachten. Aber es ist sicherlich noch jede Menge Luft nach oben bei der Verbesserung des Wirkungsgrads bei niedrigen Windgeschwindigkeiten. Die Technik kann ich beeinflussen und ggf. verbessern, aber nicht den Standort und die Windverhältnisse.

In erster Linie denke ich hier an die Weiterentwicklung der Generatoren hinsichtlich Leistungsabgabe bei niedrigen Drehzahlen, ohne die Rotoren im Anlaufbereich zu sehr zu hemmen. So habe ich bei der Savonius-ElvWIS II Alu-Turbine immer das Gefühl, sie könnte nach dem Anlaufen einen höheren Widerstand von Seiten des Generators und damit eine frühere Leistungsabgabe vertragen, ohne die Drehzahl zu sehr zu reduzieren oder gar stehen zu bleiben. Weiterhin könnte eine Hemmung des Rotors beim Anlaufen durch eine mechanische Fliehkraftkupplung  oder durch ihre elektronische Nachbildung vermieden werden.

Vermutlich gibt es das alles so oder so ähnlich schon längst bei größeren Windkraftanlagen, aber bis jetzt jedenfalls noch nicht bei Anlagen "für den Hausgebrauch".

 

Notstromaggregat

Ein benzinbetriebenes Notstromaggregat ist erst einmal ein Rückfall in die fossile Ära. Außerdem ist es meistens laut und es stinkt. Aber es startet bei regelmäßiger Wartung sofort und liefert stundenlang Strom. Vorausgesetzt, man hat ausreichend Sprit am Lager.
Zurzeit verfüge ich über einen Endress-Stromerzeuger mit Synchrongenerator und etwa 2,5 kVA Abgabeleistung. Er wird von einem Briggs & Stratton-Motor mit ca. 150 cm³ Hubraum angetrieben.

Allen Schauergeschichten zum Trotz wird er bei mir mit Super-E10 betrieben und hat bisher noch keine Probleme damit. Allerdings muss man beachten, dass Ethanol ein Lösungsmittel ist und auch Wasser enthält. Aber nach Modifikation des Membranvergasers und unter Verwendung eines Additivs dürfte der Motor auch mit Bio-Ethanol laufen und wäre damit wieder fast voll im Bereich erneuerbarer Energien. Irgendwann werde ich das ausprobieren. Oder ich besorge mir einen dieselbetriebenen Generator und betreibe ihn mit Pflanzenöl. Aber der ist noch lauter und im Garten riecht es dann wie in einer Pommes-Bude. Man kann sich natürlich auch einen der modernen Inverter-Stromerzeuger anschaffen, die sind meistens schallgedämmt und leicht zu transportieren, aber relativ teuer und für Experimente mit alternativem Kraftstoff weniger geeignet. Allerdings liefern sie in der Regel unter allen Bedingungen eine stabile und saubere, sinusähnliche Ausgangsspannung.
Jedenfalls ist ein Notstromaggregat die einzige Möglichkeit, bei fehlendem Netz, Dunkelheit und Windstille die Akkus aufzuladen und gleichzeitig stundenlang das Wohnumfeld in bescheidenem Rahmen mit elektrischer Energie zu versorgen. Im Netzersatzbetrieb muss man bei meinem Synchrongenerator nur dafür sorgen, dass ihm nicht ausschließlich kapazitive Last angeboten wird. Sonst liefert er eine stark schwankende Ausgangsspannung und insgesamt ein äußerst "kaputtes Signal". Sobald man als Last aber einen induktiven Verbraucher z.B. in Form eines größeren Ladegeräts mit Netztrafo (auch im Leerlauf) zuschaltet, läuft er schön ruhig und liefert eine saubere stabile Spannung, die auch von der USV akzeptiert wird.

Update: Entgegen aller Vernunft und entsprechend meinem technikaffinen Krankheitsbild ist mir zwischenzeitlich eingefallen, dass ich neben dem robusten, aber lärmenden Endress-Synchrongenerator jetzt auch unbsdingt einen wie ein Kätzchen schnurrenden Invertergenerator haben muss. Unverzüglich.

Meine Wahl fiel auf den Inverter-Genarator  BXGNi2200E von Black+Decker für noch erträgliche ca. 650 €. Das Gerät war nach zwei Tagen da und ich hatte endlich mal wieder die Gelegenheit, mich über die Fehlfunktionen der DHL-Packstation schwarz zu ärgern.

Öl einfüllen, Tankbelüftung auf, Drehschalter auf On und Choke geschlossen, zu Anfang mehr als 6x, ansonsten ca. 3x den Primer (Ball) drücken, 2x ziehen und schon läuft die Kiste schön rund, wenn man den Choke wieder herausnimmt. Angenehmer zurückhaltender Klang, insbesondere im ECO-Modus. Kein Vergleich mit dem Terror, den der Endress-Generator verbreitet. Demnächst erfolgt der Belastungstest.

Damit wären für mich die derzeit zur Verfügung stehenden Möglichkeiten für eine autarke Versorgung erschöpft. Da gäbe es noch rein theoretisch die Nutzung von Wasserkraft. Aber die in der Nähe meines Gartens vorbei fließende "Köttelbecke" ist für alles Mögliche geeignet, nur nicht für die Gewinnung elektrischer Energie aus Wasserkraft. Dann doch eher die Nutzung von Erdwärme aus dem Grubenwasser, welches auf ewig abgepumpt werden muss und in die Gewässer eingeleitet wird. In meiner Region gibt es ja viele seit langem stillgelegte Zechen.