Ausgangslage: Mit der Zeit wurde die Situation mit der 640 Ah AGM Batteriebank immer weniger erträglich. Am Ankerplatz musste der 10 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 Servicebatterien verbaut. Die Servicebatterie mit ihren 640 Ah 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. 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 eine 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 tröpfchenweise aufnehmen. Ohne alternative Energiequellen, wie Solarzellen oder Windgeneratoren kann deshalb die Absortions-Ladephase innerhalb einer vernünftigen Zeit kaum erreicht werden. Fazit: Ohne alternative Energiequellen, d. h., 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, oder Windgeneratoren zu installieren, besteht der einzige Weg, diesen Zustand abzuändern darin, die Bleibatterien gegen Lithium Batterien zu tauschen. Das habe ich mich 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.
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 darf 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 unbedingt 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.
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 als 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. Wenn der Generator läuft, dann werden auch jedesmal der auf 230V umgeschaltete Wassermacher und bedarfsweise die Waschmaschine in Betrieb genommen.
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:
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. Hohe Ladeströme und damit kurze Ladezeiten sind an Bord allerdings nur mit einem Generator und entsprechenden Ladegeräten zu realisieren.
Gemäß Punkt 1 der Tabelle 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 laden muss. Dabei bleibt ihre Spannung fast dauernd auf dem gleichen Wert zwischen 13 V und 14 V. Wer einen Tiefkühlschrank an Bord hat wird das zu schätzen wissen. Bei einer ständig zwischen 10 V und 13 V pendelnden Spannung einer Bleibatterie kann die eingestellte Temperatur von beispielsweise – 20 °C kaum gehalten werden. Ist man in warmen Gegenden unterwegs, dann taut das Gefriergut täglich kurz an.
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 480 Ah Batterie von null auf 100% in ungefähr 1 h von 10% auf 100% laden. Auf der Zephir genügtenanfangs tatsächlich ein tägliches Laden von einer Stunde. Das ist ein riesiger 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. Dagegen sind Lithium Batterien schnellladefähig.
Punkt 4 besagt schließlich, dass 20% der aufgewendeten Ladeenergie eine Bleibatterie nur aufheizen. Deshalb sind sie sind nach einer Generatorladung oder dem Laden mit der Hauptmaschine 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.
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. Beim 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 auch 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 über Bluetooth 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 unter gleichbleibenden Verhältnissen noch für 1 Tag und 12 Stunden reicht.
Batteriemonitore müssen von Zeit zu Zeit synchronisiert werden. Dazu muss die Batterie vollständig geladen (Ladestrom <8 A) und dieser Ladezustand als 100% eingespeichert werden. Das ist auch notwendig, damit der Balancer im BMS die Zellen neu ausrichten kann, was der Lebensdauer der Batterie zugute kommt. Unterbleibt eine Synchronisierung, dann passiert es bald, dass der Batteriemonitor noch 20% Ladezustand anzeigt, die Batterie aber bereits vollkommen entladen und das BMS (siehe unten) unmittelbar vor dem Abschalten steht. Gründe für derartige Fehlanzeigen sind keine Fehlmessungen, sondern Unlinearitäten durch die sehr unterschiedlichen Ströme bei der Ladung und Entladung. Daher ist es wohl sicherer, Die Batterie mit dem Generator und den Ladegeräten nicht immer bis zu einem bestimmten Ladezustand in % zu laden, sondern den Generator erst dann abzuschalten, wenn ein bestimmter Ladestrom unterschritten wird. Dabei steigt dann von Zeit zu Zeit der angezeigte Ladezustand, obwohl dieser bei dem gleichen Ladestrom immer derselbe ist.
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 relativ kurzer Zeit immer wieder voll aufgeladen werden.
Nachtrag
Nachdem nun einige Zeit vergangen ist, wird es Zeit für eine Rückschau. Was haben die Lithium Batterien tatsächlich gebracht? Zunächst war festzustellen, dass der bisherige tägliche Verbrauch von etwa 200 Ah beim Betrieb derselben Verbraucher um mindestens 10% angestiegen war. Ursache dafür ist die konstant hohe Spannung der Lithium Batterien zwischen 13 V und 14 V gegenüber den vorhergehenden Bleibatterien, die zwischen 11 V und 13 V lag. Trotzdem war die Ladezeit kaum länger als täglich eine Stunde, wenn die Batterien nur immer bis 70% geladen wurden. Damit war stets ein hoher Ladestrom von zu Beginn um 200 A möglich, der dann im Verlauf des Ladevorgangs mit ansteigender Spannung zurückging. Also Aufstehen, Generator an, eine Runde schwimmen, Morgentoilette, Generator aus und dann Frühstück. Die Batterie hatte dann genug “Saft” bis zum nächsten Morgen.
Bis dahin wurden Brotbackautomat und Weinkühlschrank nur bei anliegendem Landstrom in Betrieb genommen. Das änderte sich aber bald. Jetzt gibt es am Ankerplatz täglich frisch gebackenes Brot, und auch mal Rührkuchen aus dem Automaten und der Weinkühlschlank sorgt ständig für gut temperierten Rebensaft. Die Zurückhaltung bei der Temperatureinstellung der Kühleinrichtungen war auch bald verschwunden und gern werden dann auch mal Salingbeleuchtung oder Unterwasserbeleuchtung in Betrieb genommen. Auch der Fernseher ist am Ankerplatz eher öfter in Betrieb als vorher. Man muss ja nicht mehr so sparen. Der Preis dafür sind nun täglich bis zu 400 Ah und die Batterie muss bei jedem Ladevorgang auch auf 90% und mehr geladen werden, damit sie in der Nacht nicht leer wird. Die Ladedauer erhöhte sich dadurch nicht nur auf das Doppelte, sondern um mindestens 20 Minuten mehr, weil der Ladestrom mit steigender Füllung der Batterie immer mehr zurückgeht. Dem wurde dadurch abgeholfen, dass zweimal am Tag mit je einer Stunde geladen wird, aber jeweils nur bis etwa 60% Füllung. Das verringert die Generatorlaufzeit und spart Diesel. Ab und an muss jedoch eine Synchronisierung durch vollständige Ladung auf 100% erfolgen.
Die im Bild gezeigte Ladekurve gilt bei abgeschalteten Verbrauchern. In der Realität müssen aber bis zu 40 Ah mehr geladen werden, die allein während der Ladedauer von den eingeschalteten Verbrauchern, vor allem den Kühlschränken, bereits konsumiert werden. Bei einem mittleren Ladestrom von 170 A müsste man deshalb noch eine knappe Viertestunde Ladezeit dazurechnen. Trotz allem, das frühere Leben mit den Bleibatterien ist kaum noch vorstellbar.
Fazit: Der Mensch ist das einzige Lebewesen, das nach Erreichen seiner Ziele nicht zufrieden damit ist.
BMS
Lithium Batterien besitzen zu ihrem Schutz ein BMS, das die Batterie total abschaltet, wenn z. B. ihre Spannung einen kritischen Wert unterschreitet. Eines Morgens am Ankerplatz, gleich nach dem Aufstehen, machte es auf einmal KLACK und alle elektrischen Systeme waren aus. Der Generator wollte auch nicht mehr starten, denn auch der braucht dafür die Servicebatterie. Nichts ging mehr. Ich hätte nicht mal mehr den Anker heben und wegsegeln können. Weiter noch, kein Kühlschrank, keine elektrische Toilette und kein Licht.
Das Problem ist jedoch schnell behoben. Die Servicebatterie braucht nur einen kurzen Ladestromimpuls, damit sie wieder aufwacht und diesen Impuls muss die Starterbatterie der Hauptmaschine liefern. Danach muss unverzüglich der Generator gestartet und die Ladegeräte nacheinander in Betrieb genommen werden. Man kann jetzt auch die Hauptmaschine starten, um zunächst den Strom der Lichtmaschine in die leere Batterie zu bekommen. Für den kurzen Ladestromimpuls kann aber auch das Batterietrennrelais (Cyrix), das die Starterbatterie von der Servicebatterie trennt, vorsichtig kurzzeitig überbrückt werden. Das kann einen kleinen Stromblitz erzeugen gefolgt vom Anlaufen aller Verbraucher.
Danach muss sofort der Generator gestartet und die Batterie aufgeladen werden. Dies ist ein guter Zeitpunkt, dass die Batterie so weit geladen wird, bis sie praktisch keinen Strom mehr aufnimmt und nur noch der normale Strom für die eingeschalteten Verbraucher fließt. Der Batteriemonitor kann jetzt neu synchronisiert werden, indem er auf 100% gestellt wird.