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 [V]
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, 36V (Bahnanwendungen) und 48V (Telekommunikationsanlagen und kleinere Kommunalfahrzeuge).
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. Bei der Serieschaltung (z.B. 24V) von AGM-Batterien oder anderen geschlossenen Batterien, empfehlen wir den Einsatz eines Ladungsausgleichers. Dieser stellt sicher, dass alle Batterien gleich geladen werden.
Da Li-Ion Zellen eine andere Nennspannung haben als Bleizellen, ist auch die Nennspannung der Li-Ionen-Batterien meistens auch etwas höher als jene der Bleibatterien
Kapazität in Ampere-Stunden [Ah] oder Watt-Stunden [Wh]
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 mittels Kapazitätsmessgerät 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 Trojan T-125 Plus . Hier werden die Kapazitäten bei C100, C20, C10 und C5 angegeben.
Eine mathematische Beschreibung dieses Effekts welcher auch Peukert-Formel genannt wird findet man im Manual vom Batteriemonitor .
Bei Li-Ion Batterien, Energieboxen oder Solarstromspeichern wir die Kapazität oftmals auch in Wattstunden [Wh] oder sogar kilo Wattstunden [kWh]. Dies ist ja auch die richtige Einheit für Energiemenge. Die Lithium-Ionen Akkus haben meisten eine höhere Nennspannung, da sieht es mit Wattstunden besser aus. Bei den Energieboxen und Heimspeichern ist die Nennspannung der Batterie oftmals gar nicht bekannt oder spielt eine untergeordnete Rolle.
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 und der Ladestrom einen gewissen Wert unterschritten hat. Zu diesem Zweck werden bei den autarken Anlagen Laderegler eingesetzt. Wenn die Batterie voll geladen ist, wird z.B. beim Solarladeregler der Ladestrom reduziert. Beim Parallel-Laderegler oder Lastregler für eine Wind-oder Wasserturbine wird die überschüssige Leistung in einem Lastwiderstand verheizt.
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 AGM-Batterien nicht die gleiche Ladeendspannung haben. AGM-Batterien sind in der Regel höher. Bei der 12V-Nassbatterie und, der 12V Gelbatterie und auch der Kalziumbatterie liegt die Ladeendspannung normalerweise 14,4V. Bei AGM-Batterien geht man von 14,7V aus.
Bei den Lithium-Ionen Batterien hängt die Ladeendspannung vom integrierten Batteriemanagement (BMS) ab. Da sollten unbedingt die Herstellerangaben beachtet werden.
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, auch Knallgas genannt. 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.
!ACHTUNG! Wasserstoff ist leicht entzündbar. Deshalb dürfen Nassbatterien nur bei guter Belüftung eingesetzt werden.
Li-Ion-Batterien sollten auf keinen Fall überladen werden. Bei den meisten Batterien wird das durch das interne BMS verhindert. Deshalb sollten nur Lithium-Batterien eingesetzt werden, welche ein sicheres Abschalten bei Zellüberspannung ermöglichen.
!ACHTUNG! Überladen einer Lithium-Batterie kann zu Bränden und Austritt giftiger Gase führen.
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, AGM-Batterie 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. Auch sollten die Batterien immer wieder vollständig geladen werden.
Lithium-Ionen Batterien können zwar ohne Lebensdauer-Einbusse ganz entladen werden. Wichtig ist jedoch, dass die Li-Ion-Batterie unmittelbar darauf wieder geladen wird. Lagert man die Lithiumbatterie nach der totalen Entladung über mehrere Wochen, führt die Selbstentladung zur Beschädigung der Batterie.
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.
Meistens ist die Anzahl Jahre im Datenblatt vermerkt. Aber Vorsicht: Die Angabe zur Lebensdauer der Batterie bezieht sich auf eine Batterietemperatur von 20°C. Eine höhere Temperatur bewirkt eine Verkürzung der Lebensdauer. Die Erhöhung von 10° auf 30°C kann die Lebenserwartung halbieren.
Durch die Reduktion der Erhaltungsladung kann dem etwas entgegen gewirkt werden.
Bei einer Antriebsbatterie (Traktionsbatterie) oder anderen Zyklenbatterie 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.
Vorzeitige Ausfälle bei Batterien
Auch wenn viele Batterien als ‚wartungsfrei‘ verkauft werden benötigen sie etwas Pflege. Auch unsachgemässer Einsatz kann die Lebensdauer der Batterie massiv verkürzen. Untenstehend ein paar auftretende Frühausfälle:
Batterie verhungert
Die wohl häufigste Todesursache einer einer Batterie ist das Verhungern.
Wenn die Batterie über eine lange Zeit gelagert wird oder durch einen kleinen Strom zu tief entladen wird bildet sich bei Bleibatterien eine Sulfatschicht auf der Batterieplatte.
Dies kann auch vorkommen, wenn die Batterie über längere Zeit nie vollständig geladen wird.
Der Fehler offenbart sich meistens im Frühling, wenn die Batterie im Wohnmobil oder Elektroscooter wieder gebraucht werden soll, jedoch keine Kapazität mehr aufweisen. Bei Anwendungen, wo man davon ausgehen muss, dass die Batterie öfters einen tieferen Ladezustand hat, kann ein MEGAPULSE das Problem etwas entschärfen.
Die Li-Ion-Batterien hat das Problem der Sulfatschicht nicht. Es macht ihr auch nichts, lange aufgeladen zu werden. Ganz im Gegenteil. Ideal ist z.B. wenn die Lithiumbatterie bei einem Ladezustand von 80% gelagert wird.
Tiefentladung
Eine Batterie hat es nicht gern, wenn sie komplett entladen wird. Je tiefer und je öfters eine solche Entladung vorkommt, desto kürzer ist die Lebensdauer.
Deshalb empfehlen wir bei allen Batterieanwendungen einen Tiefentladeschutz. Aber Vorsicht. Auch wenn diese Geräte die Verbraucher bei der entsprechenden Spannung ausschalten, haben auch die Geräte einen kleinen Eigenverbrauch und können die Batterie noch weiter entladen.
Deshalb ist es sehr wichtig, dass die Batterie sofort wieder geladen wird. Sonst verhungert der Akku.
Die untere Abschaltspannung ist von der Batterie und vom Entladestrom abhängig. Je grösser der Entladestrom, desto tiefer darf die Abschaltspannung sein.
Wenn nichts weiteres bekannt ist und keine grossen Entladeströme auftreten, empfehlen wir eine untere Abschaltspannung von 11V bis 11,5V bei einer 12V-Bleibatterie. Die meisten Li-Ion Batterien haben bereits einen Tiefentladeschutz integriert. Auch bei der Li-Ion Batterie ist es wichtig, dass die Batterie nach dem Ansprechen vom Tiefentladeschutz zeitnah wieder geladen wird. Sonst könnte auch diese Batterie Schaden nehmen.
Überladung der Batterie
Mit modernen Ladegeräten und richtiger Einstellung des Gerätes kommt ein Überladen der Batterie fast nicht mehr vor. Passieren kann es, wenn eine verschlossene Batterie (AGM- oder GEL-Batterie) mit einem Ladegerät geladen wird, welches für offene Säure-Batterien mit hoher Ladespannung parametriert ist. Ein Überladen kann auch beim Serieschalten vorkommen, wenn die Ladezustände stark unterschiedlich sind. Bei der Serieschaltung von geschlossenen Batterien empfehlen wir auf jeden Fall den Einsatz eines Ladungsausgleichers, welcher diese Gefahr stark reduzieren kann.
Zellen-Kurzschluss
Obwohl man vom Zellenkurzschluss immer wieder hört und Kunden bei einer defekten Batterie dies oftmals vermuten, haben wir diesen Fehler noch fast nie gesehen.
Am Boden der Zelle lagert sich elektrisch leitendes Material ab, bis es beide Platten berührt uns so einen Kurzschluss dieser Zelle verursacht.
Die Batterie lässt sich fast nicht mehr bis zur Ladeendspannung laden und die nicht kurzgeschlossenen Zellen habe eine starke Gasbildung.
Sobald die Ladung abgehängt, und die Batterie leicht belastet wird fällt die Batteriespannung auf 11V oder darunter.
Spannungsabgriff bei der Serienschaltung
Wenn man ein 24V-Batteriesystem hat, wäre es manchmal praktisch, wenn man auch einen 12V-Verbraucher anschliessen könnte. Z.B. einen 12V-Beleuchtungskörper oder sonst ein Verbraucher, welcher im Autozubehör günstig erhältlich ist. Da ist die Versuchung gross, diesen Verbraucher einfach mit einer der 12V-Batterien zu speisen.
Dies geht leider nicht lange gut. Die Batterie ohne 12V-Verbraucher wird überladen und verliert schnell an Flüssigkeit. Die Batterie mit dem Verbraucher wird nie richtig geladen und verhungert. Wenn bei einem 24V-Batteriesystem auch 12V-Verbraucher angeschlossen werden müssen, empfehlen wir den Einsatz eines DC/DC-Converters.
In Serie geschaltete Batterien mit verschiedenen Ladezuständen
Wenn man Batterien in Serie schaltet, sollte man darauf achten, dass alle Batterien denselben Ladezustand haben. Ansonsten wird beim Laden die eine Batterie überladen, die andere zu wenig geladen.
Auch beim Entladen wird die mit dem tieferen Ladezustand zu tief entladen.
Bei offenen Blei-Säurebatterien war das noch nicht so gravierend, weil sich dies nach ein paar Ausgleichsladungen ausgeglichen hatte und man halt bei der einen Batterie etwas mehr destilliertes Wasser nachfüllen musste. Bei GEL oder AGM-Batterien geht das nicht mehr.
Wir empfehlen deshalb, die Batterien vor der Serienschaltung einzeln auf den selben Ladezustand zu laden. Da bei einige Batterien die Kapazität mit den ersten Ladezyklen noch zunimmt, ist es sogar empfehlenswert, die Batterien einige male zu zyklieren (Laden und wieder entladen), bevor diese zusammen geschaltet werden.
Weiter empfehlen wir bei der Serieschaltung von GEL oder AGM-Batterien die Verwendung von Ladungsausgleichern.
Hohe Betriebstemperatur
Eine Temperaturerhöhung um 10°C verdoppelt die interne, auf die Bleiplatten wirkende Korrosion. Deshalb kann sich die Lebenserwartung einer Batterie z.B. bei 30°C halbieren (EUROBAT-Norm liegt bei 20°C, Asiatische Hersteller nennen meisten 25°C als Normtemperatur) Blei-Batterien sollten deshalb wenn möglich in einem Temperaturbereich zwischen 20 und 25°C eingesetzt werden.
Bei höheren Temperaturen empfehlen wir, die Spannung der Erhaltungsladung zu reduzieren.
Weiter setzt eine höhere Temperatur die Ladeendspannung herunter, d.h. die Gasung setzt schon eher ein und die Rekombination des Gases erzeugt weiter Wärme. Dies kann soweit führen dass sich die Batterie vor Hitze stark verformt.
Bei Batterien welche Temperaturschwankungen unterliegen oder oberhalb von 25°C eingesetzt werden, wie z.B. in Wohnmobilen oder Elektro Scootern, sollte temperaturkompensiert geladen werden.
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 wie AGM oder GEL
- Lithium-Ionen-Akku mit unterschiedlicher Chemie wie LiFePO4, NMC, LiFeMnPO4, LTO, usw.
- Salzwasserbatterien (werden jedoch zur Zeit wegen Konkurs des Herstellers nicht mehr hergestellt)
- Salzschmelze-Batterien
- Nickel-Metallhydrid (Ni-Mh)
- Nickel-Kadmium (Ni-Cd). Da jedoch Kadmium sehr giftig ist, kommen diese Batterien nur noch in äusserst seltenen Fällen zum Einsatz.
- Nickel-Zink
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 Kapazität führt.
Für beide Schaltungsarten ist zu empfehlen, dass Batterien gleichen Typs (Kapazität, 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.
Damit die volle Kapazität ausgenutzt werden kann und die Lebensdauer der Batterie erhöht wird empfehlen wir den Einsatz von Ladungsausgleicher (Equalizer). Diese sorgen dafür, dass die Batteriespannungen bei Volladung ei beiden Batterien immer gleich gross sind. Bei der Serieschaltung addieren sich die Spannungen. Die Kapazität bleibt gleich.
ACHTUNG! Bei einer Serieschaltung von Li-Ion-Batterien ist Vorsicht geboten. Eine Serieschaltung muss ausdrücklich vom Hersteller erlaubt sein.
Moderne Li-Ion Batterien haben das Abschaltelement welches z.B. bei einer Zellenüberspannung abschaltet, direkt integriert. Dieses Abschaltelement muss auf die Spannung ausgelegt sein, welche bei der Serieschaltung entsteht.
Parallelschaltung
Wie bereits oben erwähnt, sollten nur gleiche Batterien parallel geschaltet werden. Auf keinen Fall sollten AGM-Batterien mit herkömmlichen Blei-Batterien vermischt werden, da diese unterschiedliche Ladeendspannungen haben. Deshalb würde die herkömmliche Bleibatterie überladen oder die AGM-Batterie nicht richtig geladen. Es sollten nur identische Batterien parallel geschaltet werden, bei welchen der Altersunterschied nur wenige Monate beträgt. Von einem späteren ‚Nachrüsten‘ ist abzuraten.
Bei Bleibatterien sollte nach Möglichkeit auf eine Parallelschaltung verzichtet werden. Es ist besser, eine Batterie mit hoher Kapazität einzusetzen, als mehrere kleine parallel zu schalten.
Aus Gewichtsgründen können auch 6V oder 2V Elemente mit grösserer Kapazität in Serie geschaltet werden.
Wenn mit Li-Ion-Zellen eine Batterie mit grosser Kapazität erstellt werden soll, ist es unproblematisch, wenn gleich die einzelnen Zellen parallel geschaltet werden. Das Batteriemanagementsystem erkennt dann diesen Parallelblock als eine Zelle.
Batterien in autarken Off-Grid Anlagen
Fast jedes Kleinstkraftwerk im Inselbetrieb (Alphütte, SAC-Hütte, Ferienhaus ohne Stromanschluss, usw.) hat als Energiespeicher eine Batterie. Aus Kosten- und Kapazitätsgründen werden vorwiegend Bleibatterien, selten auch Lithiumbatterien, eingesetzt.
Die Batterien, wahrscheinlich das das heikelste Element in der Kette, bedürfen besonderer Beachtung bei der Auswahl und bei der Pflege.
Auswahl der Kapazität
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.
Dies ist jedoch nur ein Aspekt. Noch wichtiger bezüglich Kapazität ist die Autonomie: Wie lange soll die Batterie halten, bis diese leer ist, ohne nachzuladen (z.B. weil wegen schlechtem Wetter die Solaranlage nichts liefert). Dazu ist es empfehlenswert, eine Energiebilanz zu erstellen.
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.
Bezüglich Kapazität empfehlen Wechselrichterhersteller den 5fachen Nennstrom einzusetzen. Z.B. bei einem Wechselrichter von 1000W bei 12V ergibt dies einen Nennstrom von 83A (1000/12). Der 5fache Wert wäre dann 416Ah. Da die meisten AGM-Batterien einen geringeren Innenwiderstand haben und so höhere Ströme liefern können, empfehlen wir diese beim Einsatz von Wechselrichtern.
Wenn mit vielen Zyklen zu rechnen ist und auf Langlebigkeit geachtet wird, empfehlen wir, OPzS Panzerplattenbatterien (Röhrchenplatten) zu verwenden.
Blei oder Li-Ion
Wenn nicht täglich mit einem Zyklus gerechnet werden muss und auch keine sehr hohen Entladeströme verlangt werden, ist im stationären Bereich die Bleibatterie gegenüber der Li-Ion-Batterie immer noch die ökonomischere Wahl.
Betrieb der Blei-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. Meistens ist es jedoch wirtschaftlicher, eine neue Batterie zu beschaffen, da man ja auch nicht sicher ist, ob die Massnahmen zum Erfolg führen.
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.
Batterien in Solaranlagen (Inselanlagen)
OPzS-BatterienDie Solarbatterie, auch Solarakku genannt, ist eine Zyklenbatterie, welche meistens noch in Blei ausgeführt ist. Sie wird in Inselanlagen eingesetzt und von Solarmodulen über Solarladeregler geladen. Die Batterie wird stationär betrieben. Es können Nasszellen oder ‚Trockenbatterien‘ verwendet werden. Beim Einsatz von Nasszellen ist darauf zu achten, dass das Elektrolyt von Zeit zu Zeit wieder mal durch Gasen durchmischt wird. Bei ‚Trockenbatterien‘ (AGM, GEL) darf dies nicht geschehen.
Gerade bei Wochenendbetrieb sollte die Kapazität der Batterie gross gewählt werden, damit die gesamte Sonnenenergie, welche über die Woche anfällt, auch genutzt werden kann. Die Batterie darf aber auch nicht zu gross gewählt werden, damit sie auch wirklich gefüllt wird, denn wenn eine Bleibatterie nicht von Zeit zu Zeit voll geladen wird, bilden sich schädliche Sulfatschichten. Wird ein Wechselrichter an der Batterie angeschlossen, sollte die Kapazität der Batterie in etwa dem fünffachem Nennstrom der Batterie entsprechen. 12V-Bleibatterien sind bis zu einer Kapazität von ca. 260Ah erhältlich. Bei grösseren Kapazitäten werden 2V-Elemente eingesetzt.
Bei Solarinselanlagen sollte unbedingt ein Gerät vorhanden sein, welches verlässliche Informationen über den Ladezustand der Batterie anzeigt.
Wenn dies nicht schon der Solarladeregler macht, weil grössere Verbraucher nicht über diesen Regler geschaltet werden können, empfehlen wir, einen separaten Batteriemonitor einzusetzen.
Solaranlagen, welche professionell betrieben werden, oder bei welchen das Austauschen der Batterien mit erheblichen zusätzlichen Kosten verbunden ist (z.B. mit Helikopterflug) sollten Batterien mit Panzerplatten (Röhrchenplatten, OPzS oder OPzV) verwendet werden.
LifelineBatterieWenn die Batterie auch von Zeit zu Zeit mit einem Notstrom- oder Dieselgenerator über ein Ladegerät aufgeladen werden soll, wie dies bei Alphütten öfter der Fall ist, sollten Batterien verwendet werden welche einen hohen Ladestrom erlauben. So kann entweder die Ladezeit reduziert werden oder innerhalb Generatorzeit möglichst viel Energie in die Batterie gebracht werden.
Wenn z.B. ein Generator betrieben wird um zu Melken, ist eine hohe Stromaufnahme von Vorteil. Die Lifeline Batterien welche in der AGM-Technologie erhältlich sind haben eine sehr geringen Innenwiderstand und können deshalb auch mit relativ grossem Strom geladen werden.
Soll zusätzlich zum Notstromgenerator auch ein Wechselrichter eingesetzt werden, ist allenfalls ein Kombi-Gerät mit 230VAC-Eingang, Ladegerät und Wechselrichter hilfreich.
Anhaltspunkte und Vorschläge, wie ein Batteriesystem in einer Solaren Inselanlage aussehen kann, finden Sie auch in der Broschüre von Victron Energy unter:
Solarbroschüre
Batterien in Unterbrechungsfreien 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.
Bei Batterien einer USV-Analgen ist oftmals die Leistungsfähigkeit über eine gewisse Zeit wichtig. Z.B. wenn es in der IT darum geht, noch die Daten zu Sichern oder einen Server geordnet herunter zu fahren. Deshalb wird bei diesen Batterien oft die Leistung über 15min anstelle der Kapazität angegeben.
Der Batteriehersteller CSB bietet einige qualitativ sehr hochwertige Batterien an, welche auch in die gängigen USV Anlagen der Informatik passen.
So z.B. die HRL1234 mit 7,2 Ah passt in die Anlagen von APC und Effekta, die 12EP26 kann ideal in den USVs von APC, Data Shield, Datec, Elgar, usw.
Bei diesen Batterien ist die Leistung pro Zelle (6 Zellen für 12V) angegeben, welche 15min bezogen werden kann.
FT_BatterieAuch ist die zu erwartende Lebensdauer in Jahren im Floatbetrieb wichtiger als die Anzahl Zyklen. Die Angaben liegen zwischen 5 und 20 Jahren bei klassischen AGM-Batterien für USV-Anlagen
Die Lebenserwartung der Batterie ist jedoch stark von der Einsatztemperatur abhängig. So verkürzt sich die Lebensdauer der Batterie auf die Hälfte, wenn die Einsatztemperatur 10°C höher ist als die Nenntemperatur (20°C oder 25°C).
Front Terminal Batterien USV-Batterien (FT-Batterien)
Grössere USV-Anlagen sind oftmals in 19″ oder 21″-Schränken untergebracht, welche an einer Wand anstehen. Um nun für Wartungs- oder Kontrollzwecke die Batteriepole leicht zu erreichen, wurden speziell für diese Zwecke AGM-Batterien entwickelt, welche beide Batteriepole auf der schmalen Seite haben. So sind alle Betterieanschlüsse türseitig zugänglich.
Li-Ion-Batterien in USV-Anlagen
Wegen dem hohen Anschaffungspreis werden Li-Ion-Batterien nur äusserst selten in USV-Anlagen eingesetzt.
Batterien in Wohnmobilen und Campern
Lifeline80AhIn Wohnmobilen wird meistens ein duales Batteriesystem eingesetzt. Das Grundfahrzeug (Chassis) wird von der Standard Starterbatterie gespiesen (Fahrtlicht, Starter, usw.). Der Aufbau (Innenlicht, Wasserpumpe, Fernseher, usw.) wird ab einer separaten Batterie, oftmals Gel-Batterie oder AGM-Batterien versorgt. Sind die Lade- und Entladeströme gering (licht, Radio, USB, usw.) empfehlen wir eher eine Gelbatterie, weil da die Zyklenzahlen eher höher sind. Werden jedoch von der Batterie höhere Ströme verlangt, z.B. mit einem leistungsstarken Wechselrichter, ist die AGM-Batterie die bessere Wahl, weil da der Innenwiederstand tendenziell tiefer und somit die Stromfestigkeit höher ist.
Meistens ist von Neu her bereits ein System installiert, welches die Ladung der Batterien über die Lichtmaschine (Alternator) beim Fahren oder über Ladegeräte auf dem Standplatz regelt.
Für das Laden der zweiten Batterie (Aufbau- oder auch Versorgerbatterie genannt) gibt es vom Prinzip her drei unterschiedliche Varianten:
Es wird ein Trennrelais zwischen Starterbatterie und Versorgerbatterie geschaltet, welches die Versorgerbatterie nur mit der Starterbatterie verbindet, wenn die Starterbatterie geladen wird.
Gleich nach der Lichtmaschine wird ein Batteriesplitter (vom Prinzip her zwei Dioden) installiert, welcher den Ladestrom auf beide Batterien verteilt.
Ein Ladewandler wirkt wie ein Ladegerät, welches die Versorgerbatterie ab der Starterbatterie optimal lädt. Dies jedoch nur, solange die Starterbatterie geladen wird. Mit einem Ladewandler ist es möglich auf dem Aufbau eine andere Batteriespannung (z.B. 24V) zu wählen.
Oftmals sollte die Aufbaubatterie beim Fahren durch die Lichtmaschine innerhalb kurzer Zeit geladen werden. Im Wohnmobil werden auch leistungsstarke Wechselrichter eingesetzt, welchen einen hohen Strom aus der Batterie ziehen. Deshalb ist es wichtig, eine Batterie einzusetzen, welche einen sehr geringen Innenwiderstand hat.
Weitere Informationen zum Laden der Versorgerbatterie finden Sie auch unter https://www.hoeisi.ch/batterieladen.htm beim Kapitel ‚Laden von mehreren Batterien‘.
Da Wohnmobile meistens mit Achslasten und Übergewicht zu kämpfen haben, stellt sich auch immer wieder die Frage, ob nicht auch Li-Ion-Batterien im Wohnmobil eingesetzt werden können. Diese Batterien wären rund halb so schwer wie eine herkömmliche Bleibatterie und erst noch zyklen- und stromfester.
Dies ist selbstverständlich möglich und es gibt auch einbaufertige 12V-Batteriemodule auf Li-Ion-Basis.
Es gibt jedoch ein paar Punkte, welche unbedingt beachtet werden sollten:
Wenn einzelne Zellen verbaut werden sollen, empfehlen wir stärkstens, nur Li-Ion-Batterien zusammen mit einem Batteriemanagement (BMS) einzusetzen, welches Über- und Unterspannung der einzelnen Zellen überwacht und im Notfall den Batteriestrom unterbrechen kann. Das BMS soll auch in der Lage sein, die Ladung der einzelnen Zellen auszugleichen. Mittlerweile sind viele gute fixfertige Li-Ion-Batterien erhälltlich, welche alles schon enthalten haben. Da lohnt sich der ‚Eigenbau‘ nciht mehr.
Die bereits installierten Geräte wie Ladegerät, Solarladeregler, Wechselrichter, usw. sollten auf die Li-Ion-Tauglichkeit überprüft werden. Wichtig ist, dass die Ladeendspannung zu Batterie passt. Auch sollten die Geräte möglichst mit einer einfachen I-U-U0 Kennlinie arbeiten. D.h. einen Konstantstrom liefern bis zur Ladeendspannung und dann auf eine tiefere Spannung absenken. Die maximale Ladespannung sollte in den meisten Fällen 14,4V (12V-Batterie) nicht übersteigen.
Für die Ladung ab Alternator sollten keine Batterietrennrelais eingesetzt werden, da diese die Starter- und Verbraucherbatterie direkt miteinander verbinden. Blei-Starterbatterien und Li-Ion-Verbraucherbatterie haben eine leicht unterschiedliche Betriebsspannung. Da die Ruhespannung der Li-Ion mit nominal 12,8V höher ist als bei der Bleibatterie, schaltet das Relais meistens erst zu spät wieder aus. Auch gibt es Stimmen im Internet, welche davor warnen, dass der Alternator überhitzen kann. Eher zu empfehlen sind Batteriesplitter, welche den Strom der Lichtmaschine auf beide Batterien verteilen, oder noch besser sind Ladewandler, welche die Verbraucherbatterie ab Starterbatterie optimal laden.
Erdung und Masseverbindung
In der Kraftfahrzeugtechnik (PKW/LKW) ist es üblich, dass das Minus der Starter-Batterie direkt am Rahmen (Chassis) angeschlossen ist. Zu allen Verbrauchern wie Starter, Radio, Lüftung, usw. wird nur das Batterie-Plus geführt. Das Minus wird am Chassis abgegriffen. So kann zwar etliches an Verdrahtung eingespart werden, doch hat das Chassis oft einen grösseren Widerstand und wird an vielen Stellen durch Kunststoff ersetzt.
Für die Verdrahtung der Verbraucherbatterie empfehlen wir, auch das Batterie-Minus zu verdrahten.
Wird ein System mit Batterie-Minus über Chassis verwendet, müssen auch alle Schaltfunktionen in der Plusleitung ausgeführt werden. Besonderes beim Solarladeregler ist deshalb zu achten, dass es ein Typ ist, welcher auf Minus-Seite geerdet werden kann. Klassische Solarladeregler sind auf der Plus-Seite geerdet, weil es einfacher ist auf der Minusseite mit einem Halbleiter zu unterbrechen.
Oft wird die Erdungsmöglichkeit nicht speziell erwähnt. Es lohnt sich aber, beim Lieferanten nachzufragen.
Laderegler mit negativer Erdung sind z.B. die MPPT-Laderegler aus der Maurelma-Linie (Siehe Maurelma MPPT)
Anhaltspunkte und Vorschläge, wie ein Batteriesystem in einer Fahrzeugen aussehen kann, finden Sie auch in der Broschüre von Victron Energy unter:
Automotiv-Broschüre
Batterien in Reinigungsmaschinen
SonnenscheinTraktionAufsitzreinigungsmaschinen, Aufsitzkehrmaschinen oder auch grössere Reinigungsmaschinen welche von Hand geführt werden, sind immer öfters kabellos und benötigen deshalb eine Batterie.
Eingesetzt werden meistens professionelle Traktionsbatterien. Da diese Maschinen eine grosse Batteriekapazität benötigen, werde oftmals 6V-Blöcke eingesetzt, welche auch noch ohne spezielle Hebevorrichtung verbaut werden können.
Wird jedoch die Reinigungsmaschine nur sporadisch benötigt kommen auch Zyklenbatterien in Frage.
Wenn der Preis enorm entscheidend ist, werden auch Blei-Säure-Batterien (GIS) verwendet.
Bis Anhin (04.06.2016) sind uns noch keine Professionelle Reinigungsmaschinen mit Li-Ion-Batterien bekannt, obwohl Gewicht und Lebensdauer eine wesentliche Rolle spielen würden.
Batterien in Elektrostaplern
Da die grösseren Elektrostapler ein Gegengewicht benötigen werden in diesen Geräten vorwiegend Blei-Säurebatterien verbaut. Dabei handelt es sich meistens um 2V-PzS-Zellen, welche in Serie zu 24V oder höher geschaltet werden.
In Niederhubwagen und Mitnahme-Staplern (Stapler auf LKW) werden erstmals auch Li-Ion-Batterien verwendet.
Trotz des Problems mit dem Gegengewicht lohnen sich Li-Ion-Batterien auch in klassischen Staplern, wenn die Geräte dauernd im Einsatz sind. Einerseits ist mit der doppelten Zyklenzahl zu rechnen, und das ohne tägliche Wartung. Da Elektrostapler sehr oft im Stop and Go Betrieb laufen, könnte dank des geringen Innenwiderstandes der Batterien auch ein Teil der Energie rekuperiert werden.
Weiter könnte die Staplerbatterie in den Pausen nachgeladen werden.
Batterien in Elektro-Transporter
TrojanIn den autofreien Orten wie Zermatt oder Saas Fee, aber auch auf Bahnhöfen oder Flughäfen sind unzählige Elektrotransporter unterwegs. Diese verfügen aus historischen Gründen noch vorwiegende über eine Bleibatterie. Oftmals handelt es sich um 2V-PzS-Zellen oder 6V-GIS Blöcke. Bei kleineren Elektrofahrzeugen kommen auch 12V PZS Blockbatterien in Frage, welche dann zur 24V oder 48V zusammen geschaltet werden.
Auf Grund der hohen Einstiegskosten ist man noch sehr zurückhaltend in Bezug auf Li-Ion-Batterien, obwohl diese für solche Transporter äusserst geeignet wären. Der zu Bleibatterien hohe Einstandspreis von Li-Ion-Batterien trägt auch dazu bei, dass der Wechsel noch selten gewagt wird.
Bei Schleppfahrzeugen, welche einen Anhänger ziehen müssen, hört man immer wieder das Argument, dass das Gewicht von Bleibatterien notwendig sei. Li-Ion-Batterien sind zwar höchstens halb so schwer, haben aber immer noch ein Gewicht, welches für ein Schleppfahrzeug ausreicht.
Alternativen zur Energiespeicherung in Batterien
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
Mehr Infos auch bei den einzelnen Produkten im Shop
Reichhaltige Informationen zu Batterien finden Sie auch in der entsprechenden Literatur im Shop
Fragen?
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Wir beraten Sie gern. E-Mail an info@maurelma.ch genügt
Entsorgung und Recycling
Die meisten Batterien enthalten Schwermetalle oder andere giftige Stoffe. Es ist deshalb wichtig, dass möglichst alle Batterien fachgerecht entsorgt und zum Teil weiter verwertet werden.
Jeder, welcher in der Schweiz Batterien verkauft, muss gebrauchte Batterien auch unentgeltlich zurück nehmen. Dies, auch wenn die gebrauchte Batterie nicht von ihm stammt.
Selbstverständlich nehmen wir von Maurer Elektromaschinen GmbH Ihre alten Batterien kostenlos an unserer Verkaufsstelle entgegen.
Den genauen Standort finden Sie unter Standort in Google Map
Also werfen Sie Ihre alten Batterien auf keinen Fall in den Kehricht. Bringen Sie die Batterie besser zu uns.
Vorgezogene Recycling Gebühr
Auf jede in der Schweiz in Verkehr gebrachte Batterie muss eine vorgezogene Recycling Gebühr entrichtet werden.
Wer eine Batterie in die Schweiz importiert und gebraucht oder weiter verkauft, ohne diese Gebühr zu entrichten, macht sich strafbar.
Weitere Infos dazu unter http://www.inobat.ch/