Umrüsten auf Lithium Batterie

Ausgangslage: Mit der Zeit wurde die Situation mit der 640 Ah AGM Batteriebank immer weniger erträglich. Am Ankerplatz musste der 8 kW Generator täglich mindestens 5 Stunden laufen, um die verbrauchten 200 Ah in die Batterie zurückzuladen und dabei war er nicht mal zu 10% ausgelastet. War die Batterie nach dieser Zeit immer noch nicht ausreichend geladen, musste sogar die Hauptmaschine nachhelfen. Alternative Energiequellen, wie Solarzellen, Windgeneratoren und Hydrogeneratoren mit all ihren erforderlichen Ladereglern und Kabelverbindungen sind an Bord nicht installiert worden. Auf diese Technikvielfalt wurde bewusst verzichtet.

An Bord sind 1 Starterbatterie, jeweils 2 Batterien für Bug- und Heckstrahlruder und 4 Stück 160 Ah AGM Systembatterien verbaut. Die Systembatterie hatte also eine Kapazität von 640 Ah. Die bekommt man unterwegs aber nie voll geladen, höchstens immer nur zu 80% und das sind dann ungefähr 500 Ah. Doch entnehmen kann man dann nur etwa 200 Ah, weil darüber hinaus die Spannung zu stark absinkt. Außerdem sollten Bleibatterien sowieso nur bis zur Hälfte entladen werden, weil sonst ihre Lebensdauer sinkt. Bei einer 640 Ah Batteriebank kann man realistisch gesehen nur 200 Ah richtig nutzen. Man kann zwar überall lesen, dass bei Bleiakkus die halbe Kapazität, hier wären das 320 Ah nutzbar wären, das gilt aber nur dann, wenn man sie täglich voll bekommt. Leider geht die Bulk-Ladung nur bis zu 80 % der Kapazität und die alleine dauert schon 5 Stunden.

Warum ist das so? Bleibatterien können nur mit 0,1 C/h also im vorliegenden Fall mit 64 A geladen werden. Dieser Wert darf nur kurzzeitig überschritten werden. Aus dem 100 A Ladegerät von Mastervolt fließen deshalb nur zu Beginn 100 A, die nach wenigen Minuten stark zurückgehen. Nach 5 Stunden Bulk-Ladung fließen nur noch 25 A bis 30 A in die Batterie hinein, denn auch die Verbraucher, u. A. drei Kühlschränke müssen vom Ladegerät versorgt werden. Bleibatterien sind nicht schnellladefähig. Sie können Ladeenergie nur tröpchenweise aufnehmen. Ohne alternative Energiequellen, wie Solarzellen oder Windgeneratoren kann deshalb die Absortions-Ladephase innerhalb einer vernünftigen Zeit nicht erreicht werden. Fazit: Ohne alternative Energiequellen und nur mit einem Generator ist die installierte Batteriekapazität nur zu einem Drittel nutzbar, sonst vielleicht zur Hälfte.

 

Abhilfe

Ohne das Deck mit Solarzellen zu bepflastern, besteht der einzige Weg, diesen Zustand abzuändern darin, die Bleibatterien gegen Lithium Batterien zu tauschen. Das habe ich mich aber erst getraut, als LiFePO4-Batterien lange genug auf dem Markt waren. Dieser Lithium Typ ist nicht brennbar, wie seine Vorgänger und was ein Feuer auf einem Boot bedeutet muss ja nicht weiter erläutert werden.

100 A LiPO- Ladegerät der Firma i-tecc

So habe ich in 2 Stück 240 Ah LiFePO4 Batterien und 2 Stück 100 A LiPO Ladegeräte investiert. Alles zusammen kostete dann schon eine ganze Stange Geld. Doch denkt man mal realistisch, dann war der Kaufpreis des Bootes auch nicht gerade klein. Die Anschaffung eines Bootes soll Freude bereiten. Da passt es einfach nicht, sich dauernd über irgend welche technische Unzulänglichkeiten ärgern zu müssen. Wenn der Preis für die Umrüstung auf Lithium insgesamt weniger als 0,5% der Anschaffungskosten des Bootes ausmacht und das Leben an Bord wesentlich erleichtert, dann kann über eine solche Investition schon nachgedacht werden. Darüber hinaus lassen Lithium Batterien mehrere tausend Ladezyklen zu und amortisieren sich auf diese Weise sogar nach einigen Jahren. Ich selbst wollte diesen Umstieg wagen und möchte nun darüber berichten.

 

Einbau

Vor einer Umrüstung sollte man sich mit der neuen Technologie von Lithium Batterien vertraut machen. So ist zu prüfen, ob die Lichtmaschine weiter verwendet werden kann. Auch ist zu prüfen, ob das eingebaute Ladegerät weiter benutzbar ist, oder ausgetauscht werden muss. Auf der Zephir ist das ein MASS COMBI 12/2500 – 100. Das ist ein Ladegerät mit einem kombinierten Wechselrichter von 2500 Watt zur Erzeugung von 230 V Sinus Wechselstrom. Es hat sich gezeigt, dass dieses Gerät in der Standardeinstellung für Nassbatterien auch für die Ladung von Lithium Batterien geeignet ist. Auch die Lichtmaschine konnte ohne Änderung weiter benutzt werden.

Auf den Platz der ehemals vier 160 Ah Bleibatterien passen sinnvoll nur zwei 240Ah LiFePO4 Batterien.

Zunächst dachte ich, dass die zwei zusätzlichen 100 A Ladegeräte und die zwei Lithium Batterien denselben Platz einnehmen könnten, den die 4 Stück auszubauenden 160 Ah AGM’s beansprucht hatten. Doch das ging nicht auf. Die Batterien waren recht groß und die Ladegeräte brauchten Luft zur Kühlung. Der Platz dafür erwies sich zu knapp. Da die zuschaltbaren Ladegeräte in dem Raum zwischen Sitzrückwand und Bordwand untergebracht wurden, mußte eine Zusatzlüftung mit einem Rohrventilator installiert werden.

Solange man an der Landstromsteckdose ist, werden die Zusatzladegeräte nicht gebraucht. Das eingebaute Ladegerät lädt die Batterien bis auf die Ladeschlussspannung von 14,4 V auf, wozu eine Zeit von bis zu 10 Stunden nötig ist. Die Zusatzladegeräte kommen erst am Ankerplatz zum Einsatz. Damit steht ein Ladestrom von insgesamt etwa 250 A zur Verfügung. Wegen dieser ungewohnt hohen Ladeströme erfolgt ein Schnellladevorgang auf der Zephir jedesmal unter Beaufsichtigung, meist parallel zum Lauf der Waschmaschine und/ oder des Wassermachers, der auf 230 V vom Generator umschaltbar ist.

Vergleich Blei – Lithium

Modernere Blei Batterien sind in Gel- oder AGM Technologie ausgeführt. Im Lade- und Entladeverhalten unterscheiden sie sich kaum. Auch Lithiumbatterien gibt es in unterschiedlichen Technologien. Für Boote ist meiner Meinung nach nur der Typ LiFePO4 geeignet. Diese sind im Vergleich mit anderen Lithium Technologien etwas voluminöser, aber sie sind sehr sicher. Im Vergleich mit AGM-Batterien hat man beim Einsatz dieser Batterien insbesondere folgende Vorteile:

Merkmal LiFePO4 AGM
1 Kapazitätsnutzung 10% bis 100% 30%*/ 50% bis 100%
2 Ladestrom 0,3 C/h bis 0,8 C/h 0,1 C/h
3 Ladedauer 2h bei 0,5 C/h 10 h
4 Wirkungsgrad 99% 80%

* am Ankerplatz

Hierbei ist C die Kapazität in Amperestunden Ah und C/h ist der Ladestrom, denn A·h/h ist A. Mit einem Ladestrom von 0,8 C/h, oft wird fälschlich nur 0,8 C dazu gesagt, ist eine Batterie dann in einer Stunde zu 80% geladen. Entsprechend ist eine Batterie mit einem Ladestrom von 0,5 C/h in einer Stunde zu 50% und in 2 h vollständig geladen. Eine 240 Ah LiFePO4 Batterie, die mit 120 A geladen wird, ist folglich in einer Stunde halb und in 2 h vollständig geladen. Hohe Ladeströme und damit kurze Ladezeiten sind an Bord allerdings nur mit einem Generator und entsprechenden Ladegeräten zu realisieren.

Gemäß 1 kann aus einer voll geladenen LiFePO4 Batterie gleicher Kapazität fast doppelt soviel Energie bezogen werden, wie aus einer AGM Batterie. Eine 240 Ah Lithiumbatterie ersetzt dann praktisch eine 480 Ah AGM Batterie, denn sie kann nahezu bis auf Null entladen werden, bevor man sie erneut lädt. Dabei bleibt ihre Spannung fast dauernd auf dem gleichen Wert von etwa 13 V. Wer einen Tiefkühlschrank an Bord hat wird das zu schätzen wissen. Bei einer ständig zwischen 10 V und 13 V pendelnden Spannung kann die eingestellte Temperatur von beispielsweise – 20 °C kaum gehalten werden.

Punkt 2 ist eine erfreuliche Tatsache für Boote, die einen Generator haben. Der Ladestrom kann bei Lithium Batterien sehr hoch sein, woraus eine kurze Ladezeit resultiert. Man muss nur genügend Ladestrom vorhalten können. Theoretisch könnte dann der Generator 10000i von F. Panda die C = 480 Ah Batterie von null auf 100% in ungefähr 1 h von 10% auf 100% laden. Auf der Zephir genügt jetzt tatsächlich ein tägliches Laden von knapp einer Stunde. Das ist ein riesen Qualitätsgewinn gegenüber einem tägliche Rattern des Generators bis zu 6 Stunden, was auch einen hohen Verbrauch an Treibstoff bedeutet hatte. Dadurch hat sich das Leben auf dem Boot wesentlich verbessert. In 10 Tage Liegen am Ankerplatz waren bisher mehr als 100 l Diesel notwendig gewesen, was jetzt auf 20 l reduziert werden konnte.

Punkt 3 sagt, dass Bleibatterien egal welcher Kapazität immer eine Ladezeit von 10 Stunden brauchen bzw. 5 Stunden für eine bestimmte Kapazitätsnachfüllung. Dagegen sind Lithium Batterien schnellladefähig.

Punkt 4 besagt schließlich, dass 20% der aufgewendeten Ladeenergie eine Bleibatterie nur aufheizen. Sie sind nach einem Ladezyklus immer mollig warm. Bei Lithium Batterien kommt beim Entladen genau das wieder raus, was beim Laden reingesteckt wurde.

 

Überwachung

Ein Nachteil von Lithium Batterien ist ihre Empfindlichkeit. Man sollte sie also stets überwachen. Während eine AGM Batterie eine Tiefentladung ohne Probleme wegstecken kann, ist das bei Lithium Batterien nicht immer der Fall. Sie besitzen zwar ein BMS, das die Batteriezellen vor einer Tiefentladung abschaltet. Nach dieser Abschaltung, z. B. im Winterlager, kann sie sich aber trotzdem durch eine geringe Selbstentladung monatelang weiter entladen, was zu ihrer Zerstörung führt. Vor einer längeren Betriebspause sollte die Batterie halb aufgeladen und ein Pol sollte abgeklemmt werden. Die Selbstentladung ist äußerst gering und bei halber Füllung fühlen sich die Batterien auch am wohlsten.

Screenshot des SmartShunt von Victron Energy.

Überladen kann man LiPO Batterien nur, wenn das Ladegerät eine größere Spannung als 14,6 V liefern kann. Üblicherweise sind LiPO-Ladegeräte Stromquellen mit einer maximalen Spannung von 14,4 V. Das heißt, sie liefern ihren maximalen Strom solange, bis die Batteriespannung 14,4 V beträgt. Wenige Millivolt vor Erreichen dieser Spannung geht der Strom dann bis auf null zurück. Dieses Ladeverfahren wird als CCCV bezeichnet, was Constant Current Constant Voltage bedeutet.

Batteriemonitore eignen sich gut zur ständigen Überwachung. Inzwischen muss man kein Loch mehr in die Paneele schneiden, um ein Gerät einzusetzen. Victron Energy bietet zu diesem Zweck den Smart Shunt an. Dieser wurde auch in der Zephir installiert und bietet eine Überwachung mit dem Bord PC, dem Tablet oder dem Smartphone.

Angezeigt werden der aktuelle Ladezustand, Batteriespannung, Strom in oder aus der Batterie, Leistung, Verbrauch und die voraussichtliche Restlaufzeit. Man kann auf weitere Ansichten umschalten in denen die Zeitverläufe der Parameter betrachtet oder die Statistik angesehen werden kann. Auf dem Bild wird die Batterie gerade mit einem Srom von 11,96 A entladen, die Batteriespannung beträgt 13,19 V, die Batterie ist zu 75% geladen, was noch für 1 Tag und 12 Stunden reicht.

 

Fazit

Vor einer Umrüstung von Bleibatterien auf Lithium Batterien sollte gerechnet werden. Je nach täglichem Energiebedarf und bereits installierten Energiequellen (Solarzellen, Windgenerator, Hydrogenerator, Lichtmaschine) und dem verbauten Ladegerät muss man prüfen, ob Aufwand und Nutzen in einem vernünftigen Verhältnis stehen. Für Boote, die nur einen Generator und die Lichtmaschine des Hauptmotors als Energiequelle besitzen und die einen höheren täglichen Energiebedarf haben lohnt sich diese Umrüstung beinahe in jedem Fall. Mit entsprechenden Hochstrom-Ladegeräten kann die Batterie dann in sehr kurzer Zeit immer wieder voll aufgeladen werden.