Bordnetz: Vergleich Blei- und Lithiumbatterien – volle Ladung

Seit über 150 Jahren sind Akkus mit Blei-Säure-Technik auf dem Markt. 1854 konnte Wilhelm Sin­steden zum ersten Mal Strom aus Blei und Schwefelsäure produzieren. Später wurde seine Batterie vom Franzosen Gaston Planté weiterentwickelt. Doch erst 27 Jahre danach schaffte es Henri Tudor, einen massenproduzierbaren Akku zu bauen. Seit damals hat sich – rein prinzi­piell – nicht viel verändert. Mit der Einführung von gelförmig gebundener Säure wurden die Akkus auslaufsicher, schließlich hat Gates Rubber 1972 eine mit Säure getränkte Glasmatte entwickelt – der „Absorbed Glass Mat“-Akkumulator (AGM) war geboren. Er darf tiefer entladen werden, kann große Ströme ab­geben, neigt weniger stark zur Sulfatierung, gibt kein Knallgas ab und läuft nicht aus.

Bis vor Kurzem galten derartige AGM-Akkus als das Nonplusultra in Bezug auf Stromspeicherung – bis die Lithium-Akkus auf den Markt kamen. Der Lithium-Akku arbeitet mit einer völlig neuen Technologie. Die Frage ist nun: Für welche Boote eignen sich die neuen Akkus, und für wen ist der bis vor Kurzem noch hoch gepriesene AGM-Akku weiterhin geeignet?

Blei kann besser sein

Eines vorab: Für Akkus, die ausschließlich für den Motorstart benutzt werden, eignet sich der Blei-Akku, insbesondere als AGM-Variante, vorzüglich und sollte nicht durch Li­thium ersetzt werden.

Ein AGM-Akku kann die zum Anlassen benötigten hohen Ströme während kurzer Zeit abgeben, eine gesonderte Lüftung ist nicht notwendig, und der Akku kann relativ klein sein, er muss ja nur den Motor starten. Als Anlasserbatterie hat der Blei-Akku eine maximal lange Lebensdauer, da er – mit Ausnahme der wenigen Sekunden, bis der Motor anspringt – immer voll geladen wird und bleibt. Das wichtigste Argument für den Blei-Akku an dieser Stelle ist, dass seine Spannung sofort auf unter zehn Volt sinkt, sobald der Anlasser Strom aus dem Akku entnimmt.

Dieser oft als Nachteil gesehene Spannungsfall des Akkus wird aber in der Konstruk­tion des Starters berücksichtigt. Mit Lithium­batterien bricht die Spannung unter Last lange nicht so stark ein, daher bekommt der Anlasser wesentlich mehr Leistung als vorgesehen, was er im Zweifel nicht lange übersteht. Für die immer vielfältigeren und größeren Stromschlucker an Bord wie Na­viga­tionsgeräte, Handys, Tablets, Notebooks, Autopilot, Kühlschrank, Beleuchtung oder die populären 230-Volt-Verbraucher wie Kaffeemaschinen, Toaster, Wasserkocher und Haarfön, die mittels Inverter betrieben werden, ist die Frage nach dem geeigneten Batterietyp nicht einheitlich zu beantworten. Vielmehr sollte man sich folgende Fragen stellen:

1. Wie hoch ist der tägliche Stromverbrauch?
2. Wie oft soll geladen werden?
3. Wie schnell soll geladen werden?
4. Womit soll geladen werden?

Stromfresser

Die Komfortausstattung moderner Boote braucht viel Strom. Kühlschrank und Haushaltsgeräte sind die größten Verbraucher:

Wie viel Energie für die Akkus nötig ist

Bei der Berechnung des Energiebedarfs geht man am besten von der Leistung des jeweiligen Verbrauchers aus, die in Watt (W) angegeben wird. Multipliziert man diese mit der erwarteten Benutzungszeit des Geräts, erhält man den täglichen Energieverbrauch in Watt­stunden (Wh). Anschließend werden die Werte durch die Bordspannung – zwölf Volt oder bei größeren Schiffen eventuell 24 Volt – geteilt, daraus ergibt sich für jedes Gerät die notwendige Energie in Amperestunden (Ah). Summiert ergibt sich die Energiemenge, die von den Akkus jeden Tag geliefert werden muss. Folgende Richtwerte können zur Orientierung dienen: Für einen Tagestörn, das heißt, wenn man morgens mit voll geladenen Batterien ausläuft und am Nachmittag wieder in den Hafen zurückkehrt, hat man typischer­weise einen Energieverbrauch von etwa 39 Amperestunden.

Für Küstenskipper, die etwas mehr Strom verbrauchen und ab und zu auch ankern oder auch nachts unterwegs sind, werden rund 100 Amperestunden für 24 Stunden Be­triebs­zeit berechnet. Langfahrt-Skipper, die mehr Zeit an Bord verbringen und viele Annehmlichkeiten wie an Land nutzen, inklusive eines Inverters für 230-Volt- Haushaltsgeräte, verbrauchen in 24 Stunden nicht selten 250 Amperestunden.

Wie häufig wird geladen?

Ebenfalls eine Frage, deren Antwort stark vom Nutzungsverhalten des Boots abhängt. Liegt man beispielsweise jeden Abend in einer Marina, wird dort höchstwahrscheinlich stets mittels Landstrom geladen. Soll ab und zu geankert werden, will man vielleicht nur alle paar Tage laden. Viele entscheiden sich trotz Ankerns dafür, als Bordroutine jeden Tag die Batterien per Motor zu laden, um nebenbei heißes Wasser zum Spülen oder Duschen zu erzeugen.

Womit wird geladen?

Wenn die Batterie ihre Energie abgegeben hat, gilt es, sie möglichst schnell wieder aufzufüllen. Auf Motorbooten erfolgt dies kontinuierlich, denn kaum ist das Boot vom Landstrom getrennt, wird schon durch die Maschine geladen. Von ein paar kurzen Badestopps abgesehen, lädt der Motor praktisch ununterbrochen, es sei denn, die Crew ankert über Nacht. Sobald die Maschine wieder läuft, ist auch wieder Ladestrom vorhanden, und zwar die gesamte Fahrzeit über. Hierbei spielt die Geschwindigkeit des Ladevorgangs keine große Rolle; es genügt, wenn die Akkus am nächsten Morgen wieder voll sind.

Die nutzbare Kapazität

Ein Blei-Akku sollte nie vollständig entladen werden. Wie tief ein Akku geleert werden darf, hängt von der Konstruktion der Blei­platten ab. Sogenannte deep-cycle batteries haben dickere Bleiplatten als jene, die für den Motorstart konstruiert sind. Auch können AGM-Akkus meist tiefer entladen werden als offene, nasse Bleizellen. Die zu erwartende Lebensdauer des Akkus ist stark davon abhängig, wie oft und tief entladen wird, und ganz besonders, wie schnell die Batterie nach dem Einsatz wieder auf volle Ladung kommt. Generell gilt: Je tiefer der Akku entladen wird, je häufiger der Akku tiefentladen wird und je länger es dauert, bis er wieder voll geladen ist, desto kürzer die Lebensdauer. Ein offener Blei-Akku kann viele Jahre halten, wenn er fast nie entladen und sofort wieder aufgeladen wird, wie das Beispiel des Motorstart-Akkus zeigt.

Auf der anderen Seite kann ein Akku binnen Wochen zerstört werden, wenn er beispielsweise unter 50 Prozent entladen wurde und länger in diesem Zustand verbleibt. Damit die Akkus möglichst lange halten, entnehmen vorsichtige Menschen aus AGM-Akkus nie mehr als 50 Prozent der nominellen Kapazität (state of charge von 50 Prozent oder kurz SoC 50) und aus offenen Blei-Akkus nie mehr als 35 Prozent der Kapazität (SoC 75). Nachteil dabei: Die nutzbare Energie ist höchstens halb so groß wie auf dem Etikett angegeben. Sprich: Es muss viel unnützes Blei durch die Gegend gefahren werden.

Wie lange das Laden dauert

Blei-Akkus lassen sich lediglich zu etwa 75 bis 80 Prozent mit einer nennenswerten Geschwindigkeit laden. Ist der Akku voller als 80 Prozent, kann er keine größeren Ströme mehr aufnehmen, und die Ladegeschwindigkeit nimmt rasch ab. Leider ist auf dem Boot gerade der Bereich zwischen 80 und 100 Prozent interessant, denn der Blei-Akku sollte für ein langes Leben ja möglichst vollständig geladen sein. Aber auch bei geringerem Füllstand als 80 Prozent ist der maximale Ladestrom begrenzt. Um die Lebensdauer nicht unnötigerweise zu verkürzen, sollte nicht mit Strömen geladen werden, die größer als 20 Prozent der Akku-Kapazität sind. Ein 100 Am­pere­stunden großer Blei-Akku sollte also mit nicht mehr als 20 Ampere geladen werden, was als 0,2 C angegeben wird. Denn: je sanfter das Laden, desto länger die Lebensdauer.

Schnell wieder voll

Das Ladeverhalten ist einer der Hauptvorteile von Lithiumbatterien:

Hier unterscheiden sich die Blei-Akkus im Detail: Offene Bleibatterien sollten besonders langsam gespeist werden, idealerweise mit nur 0,1 C, während AGM mit bis zu 0,3 C geladen werden könnten. Das ist auch der Grund, warum Lade­geräte von Blei-Akkus drei Phasen haben. Die erste Phase heißt Bulk. Hier wird mit größtmöglichem Ladestrom geladen, also bei einem 100-Amperestunden-Akku mit nicht mehr als 20 Ampere. Die Bulkphase hält bis zum Erreichen einer voreingestellten Batteriespannung an, bei AGM sind dies typischerweise 14,4 Volt, was ungefähr SoC 80 entspricht.

Dann wechselt das Ladegerät in die Absorptionsphase. Jetzt wird bei konstanter Spannung immer langsamer geladen, denn der Ladestrom nimmt rasch ab. Die Dauer der Absorptionsphase ist vom Ladegerät vorgegeben und beträgt in der Regel viele Stunden. Wenn sie irgendwann abgelaufen ist, kommt das Lade­gerät zu dem Schluss, dass der Akku nun endlich voll sein müsste. Es wechselt in die dritte, Float genannte, Phase. Und deren Aufgabe ist es, den Akku auf seiner „Wohlfühlspannung“ zu halten, beispiels­weise auf 13,2 Volt.

Einige besonders intelligente Ladegeräte gehen nicht nach Zeit, sondern interpretieren einen gegen null gehenden Ladestrom als vollständig geladenen Akku und wechseln dann auf Float. Die vollständige Ladung dauert aber auch dann sehr, sehr lange.

Da am Ende so wenig geladen wird, nutzen viele vor Anker liegende Skipper kaum mehr als 30 Prozent ihres Blei­-Akkus aus, wenn sie zwischen 50 und 80 Prozent der Kapazität hin und her laden und entladen. Doch genau das verkürzt die Lebens­dauer der Blei-Akkus, die regelmäßig vollständig geladen werden wollen.

Besonders kritisch ist diese Teilladung für offene Blei-Akkus. AGM halten den halb entleerten Zustand etwas länger aus. Alle paar Wochen sollten aber auch AGM-Akkus durch Landstrom oder eine längere Bootstour wieder zu 100 Prozent voll werden.

Drin, was draufsteht

Bei Lithium-Akkus kann die angegebene Kapazität dagegen fast völlig ausgenutzt werden. Zwischen 80 und 90 Prozent der gespeicherten Energie können entladen werden, ohne dass die Akkus Schaden nehmen. Lediglich die letzten zehn bis 20 Prozent sind für das in dem Akku inte­grierte Batterie-Management-System (BMS) reserviert, ohne das Li­thium-Eisen-Phosphat-Akkus (LiFePO4) an Bord nicht eingesetzt werden sollten.

Ins Winterlager sollte man die Akkus jedoch nicht mit derart geringer Restkapazität stellen, denn sonst könnte es passieren, dass die noch verbleibende Energie unter die kritische Grenze fällt. Das BMS schaltet dann vollständig ab, und ein Aufladen ist nicht mehr ohne Weiteres möglich. Besser ist es, den Akku vor dem Winter auf 50 bis 80 Prozent zu laden. Einige Batterien sind auch mit einem speziellen Winterknopf versehen, der die Elektronik in den Tiefschlaf schickt, oder es lässt sich die Sicherung aus dem Akku entfernen, sodass der Computer des BMS während des Winters nicht angeschaltet bleibt und den Akku nicht entlädt.

Akku-Chemie

Bewährte Technik auf  Blei-Säure-Basis oder platz- und gewichtssparende  Lithium-Akkus für schnelle Ladung:

Im Gegensatz zum Blei-Akku schadet es dem Lithium-Akku nicht, längere Zeit auf geringem Ladestand zu bleiben; im Gegenteil, er altert sogar langsamer als bei vollständiger Ladung. Immer an Landstrom gekoppelt zu sein, wie viele Blei-Akku-Eigner es gewohnt sind, sollte man mit Lithium-Akkus daher eher nicht; zumindest sollte das Ladegerät dabei abgeschaltet werden.

Um trotzdem mit vollen Batterien in See zu stechen, genügt es, den Lader eine Stunde von dem Auslaufen zu aktivieren, denn Li­thium-Akkus können in kürzester Zeit ge­laden werden. Während Blei-Akkus mit maximal 0,3 C gespeist werden sollten, kann man eine LiFePO4-Batterie ohne Probleme mit einem C laden, einen 100-Amperestunden-Akku also mit satten 100 Ampere Ladestrom. Zudem fließt dieser hohe Strom praktisch während des gesamten Ladevorgangs, was die Ladezeit weiter verkürzt.

Um die Vorteile voll auszunutzen, sollte das Ladegerät eine Lithiumkennlinie haben, die mit den Phasen Bulk und Float arbeitet. Steht nur ein Dreiphasen-Ladegerät zur Verfügung, so sollte die überflüssige Absorp­tionsphase so kurz wie möglich eingestellt werden.

Gewicht

Beim Vergleich einer AGM-Batterie von 100 Amperestunden und eines gleich großen Lithium-Akkus fällt sofort der Gewichtsunterschied auf: Eine AGM-Batterie wiegt um die 30 Kilogramm, die Lithium-Batterie dagegen nur um 14 Kilo.

Wird die Masse in Bezug zur nutzbaren Kapazität gesetzt, ist der Unterschied noch krasser. Der Tagesausflügler, der jeden Abend den Landstromanschluss zur Ver­fügung hat, kann rund 50 Prozent der Batteriekapazität bei Blei ausnutzen und kommt auf ein Gewicht von 0,6 Kilogramm je Am­pere­stunde. Auf Langfahrt, wenn beim regelmäßigen Ankern nur zwischen 50 Prozent und 80 Prozent ge- und entladen wird, werden nur 30 Prozent der Kapazität genutzt, daraus resultiert ein Gewicht von etwa einem Kilogramm pro nutzbarer Amperestunde.

Bei Lithium sieht es anders aus: Da fast 100 Prozent der Kapazität genutzt werden können, wiegt die Lithiumbatterie lediglich 150 Gramm pro Amperestunde.

Preisfrage

Der Preis von Lithium-Akkus schreckt so manchen Bootsbesitzer ab. Während eine hochwertige AGM-Batterie von 100 Ampere­stunden knappe 300 Euro kostet, werden die gleich großen Lithium-Akkus für Preise zwischen 1.000 und 2.000 Euro angeboten.

Um die Investition eines neuen Akkus durchzurechnen, sind die Kosten durch die nutzbaren Amperestunden zu teilen. Während die Investition einer AGM-Batterie, abhängig davon, ob man 50 oder 30 Prozent der Kapazität ausnutzt, sich auf sechs bis zehn Euro je Amperestunde beläuft, kostet die Li­thiumbatterie zumindest in der teuersten Ausführung immerhin doppelt so viel, nämlich 20 Euro je Amperestunde.

Wird zusätzlich noch die Anzahl der Zyklen in Betracht gezogen, sieht das Bild vorteilhafter aus. Die Lebensdauer der AGM-Batterie wird im Datenblatt mit 400 Lade- und Entladevorgängen angegeben, bei Lithium sind es mehrere Tausend Zyklen. Die Frage, für welche Entladungstiefe diese Zyklen bei AGM gelten, ist berechtigt, spielt in der Praxis aber keine so große Rolle, denn auf den meisten Booten endet das Leben eines Blei-Akkus nicht nach Erreichen der Zyklenzahl, sondern bereits zuvor durch Sulfatierung.

Vor- und Nachteile:

Blei-Akkus bestehen aus Bleiplatten und Schwefelsäure. Bleibt die Batterie über längere Zeit im teilgeladenen Zustand, so wachsen die Bleisulfatkristalle zu ständig grö­ßeren Verbänden zusammen, was die Kapazität der Batterie immer mehr verringert. Je tiefer die Entladung und je länger es bis zur nächsten Vollladung dauert, desto schneller schreitet die Sulfatierung voran. AGM-Batterien sind etwas unempfindlicher gegen Sul­fa­tierung als offene Blei-Akkus. Dafür kann man bei offenen Batterien versuchen, die Kristalle durch Schockladen mit erhöhter Spannung aufzulösen; einige Ladegeräte bieten dafür spezielle Desulfatierungsprogamme. Durch diesen Prozess bildet sich Knallgas, und es geht Elektrolyt verloren, daher muss destilliertes Wasser nachgefüllt werden. Bei Gel- oder AGM-Akkus können einmal gebildete Sulfate nicht wieder rückgängig gemacht werden. Desulfatierungsprogramme dürfen bei diesen Typen nicht eingesetzt werden.

Setzt man die Lebensdauer der Blei-Akkus trotz Sulfatierung mit 400 Zyklen an, so kostet jede Amperestunde 1,5 bis 2,5 Cent, während Lithium mit einem Cent pro Ampere­stunde und Zyklus die kostengünstigere Lösung ist. Lithium-Akkus können durchaus wirtschaftlich sinnvoll sein, rentieren sich meist allerdings erst nach vielen Jahren.

Wird mit der Lichtmaschine geladen, kommt noch die verkürzte Ladezeit und damit verbundene Kraftstoffeinsparung hinzu – vom verminderten CO2-Ausstoß ganz abgesehen.

Das Stromsystem

Sollen Lithiumbatterien verwendet werden, muss das gesamte Stromkonzept an Bord überdacht werden. Der Einbau von Lithium-Akkus, um beispielsweise die Ladezeit zu verkürzen, wird enttäuschen, wenn die Lichtmaschine nicht dafür ausgelegt ist, kontinuierlich hohe Ladeströme zu liefern. Ebenso verkürzt sich die Laufzeit des noch so großen 230-Volt-Dieselgenerators nicht, wenn dieser mit einem Ladegerät verbunden ist, das weit unter der möglichen Ladekapazität des Akkus liegt.

Eine zweite Hochleistungslichtmaschine an den Motor zu bauen kann deshalb sehr sinnvoll sein. Sie sollte eine Ladekennlinie für Lithium-Akkus haben und auch im warmen Zustand hohe Amperezahlen liefern. Nebeneffekt: Ist eines der Ladesysteme defekt, kann mittels Umschalten oder provisorischer Verkabelung die noch funktionierende Lichtmaschine Motor- und Verbraucher-Akkus laden.

Schließlich sollten sämtliche Kabel, Sicherungen und Kontakte an Bord kontrolliert und gegebenenfalls erneuert werden. Denn wenn plötzlich hohe Ladeströme fließen, muss das komplette System gut aufeinander abgestimmt sein.

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