Bordelektrik: Systemvergleich zwischen Blei- und Lithium-Batterien (LiFePO4)

Welche Batterien werden hier verglichen?

Lithium-Batterien sind auf Yachten auf dem Vormarsch und es lohnt sich, einmal einen Blick hinter die Kulissen der Technik zu werfen, um zu verstehen, welche Vor- und Nachteile Lithium-Batterien (LiFePO4) im Vergleich zu herkömmlichen Bleibatterien haben, wenn sie als Verbraucherbatterien an Bord einer Yacht eingesetzt werden.

Dieser Vergleich ist vor allen Dingen auch deshalb interessant, weil Lithium-Eisenphosphat-Batterien einen deutlich höheren Anschaffungspreis als herkömmliche Bleibatterien haben. Allerdings haben Lithium-Eisenphosphat-Batterien eine Menge Vorteile gegenüber Bleibatterien, die den höheren Anschaffungspreis, insbesondere über die Lebensdauer betrachtet, rechtfertigen.

Hinweis: Für eine bessere Lesbarkeit spreche ich im Folgenden von Lithium-Batterien und meine damit Lithium-Eisenphosphat-Batterien vom Typ LiFePO4. Bei den Bleibatterien beziehe ich mich auf hochwertige Batterien vom Typ AGM.

Kapazität

Die Kapazität einer Batterie wird in Ampere-Stunden (Ah) angegeben. Diese Zahl sagt zwar aus, welche Kapazität eine Batterie hat, verrät jedoch nicht, wie viel Energie ihr davon tatsächlich entnommen werden kann, da dies in Abhängigkeit vom Batterietyp variiert. Bei einer Lithium-Batterie können 90 bis 100 Prozent entnommen werden. Bei der Bleibatterie sind es eher 50 Prozent.

Vereinfacht dargestellt und umgekehrt betrachtet, kann man bei einer 100-Ah-Bleibatterie etwa 50 Ah nutzen und bei einer 100-Ah-Lithium-Batterie eher 100 Ah. Das bedeutet, dass bei gleicher Energieentnahme die Bleibatterie doppelt so groß sein muss – bezogen auf die Kapazität – wie die Lithium-Batterie. Ich bräuchte also eine 200-Ah-Bleibatterie, um dieselbe Energie entnehmen zu können, wie bei einer 100-Ah-Lithium-Batterie.

Daher ist ein Vergleich der tatsächlich nutzbaren Kapazität in Abhängigkeit vom Batterietyp ein wichtiges Kriterium beim Vergleich von Lithium-Batterien mit Bleibatterien.

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Ladung

Interessant ist es auch, einen Blick auf die Ladecharakteristik der beiden Batterietypen zu werfen. Beginnen wir mit der Bleibatterie. Sie benötigt einen mehrstufigen Batterielader, welcher die Batterie mit verschiedenen Ladestufen wie beispielsweise Haupt-, Erhaltungs- und Ausgleichsladung lädt (Stichwort IUoU-Ladekennlinie). Die Lade-Endspannung ist dabei auch von der Innentemperatur der Batterie abhängig. Gute Bleibatterie-Ladegeräte sind deshalb mit einem externen Temperatursensor ausgestattet, der fest auf der Oberseite der Bleibatterie montiert wird.

Außerdem ist es wichtig zu verstehen, dass die Ladung bei Bleibatterien nicht linear abläuft. Vielmehr gilt: Je leerer die Bleibatterie ist, desto mehr Strom kann sie gleichzeitig aufnehmen. Mit anderen Worten: Zu Beginn nimmt die leere Batterie einen sehr hohen Ladestrom auf und lässt sich zügig laden. Der Strom nimmt mit steigendem Ladezustand jedoch rapide ab. Dies verdeutlicht die nachstehende Grafik.

Je weniger häufig wir eine Bleibatterie tiefentladen, desto länger ist ihre Lebensdauer. Daher sollte sie im Sinne einer schonenden Behandlung möglichst bei jedem Zyklus im Bereich zwischen 50 und 100 Prozent ihrer Kapazität gehalten werden. Selbst wenn das Ladegerät, ein Generator oder Solarmodule eine hohe Leistung erbringen können, ist die Menge an Energie, die die Bleibatterie aufnehmen kann, limitiert, und je voller sie wird, desto mehr nimmt diese, wie geschildert, ab.

Bis zum Ladeschluss, bei dem die Batterie nur noch einen kleinen prozentualen Anteil der potenziell möglichen Ladung aufnimmt, kann es durchaus bis zu 18 Stunden dauern. Genau dieser Punkt der absoluten Vollladung sollte aber regelmäßig erreicht werden, um eine schädliche Sulfatierung und somit vorzeitiger Alterung der Bleibatterie zu vermeiden. Insbesondere Blauwassersegler, die sich in entlegenen Regionen fernab einer Infrastruktur mit Marinas und Steckdosen bewegen, sollten dies mindestens einmal im Monat gewährleisten.

Eine Lithium-Batterie hingegen kann problemlos mit einem konstanten Ladestrom in rund zwei Stunden von „leer“ nach „voll“ geladen werden. Jeder kennt dies in der heutigen Zeit von seinem Smartphone oder Tablett. Für das Laden dieser Geräte wird kein komplizierter Lader benötigt, sondern es kann durchgängig mit Hauptladung und konstantem Strom geladen werden. Das ist ein Riesenvorteil.

Damit das so reibungslos funktioniert, ist es aber essenziell, dass die Ladetechnik an Bord der Yacht auch entsprechend stark dimensioniert ist. Das gilt vor allem für die Lichtmaschine, da Lithium-Batterien einen geringeren Innenwiderstand haben als Bleibatterien und mehr Energie „aufsaugen“. Alternativ ist ein sogenannter Ladebooster empfehlenswert.

Wer solch eine fortschrittliche Ladetechnik in Kombination mit Lithium-Batterien einsetzt, erreicht damit schon beim An- und Ablegen eine nicht unerhebliche Energiezufuhr.

Genau genommen können moderne Lithium-Batterien auch mit jedem beliebigen 12-Volt-Bleibatterie-Ladegerät geladen werden, sofern das Gerät eine Ladeschlussspannung zwischen 14,2 und 14,6 Volt erlaubt. Zur Not kann auch ein uraltes Ladegerät aus der ersten Generation der Bleibatterie-Technik verwendet werden, das üblicherweise eine Ladeschlussspannung von 13,8 Volt aufweist. Auch damit kann man eine Lithium-Batterie laden, sie wird dabei zwar nicht vollständig geladen, aber dies schadet ihr nicht. Es steht so lediglich ein Teil ihrer Kapazität zur Verfügung.

Effizienz

Beim Laden einer Batterie entstehen Verluste und es gelingt nicht, die erzeugte Energie, beispielsweise von der Lichtmaschine, vollständig in die Batterie zu transferieren, damit sie für die Benutzung zur Verfügung steht. Bei Bleibatterien von sehr guter Qualität liegt die Rate etwa bei 85 bis 88 Prozent. Das heißt, die Lichtmaschine muss 100 Ah zur Verfügung stellen, um etwa 88 Ah aus der Bleibatterie entnehmen zu können. Die Differenz wird in Wärme verwandelt und ist verloren. Bei Lithium-Batterien hingegen liegt die Rate eher bei 96 bis 98 Prozent.

So gesehen, hinkt der Vergleich, dass eine 200-Ah-Bleibatterie einer 100-Ah-Lithium-Batterie entspricht. Über den groben Daumen gepeilt, bräuchten wir eher eine Bleibatterie mit einer Kapazität von 220 Ah, um aus ihr dauerhaft die gleiche Menge Energie zu entnehmen.

Dieser Effekt ist nicht nur hinsichtlich der Dimensionierung der Batterie interessant, sondern auch mit Blick auf die verwendeten Stromerzeuger. So bräuchte ich beim Einsatz von Bleibatterien durch den höheren Verlust beim Laden beispielsweise anteilig mehr Fläche für Solarpaneele, um eine vergleichbare nutzbare Menge Strom zu gewinnen, wie es bei Lithium-Batterien der Fall wäre.

Und nicht zuletzt können Lithium-Batterien schneller als Bleibatterien geladen werden. Bei Lithium-Batterien darf der Ladestrom bis zu 100 Prozent ihrer Kapazität betragen, bei Bleibatterien hingegen nur bis zu 30 Prozent. Wer an Bord die entsprechende Ladetechnik bereithält, kann die Lithium-Batterie in etwa dreimal so schnell laden.

Zyklenzahl

Die Anzahl der Zyklen sagt aus, wie oft eine Batterie im Rahmen ihrer Lebensdauer unter bestimmten Bedingungen entladen und wieder geladen werden kann. Bei einer Lithium-Batterie sind es über 3.000 Zyklen, wenn sie maximal zu 90 Prozent ihrer Kapazität entladen wird. Dabei verzeiht die Lithium-Batterie auch längere Standzeiten im entladenen Zustand.

Nach den 3.000 Zyklen verfügt die Lithium-Batterie noch über etwa 80 Prozent ihrer Ursprungskapazität und kann leicht bis zu einer Summe von 10.000 Zyklen weiterverwendet werden, bis ihre Restkapazität dann auf unter 60 Prozent fällt. Dies ist der Grund, weshalb Lithium-Batterien nach ihrer Nutzung als Antriebsbatterien im Auto manchmal noch ein zweites Leben als Stromspeicher im Haus führen können.

Eine qualitativ hochwertige Bleibatterie hingegen hält etwa 1.000 Zyklen, wenn sie maximal zu 50 Prozent ihrer Kapazität entladen wird. Diese Anzahl an Zyklen erbringt sie allerdings nur, wenn sie sofort nach der Entladung wieder bis zur Ladeschlussspannung aufgeladen wird. Da diese Regeln im praktischen Gebrauch oft nicht beachtet werden, sind viele Bleibatterien schon nach wenigen Jahren so schwach, dass sie ersetzt werden müssen.

Wenn wir also die Zyklenlebensdauer der beiden Technologien vergleichen, ist die Lithium-Batterie der Bleibatterie mindestens dreifach überlegen, da sie die dreifache Menge Zyklen erlaubt. Das bedeutet auch, wenn wir einen Vergleich über die gesamte Lebensdauer einer Lithium-Batterie ziehen, dass wir nacheinander über den Zeitraum verteilt drei Bleibatterien anschaffen müssten. Bei einer Kapazität von 100 Ah bei der Lithium-Batterie entspricht dies drei Bleibatterien mit einer Kapazität von 220 Ah, die nacheinander verwendet werden. Damit relativiert sich schnell der deutlich höhere Anschaffungspreis der Lithium-Batterie – vom logistischen Aufwand für den Batteriewechsel einmal ganz abgesehen.

Lagerung

Wie geschildert, sollte eine Bleibatterie möglichst kurz nach der Stromentnahme wieder vollgeladen werden, wenn sie nicht vorzeitig altern und damit ihre Kapazität einbüßen soll. Diese gute Pflege ist während der Saison oder auf See beispielsweise durch Einsatz von Solarmodulen oder eines Windgenerators leicht möglich. Im Winterlager hingegen helfen diese Systeme nicht weiter und es ist ratsam, die Bleibatterie dauerhaft an ein Automatik-Ladegerät anzuschließen, sodass die Batterie automatisch und im Umkehrschluss auch lebensverlängernd gepflegt wird.

Eine Lithium-Batterie verhält sich anders. Sie fühlt sich am wohlsten, wenn sie teilgeladen ist. Dies bedeutet, dass eine regelmäßige Vollladung wie bei der Bleibatterie nicht erforderlich ist und die Lebensdauer nicht verlängert. Wenn die Lithium-Batterie längere Zeit nicht benutzt wird, sollte man sie halb geladen lagern und auch nach einem Jahr kann man sie wieder ohne Schaden in Betrieb nehmen. Ist eine Bluetooth-Überwachung in der Batterie vorhanden, sollte ca. alle sechs Monate etwas nachgeladen werden, weil diese Einrichtung permanent wenige Milliampere Strom verbraucht.

Stromentnahme

Eine Bleibatterie ist fast unschlagbar, wenn für wenige Sekunden eine große Menge Strom entnommen wird. Kommt es jedoch zu einer höheren Stromentnahme über einen längeren Zeitraum, dann geht die Spannung einer Bleibatterie sehr schnell so weit nach unten, dass größere Verbraucher einfach abschalten. Eine Lithium-Batterie hingegen kann auch dauerhaft eine höhere Stromentnahme gewährleisten, ohne dass die Spannung dabei zu weit absinkt.

Überwachung

Die früher weit verbreiteten Nass-Bleibatterien mit den typischen Schraubdeckeln benötigen eine regelmäßige Kontrolle und Wartung. Bei jedem Ladevorgang entweicht Wasserdampf, welcher als destilliertes Wasser nachgefüllt werden muss.

Verschlossene Bleibatterien wie AGM oder GEL benötigen keine Pflege, sondern lediglich eine Überwachung der Ladung und Entladung, um Schäden durch eine zu tiefe Entladung zu vermeiden. Hier ist es ratsam, einen Batteriemonitor einzusetzen, der den Ladezustand in Prozent, den Lade-/Entladestrom in Ampere und die Batteriespannung in Volt anzeigt. Ein Batteriemonitor-System kostet etwa 200 Euro und dies ist den Kosten für eine Bleibatterie hinzuzurechnen, wenn man diese mit einer Lithium-Batterie vergleicht.

Eine Lithium-Batterie kann nach der Installation theoretisch für viele Jahre unbeaufsichtigt gelassen werden. Das Batteriemanagement-System (BMS) sorgt dafür, dass die Batterie vor Fehlbehandlung geschützt wird. Außerdem schaltet es die Batterie bei Unterspannung oder Überlastung ab und automatisch wieder ein, sobald das Problem behoben ist.

In vielen Lithium-Batterien sind Batteriemonitor-Systeme verbaut, die über eine Bluetooth-Schnittstelle verfügen. So können über eine App auf dem Smartphone Parameter wie der Ladezustand in Prozent, der aktuelle Verbrauch oder die Anzahl der bereits verbrauchten Zyklen eingesehen werden. Umgekehrt werden beim Laden die Zuflüsse, beispielsweise von einer Solaranlage, einem Windgenerator, dem Batterieladegerät oder der Lichtmaschine, dargestellt.

Temperaturverhalten

Bei niedrigen Temperaturen können Bleibatterien für kurze Zeit immer noch hohe Ströme abgeben. Dadurch kann beispielsweise auch bei minus 40 Grad Celsius noch ein Auto gestartet werden – vorausgesetzt, der Motor springt sofort an.

Lithium-Batterien verfügen selbst bei sehr niedrigen Temperaturen (bis minus 40 Grad Celsius) noch über rund 80 Prozent ihrer Kapazität und es kann ihnen Energie entnommen werden. Allerdings können sie bei Minustemperaturen nicht geladen werden. Vereinzelt bieten Hersteller auch für solche extremen Anwendungsfälle Lithium-Batterien an, die dann bis minus 30 Grad Celsius geladen werden können. Das ist möglich, weil eine eingebaute Heizung in der Batterie den Ladestrom zunächst zum Temperieren der Batterie nutzt und erst danach auf „Laden“ schaltet. Aus diesem Grund kann eine solche Lithium-Batterie in sehr kalten Gegenden auch in unbeheizter Umgebung verbaut werden.

Gewicht

Eine weitere Rolle spielt das Gewicht. Eine 100-Ah-Lithium-Batterie wiegt zwischen 13 und 15 Kilogramm. Eine 200-Ah Bleibatterie bringt 55 bis 60 Kilogramm auf die Waage. Bei gleicher Energieentnahme in Analogie zur vorstehenden Rechnung wäre das Gewicht in etwa viermal so hoch wie bei der Lithium-Batterie. Je nach Schiffsgröße kann das von Bedeutung sein. Gleichwohl die Gewichtserhöhung für Fahrtensegler im wahrsten Sinne des Wortes wahrscheinlich weniger stark ins Gewicht fällt als bei Regattaseglern.

Sicherheit

Bleibatterien (auch geschlossene) können bei Ladung mit einer zu hohen Spannung sogenanntes Knallgas absondern. Das könnte beispielsweise passieren, wenn der Laderegler der Lichtmaschine einen Defekt aufweist und die Spannung nicht mehr sauber reguliert wird. Bereits ein Funke kann Knallgas zum Explodieren bringen. Deshalb dürfen Bleibatterien nur an gut belüfteten Orten verbaut werden.

Lithium-Batterien vom Typ LiFePO4 gelten als die sicherste Lithium-Technologie. Sie fangen auch nicht plötzlich an zu brennen, wie manche Segler meinen.

Fazit

Die moderne Lithiumtechnik ist der herkömmlichen Technik von Bleibatterien in nahezu allen Belangen überlegen. Das gilt inzwischen auch in finanzieller Hinsicht, sofern die etwa dreimal so hohe Zyklenzahl und die Kapazität mitbetrachtet werden.

Lediglich als Starterbatterie oder als Antriebsbatterie wie beispielsweise in einem Gabelstapler bleibt diese Technologie wohl noch einige Zeit erhalten. Der Hauptgrund für den Erfolg der Bleibatterie bei Starterbatterien ist die niedrige Investition und die Tatsache, dass die Batterie beim Startvorgang nur um wenige Prozent entladen wird und dann nach dem Start des Motors unmittelbar wieder durch die Lichtmaschine geladen wird. Dadurch kann sie über einen Zeitraum von einigen Jahren in dieser Anwendung gute Dienste leisten.

Der größte Unterschied zwischen Blei- und Lithium-Batterien zeigt sich für den Segler in der völlig stressfreien und pflegeleichten praktischen Anwendung. Genau wie bei einem Handy schaltet die Lithium-Batterie einfach ab, wenn ihr Tiefststand erreicht ist, und erwacht sofort wieder, wenn sie geladen wird. Hierfür muss ich als Eigner lediglich sicherstellen, dass immer ein geeignetes Ladesystem zur Verfügung steht. Aber das ist bei Bleibatterien ja nicht anders. 🙂