Das muss beim Umrüsten auf Lithiumbatterien beachtet werden

Lithiumbatterien gewinnen im Yachtbereich immer mehr an Bedeutung

Batterien vom Typ Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) werden im Yachtbereich zunehmend zum Standard. Was lange Zeit als Speziallösung galt, ist für Fahrten- und Blauwassersegler eine ernstzunehmende Alternative zu klassischen AGM- oder Gel-Batterien geworden. Die Vorteile liegen auf der Hand: Lithiumbatterien bieten im Vergleich zu bleibasierten Batterien eine höhere nutzbare Kapazität, ein geringeres Gewicht und eine deutlich höhere Lebensdauer. Zudem lassen sie sich mit innovativen Systemen komfortabel überwachen und konfigurieren.

Leider kann eine bleibasierte Batterie nicht einfach eins zu eins durch eine Lithiumbatterie ersetzt werden. Wer seine Batteriebank auf Lithium-Eisenphosphat-Batterien umrüstet, greift nämlich nicht nur in die Batterietechnologie ein, sondern in das gesamte Energiesystem an Bord, von der Lichtmaschine über weitere Ladegeräte bis hin zum Batteriemonitor. Je nach Ausrüstung der Yacht kann die Aufgabe entsprechend komplex werden. Eine Umrüstung auf Lithiumbatterien erfordert folglich nicht nur ein grundlegendes Verständnis der elektrischen Zusammenhänge an Bord, sondern auch Planung im Vorfeld der Installation.

Geringe Brandgefahr mit Lithium-Eisenphosphat

Die Brandgefahr bei Lithiumbatterien ist ein weit verbreitetes Thema, das viele Yachteigner verunsichert. Das Thema „brennende Akkus“ taucht primär in Verbindung mit NMC-Akkus auf. Diese werden häufig in Elektroautos und Mobiltelefonen verbaut, da sie kompakter als LiFePO4-Akkus sind und besser bei niedrigen Temperaturen funktionieren. NMC-Akkus können durch die Freisetzung von Sauerstoff thermisch durchgehen.

Wichtig zu wissen ist, dass auf Yachten Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO₄) zum Einsatz kommen, die sich chemisch von Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) oder anderen kobaltbasierten Lithium-Ionen-Batterien unterscheiden und keine große Brandgefahr mit sich bringen, weil sie keinen Sauerstoff freisetzen. Im Extremfall kann Elektrolyt an den dafür vorgesehenen Öffnungen gasförmig austreten. Eine selbsttragende Brandreaktion wie bei kobaltbasierten NMC-Batterien ist daher unwahrscheinlich. Das macht Lithium-Eisenphosphat-Batterien sicherer und für Yachtbesitzer zur ersten Wahl.

Bauform und Verschaltung von Lithiumbatterien sind entscheidend für die Ausfallsicherheit

Lithium-Eisenphosphat-Batterien bestehen aus einzelnen Zellen, die zu einem Batteriesystem verschaltet werden. Eine einzelne LiFePO₄-Zelle liefert eine Nennspannung von 3,2 Volt (gerundeter Richtwert der elektrischen Betriebsspannung im Normalbetrieb). Erst durch die Reihenschaltung mehrerer dieser Batteriezellen wird die im Bordnetz benötigte Systemspannung von 12, 24 oder 48 Volt erreicht. Vier in Reihe geschaltete Zellen ergeben beispielsweise eine Nennspannung von 12,8 Volt. Entsprechend lassen sich durch weitere Reihenschaltungen der Zellen Batterien für 24-, 36- oder 48-Volt-Systeme realisieren.

Prismatische Zellen für Lithium-Eisenphosphat-Batterien

Derzeit dominieren zwei Konzepte für die Bauform solcher Lithiumzellen den Markt: prismatische Zellen und Rundzellen. Beide Varianten arbeiten mit derselben Zellchemie, unterscheiden sich jedoch nicht nur in der Bauform, sondern auch im Verhalten. Am weitesten verbreitet sind prismatische Zellen. Sie bestehen aus großformatigen, quaderförmigen Einzelzellen, von denen in der Regel jeweils eine pro 3,2-Volt-Segment verbaut wird. Ein 12-Volt-System basiert somit meist auf vier prismatischen Zellen. Diese Bauform bietet den Vorteil, dass sie sich einfach in rechteckige Batteriekästen integrieren lässt.

Prismatische Zellen sind häufig kostengünstiger, haben jedoch auch Nachteile. Zum einen sind sie lageabhängig. Sie verfügen über ein Entlüftungsventil an der Oberseite, das im Falle einer Gasbildung in der Zelle den kontrollierten Austritt des Gases ermöglicht. Werden solche Zellen dauerhaft in Seitenlage betrieben und verlieren Gas, kann sich das Elektrolyt ungünstig innerhalb der prismatischen Zelle verteilen und deren Funktion beeinträchtigen.

So ein Prozess ist eher langwierig und führt vergleichsweise selten zu Schäden. Der wesentlich kritischere Punkt betrifft die Ausfallsicherheit von Lithiumbatterien mit prismatischen Zellen. Bei Systemen mit nur wenigen großformatigen Zellen kann der Ausfall einer einzelnen Zelle gravierende Folgen haben. Fällt beispielsweise eine der vier Zellen eines 12-Volt-Systems aus, funktioniert in der Regel das gesamte Batteriesystem nicht mehr.

Rundzellen für Lithium-Eisenphosphat-Batterien

In Lithiumbatterien mit Rundzellen werden zahlreiche zylindrische Einzelzellen in verschiedenen Segmenten zusammengefasst. In einer Batterie mit einer Kapazität von beispielsweise 100 Amperestunden (Ah) können pro 3,2-Volt-Segment rund 20 parallelgeschaltete Rundzellen verbaut sein. Insgesamt kommt so eine Batterie auf 80 Zellen für ein 12-Volt-System.

Damit verhält sich eine so gebaute Batterie anders. Fällt beispielsweise eine Zelle aus, reduziert sich zwar die Gesamtkapazität geringfügig, die Spannung jedoch nicht, da 19 von 20 Zellen im Segment weiterarbeiten. Die Batterie bleibt somit, trotz des Ausfalls einer Zelle, betriebsfähig. Das ist ein Vorteil in puncto Zuverlässigkeit. Rundzellen sind zudem lageunabhängig und damit weniger sensibel gegenüber Bewegungen oder kritischen Einbausituationen an Bord.

Die Zellbauform bestimmt auch die Notwendigkeit von Kompression und Servicefähigkeit bei Lithium-Eisenphosphat-Batterien

Ein weiterer technischer Unterschied zwischen den beiden zuvor genannten Zelltypen ist die Zellquellung. Prismatische Zellen sollten insbesondere in den ersten Ladezyklen komprimiert werden, um ein „Aufquellen“ zu kontrollieren beziehungsweise zu verhindern. Bei der Umsetzung dieser Kompression gibt es deutliche Qualitätsunterschiede. Weit verbreitet sind Kunststoffrahmen oder Glasfaserbänder. Bei hochwertigeren Lithiumbatterien erfolgt die Komprimierung dagegen mithilfe von Aluminium-Druckelementen und verschweißten Metallbändern. Diese Bauweise ist zwar deutlich zuverlässiger, erschwert aber das Austauschen einzelner Zellen im Falle eines Defektes. Rundzellen hingegen benötigen keine derartige Vorspannung. Ihre zylindrische Form gilt als besonders formstabil. Bei einem Defekt können einzelne Zellen daher unkompliziert getauscht werden.

Installation und Verkabelung

Eine technische Herausforderung bei der Umrüstung auf Lithium-Eisenphosphat-Batterien ist deren Anbindung an die bestehenden Ladesysteme an Bord. Insbesondere die Lichtmaschine am Motor muss berücksichtigt werden. Aufgrund ihres Innenwiderstandes können Bleibatterien, je nach Bautyp, nur etwa 10 bis 20 Prozent ihrer Nennkapazität pro Stunde aufnehmen. Selbst wenn die Lichtmaschine deutlich mehr Leistung liefern könnte, zieht eine klassische Bleibatterie mit einer Kapazität von 100 Ah nur rund zehn Ampere (A), moderne Bleibatterietypen wie AGM etwa doppelt so viel. Auch größere Batteriebänke auf Bleisäurebasis stellen für eine 70 bis 120-Ampere-Lichtmaschine erfahrungsgemäß keine dauerhafte Belastung dar.

Eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie verhält sich anders. Sie nimmt so viel Strom auf, wie ihr angeboten wird – vergleichbar mit einem Fass ohne Boden. Ohne Strombegrenzung würde die Lichtmaschine so lange unter Volllast arbeiten, bis die Batteriebank wieder voll ist, was zu Überhitzung und vorzeitigem Verschleiß führen kann. Kleinere Motoren können durch die Last der Lichtmaschine zudem gebremst werden.

Achtung: In diesem Zusammenhang ist auch die Dimensionierung der Kabelquerschnitte zu beachten. Zwischen Lichtmaschine und Lithium-Batteriebank können deutlich höhere Ströme fließen als bei einer Installation mit bleibasierten Batterien, was im ungünstigen Fall zu thermischer Überlastung der Kabel bis hin zum Kabelbrand führen kann!

Klassische Trennrelais zwischen Starter- und Verbraucherbatterie, wie sie häufig in Systemen mit Bleisäurebatterien verwendet werden, funktionieren nach der Umrüstung auf Lithiumbatterien nicht immer problemlos. Zuverlässiger wäre es, anstatt des Trennrelais einen sogenannten DC-DC-Lader (B2B-Lader) einzusetzen. Dieser begrenzt die Stromaufnahme der Lithiumbatterie und schützt dadurch Lichtmaschine und Kabel vor Überlastung.

Was viele Yachteigner nicht wissen: Lithium-Eisenphosphat-Batterien sind im Vergleich zu Bleisystemen einfacher zu laden. Sie benötigen keine speziellen Ladephasen mit Bulk-, Float- oder Erhaltungsladephase (IU0U-Kennlinie). Eine Lithiumbatterie wird stattdessen mit einem konstanten Ladestrom geladen, erst gegen Ende des Ladevorgangs verändert sich dieser geringfügig.

Beim Laden von Lithium-Eisenphosphat-Batterien ist in erster Linie die Einhaltung der Ladeschlussspannung von etwa 14,4 Volt entscheidend. Bei vielen älteren Ladegeräten, die bereits verbaut sind, kann dazu in der Regel der Lademodus für Gel-Batterien verwendet werden. Ladegeräte für Gel-Batterien arbeiten üblicherweise im erforderlichen Spannungsbereich für Lithium-Eisenphosphat-Batterien und können folglich weiterverwendet werden. Ladegeräte mit einem spezifischen Lithium-Programm wären zwar etwas effizienter, aber das fällt meistens nicht ins Gewicht.

Das Spannungsverhalten von Lithiumbatterien ist anders als von Bleibatterien

Ein großer Unterschied zwischen Blei- und Lithiumsystemen ist der Spannungsverlauf. Der Ladezustand einer Bleibatterie lässt sich, solange keine Verbraucher aktiv sind, zumindest annähernd anhand der Spannung abschätzen. Die Spannung einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie bleibt hingegen über weite Teile der Entladung nahezu konstant. Erst am unteren Ende der Entladung fällt sie deutlich ab. Für die Verbraucher an Bord ist eine dauerhaft stabile Spannung sicher ein Vorteil, für das Monitoring des Ladezustands der Batterie bedeutet es jedoch, dass Spannungsanzeigen allein nicht ausreichen. Hier funktioniert nur ein korrekt konfigurierter Batteriemonitor.

Tipp: Bei vielen Lithiumbatterien kann mittels einer App und Bluetooth auf das BMS zugegriffen werden. Dort sind meist auch Informationen zum Ladezustand abrufbar.

Lithiumbatterien für den Motor oder das Bugstrahlruder sind nicht erforderlich

Auf Yachten ist eine separate Starterbatterie für den Motor auch nach einer Umrüstung auf Lithium-Akkus weiterhin empfehlenswert. Gleiches gilt für eine separate Batterie für ein Bugstrahlruder oder eine Ankerwinde. Solche Batterien müssen im Vergleich zu Verbraucherbatterien auf kurzzeitige Spitzenströme ausgelegt sein. Diese vergleichsweise teuren Batterien sind zwar auch mit Lithiumtechnologie erhältlich, aber nicht zwingend erforderlich – vorausgesetzt sie übernehmen ausschließlich den vorgesehenen Motorstart und werden im Anschluss wieder geladen. Dies ist ein bewährtes Konzept, das auch in Autos seit Jahrzehnten gut funktioniert. Die erreichbare Zyklenzahl einer Standard-Starterbatterie liegt zwar unter der einer Lithiumbatterie, aufgrund der kurzen Entladezeit und der sofortigen Wiederaufladung fällt das jedoch nicht so stark ins Gewicht. Bugstrahlruder werden meist nur kurz eingesetzt, im Normalfall reicht auch hier eine deutlich kostengünstigere Bleibatterie.

Tiefentladung und der „Nicht-mehr-hochfahren“-Mythos rund um Lithiumbatterien

In der Yachtszene kursiert ein verbreitetes Gerücht, das Lithiumbatterien sich plötzlich abschalten und dann „nicht mehr hochfahren“. Tatsächlich schützt das in jeder LiFePO₄-Batterie verbaute Batterie-Management-System (BMS) die Zellen vor Tiefentladung, indem es bei Unterschreiten eines kritischen Spannungswerts die Entladung abschaltet. Anders als bei Bleibatterien führt eine Tiefentladung jedoch nicht zur Schädigung der Batterie. Im Normalfall genügt es, die Lithiumbatterie wieder zu laden, um sie zu reaktivieren. Im Extremfall muss das BMS vorübergehend überbrückt und die Zellen direkt geladen werden. Kommt es dennoch zu einem irreversiblen Totalausfall, entsteht dieser normalerweise nicht durch die Schutzabschaltung des BMS. Vielmehr ist er die Folge einer unsachgemäßen Behandlung.

Sicherheit und Zertifizierung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien

Lithium-Eisenphosphat-Batterien müssen im maritimen Einsatz besonderen Herausforderungen standhalten. Zertifizierungen können bei der Einschätzung der Robustheit, Sicherheit und Zuverlässigkeit eines Produkts helfen. Bei einer Lithiumbatterie müssen die relevanten IEC- und CE-Normen erfüllt sein. Eine Lithiumbatterie mit IP67-Zertifizierung ist zudem geschützt gegen Staub und zeitweiliges Untertauchen im Wasser. Gerade im maritimen Umfeld mit viel Feuchtigkeit und möglichen Wasserkontakten kann dieser Schutzgrad von Bedeutung sein.

Fazit

Die Umrüstung auf Lithium-Eisenphosphat-Batterien erfordert kein Ingenieurstudium. Mit einem Grundverständnis der Bordelektrik lassen sich die Systeme an Bord problemlos anpassen. Bestehende Ladegeräte mit Gel-Programmen können oft sogar einfach weiterverwendet werden. Wichtige Punkte sind die Ladetechnik mit der Lichtmaschine und die gut durchdachte Wahl der Batterie. Bauform, Verarbeitung und Zertifizierung sind entscheidend für Langlebigkeit und Betriebssicherheit. Wer diese Aspekte sorgfältig abwägt, profitiert langfristig von einer stabilen Spannung, mehr Energie bei weniger Volumen und Gewicht sowie einer deutlich längeren Lebensdauer der Batteriebank. Lithiumbatterien sind kein kompliziertes Projekt, sondern ein Upgrade, das den Komfort, die Zuverlässigkeit und die Sicherheit an Bord spürbar erhöhen kann.