reading

ACHTUNG: Strom ist gefährlich und kann tödlich sein! Arbeiten Sie nur am Bordnetz, wenn dieses stromlos ist, trennen Sie immer vor Arbeiten an Bord den Landstrom vom Bordnetz und schalten Sie den Umformer aus. So kann keine tödliche 230-Volt-Spannung anliegen. Lassen Sie ihre Arbeiten im Zweifel von einem Fachmann kontrollieren und sichern Sie ALLE Stromkreise sinnvoll ab. Im Zweifel heißt es immer: Finger weg!

Folgende Ausgaben dieses Werkes sind verfügbar:
ISBN 978-3-87412-190-3 (Print)
ISBN 978-3-7688-8179-1 (E-Book)
ISBN 978-3-7688-8370-2 (E-Pub)

Lektorat: Alexander Failing, Felix Wagner
Umschlaggestaltung: Buchholz.Graphiker, Hamburg
Fotos einschließlich Titel: Alexander Worms, wenn nicht anders angegeben
Abbildungen: Katja Rüppell, weiteweltdesign, Hamburg
Layout: Gabriele Engel
Lithografie: scanlitho.teams, Bielefeld

Datenkonvertierung E-Book: HGV Hanseatische Gesellschaft für
Verlagsservice, München

Alle Rechte vorbehalten! Ohne ausdrückliche Erlaubnis
des Verlages darf das Werk, auch Teile daraus,
nicht vervielfältigt oder an Dritte weitergegeben werden.

Inhalt

Vorwort

Wer sich auf dem Wasser fortbewegt muss eine Menge wissen. Es gilt die Verkehrsregeln zu kennen und das Boot zu beherrschen, dann kommen das Wetter, die Navigation, Motorkunde und Menschenführung hinzu. Was in den letzten Jahren zudem an Bedeutung gewinnt, ist das Wissen um die Elektrik. Denn während früher der Dieselmotor und der Außenborder sowieso noch von Hand gestartet werden konnten, geht das heute zumeist nicht mehr. Kurzum: Elektrik gehört mittlerweile an Bord einfach dazu. Also muss der verantwortungsbewusste Skipper sich mit dem Thema auseinandersetzen. Doch wie viel Wissen ist erforderlich? Die Frage ist kaum zu beantworten, und doch wurde hier in diesem Buch ein Antwortversuch gestartet. Die Zahl der am Markt verfügbaren Bücher zum Thema ist hoch, aber sie holten mich zumeist nicht da ab, wo ich stand. Zwar konnte ich dort theoretisch viel über die Funktion einer Batterie, die Berechnung von Widerständen oder gar »Das Wechselstrom-Konzept mit generatorfreier Periode« (Victron Energy, Immer Strom, Version 9, Juni 2011) lesen. Aber was das alles genau für das Arbeiten mit Strom an Bord bedeutete, erschloss sich mir oft nicht direkt. Ein Buch müsste her, dass den kompletten Bordstromneuling, wie ich einer war, von Anfang an begleitet. Das die Grundlagen leicht verständlich erklärt und auch die nächsten Schritte des „Erwachsenwerdens” als Eigner immer größerer und damit womöglich auch komplexerer Bordsysteme abdeckt. Zudem sollte es auch die Fragen von Charterern beantworten, denn schließlich kann so ein Charterschiff auch mal nicht funktionieren. Wer dann die Ankerwinsch mit Bordmitteln wieder fit bekommt, muss keinen ganzen Urlaubstag damit vertrödeln, auf den Techniker zu warten. Naja, und so ist dieses Buch entstanden. Eher kompakt, sprachlich für Nicht-Fachleute und dennoch sachlich richtig. Viel Spaß beim Lesen und viel Erfolg beim Basteln.

Natürlich kann solch ein Buch nie von einer Person alleine geschultert werden. Viele Menschen haben dabei geholfen. Zunächst meine Frau Tine, die mich auf jede erdenkliche Art unterstützt hat, die Verlagslektoren Alexander Failing und Felix Wagner, die Grafiker, alle Menschen die ich ansprechen und jederzeit um Rat bitten konnte. Besonderen Dank gilt zudem Fridtjof Gunkel, der mich letztlich zu diesem Buchprojekt ermutigte, meinem Physiklehrer Bernhard Wiesemann, Olaf Schmidt und Peter Bremen für die ersten gemeinsamen Schritte im Bordnetz meines ersten Segelbootes. Danke!

1.1 Ampere, Volt oder Watt?

Wer sich mit dem Thema Elektrik auf Yachten beschäftigt, ist gut beraten, sich mit ein wenig theoretischem Wissen zu wappnen. Dieses Wissen hilft, findigen Verkäufern kompetent gegenüberzutreten und im Fehlerfall schnell und zielgerichtet das Übel zu finden und auszumerzen. Zudem dient es dazu, bei der Auslegung des eigenen Bordnetzes die richtigen Entscheidungen zu treffen. Da es wirklich nur ein wenig Theorie sein soll, im Folgenden also ein Ausflug zu Watt, Volt und Ampere.

Elektrizität wird auf Booten im Wesentlichen für zwei Dinge benötigt: Elektromotoren sollen sich drehen, etwa in der Ankerwinsch, der Trinkwasserpumpe oder dem Kompressorkühlschrank, oder Wärme beziehungsweise Licht sollen erzeugt werden. Das ist dem Wesen nach übrigens dasselbe. Um den zweiten Fall kümmern wir uns in Kapitel 1.2. Stellen wir uns für den ersten Fall eine Ankerwinsch vor. Sie soll Anker und Kette aus der Tiefe an Deck befördern. Dazu muss sie das Grundeisen und die schwere Kette etwa 20 Meter in die Höhe ziehen. Angetrieben wird sie durch einen Motor, der seine Energie wiederum aus einer Batterie erhält.

Anstelle des Motors stellen wir uns ein Mühlrad vor – genau so, wie an einer Wassermühle. Die Batterie ist ein sehr großer Tank voll mit Wasser. Damit sich das Mühlrad mit dem schweren Anker an seiner Kette überhaupt bewegt, braucht es eine ganz schöne Menge Wasser auf den Schaufeln des Rades. Doch die Menge des Wassers ist nicht die einzige Einflussgröße. Es ist leicht vorstellbar, dass ebenfalls die Geschwindigkeit, mit der das Wasser auf die Schaufeln trifft, Einfluss auf die Aufholgeschwindigkeit des Ankers hat: mehr Geschwindigkeit des Wassers, mehr Geschwindigkeit beim Aufholen.

Oder anders: Trifft das Wasser mit mehr Geschwindigkeit auf die Schaufeln, kann man mit einer kleineren Menge Wasser die Ankerkette und den Anker an Bord hieven. So ist das auch mit dem Strom. Der ist in unserem Vergleich die Menge Wasser. Er wird in Ampere gemessen. Die an der Ankerkette zu verrichtende Arbeit ist die Leistung in Watt. Die Geschwindigkeit oder der Druck des Wassers ist die Spannung. Sie wird in Volt gemessen. Natürlich stehen diese Größen im Verhältnis zueinander. Aus dem Physikunterricht wird man sich noch an das Verhältnis von Kraft, Strecke und Arbeit erinnern:

Der Einfachheit halber gehen wir davon aus, dass die Leistung in Watt, also die Arbeit, die zum Aufholen des Ankers benötigt wird, im Laufe des Vorgangs konstant ist. Was hingegen nicht konstant ist, ist die Geschwindigkeit des Wassers. Es ist leicht vorstellbar, dass diese abnimmt, sobald der Tank leerer wird, also von oben weniger Gewicht auf das aus dem Tank strömende Wasser drückt. Nimmt seine Geschwindigkeit ab, muss logischerweise mehr Wasser fließen, um die gleiche Leistung zu verrichten.

Ein Beispiel: Die benötigte Leistung sei konstant bei 16. Die Spannung, also die Geschwindigkeit, sinkt im Laufe des Prozesses von 4 auf 2. Also lautet die Gleichung: Leistung (16) = Spannung (4) × Strom (4). Sinkt die Spannung, heißt die Gleichung:

Elektrisch heißt das: Wird die Batterie leerer, sinkt die Spannung bei konstanter Leistung fließt dann mehr Strom, wodurch die Batterie wiederum schneller leer wird usw. Wie lange darf nun aber das Aufholen der Ankerkette dauern, bis die Batterie (also der Wassertank) leer ist?

Dazu helfen die Angaben auf den Geräten. Auf unserer Ankerwinsch steht: 1200 Watt. Das heißt, wenn sie eine Stunde läuft, verbraucht sie 1200 Watt oder 1200 Wattstunden oder 1,2 Kilowattstunden (KWh). Auf dem Typenschild des Akkus steht 200 Ah, diese Abkürzung steht für Amperestunden. Ein Akku mit 200 Amperestunden kann theoretisch 200 Stunden lang ein Ampere abgeben. Oder zwei Stunden lang 100 Ampere. Wie gesagt: theoretisch, denn erstens gibt es einen Maximalstrom, den der Akku auf einmal zur Verfügung stellen kann. Dieser hängt vom Batterietyp ab (siehe Kapitel 4.1). Zweitens kann ein Akku, wieder abhängig vom Typ, mehr oder weniger von seiner Kapazität abgeben, ohne dabei Schaden zu nehmen, also etwa vorzeitig zu altern oder gar gänzlich seine Funktion zu verlieren. Wir gehen hier einmal von 50 Prozent Maximalabgabe aus. Es stehen hier also 100 Ah zur Verfügung. Wenn Watt = Volt × Ampere ist, wir eine 12-Volt-Batterie und -Ankerwinde haben und nun wissen möchten, wie viel Ampere das bedeutet, gilt ja: Watt: Volt = Ampere, mithin 1200 W : 12 V = 100 A. Ist der Akku also ganz voll geladen, kann die Ankerwinsch eine Stunde lang arbeiten, bis er so leer wird, dass er erneut aufgeladen werden muss.

Wie lange wäre nun die Zeit, wenn es ein 24-Volt-Bordnetz gäbe? Dann wären, vergleichbar des Bauraums und Gewichts zu obigem 200-Amperestunden-Akku, zwei je 100 Ah große 12-Volt-Akkus in Reihe geschaltet, die die erforderlichen 24 Volt liefern. Dann wären 1200 Watt : 24 Volt = 50 Ampere. Auch hier könnte also nur eine Stunde lang gehoben werden.

Warum? Schaltet man die Akkus hintereinander, also in Reihe (Pluspol Akku 1 auf Minuspol Akku 2), verdoppelt sich die Spannung. Die Kapazität, also die Amperestunden, bleiben aber gleich. Da zwei je 100 Ah große Akkus verwendet wurden und davon ja nur 50 Prozent Maximalabgabe zur Verfügung stehen, kommt man bei einem Bedarf von 50 Ampere auch nur 50 Ah, also eine Stunde, weit. Aber: Die Menge des geflossenen Wassers aus dem Anfangsbeispiel ist geringer. Es konnte dennoch die gleiche Arbeit verrichten, weil die Spannung, also der Druck des Wassers, höher war (warum das wichtig ist, steht in Kapitel 1.2). Alternativ können mehrere Akkus auch parallel geschaltet werden. Das ist sinnvoll, wenn der für die Akkus zur Verfügung stehende Platz auf einer Yacht nicht an ein und derselben Stelle liegt, also die Batterien etwa unter den Bodenbrettern verteilt werden müssen, quasi nebeneinan der. Dazu werden die Plus- und die Minuspole untereinander verbunden.

ACHTUNG: Es können nur gleich große und gleich volle Akkus in Reihe oder parallel geschaltet werden.

Wichtige Punkte:

Zum Verstehen von Strom hilft das Beispiel mit der Wassermühle.

Watt, Volt und Ampere, also Leistung, Spannung und Strom, stehen im Verhältnis zueinander, wobei die Leistung vom Verbraucher und die Spannung vom Bordnetz vorgegeben wird.

Es gilt: Watt = Volt × Ampere, analog Ampere = Watt : Volt, analog Volt = Watt : Ampere.

Um Kapazität oder Spannung zu verändern, können mehrere Akkus parallel oder in Reihe geschaltet werden; die gespeicherte Leistung ändert sich dabei nicht!

Es können nur gleich große und gleich volle Akkus miteinander verschaltet werden.

1.2 Kabel, Sicherungen, Querschnitte, Widerstände und Verbindungen

Strom ist gefährlich. Das lernen wir schon in frühester Jugend. Viele denken, bei 12 Volt – wie auf den meisten Yachten – sei dies nicht der Fall. Doch weit gefehlt! Zwar verspürt man beim Anfassen allenfalls ein unangenehmes Kribbeln, doch die niedrige Spannung hat andere Tücken. So kann sie zu Bränden an Bord führen, wenn das System nicht ordentlich ausgelegt ist. Wieso? Die Antwort findet sich in diesem Kapitel.

Widerstand

Man stelle sich anhand unseres Ausgangsbeispiels vor, das Wasser würde aus dem Vorratstank durch Schläuche auf das Mühlrad geführt – so, wie Strom durch Kabel an Bord fließt. Dann ist es leicht einzusehen, dass das Wasser in dem Schlauch einen Widerstand wahrnimmt, wenn dieser im Verhältnis zur fließenden Menge Wasser zu dünn ist. Ist er extrem dick, also sein Querschnitt enorm hoch, so wird er nur wenig Widerstand für das Wasser darstellen. Ebenso ist sicherlich vorstellbar, dass die Länge des Schlauchs Einfluss auf den Wider stand hat. Ist er sehr lang, so wird sich das vorbeiströmende Wasser an den Wandungen des Schlauchs reiben. Es verlangsamt sich. Mehr Länge bedeutet mehr Reibung, also auch mehr Widerstand.

Es gilt: Der Widerstand eines Kabels wird größer, wenn es länger wird, und kleiner, wenn es dicker wird.

Während sich im Schlauch die Durchflussgeschwindigkeit reduziert, sinkt im Kabel die Spannung. Dadurch sinkt die Leistung am Verbraucher (Glühlampe wird weniger hell).

Fließt mehr Strom durch das Kabel, wird das Kabel durch erhöhte Reibung warm. Im Falle eines Glühdrahtes wird er sogar extrem warm. Sogar so sehr, dass die Energie nicht nur in Form von Wärme, sondern auch als Licht entweicht. Die Rede ist von einer Glühlampe. Ihr Glühfaden hat einen hohen Wider stand und einen hohen Schmelzpunkt. So kann er sehr heiß werden und leuchten, ohne zu schmelzen. Dies ist eine Art von elektrischem Verbraucher, der auf Widerstand basiert. Auch andere Geräte im Bordnetz haben einen Wider stand. Diese sollen uns hier jedoch nicht interessieren.

Da leuchtet nichts mehr: Das Salzwasser hat seine Arbeit getan, die Kontakte sind korrodiert.

Wie am Beispiel der Glühlampe zu sehen, erzeugt ein Widerstand also Wärme und einen Abfall der Spannung. Widerstände sind übrigens nicht nur Kabel. Auch Kontakte können Widerstände sein, wie etwa Lüsterklemmen, Kabel-Quetschverbinder oder korrodierte Anschlüsse etwa an einer Positionslampe.

Wie ein verrosteter Wasserhahn im Schlauch aus dem Beispiel. Ist der Durchmesser im Hahn durch Rost reduziert, stellt er einen Widerstand dar. Der Druck fällt dort, die Reibung wird sehr hoch. Ebenso verhält es sich mit schlechten Verbindungen im Stromkreis: an ihnen fällt die Spannung ab. Natürlich stehen auch Strom, Spannung und Widerstand in einem Verhältnis zueinander. Es ist ebenso simpel wie das von Watt, Volt und Ampere. Es lautet:

I = U : R; dabei ist I der Strom, U die Spannung und R der Widerstand.

Der Strom wird also kleiner, wenn der Widerstand zunimmt. Er wird in Ohm gemessen. Anders:

U = R × I oder I = U : R.

Was bedeutet dies für das Bordnetz? Zunächst heißt die erste Gleichung: Liegt eine hohe Spannung an und gibt es nur einen kleinen Widerstand, dann fließt viel Strom ohne großen Verlust und damit Spannungsabfall. Logisch: Viel Druck aus dem Wassertank und ein kurzer Schlauch mit großem Durchmesser führen zu einer großen Menge Wasser, die durch den Schlauch fließt. Die Formel U = R × I hilft im Bordalltag durchaus. U ist hier der Spannungsabfall an einem Widerstand. Der Widerstand sei ein Meter eines ein Quadratmillimeter dicken Kupferkabels. Er beträgt 0,0178 Ohm bei 20 Grad Celsius und ist eine materialspezifische Größe und Temperaturabhängig. Der Strom seien 70 Ampere, also beispielsweise eine Ankerwinsch mit 840 Watt Leistung (70 Ampere bei 12 Volt). Die Spannung sinkt pro Meter also um 70 Ampere × 0,0178 Ohm = 1,25 Volt. Nach fünf Metern kämen also von den ursprünglichen 12 Volt nur noch magere 5,75 Volt an. Viele Verbraucher haben daher einen Unterspannungsschutz, der das Gerät abschaltet, wenn ein gewisser Wert unterschritten wird. Denn: weil ja Ampere = Watt : Volt gilt, ergibt sich zudem ein steigender Stromfluss. Bei der theoretisch konstanten Leistung würde die Halbierung der Spannung zu einer Verdopplung des fließenden Stroms führen. Das wiederum führt zu einem weiteren Abfall der Spannung und so weiter. Es ergäbe sich ein Teufelskreis, an dessen Ende das Kabel so heiß werden würde, dass seine Ummantelung zu brennen begänne. An diesem Beispiel lässt sich neben der Notwendigkeit ausreichend dicker Kabel die Sinnhaftigkeit einer Sicherung im Stromkreis erkennen. Sie ist die künstlich dünnste Stelle des Stromkreises und würde durchbrennen, bevor das Kabel zu heiß wird, und so den restlichen Stromkreis unterbrechen und damit schützen. Ein Sicherungsautomat hat einen sogenannten Auslösestrom, beispielsweise zehn Ampere. Er wäre geeignet für Stromkreise, in denen im Normalfall nicht mehr als eben zehn Ampere fließen. Allerdings wird in der Praxis immer noch etwas Puffer eingebaut, sodass die Sicherung nicht ständig auslöst. Wird besagter Auslösestrom überschritten, unterbricht die Sicherung den Stromkreis und schützt ihn so. Sie löst aus.

Verschiedene Schmelzsicherungen: Die Farbe gibt Auskunft über den Auslösestrom. Bei den Stabsicherungen steht er auf den Metallsockeln.

Sicherungsautomaten: einmal ausgelöst, kann der Stromkreis durch Drücken des roten Knopfs leicht wieder geschlossen werden (erst Fehler suchen!).

Wie gesagt sind ausreichend dicke Kabel sehr wichtig. Denn wäre das Kabel in unserem Beispiel nicht einen, sondern 16 Quadratmillimeter dick gewesen, hätte sich der Widerstand auf 1/16 des Ausgangswertes reduziert. Der Spannungsabfall pro Meter hätte lediglich 0,07 Volt betragen. Nach fünf Metern wären also immer noch 11,65 Volt (statt 5,75 Volt) angekommen. Es gilt also, bei der Auslegung des Bordnetzes tunlichst darauf zu achten, dass Widerstände minimiert werden. Das wird zum einen durch kurze Kabelwege (Akkus möglichst nahe bei den Verbrauchern platzieren), durch gute Verbindungen – wie Polklemmen auf den Akkus und Quetschverbindungen – sowie durch ausreichend dicke Kabel erreicht.

Kabel und Querschnitte

Dickere Kabel erzeugen weniger Widerstand. Warum sind dann nicht alle Kabel beispielsweise 16 Quadratmillimeter dick? Ganz einfach: Die Kabel bestehen zumeist aus Kupfer, und das hat neben dem großen Vorteil der guten Leitfähigkeit, also des geringen spezifischen Widerstands, zwei Nachteile: Es ist schwer und teuer. Kein Segler möchte aus seinem Schiff einen Kupferfrachter machen und permanent in Sorge sein, Diebe könnten in Abwesenheit des Eigners das rote Metall von Bord klauen. Es gilt also, die jeweils passende Kabeldicke zu ermitteln. Dabei hilft folgende Tabelle: