Picokraftwerke         	   Generatoren          	    Batterien  	Ladegeräte           Wechselrichter

Wissenswertes zu Batterien

Batterien oder Akkumulatoren werden zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt. Eigentlich würde bei den Energiespeichern, welche mehrmals geladen werden können, von Akkumulatoren gesprochen. Trotzdem nennt Maurer Elektromaschinen die angebotenen wartungsfreien Speicher Batterien, da dieser Begriff geläufiger ist.

Grundlage jeder Batterie ist die elektrochemische Spannungsreihe. Werden zwei unterschiedliche Metalle in Elektrolyt getaucht, entsteht zwischen den Metallen eine Spannung. Als Elektrolyt wird je nach Anwendung eine Säure oder eine Lauge eingesetzt. Die Höhe der Spannung welche zwischen den Metallplatten entsteht, ist abhängig von der Materialart der Metalle. Es ist jedoch nicht zwingend, dass beide Platten aus reinem Metall sind. So ist z.B. bei der Bleibatterie die eine Seite aus Bleioxid.  Die beiden Materialien, zusammen mit dem Elektrolyt bilden die Zelle der Batterie. Bei der Bleibatterie liefert diese Zelle eine mittlere Arbeitsspannung von 2VDC. Diese Zellen können dann in Serie geschaltet werden, um die gewünschte Spannung zu erhalten.

Kenngrössen von Batterien

Im wesentlichen sind zwei Angaben wichtig, welche die Batterie charakterisieren:

Nennspannung in Volt

Je nach Materialpaarung und Anzahl in Serie geschalteten Zellen können unterschiedliche Arbeitsspannungen erreicht werden. Durchgesetzt haben sich für leistungsintensivere Anwendungen die Spannungen 6V (früher bei den Motorrädern), 12V, 24V und 36V (Bahnanwendungen).

Es können auch ganze Batterien in Serie geschaltet werden. So kann man mit zwei 12V-Batterien ein 24V-Netz aufbauen. Dabei muss aber darauf geachtet werden, dass die Batterien vom gleichen Hersteller, gleichen Typs und gleicher Kapazität sind. Weiter sollen die Batterien gleich alt sein und vor der Inbetriebnahme vollständig geladen werden.

Kapazität in Ampere-Stunden

Mit der Kapazität wird letztlich angegeben, wie viel elektrische Energie in der Batterie gespeichert werden. Die elektrische Energie wird gerechnet mit Strom mal Spannung mal Zeit. Da bei der Batterie die Spannung angenähert konstant ist, reicht die Angabe von Strom mal Zeit [Ah].

Diese Angabe wird bestimmt, indem die voll geladene Batterie mit einem konstanten Strom entladen wird. Dabei wird die Zeit gemessen, bis die entsprechende Entlade-Endspannung erreicht ist.

Die Kapazität der Batterie ist zu einem grossen Teil von der Oberfläche der Platten abhängig. Um die Kapazität zu erhöhen, ist es auch möglich, Batterien parallel zu schalten. Wie bei der Serieschaltung oben ist es eminent wichtig dass die beiden Batterien komplett identisch sind.

Verwirrlich ist, das manchmal bei der gleichen Batterie unterschiedliche Kapazitäten angegeben werden. Die Ursache liegt darin dass je nach Grösse vom Entladestrom mehr oder weniger Energie aus der Batterie entnommen werden kann. Je grösser der Entladestrom, desto weniger Energie kann entnommen werden. Deshalb sollten Sie bei der Kapazitätsangabe unbedingt auch darauf achten, welche Entladezeit dieser Kapazitätsangabe zu Grunde liegt.

Dies drückt sich im C-Wert aus. Meistens ist die Kapazität bei C20 angegeben, d.h. der Entladestrom wurde so gross gewählt, dass die Batterie nach 20 Stunden entladen wurde.

Für Solarbatterien findet die Kapazitätsangabe auch bei C100, d.h. der Strom wurde bedeutend kleiner gewählt.

Kapazitäten bei C10 werden oftmals für Traktionsbatterien angegeben. Bei industriellen Antriebsbatterien wird die Kapazität auch bei C5, also bei 5 Stunden Entladezeit angegeben.

Einige Hersteller geben die Kapazität auch bei den verschiedenen üblichen Entladezeiten an. So z.B. bei der VARTA Professional 140Ah . Hier werden die Kapazitäten bei C100, C20, C10 und C5 angegeben.

Eine mathematische Beschreibung dieses Efekts findet man in Manual vom Batteriemonitor unter http://www.maurelma.ch/Produkte/Laderegler/Batteriemonitor/Manual_BMV600.pdf

Natürlich gibt es noch eine weitere Anzahl Kenngrössen, welche für den Betrieb einer wieder ladbaren Batterie wichtig sind:

Ladeendspannung

Das Laden wird bei einer Bleibatterie beendet, wenn die Ladeendspannung erreicht ist. Zu diesem Zweck werden bei den Picokraftwerken im Inselbetrieb Laderegler eingesetzt. Wenn die Batterie voll geladen ist, verheizen die Laderegler die überschüssige Leistung in einem Lastwiderstand. 

Übrigens, bei einer Nickel-Kadmium-Batterie (Ni-Cd) oder einer Nickel-Metallhydrid-Batterie (Ni-MH) wird der Ladevorgang über den Strom oder die Batterietemperatur ermittelt.

Es gilt zu beachten, dass Nasszellen und wartungsfreie Gel-Batterien nicht die gleiche Ladeendspannung haben. Gel-Batterien sind in der Regel höher.

In der Regel gilt eine Ladeendspannung pro Zelle bei einer Nasszelle von 2.4V, für eine wartungsfreie Gel-Batterie 2.5V.  Diese Spannung hängt jedoch auch vom Ladestrom ab.

Wird die Batterie überladen, d.h. wird auch nach dem Erreichen der Ladeendspannung weiter geladen, bildet sich durch die Elektrolyse aus dem Wasser des Elektrolytes Wasserstoff. Bei der Nasszelle entweicht dieses. Deshalb muss man auch von Zeit zu Zeit destilliertes Wasser nachgeben.  Bei der wartungsfreien Batterie wird der Wasserstoff bis zu einem gewissen Grad im Gel gebunden und beim Entladevorgang wieder abgebaut. Weiter verfügt die Gel-Batterie über ein Überdruckventil, welches den Wasserstoff entweichen lässt wenn die Batterie zu stark überladen wird.

Entlade-Endspannung

Nickel- Kadmium Batterien wie auch Metallhydrid Batterien können vollständig entladen werden, ohne dass sie schaden nehmen. Es ist sogar gut für diese Batterien und es ist zu empfehlen, diese öfters ganz zu entladen.

Für die Bleibatterien, egal ob wartungsarme Gel oder Nassbatterien ist ein zu starkes Entladen Gift und verkürzt die Lebensdauer der Batterie entscheidend.

Die Bleibatterie sollte deshalb nie tiefer als die vom Hersteller angegebene Entlade-Endspannung betrieben werden.

Lebensdauer der Batterie

Bei Batterien handelt es sich grundsätzlich um verderbliche Ware. Wird eine Batterie über längere Zeit nicht nachgeladen, geht diese kaputt. Die Zeitdauer hängt von der Selbstentladung der Batterie ab.

Eine Batterie kann bei falschem Einsatz auch in wenigen Tagen zerstört werden, ohne dass von Außen  ein Schaden sichtbar ist. Deshalb geben viele Batterielieferanten auf Batterien nur eine Garantie von 6 Monaten.

Die Lebensdauerangabe hängt auch vom Einsatz der Batterie ab.

Für eine Stand-By Batterie ( in USV-Anlagen, Brandmeldeanlagen, Notlichtern usw.) ist die Anzahl Jahre wichtig, welche die Batterie bei dauernder Erhaltungsladung die Kapazität nicht verliert.

Bei einer Antriebsbatterie (Traktionsbatterie) hingegen ist vor allem die Anzahl Zyklen entscheidend. Hier stellt sich also eher die Frage, wie oft die Batterie geladen und Entladen werden kann.

Auch bei Solarbatterien ist eher die Zyklenfestigkeit als die Stand-By Zeit von entscheidender Bedeutung.

Bei der Angabe der Zyklenzahlen der Hersteller müssen unbedingt die Randbedingungen verglichen werden. Asiatische Hersteller geben oft die Zyklenzahl bei 100% Entladung (D.O.D) an. Die Europäischen Hersteller nur bei 80% Entladung. Wie man der nebenstehenden Grafik entnehmen kann, ist die Zyklenzahl bei 80% Entladung bedeutend grösser als bei 100%. Bitte beachten Sie, dass mit 100% nicht gemeint ist, dass die Batterie dann 0V hat sondern dass 100% der Nennkapazität entnommen wurde. Also z.B. die Batterie mit C20 20 Stunden entladen wurde.

Selbstverständlich sind die Angaben der Zyklen auch immer unter optimalen Bedingungen zu betrachten. Höhere Stromspitzen oder andere Temperaturen können die Zyklenzahl verringern.

Arten der wieder aufladbaren Batterien

Die Entwicklung hat verschiedene Typen von wieder aufladbaren Batterien hervor gebracht. Im Wesentlichen sind dies:

- Bleibatterien als Nass- wie auch als Trockenzellen

- Nickel-Kadmium (Ni-Cd) als Nass- wie auch als Trockenzellen

- Nickel-Metallhydrid als Trockenzelle

- Lithium-Ionen-Akku

Bleibatterie

Die offene Batterie ist noch immer vorherrschend. Sie besteht aus fast frei hängenden Platten, die gegeneinander isoliert sind, indem meist die negative Platte durch einen kleinen Behälter aus Polyäthylen abgetrennt ist. Dass diese Konstruktion überwiegt, beruht vor allem auf ihrem Preis. Auch wenn eine normale Autobatterie aus 130 Einzelteilen besteht, ist die Produktionstechnik verbessert worden und das Material kann recht einfach sein. Im Ergebnis erhält man eine Batterie, die billig ist und deren Leistung für viele ausreichend ist. Eine wartungsfreie MF-Batterie (Maintenance Free), MF, ist normalerweise eine offene Batterie, deren Konstruktion die Gasentwicklung hemmt und deren Batteriegehäuse so dicht ist, dass eventuelle Gase nicht entweichen können. Durch die große Säuremenge reicht die Flüssigkeit ohne Nachfüllen für die gesamte Lebensdauer aus. Die Entwicklung erfolgte in drei Schritten. Vor zwanzig Jahren überwogen so genannte Antimon-Batterien, bei denen sich der Grundstoff Antimon im Gitter befand, vor allem, um die Herstellung zu vereinfachen. Mit der Verbesserung der Produktion wurden so genannte Hybridbatterien eingeführt, bei denen das Antimon der negativen Platte durch eine Kalzium-Legierung ersetzt wurde. Die Gasentwicklung und damit der Wasserverbrauch wurden erheblich reduziert.

Der nächste Entwicklungsschritt fand in den letzten Jahren statt, das Ergebnis wird Kalzium/Kalzium-Technologie genannt. Hier wurde das Antimon in der negativen und der positiven Platte durch Kalzium-Legierungen ersetzt. Die Vorteile sind offensichtlich. Der Flüssigkeitsverlust der Batterie ist etwa 80% niedriger als in Antimon-Batterien und ihre Selbstentladungszeit ist kürzer, d. h. sie kann länger unbenutzt bleiben, ohne viel Ladung einzubüßen. Der Nachteil ist, dass sie nach einer Tiefentladung höhere Ansprüche an den Ladevorgang stellt. Die Gasentwicklung, die man möglichst vermeiden wollte, hatte nämlich auch einen positiven Effekt. Die Blasen bewegten die Säure, sodass sie beim Laden gut gemischt wurde. Ohne diese Blasen kann eine Säureschichtung mit Schichten unterschiedlicher Dichte – Säuregewichten - entstehen. Dieses Phänomen wird Stratifikation genannt und ist nicht ungewöhnlich. Bei einem Säuregewicht von 1,35 oder mehr am Grund und vielleicht 1,17 am oberen Ende, wenn ein gleichmäßiges Säuregewicht von 1,28 gewünscht wird, kann die Batterie durch Sulfatierung und erhöhte Netzkorrosion beschädigt werden, obwohl sie scheinbar vollständig geladen ist.

Eine ganz andere Art der Kontrolle von Flüssigkeitsverlusten ist unter der Sammelbezeichnung VRLA, Valve Regulated Lead Acid, bekannt, d. h. ventilregulierte Bleisäure. Diese Bleibatterien werden auch Trockenbatterien genannt. Hier wird das Batteriegehäuse zu einem kleinen Druckgefäß mit Sicherheitsventilen. Wenn Sauerstoff- und Wasserstoffgas eingekapselt werden, können sie miteinander reagieren und wieder Wasser bilden. Dies nennt man Rekombination und ist hervorragend dazu geeignet, Flüssigkeitsverluste fast vollständig zu verhindern. Die Einkapselung und Rückgewinnung ist zwar nicht vollständig, aber der Flüssigkeitsverlust wird um ein Vielfaches verringert.

VRLA existiert in zwei Hauptversionen, VRLA-GEL und VRLA-AGM (Vlies), die völlig unterschiedlich gebaut sind. In einer Gelbatterie sind der Säure einige Stoffe, meist Kieselverbindungen, zugesetzt, so dass sie geliert. Dadurch bleibt keine freie Säure über, die auslaufen kann. Das Sauerstoffgas „bohrt“ Kanäle in das Gelee von der positiven zur negativen Platte, wo es auf das Wasserstoffgas trifft und Wasser bildet. Sie haben eine gute Kapazität, aber wegen des etwas höheren Widerstands in der Säure können sie als Startbatterien an ihre Grenzen stoßen. Tiefentladungen verkraften sie sehr gut, d. h. ein Entladen der Batterie auf bis zu 20% des Ladezustands. Gelbatterien sind sehr robust und werden z. B. oft in Bodenpflegemaschinen und Golffahrzeugen eingesetzt. Wenn von Gelbatterien für Motorräder die Rede ist, handelt es sich meist um ein Missverständnis. Wahrscheinlich ist es eine AGM-Batterie.

AGM, Absorbed Glass Mat, (Vlies) hält die Säure dadurch an Ort und Stelle, dass das Trennpapier, das aus einer Glasfasermatte besteht, wie ein Schwamm wirkt. Die Kapillarkräfte im Separator verrichten die Arbeit. Die Batterien können mit sehr dünnen Separatoren gebaut werden, was den Innenwiderstand gering hält. Dadurch erzielt man aus einem kleinen Volumen eine hohe Leistung, was sie zur idealen Startbatterie macht. Der Nachteil der AGM-Batterie liegt in der Begrenzung der Säuremenge. Die gesamte Säure muss vom Trennpapier aufgesaugt werden, und wenn die kleine Säuremenge in Bleisulfat umgewandelt ist, ist der "Benzintank" leer. Um dieses Problem zu beheben, haben AGM-Batterien oft ein etwas höheres Säuregewicht. Daher kann eine AGM-Batterie bei etwas höherer Spannung aufgeladen werden, was oft sogar notwendig ist.

Die AGM (Vlies) Batterien haben den grossen Vorteil, dass sie in nahezu allen Lagen eingesetzt werden können, weil die Säure in der Glasmatte gebunden ist. Sie sollten nur nicht über Kopf geladen werden, da im Falle einer starken Überladung die Ventile nicht richtig funktionieren könnten.

Mehr und mehr wird die Gel-Batterie von der AGM-Batterie verdrängt. Bei Zyklen mit geringen Strömen macht es nach wie vor Sinn, Gel-Batterien einzusetzen.

Anwendung der Bleibatterie

Beim Einsatz der Bleibatterie wird grösstenteils zwischen Zyklenbetrieb und Floatbetrieb unterschieden. Natürlich gibt es auch Mischformen.

Zyklenbetrieb

Beim Zyklenbetrieb wird die Batterie nahezu ganz entlade und möglichst rasch wieder geladen. Typische Anwendungen sind: Elektrostappler, Golftrolleys, Elektro-Rollstühle, Elektro-byke, Elektro-Skooter, usw.

Auch für ein Ferienhaus oder eine Alphütte empfiehlt sich eher eine grosse zyklenfeste Batterie für das Kleinstkraftwerk, da z.B. beim Ferienhaus übers Wochenende eher entladen wird und unter der Woche geladen wird, sei es mit einem Windgenerator oder einer Wasserturbine.

Die Entladung wie auch die Ladung erfolgen in der Regel mit hohem Strom und die Batterien werden meistens zu nahezu 100% entladen. Da die Batterie mit hohem Strom geladen wird, ist die Ladeendspannung auch höher angesetzt. Bei zyklenfesten Batterien kann mit etwa 400 Zyklen gerechnet werden, d.h. die Batterien können in etwa 400 mal geladen und entladen werden, bis sie ausgetauscht werden müssen. Natürlich hängt die Zyklenzahl von der Anwendung ab, denn die Batterien verlieren schon viel früher an Kapazität. So kann es durchaus sein, dass der elektrische Golf-Caddy schon nach einem halben Jahr nicht mehr 18 Loch durchhält, wenn Sie täglich Golf spielen und die Batterie schon zu anfangs eher knapp ausgelegt war.

Floatbetrieb

Im Floatbetrieb hängt die Batterie die meiste Zeit am Ladegerät, welches eine so genannte Erhaltungsladung ausführen muss. Meistens geht es darum, die ausfallende Netzspannung zu überbrücken. Typische Anwendungen sind: Notbeleuchtung, Telekommunikationsanlagen, Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), usw. Da die Ladung der Batterie über eine Längere Zeit und mit kleinerem Strom vonstatten geht, wird meistens die Ladeendspannung tiefer angesetzt. Normalerweise halten die Batterien im Floatbetrieb erheblich länger als im Zyklenbetrieb. Fünf Jahre sollte eher das Minimum sein.  Zyklenfeste Bleibatterien können ohne Einschränkung auch für Floatanwendungen eingesetzt werden.

Hochstrombatterie   

Eine weitere Spezialanwendung sind Hochleistungsbatterien, welche auf einen sehr hohen Entladestrom optimiert sind. Solche Batterien werden z.B. in Autostarthilfen eingesetzt, wo über nur kurze Zeit ein sehr grosser Strom benötigt wird.

Autobatterie

Die meisten aller Bleibatterien werden im Auto als Starterbatterie eingesetzt. Wobei der Name Starterbatterie bei modernen Autos nicht mehr ausreicht, werden doch die Batterien nicht nur zum Starten verwendet, denn sonst würde eine Batterie mit geringerer Ladekapazität völlig ausreichen. Mittlerweile sind im Fahrzeug so viele Verbraucher an der Batterie angeschlossen, dass man eher von einer Batterie für das Bordnetz als von einer Starterbatterie sprechen kann. 

Trotzdem muss die Batterie für das Starten wie eine Hochstrombatterie ausgelegt sein, andererseits einen guten Floatbetrieb gewährleisten. Deshalb sind die meisten Autobatterien nicht zyklenfest und sollten auch nicht im Kleinstkraftwerk verwendet werden, da dort die Lebensdauer zu kurz wäre.

Weiter wird bei der Autobatterie der Selbstentladung wenig Rechnung getragen. Darum kann man Autobatterien nicht lange lagern, wenn die Säure bereits eingefüllt wurde. Auch deshalb macht der Einsatz im Kleinstkraftwerk wenig Sinn, weil die Selbstentladung auch immer ein Verlust darstellt. Bei den meisten Kleinstkraftwerken im Inselbetrieb muss mit der Energie sehr haushälterisch umgegangen werden.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen USV

Sei es im Spital oder bei der Informatik, der Ausfall der Stromversorgung kann verheerende Folgen habe. Überall, wo die Stromversorgung auf keinen Fall unterbrochen werden darf, werden sog. 'Unterbruchsfreie Stromversorgungen' abgekürzt USV, eingesetzt.  Mit der Netzspannung wird eine Batterie (meistens Bleibatterien) geladen. Ein Wechselrichter (oder auch Spannungswandler genannt) macht dann aus der Batteriespannung wider 230VAC.

Bei solchen Anlagen ist die Batterie das schwächste Glied in der Kette. Es ist deshalb wichtig, dass die Batterie von guter Qualität ist. Weiter empfiehlt es sich auch, die Batterie von Zeit zu Zeit zu wechseln.

Der Batteriehersteller CSB bietet einige qualitativ sehr hochwertige Batterien an, welche auch in die gängigen USV Anlagen der Informatik passen.

So z.B. die EVX 1272 mit 7,2 Ah spasst in die Anlagen von APC und Effekta, die EVX 12260 kann ideal in den USVs von APC, Data Shield, Datec, Elgar, usw.

Batterieanschluss

Etliche wartungsfreie Bleibatterien (AGM- oder Gelbatterien) können bei gleichen Abmassen mit unterschiedlichen Anschlüssen geliefert werden. Es lohnt sich deshalb, sich nicht nur auf das Bild zu verlassen sondern auch in der Beschreibung die Anschlussart zu kontrollieren.

Einen Überblick über die verschiedenen Anschlüsse findet man im Dokument 'Ritar Battery Terminal Illustration'

Temperaturverhalten

Da in der Bleibatterie chemische Prozesse ablaufen, hat die Temperatur einen Einfluss auf das Verhalten der Batterie. Es lohnt sich deshalb, den Einsatztemperaturbereich zu kontrollieren. Viele Bleibatterien können unter 0°C nicht mehr seriös geladen werden.

Intelligente Laderegler wie die PL-Serie oder der Outback MPPT-Laderegler bieten die Option eines Temperatursensors mit welchem die Ladeendspannung der Temperatur angepasst werden kann. Auch diverse Ladegeräte haben den Sensor bereits im Lieferumfang dabei oder er ist als Option erhältlich.

Wenn die Batterie in einem grossen Temperaturbereich geladen werden muss, sollte auf die Temperaturkompensation nicht verzichtet werden.

In der Regel wird pro Zelle 0.005V / °C kompensiert, ausgehend von 25°C. Bei einigen Ladereglern kann diese Kompensation angepasst und in den Enden limitiert werden.

Überwintern von Bleibatterien

Bleibatterien entladen sich mit der Zeit selber, auch wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Die Batterien sollten jedoch nie tief entladen werden, da sie dabei ihre Kapazität immer mehr verlieren. Deshalb können Bleibatterien auch nicht über längere Zeit gelagert werden, ohne dass diese defekt gehen. 

Nickel-Kadmium Zellen

Diese wieder aufladbare Batterie ist bekannt von den portablen Heimelektronik. Es kann mehr Energie pro Kilogramm gespeichert werden als bei der Bleibatterie. Es werden aber nur Batterien mit kleiner Kapazität (so bis 8Ah) angeboten. Diese Batterien werden mehr und mehr von den Nickel- Metallhydrid Batterien verdrängt. Im Gegensatz zur Bleibatterie darf die Nickel-Kadmiumzelle bedenkenlos bis zum Äussersten entladen werden.  Ja es ist sogar gut, wenn sie zwischendurch möglichst tief entladen wird. Schlimmer für diese Zellen ist, wenn wenn sie nur wenig entladen und dann wieder geladen werden. Dies bewirkt ein sog. Memory-Effekt. Es scheint dann, wie wenn sich der Akku merken würde, wie tief er normaler weise entladen wird. Er kann mit der Zeit nicht mehr tiefer entladen werden, als sein gewohnter Entladezyklus. Damit  schwindet seine Kapazität dahin.

Kadmium gilt als sehr giftig, giftiger als das Blei.

Nickel-Kadmium Nasszellen

Ähnlich wie bei den Bleibatterien gibt es auch die Nickel-Kadmium Batterie als offenes System. Dieses System kommt noch bei enorm grossen Anlagen oder bei einigen alten Eisenbahnanwendungen vor.

Nickel-Metallhydrid Akkumulatoren

Wie schon oben erwähnt, ersetzt diese Batterie mehr und mehr die Nickel-Kadmium Zellen. Die Energiedichte ist höher und der Memory-effekt soll kleiner sein als bei der Nickel-Kadmium. Obwohl auch die Ni-MH-Batterien mehr und mehr durch Li-Io-Batterien ersetzt werden, haben diese Batterien durchaus ihre Daseinsberechtigung. Der grosse Vorteil ist, dass die Nickel-Metallhydrid Batterien auch ungeladen gelagert werden können, ohne dass sie schaden nehmen. Bleibatterien oder Lithiumbatterien haben zwar meistens eine geringe Selbstentladung und können nach dem Laden über Monate gelagert werden. Hat sich die Bleibatterie oder Li-Io-Batterie aber mal ganz entladen, kann diese im Extremfall nicht mehr geladen werden.

Bei Kleingeräten wie Dynamo-Leuchten oder  Solar-LED-Mützen, welche unter Umständen lange nicht geladen werden, sollten Nickel-Metallhydrid Akkus eingesetzt werden.

Lithium-Ionen-Akku

Im Gegensatz zur Bleibatterie und der NiCd-Batterie, verhält sich das Lithiumsystem anders. Es weist neben einer deutlich höheren Energiedichte auch ein anderes chemisches Grundprinzip der Energiespeicherung auf. 

Bei Lithium-Ionen Systemen stellt Lithium als Element oder Ion bzw. Atom nur die aktive Spezies dar. In den Elektroden werden die Lithiumatome jeweils als Gastatome in einem Wirtgitter gespeichert. Die Wirtmaterialien können dabei verschiedene Stoffe sein.  Als positive Anode kommen z.B. LiMn2O4, LiCoO2 oder LiFePO4 in Frage. Bei der negativen Elektrode trifft man z.B. Lithium-Metall, Graphit oder auch Li-Si an.

Der Lithium-Ionen Akkumulator gilt als die Batterie der Zukunft. Er hat eine der höchsten Energiedichte  unter den wieder aufladbaren Batterien welche serienmässig hergestellt werden. Lange Zeit war sein grosses Manko, dass er nicht grosse Stromstärken liefern konnte. Dies hat sich aber mehr und mehr verbessert.  Dank der hohen Energiedichte eignet sich dieser Akku vor allem für mobile Geräte wie Notebooks, Mobil-Telefone und Elektrofahrräder. Im Gegensatz zu den Nickel-Metallhydrid- oder Nickel-Kadmium Akkus sollten die Lithium-Ionen Akkumulatoren im geladenen Zustand gelagert werden.

Die Entwicklung ist im vollen Gange. Deshalb gibt viele unterschiedliche Ansätze und Produkte im Bereich der Lithiumbatterie. Für die Elektroden wie auch für die Separatoren werden  unterschiedliche Materialien eingesetzt was auch zu unterschiedlichen Eigenschaften führt.

ACHTUNG: Litium-Ionen-Elemente haben eine hohe Energiedichte und Lithium reagiert sehr stark mit Feuchtigkeit. Unsachgemässes Laden und Entladen von Lithiumelementen kann je nach Batterietyp gefährlich sein. Überhöhte Wärmeentwicklung bis zu Brand kann die Folge sein.

Da die Gruppe der Li-Ion-Akkus so gross ist, bleibt die untenstehende Auflistung nur Stückwerk.

Lithium-Polymer Akku

 Als Separator wird eine Polymerschicht verwendet.

Mit dem neuen Zellenaufbau lassen sich bei gleichem Energie-Innhalt kleinere und leichtere Zellen bauen. Der Li-Po Akku ist wohl der Akkumulator mit der grössten Energiedichte, welcher zur Zeit serienmässig auf dem Markt erhältlich ist. Leider ist der Preis noch verhältnismässig hoch. Deshalb werden diese Batterien nur eingesetzt, wenn das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt.

Ein weitere Vorteil der Lithium-Polymer Akkus ist, dass sich nahezu kein Memorieffekt mehr bemerkbar macht.

Li-Po-Akkus haben eine hohe Zellennennspannung von  3,7V. Die Ladeendspannung ist bei 4.2V. Diese sollte auf keinen Fall überschritten werden. Ein Überschreiten könnte zur Zerstörung der Zelle führen. Unterhalb der Ladeendspannung darf die Zelle nur mit einem Strom von 1C (1x die Kapazität) geladen werden.

LiFePO4

Lithiumeisenphosphat zeichnet sich durch sehr hohe thermische Stabilität aus. Es besitzt eine entnehmbare Kapazität von bis zu 160 mAh/g bei einer theoretischen Kapazität von 168mAh/g, wobei die mittlere Spannung 3,2V pro Zelle beträgt. Die Batterien findet man auch unter dem Namen Lithium-Phosphat-Batterien.

Die auf dem Markt erhältlichen LiFeO4-Akkus haben bei gleicher Kapazität (und z.T. auch Abmassen) nur die Hälfte vom Gewicht. So hat z.B. die 40Ah Bleibatterie nahezu dieselben Abmasse wie die 40Ah LiFePO4 nur ist die Bleibatterie mit 15kg doppelt so schwer als die LiFePO4 mit 6kg.

Mittlerweile sind die LiFePO4 auch preislich in einem akzeptablen Rahmen.

Mit 3000 Ladezyklen (bei 80% Entladung) haben sie eine 8 bis 10 mal höhere Lebensdauer als herkömmliche Zyklenbatterien mit Blei. Somit ist auch der höhere Preis gerechtfertigt.

Vorteile
: keine thermische Unkontrollierbarkeit
: keine Sauerstoffentwicklung
: kein Lithiumüberschuss in der Kathode
: Überladen führt nicht zur Galvanisierung von Lithium
: niedrige Kathodenspannung – weniger elektrolytische Oxidation, längere Lebensdauer
: exzellente Schnellladefähigkeit
: gute Verträglichkeit beim Überladen

: hohe Zyklenzahl

Besonders wegen des exzellenten Sicherheits- und Alterungsverhalten kann das System in Zellen mit hoher Kapazität für Anwendungsbereiche in der Traktion eingesetzt werden.

Diese Batterie überzeugt nicht nur wegen der grossen Energiedichte sondern auch wegen der hohen Zyklenzahl. Die Erfahrungen sind zwar noch klein und die Aussagen der Experten noch unterschiedlich. Bei einer Bleibatterie spricht man von 400 Zyklen bei voller Entnahme. Bei Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien werden auch schon mal 3000 Zyklen genannt. 

LiFePO4-Batterien werden auch als 12V-Batterien angeboten. Die Ladeendspannung ist jedoch bei diesen Batterien bei 16V. Die klassischen intelligenten Ladegeräte für Bleibatterien eignen sich nicht für die Lithiumphosphatbatterien. Einfache Blei-Ladegeräte nach dem i-u Ladeverfahren (konstanter Strom bis die Ladeendspannung erreicht ist) können für die LiFePO4-Batterie eingesetzt werden, wobei diese Ladegeräte nur bis ca. 14,5V laden.  Da die Ladeendspannung bei 16V liegt, wird so Ladekapazität 'verschenkt'.

Diese Batterien dürfen nicht in Serie geschaltet werden.

Bis anhin waren Lithium-Ionen Batterien nur für kleine Kapazitäten erhältlich. Mittlerweile sind LiFePO4-Module auch bis zu 160Ah (bei 16V Ladeendspannung) erhältlich. Sollte dies nicht ausreichen oder eine andere Spannung notwendig sein, können auch grössere 3,2V-Zellen in Serie geschaltet werden. Mit 4 Zellen erhält man eine Batterie, welch sehr nahe an die 12V-Bleibatterie heran kommt.

Mit diesen LiFePO4-Zellen kann durch Serieschaltung auch eine andere Spannung erzeugt werden.

Klassische Grössen sind 24V mit 8 Zellen oder 48V mit 15 Zellen. Da bei der Serieschaltung der LiFePO4-Zellen höhere Spannungen entstehen als bei der Bleibatterie, kann bei 48V auf eine Zelle Verzichtet werden.

Im Gegensatz zu den Lithium-Polimer-Batterien gelten die LiFePO4-Batterien als unbedenklich, was das Brandrisiko anbetrifft.

Wir gehen davon aus, dass die Bleibatterien in sehr vielen Anwendungen durch die LiFePO4-Batterien ersetzt werden.

Nachteile der LiFePO4

LiFePO4 sind empfindlicher auf unsachgemässe Behandlung und Überbelastungen. Die Zellen können unterschiedliche Ladungszustände nicht selber ausgleichen wie die Bleibatterien.

Die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien sind nicht viel gefährlicher als Bleibatterien, können aber bei unsachgemässem Einsatz viel schneller Schaden nehmen. Überladen, Tiefentladen, Kurzschluss, usw. führt in der Regel zu einer Beschädigung der Batterie. Gas und Staub kann bei Überhitzung oder Überladung austreten. Diese Gase und Staube sind äusserst Giftig und können auch Krebs verursachen

Deshalb wird unbedingt empfohlen, ein Batteriemanagementsystem oder zumindest eine Schutzschaltung (Protecting Board) zu verwenden. Die Anschlüsse sind von Zeit zu Zeit auf gute Verbindung zu kontrollieren, damit nicht keine Überhitzung der Pole entstehen kann.

Weiter ist ein interner Kurzschluss der Zelle nie ganz auszuschliessen. LiFePO4-Batterien sollten deshalb nur bei guter Belüftung eingesetzt werden.

Die LiFePO4 Batterien finde man auch unter der Bezeichnung LiFeYPO4 zu finden, weil ein Hersteller auch das Seltenerdemetall Yttrium einsetzt.

LiFeMnPO4

Die Li-Ion-Batterie LiFeMnPO4 hat ähnliche Eigenschaften wie die LiFePO4. Die Nennspannung ist auch 3,2V.

Die Ladeendspannung wird mit 3,65V angegeben.

Der grosse Vorteil dieser Batterie ist die höhere Energiedichte. So hat beispielsweise die 100Ah LiFeMnPO4 eine Energiedichte von 114Wh/kg, die 100Ah LiFePO4 nur 91Wh/kg.

Als Nachteil kann jedoch die kürzere Lebensdauer angesehen werden. Werden bei LiFePO4 3000 Zyklen (80% Entladung) angegeben, so sind es bei der LiFeMnPO4 nur 1500 Zyklen.

Überall dort, wo das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, die Lebensdauer aber untergeordnet ist, kann diese Batterie eingesetzt werden,

z.B. in Elektroboote oder Elektrofahrzeugen, welche nur am Wochenende gebraucht werden.

Bei Elektrofahrzeugen im täglichen Gebraucht ist die LiFePO4 vorzuziehen.

LiMn2O4

Die Lithium-Mangan-Batterien sind eine Alternative zu den Bleibatterien, wenn das Gewicht eine Rolle spielt aber der Preis für die LiFePO4 zu hoch ist. Die Energiedichte ist mit den LiFePO4 vergleichbar. Weiter haben die LiMn2O4 mit 800 Ladezyklen (bei 80% Entladung) eine rund doppelte Lebensdauer im Zyklenbetrieb, als zyklenfeste Bleibatterien.

Die Nennspannung der Zellen wird mit 3.7V angegeben.

Preislich kann so etwa mit Faktor 3 zur Bleibatterie gerechnet werden.

Interessanter Weise stellen jedoch viele Hersteller von LiMN2O4 auf LiFePO4 um.

Verschalten von Batterien

In der Regel können Batterien in Serie aneinander geschaltet werden um eine höhere Spannung zu erhalten. Auch können Batterien parallel verschaltet werden, was zur einer Erhöhung der Ladekapazität führt.

Für beide Schaltungsarten ist zu empfehlen, dass Batterien gleichen Typs (Ladekapazität, Hersteller, Alter) verwendet werden.

Serieschaltung

Mit gewisser Vorsicht können die Batterien fast für jede beliebige hohen Spannung in Serie geschaltet werden. Dabei ist es aber unwahrscheinlich wichtig, dass die Batterien immer den gleichen Ladezustand haben. Es empfiehlt   sich deshalb, die Batterien vor dem Zusammenschalten mit einem herkömmlichen Ladegerät vollkommen zu laden. Selbst wenn auch nur 2 Bleibatterien für ein 24V-System in Serie geschaltet werden, ist darauf zu achten, dass die Batterien nicht unterschiedlich geladen sind. Wird dem nicht Beachtung geschenkt, so wird die schlechter geladene Batterie bei einer tiefen Entladung zerstört.

Parallelschaltung

Wie bereits oben erwähnt, sollten nur gleiche Batterien parallel geschaltet werden. Auf keinen Fall sollten Gel-Batterien mit herkömmlichen Blei-Batterien vermischt werden, da diese unterschiedliche Ladeendspannungen haben. Deshalb würde die herkömmliche Bleibatterie überladen oder die Gel-Batterie nicht richtig geladen.

Vergleichstypen

Auch wenn jeder Hersteller seine eigenen Abmasse der Batterien definiert hat, zeichnen sich Vereinheitlichungen ab. Besonders neue Hersteller versuchen günstigere Ersatztypen mit gleichen Eigenschaften der etablierte Akkus auf den Markt zu bringen, welche aber günstiger sind. Untenstehend eine Liste, welche dem Ausdruck gibt.

Obwohl die Liste nach bestem Wissen und Gewissen zusammengetragen wurde, kann für deren Richtigkeit keine Haftung übernommen werden.

Batterien im Picokraftwerk

Fast jedes Kleinstkraftwerk im Inselbetrieb (Alphütte, SAC-Hütte, Ferienhaus, usw.) hat als Energiespeicher eine Batterie. Aus Kosten- und Kapazitätsgründen werden vorwiegend Bleibatterien eingesetzt.

Die Batterien wahrscheinlich das das heikelste Element in der Kette und bedürfen besonderer Beachtung bei der Auswahl und bei der Pflege.

Auswahl

Auch wenn die Stromspeicher eine kostentreibende Angelegenheit sind, sollte bei der Kapazität nicht gespart werden. So aus  Faustformel: Die Kapazität der Batterie [Ah] sollte ca. 10x  dem Ladestrom [A] entsprechen.

Beispiel: Eine Turbine mit 120W an 12V liefert so einen Strom von 10A. -> Die Batterie sollte eine Kapazität von 100Ah haben.

Wird mit der Batterie ein Wechselrichter betrieben, sollte das bei der Auswahl vom Stromspeicher beachtet werden. Wechselrichter erzeugen z.T. nieder- bis hochfrequente Ströme welche die Batterie so sogar mechanisch belasten. Leider ist es oft schwer, heraus zu finden ob die ausgewählte Batterie auch für Wechselrichterbetrieb geeignet ist.

Betrieb der Batterie

Selbst wenn es sich um eine wartungsfreie Batterie handelt, darf die Batterie und insbesondere die Ladung nicht ausser Acht gelassen werden.

Über- oder dauerndes Unterladen der Batterie führt auf kurz oder lang zum Ausfall.

Bei der Überladung trennt sich das Wasser in Wasserstoff (Knallgas) und Sauerstoff auf. Beim wartungsfreien Akku wird dieser Vorgang intern bis zu einem gewissen Grad rückgängig gemacht. Die offene Batterie verliert so an Flüssigkeit. Deshalb muss von Zeit zu Zeit destilliertes Wasser  nachgefüllt werden.

Wird die Batterie selten genügend geladen bildet sich ein Sulfatbelag auf den Platten. Die Batterie verhungert. Schleichend entsteht ein Kapazitätsverlust.

Die Batterie kann unter Umständen durch ein langandauerndes Laden (z.B. 1 Woche) mit kleinem Strom und hoher Ladeendspannung gerettet werden.

In der Literatur wird auch empfohlen, die Säure mit destilliertem Wasser zu ersetzen oder sicher stark zu verdünnen, und die Batterie so nochmals zu laden. Nach dem Laden muss die Säure komplett ersetzt werden.

Da das spezifische Gewicht der Säure grösser ist als Wasser, hat die Batterieflüssigkeit die Tendenz sich über die Zeit zu schichten. D.h. die Säure sinkt nach unten und das destillierte Wasser bleibt oben. Nur Gel- und AGM-Batterien sind davor weniger gefährdet.  

Offene Batterie sollten deshalb von Zeit zu Zeit überladen werden. Die Gasblasen bewirken so eine Durchmischung vom Dielektrikum.

Bei mobilen Anwendungen (Autobatterie) ist dies weniger ein Thema.

Alternativen zur Energiespeicherung

Anstelle von Batterien sind auch andere Systeme möglich um 'elektrische' Energie zu speichern:

Suppercaps

Elektrische Ladung und damit Energie kann auch in Kondensatoren gespeichert werden. Diese Systeme mit sog. Dyna- oder Suppercaps sind noch relativ teuer und kommen mit der Energiedichte noch nicht an die herkömmlichen Akkumulatoren heran. Aus Kondensatoren kann die Energie unwahrscheinlich schnell abgegeben werden. Das bedeutet, es kann eine enorme Spitzenleistung bezogen werden. Auch wird davon ausgegangen, dass die Lebensdauer solcher Systeme einiges grösser ist als bei den herkömmlichen Akkumulatoren.

Beim Kondensator ist der Ladungszustand direkt proportional mit der Ladespannung. Deshalb wird bei den Suppercaps auch eine entsprechende Elektronik vorausgesetzt.

Schwungrad

Vor allem in der Fahrzeugtechnik des öffentlichen Verkehrs taucht dieser Speicher immer wieder als zukunftsträchtig auf. Es gibt tatsächlich auch Autobusse, bei welche Energie in Schwungräder gespeichert wird.

Übersichtsgrafik über die Speicherarten

Übersicht über die Zyklenfestigkeit von Speichermedien

Weiteres Wissen zur Windkraft kann auch den Büchern entnommen werden, welche wir im Shop für Sie zusammengestellt haben.

Mehr Infos auch bei den einzelnen Produkten im Shop

Reichhaltige Informationen zu Batterien finden Sie auch in der entsprechenden Literatur im Shop

Batterien finden Sie unter:

Weitere Informationen über das Laden von Batterien finden Sie auch unter: http://www.maurelma.ch/batterieladen.htm