Erfahrung: Lithium-Ionen-Akku selbst eingebaut (1)

von Knut Kähler

"Soll ich auf Lithium-Batterien umrüsten?" Knut Kähler, geborener Hamburger, besegelte bereits als Vierzehnjähriger die Elbe, bevor er mit einer Holzyacht um die Welt gesegelt ist. Als solcher ist er wie wenige prädestiniert, über dieses komplexe Thema zu schreiben. Zumal er, Elektrofachmann und Anlagenbauer eigenhändig solche Batterien in seine Yacht (Bild rechts) eingebaut hat. Für viele wird er die aktuelle Frage beantworten, ob sie auf ihrer Yacht auf "Lithium-Batterien" umrüsten oder die beim Schiffskauf gleich mit bestellen sollen. Oder: Kann und soll ich einfach meine Bleibatterien durch Lithium-Batterien ersetzen?


Großer Unterschied von Lithium- und Blei-Batterien in Preis, Leistung und Gewicht

Wenn man sich mit der Thematik beschäftigt, wird man feststellen, dass man alles was man in Verbindung mit Blei-Akkumulatoren (im weiteren Verlauf werde ich allgemeinsprachlich den Begriff "Batterien" wählen) gelernt hat, komplett über den Haufen werfen kann. Daher will ich zuerst die Lithium-Ionen-Batterien mit den Bleibatterien vergleichen.

Sicherheit: In den Medien kommt es immer wieder zu Berichten über Brände von Lithium-Ionen-Batterien wie bei der Boing 787 oder Pkw-Bränden. Dazu muss man wissen, dass es eine Vielzahl von verschiedenen Typen von Lithium-Ionen-Batterien gibt, wie z.B. die Lithium-Kobaltdioxid-Batterie, Lithium-Mangan-Batterie, Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Batterie, Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Batterie und die Lithium-Eisenphosphat-Batterie. Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LiFePo4) gibt es auch mit einer Dotierung von Yttrium zur Verbesserung der technischen Eigenschaften. Der Hauptunterschied liegt in der spezifischen Energie. Z.b. beträgt diese bei der Lithium-Kobaltdioxid-Batterie 150 – 200 Wh/Kg und bei den Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien nur 90 – 120 Wh/Kg. (Blei-Batterien haben eine spezifische Energie von 30 Wh/Kg). Das heißt, dass die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie bei gleicher Leistung in Ah (Amperestunden) doppelt so groß ist. Daher werden bei Anwendungen wie in der Fahrzeug- oder Flugzeugtechnik häufig die Lithium-Kobaldioxid-Batterien verwendet. Diese können sich aber bei zu starker Ladung erhitzen, wobei es im Anschluss zu einem „thermischen Runaway“ kommen kann. Das ist eine chemische exotherme Reaktion die dann zu einem Batteriebrand führt, welcher schwer zu löschen ist. Dies kann aber nicht bei den Lithium-Eisenphosphat-Batterien passieren. Daher sind Lithium-Eisenphosphat-Batterien sicherer als Blei-Batterien! Es gibt auf Youtube kleine Filme, wo auf Lithium-Eisenphosphat-Batterien geschossen wird oder sie kurzgeschlossen wird. In keinem der Filme kommt es zu einem Brand! Auf Yachten kommen daher nur Lithium-Eisenphosphat-Batterien in Frage, daher beziehen sich die weiteren Betrachtungen ausschließlich auf diese.

Bleibatterien, auch AGM oder Gel-Batterien können bei zu starker Ladung durch das gebildete Knallgas (Sauerstoff und Wasserstoff) explodieren wenn es irgendwo einen Funken gibt, wobei sich die enthaltene Schwefelsäure in der Gegend verteilt - siehe Foto.

Batterien im Bordbetrieb

Betriebsparameter: Blei-Batterien (egal ob AGM, offene oder Gel-Batterien) sollen nicht weiter als zu 50 % SOC (= State of Charge) entladen werden, da die Lebensdauer sonst sehr stark zurückgeht. Ab ca. 90% geht die Ladung nur noch sehr langsam vonstatten (siehe weiter unten), so dass im normalen Gebrauch auf einer Segelyacht nur der Bereich von 50 – 90% zur Verfügung steht. Das heißt von der 100 Ah-Batterie kann ich eigentlich nur 40% effektiv nutzen.

Bei der Lithium-Ionen-Batterie ist der ganze Bereich von null Prozent bis 100 Prozent nutzbar, wobei der Bereich von 0 – 10% und von 90 – 100% die Batterie stärker belastet und dadurch die mögliche Zyklen Zahl herabgesetzt wird. Im Vergleich ist also bei der Lithium-Ionen-Batterie 80% sinnvoll nutzbar und bei der Bleibatterie 40%.

Der nutzbare Spannungsbereich beträgt bei der Lithium-Ionen-Batterie von 12 V – 13,8 V (Erklärung weiter unten) und bei der Bleibatterie von 12 V – 14,4 V. Die Lithium-Ionen-Batterien haben eine großen Nachteil. Sie sind sehr empfindlich gegen Überladung oder zu großer Entladung. Wo eine Bleibatterie eine Überladung noch verkraften kann, ist eine Lithiumzelle zerstört. Bei zu großer Entladung sulfatiert eine Blei-Batterie und verliert Kapazität. Eine Lithium-Ionen-Batterie ist irreversibel geschädigt oder sogar zerstört. Um zu gewährleisten, dass die Betriebsparameter eingehalten werden benutzt man ein Batteriemanagement System, kurz BMS.

Die Blei-Batterie fühlt sich am wohlsten, wenn sie zu 100% geladen ist, eine Lithium-Ionen-Batterie bei einer Ladung von 50%.

Wirkungsgrad: Der Coulomb Wirkungsgrad beträgt bei den Lithium-Ionen-Batterien 100%. Das heißt: Wenn ich bei einer 100 Ah Lithium-Batterie 50 Ah entnehme, dann brauche ich auch nur 50 Ah wieder hinein zu laden, damit sie zu 100% voll ist. Bei der 100 Ah Bleibatterie beträgt der Coulomb Wirkungsgrad ca. 75%. Das heißt ich muss 62,5 Ah hineinladen um wieder auf 100 Ah zu kommen. Daher verschwende ich von meinen kostbar erzeugten (alternativen) Energien 25% für chemische Umsetzungen in der Bleibatterie, ohne sie nutzen zu können.

Im Gegensatz zum Coulomb Wirkungsgrad beschreibt der Peukert Faktor das Speichervermögen in Abhängigkeit des Entladestroms. Das heißt je höher der Entladestrom ist, desto weniger Energie kann der Blei-Batterie entnommen werden. Bei Lithium-Ionen-Batterien beträgt der Peukert Faktor 1,05 und bei Bleibatterien ca. 1,25. Bei Lithium-Ionen-Batterien kann man die Verluste selbst bei relativ hohen Entladeströmen vernachlässigen. Bei Blei-Batterien sinkt die Kapazität bei höheren Entladeströmen deutlich ab. Für eine 100 Ah Blei-Batterie gilt z.B.: Bei einem Entladestrom von 100 A hat die Batterie nur noch eine Kapazität von 47,3 Ah. Bei einem Entladestrom von 50 A beträgt die Kapazität 56,2 Ah und bei einem Entladestrom von 10 A nur noch 84 Ah.

Ladeverhalten: Bei den Bleibatterien steigt bei der Ladung die Spannung an den Polen recht schnell an. Dadurch sinkt der Ladestrom in gleichem Maße. Auf meinem Schiff habe ich eine 160 A Lichtmaschine mit einem Sterling Hochleistungsregler. Bei dem Batteriesatz von 500 Ah und beispielsweise 50% SOC werden die Batterien für die ersten 10 Minuten mit 160 A geladen, doch dann fällt der Ladestrom gleichmäßig, so dass er nach einer halben Stunde nur noch 50 A beträgt. Wollte ich die Batterien bis auf 100% vollladen müsste die Hautmaschine stundenlang laufen, denn bis zu einer Batteriespannung von 14,1 V wird mit der sogenannten Bulkladung geladen, dann wird bis auf 14,4 V auf Ausgleichsladung umgeschaltet und anschließend auf Erhaltungsladung mit einer Spannung von 13,65 V.

Bei Lithium-Ionen-Batterien sieht es ganz anders aus. Der Ladestrom bleibt bei seinem maximalen Wert nahezu konstant bis die Batterie entweder ganz voll oder kaputt ist. Das heißt, man muss die Ladung innerhalb der Betriebsparameter abschalten wenn die Batterie voll ist. Hier gibt es keine Ausgleichs- oder Erhaltungsladung, sondern nur die Bulkladung!

Der optimale Ladestrom für Lithium-Ionen-Batterien beträgt 0,5 C, also bei einer 100 Ah-Batterie 50 A. Der maximale Ladestrom liegt bei 3 C, also 150 A. Bei der 100 Ah-Batterie aus dem Beispiel ist diese bei einer Ladung von 0,5 C in zwei Stunden voll. Bei einem Strom von 1C in einer Stunde. Bei größeren Batteriesätzen von mehreren hundert Ah kann man auf normalen Yachten diesen Ladestrom gar nicht erreichen, was allerdings auch kein Schaden ist.

Entladeverhalten: Beim Entladen verhält sich die Lithium-Ionen-Batterie genau wie beim Laden. Der optimale Entladestrom beträgt ebenfalls 0,5 C kann aber problemlos bis zum maximalen Entladestrom von 3 C gehen. Das heißt bei einer 100 Ah können 300 A Entladestrom fließen, ohne dass dabei die Spannung sonderlich einbricht. Ich habe an Bord meiner Segelyacht einen Tauchkompressor mit einem Elektromotor von 2,2 KW und einen 3 KW Inverter. Theoretisch sollte es also funktionieren, ihn über den Blei-Batteriesatz von 500 Ah zu betreiben, denn der Inverter verkraftet den hohen Anlaufstrom. Aber in der Praxis brach selbst bei voller Batterie die Batteriespannung auf unter 10,5 V zusammen und der Inverter schaltete ab. Dies geschieht mit den neuen Lithium-Ionen-Batterien nicht mehr.

Preis/Gewicht: Eine gute 100 Ah AGM Bleibatterie kostet ca. 150 – 200 Euro, wiegt ca. 32 Kg und hat eine Lebensdauer von ca. 500 Zyklen.

Welche Batterien hat der Autor in seine Yacht eingebaut?

Ich habe vier Zellen a‘ 3,2 V mit 700 Ah eingebaut. Eine Zelle wiegt 21 Kg und kostete ca. 1000 Euro. Das hört sich natürlich viel an, aber wenn man genau vergleicht: Vier 700 Ah Lithium Ionen Zellen ergeben einen Batteriesatz mit einer mittleren Gesamtspannung von 13,3 V und einem Gesamtgewicht von 84 Kg und kosten 4000 Euro bei einer Lebensdauer von mindestens 2000 Zyklen.

Ein 700 Ah Lithium-Ionen-Batteriesatz entspricht, wie oben festgestellt, einem 1400 Ah Blei-Batteriesatz. Dieser würde 448 Kg wiegen und bei einem Stückpreis von 175 Euro 2450 Euro kosten. Wenn der Lithium Ionen Satz 4-mal länger hält - 2000 Zyklen zu 500 Zyklen – würden die Blei-Batteriesätze ohne Preissteigerung 9800 Euro kosten. Was ist nun billiger?

Bei welcher Yacht lohnt sich der Umstieg von Blei auf Lithium nicht?

Man muss noch erwähnen, dass zu den Kosten der Li-Batterien noch die Kosten für das BMS, weitere Bauteile und die Umbauinstallation in Höhe von ca. 500 Euro kommen. Nicht gerechnet der Arbeitsaufwand. Und der Umbau ist sehr aufwändig! Und erfordert ein gutes Maß an Kenntnissen. Eine Umstellung von Blei auf Lithium lohnt sich meiner Meinung nach nicht für die Segler, welche von Marina zu Marina fahren und dort jedes Mal den Landstromstecker einstecken, sondern nur für Langfahrt/Blauwassersegler, die wochenlang vor Anker liegen bzw. keine Möglichkeit für eine Landstromversorgung haben.

Umbau auf Lithium-Batterien

Praxis: Der Umbau von Bleibatterien auf Lithium-Ionen-Batterien: Man verzeihe mir die etwas langen vorangegangenen Ausführungen, aber sie sind notwendig um die ganze Sache besser zu verstehen und warum ich was gemacht habe.

Da ich nichts von diesen sogenannten drop-in Lithium-Batterien halte, die auch noch wie Blei-Batterien aussehen, da man erstens nicht weiß was dort für ein BMS System enthalten ist und man außerdem denken (soll?), man könnte diese wie Blei-Batterien zu behandeln. Und wenn man sie wie Blei-Batterien behandelt, sind sie schnell kaputt!

Sind die Lithiumzellen angeliefert, haben sie einen SOC von ca. 50%. Nun braucht man erst einmal viel Zeit, denn auch wenn die Zellen aus einer Produktionscharge stammen sollen, gibt es doch geringfügige Unterschiede. Daher müssen die Zellen erst einmal „balanciert“ werden. Das heißt auf genau den gleichen Zustand gebracht werden, damit im Betrieb die Batteriespannungen der einzelnen Zellen nicht voneinander abweichen. Sonst kann es vorkommen, dass eine einzelne Zelle Unterspannung hat oder überladen wird. Es gibt das „Bottom Balancing“ und das „Top Balancing“. Bei dem Bottom Balancing werden die einzelnen Zellen langsam entladen bis die Zellenspannung auf 2,5 V abgesunken ist. Ich habe das Top Balancing gewählt, da es für die maritime Anwendung empfohlen wird. Dabei werden die Zellen langsam bis auf 3,65 V Zellenspannung aufgeladen, dann folgt eine Ruhephase, wobei die Spannung wieder etwas fällt. Dann wieder bis auf 3,65 V aufladen, bis die Ruhespannung 3,65 V beträgt. Dies wird am besten mit einem Labornetzteil gemacht, bei dem man die Konstantspannung und den Konstantstrom einstellen kann. Das ist zwar eine Anschaffung in Höhe von ca. 100 Euro, aber ich habe so ein Gerät ohnehin, da ich auch Elektronikbasteleien mache. Geprüft werden die Spannungen mit einem genauen Digitalvoltmeter. Sind alle einzelnen Zellen geladen, dann werden sie parallel geschaltet und für ein paar Tage in Parallelschaltung belassen. Dann sind sie bis auf wenige Millivolt balanciert. Bei mir hat das ganze ca. zwei Wochen gedauert.

Wenn ich jetzt mein Schiff für längere Zeit verlasse, werden die einzelnen Zellen bei 50% SOC parallel geschaltet. Die Starterbatterie für die Hautmaschine bleibt, wie sie ist und wird von einer eigenen kleinen Lichtmaschine geladen. Für einen Notfall kann ich mit Hilfe eines Batteriehauptschalters die Lithium-Batterie und die Starterbatterie parallel schalten oder den Starter und die Zündung nur auf die Lithium-Batterie schalten. Nachdem ich ein Platzlayout für alles gemacht habe, kam der Ausbau der Blei-Batterien und der Einbau der Lithium-Batterien mit dem BMS und den anderen Schaltgeräten.


        Vorher: 500 Ah Blei und oben rechts die eine              Nachher: 700 Ah Lithium und oben diesmal zwei
      Generatorstarterbatterie                     Generatorstarterbatterien

In Kürze folgt Teil2. Autor Knut Kähler berichtet sodann über den Einbau neuer Lithium-Batterien in seine Yacht - und welche besonderen Schwierigkeiten hierbei zu überwinden waren...

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