Lithium auf Segelbooten: 1. Lithium vs Blei

Installation von Lithium Batterien auf einem Segelboot

Du brauchst neue Batterien für dein Segelboot, Wohnmobil oder die Alphütte und fragst Dich ob es Sinn macht anstatt Bleibatterien auf Lithium umzusteigen? Dann bist Du hier richtig 😉

In der folgenden vierteiligen Artikelserie beschreibe ich (Reto) die Umrüstung auf Lithium Batterien für ein Segelboot auf unserem Katamaran SHE SAN. Mein Ziel ist es, in diesen vier Artikeln das notwendige Wissen zu vermitteln, damit jeder mit einem elektrischen Grundverständnis die Installation selber durchführen kann.
Teil 2, 3 und 4 handeln über Konzept, Einbau und Einstellungen der Parameter und Erfahrungen, hier im Teil eins zunächst mal ein Vergleich Lithium vs Blei Batterie. Wenn Du Dich vertieft mit der Materie auseinander setzen willst, empfehle ich das Buch von David Andrea Battery Management Systems for Large Lithium-Ion Battery Packs, leider nur in Englisch erhältlich.

Brauchst du Unterstützung mit der Umsetzung? Gerne helfe ich dir weiter bezüglich Fragen und Umsetzung. Details findest du unter Online Beratung und Coaching für Blauwassersegler

Teil 1 – Theorie und Vergleich Lithiumbatterie vs Bleibatterie

Lithium Batterien sind wohl heute jedem Segler ein Begriff. Die Sicherheit hat sich erheblich verbessert und die Preise sind in den letzten 3-4 Jahren massiv gefallen. So hätte eine Umrüstung für unseren Kat vor fünf Jahren mit 660 Amperestunden Bleiakkus rund 10’000 EUR! gekostet. Heute sind wir mit ca. 2’700 EUR für die komplette Installation dabei. Komplett heisst nicht nur die Akkus sondern auch zusätzlich notwendige Controller und Material. All die Arbeit haben wir selbst geleistet.

Zusammenfassung

Die Umrüstung von Bleibatterien auf Lithium macht sowohl aus technischer wie auch finanzieller Sicht Sinn. Die technischen Vorteile sind bestechend und in der Zwischenzeit haben sich auch die Anschaffungskosten in einen Bereich bewegt wo ein Vergleich zu Gunsten von Lithium Batterien ausfällt. Wenn die alten Bleibatterien ihren Geist aufgeben, ist nun der richtige Zeitpunkt für eine Umrüstung auf Lithium gekommen. Falls die vorhandenen Batterien ihren Zweck noch erfüllen kann aber auch noch zugewartet werden. Preise, Technologie und Sicherheit werden sich in den nächsten Jahren sicher noch weiter verbessern.

Lebensdauer und Zyklen Lithiumbatterie vs Bleibatterie:

Lebensdauer und Zyklus Bleibatterie:

Als Beispiel nehme ich hier unsere Victron AGM Batterien. Victron ist ein seriöser Lieferant und die Datenblätter sind professionell und stimmen, im Gegensatz zu vielen exotischen Lieferanten, die einfach etwas versprechen.

Hier der Link zum Datenblatt Victron AGM 220Ah Bleibatterie

Victron gibt für unsere AGM Batterien eine Lebensdauer von 7-10 Jahren bei 20 Grad Celsius an. Jedoch sinkt die Lebensdauer auf gerade noch 4 Jahre bei einer Umgebungstemperatur von 30 Grad. Das ist jedoch nur die halbe Wahrheit, wichtig sind auch die Anzahl Zyklen und der Entladegrad.

Was ist ein Zyklus? Leider gibt es viele unterschiedliche Definitionen der Hersteller, eine oft verwendete Definition ist jedoch die Entladung der Batterie von 100 % auf 20 % bei einem definierten Entladestrom als einen Zyklus zu betrachten.

Unser Verbrauch aus der Batterie ist normalerweise um die 100 Ah in 24 h. Das entspricht bei den AGM Batterien 15 % der Kapazität, womit wesentlich mehr als 1500 Zyklen zu schaffen sein sollten.

Die Realität: Wir haben die Victron AGM im Oktober 2015 in Spanien eingebaut und sind seitdem mehr oder weniger in tropischen Temperaturen um die 30 Grad unterwegs.
Im Februar 2020 mussten wir sie ersetzten. Die Batterien haben sich immer schneller entladen, ein sicheres Zeichen dass die Kapazität zur Neige geht.

Das ist eine Lebensdauer von 52 Monaten (4 Jahre 4 Monate oder 1560 Tage).

Übersicht Lebensdauer gem Datenblat vs real der Victron AGM Baujahr 2015

Da wir praktisch nie mehr als 15 % entladen haben, müssten wir gemäss Victron über 1500 Zyklen schaffen. Das lässt sich nun einfach überprüfen: Wenn wir jeden Tag 15 % entladen, wie viele Tage dauert es bis wir einen Zyklus von 80 % erreicht haben?
Genau, 80 %/15 % = 5.3 Tage. Abgerundet durchlaufen wir also alle 5 Tage einen Zyklus, das heisst in 1560 Tagen haben wir 1560/5 = 312 Zyklen erreicht, anstelle der 1500 in Datenblatt. Hmm, das ist weniger wie ein Fünftel! Immerhin erreichten wir die im Datenblatt angegebene Lebensdauer von 4 Jahren bei 30°C Umgebungstemperatur.

Das geht nicht allen so. Viele Segler müssen die Batterien alle 2 Jahre ersetzen. Warum?

Oftmals liegt das an der Behandlung der Batterien:

Hohe Entladungen durch starke Verbraucher
Falsch eingestellte Ladespannungen
Qualitativ minderwertige Laderegler
Qualitativ minderwertige Batterien
Bleibatterien reagieren sehr empfindlich auf Überladung und hohe Entladeströme über längere Zeit.

Lebensdauer und Zyklen Lithiumbatterie:

Die nun eingebauten CALB Lithium Batterien haben gemäss Datenblatt 2000 Zyklen unabhängig vom Entladegrad. Nach diesen 2000 Zyklen hat die Batterie noch 80 % der ursprünglichen Kapazität. Die Lebensdauer wird angegeben mit 10 Jahren, jedoch ohne Temperaturangabe.

Wie viel Kapazität brauche ich bei Lithium im Vergleich zum Bleiakku?

Bei Bleibatterien gilt die Empfehlung die Batterie nicht mehr als 50 % zu entladen, somit stehen 50 % der Kapazität zur Verfügung. Viele Segler gehen nicht unter 70 %, das heisst es stehen 30 % zur Verfügung.

Anders bei Lithium. Diese Zellen können ohne Probleme bis auf 20 % entladen werden. Somit stehen 80 % der Kapazität zur Verfügung.

Umgerechnet auf unsere Installation an Bord der SHE SAN:
660 Ah Bleibatterien. Nutzbar 50% = 330 Ah
Um bei Lithium Batterien 330 Ah nutzen zu können brauchen wir somit 330 Ah / 80% x 100% = 412.5 Ah

Rechnen sich LithiumBatterien im Vergleich zu normalen Bleiakkus oder AGM Batterien?

In diesem Kapitel betrachten wir lediglich den Kostenvergleich bei der Anschaffung. Lithium Batterien haben jedoch noch weitere technische Vorteile gegenüber Bleiakkus. Siehe dazu die Kapitel über die Gewichtsvorteile und die signifikanten Vorteile beim Laden und Entladen.

Die Victron AGM Batterien, die wir vor 4 Jahren in Spanien gekauft haben haben (3 x 220 Ah) kosteten 1800 EUR. Sie haben nun etwas mehr als vier Jahre gehalten.

Bei den Lithium Zellen haben wir uns für 540 Ah (3×180 Ah) entschieden, obwohl wir für die gleiche Kapazität wie vorher eigentlich nur gut 400 Ah benötigen würden. Wir haben die nutzbare Kapazität somit von 330 Ah (50 % der Bleibatterie) auf 432 Ah (80 % der Lithium Zellen) erhöht, das sind 24 % mehr Kapazität.

Um nun einen genauen Kostenvergleich zu machen muss mit gleicher verfügbarer Kapazität gerechnet werden. Wie im vorigen Kapitel gerechnet brauchen wir ca. 400 Ah damit wie die gleiche Kapazität wie vorher zur Verfügung haben. Die dafür benötigten12 Zellen CALB 100 Ah kosten 12 x 130 EUR = 1560 EUR plus Batteriemanagement, Unterbrecher und Installationsmaterial 420 EUR macht ein Total von 1980 EUR, aufgerundet 2000 EUR.
Wir haben uns jedoch für etwas mehr Kapazität entschieden und 540 Ah installiert. Kosten 2700 EUR

Die von uns verwendeten CALB Lithium Zellen haben gemäss Datenblatt 2000 Zyklen unabhängig der Entladung. Das gibt bei 400 Ah und 80 % Entladung eine nutzbare Kapazität von 320 Ah (80 % von 400 Ah).

Da wir mit dem gleichen Verbrauch von 100 Ah pro Tag und der gleichen nutzbaren Kapazität rechnen wie bei den AGM Batterien, haben wir auch hier 5.3 Tage für einen Zyklus. Das heisst, alle 5.3 Tage einen Zyklus mal 2000 Zyklen sind 10’600 Tage oder 29 Jahre.
Unter normalen Temperatureinflüssen wird eine Lebensdauer von 10 Jahren angegeben, seien wir pessimistisch und rechnen mit 8 Jahren.

In der gleichen Zeit müssten die AGM Batterien mindestens 2 mal ersetzt werden.
Das heisst: 2 x 1800 = 3600 EUR, das sind 29% höhere Investitionskosten für die Bleiakkus im Vergleich zu den Lithiumbatterien.

Mann könnte nun sagen, dass man sich auch kostengünstigere Bleiakkus kaufen kann als die im Beispiel erwähnten Victron AGM.
Eine Möglichkeit wäre zum Beispiel eine wartungsfreie Blei Säure Batterie.
Kosten: etwa 300 EUR für 220 Ah das macht total 3x 300 EUR = 900 EUR für eine vergleichbare Kapazität.

Zu berücksichtigen ist, dass diese Batterien je nach Typ und Qualität eine noch geringere Lebensdauer haben. Gehen wir mal optimistisch von 3 Jahren aus, muss die Blei Batterie innerhalb der Lebensdauer einer Lithium Batterie etwa 3x ersetzt werden.
Das heisst 3 x 900 EUR=2700 EUR (26% teurer) oder im schlechteren Fall bei einer Lebensdauer von 2 Jahren 4 x 900EUR= 3600 EUR (44% teurer)

Kostenvergleich Lithium vs Blei über eine Lebensdauer von 8 Jahren

Anschaffungskosten pro Ah nutzbare Kapazität über 8 Jahre für ein 12V System

Wie sieht es mit der Sicherheit von Lithiumbatterien heute aus?

Es gibt viele verschiedene Typen von Lithium Batterien. Eine gute Zusammenfassung findest du im Buch von Michael Köhler: Energieversorgung auf Yachten.
Was sich auf Yachten etabliert hat, sind LiFePO4 (Lithium Eisen Phosphat) Batterien, da diese wesentlich sicherer sind als andere Typen.

Bitte beachte den Unterschied bei Überladung, Kurzschluss und mechanischer Beschädigung bei den unterschiedlichen Lithium Zellen im folgenden Video (die gelben, rechteckigen Zellen in der MItte sind die LiFePO4):

Natürlich muss man auch bei LiFePo4 darauf achten, dass die Zellenspannung nicht zu hoch und nicht zu tief wird. Deshalb ist ein Batterie Management BMS wichtig. Das Risiko, dass die Zelle bei einer zu hohen Spannung in Flammen aufgeht ist jedoch gering.
Im Falle einer Über-/Unterspannung riskiert man jedoch eine defekte oder zerstörte Zelle, je nach dem wie lange der Zustand angedauert hat.

Angabe der Kapazität in Amperestunden oder besser in Kilowattstunden?

In Seglerkreisen spricht man meist nur von Amperestunden als Leistungsangabe. Wenn ich 1 Stunde ein Ampere verbrauche, habe ich 1 Amperestunde (1Ah) verbraucht. Diese Aussage taugt aber nur weil die meisten Schiffe eine Spannung von 12V haben.
Will man nun wirklich vergleichen, muss man mit Leistung P und Arbeit W rechnen.

Wer seine elektrotechnischen Grundlagen nochmals auffrischen möchte findet eine gute Zusammenfassung hier.

Wer rechenfaul ist, hier gehts zum Online Umrechner

Gewichtsvergleich Lithiumbatterie vs Bleibatterie

Um das Gewicht zu vergleichen rechnet man am besten das Gewicht pro Wh oder kWh.
Die Victron AGM Batterie hat 12 V x 220 Ah = 2640 Wh und wiegt 60 kg das sind 2640 Wh/60 kg=44 Wh pro Kilogramm. Da man wie schon erwähnt nur 50 % nutzen kann reduziert sich das auf 22 Wh pro kg.

Die Calb Lithium hat 3.2 V x 180 Ah = 576 Wh und wiegt 5.7 kg das sind dann 576 Wh/5.7 kg=101 Wh pro Kilogramm. Davon nutzbar 80 % sind 80 Wh pro Kilogramm

Das heisst, bei gleichem Gewicht hat die Lithium Zelle 80/22 = 3.6 mal mehr Energie gespeichert als eine Bleibatterie
Oder, bei gleicher Kapazität ist Lithium 3.6 mal leichter.

Aufladung und Entladung Lithiumbatterie vs Bleibatterie

Aufladung

Die Ladetechniken von Bleibatterien sind umfänglich beschrieben und können hier im Detail nachgelesen werden. Deshalb nur das Wichtigste zusammengefasst:
Es fliesst bis zu einem Ladezustand von 80% ein maximaler Strom je nach Ladegerät von 10-20% der Batteriekapazität. Beispiel, bei einer Kapazität von 500 Ah dürfen maximal 20% 100A Ladestrom fliessen.
Ab einem Ladezustand von 80% fliesst nur mehr sehr viel weniger Strom. Deshalb dauert eine Volladung von 80 auf 100% eine Ewigkeit.

Im Gegensatz dazu „fressen“ Lithium Zellen alles, was man ihnen gibt, bis sie voll sind. Unsere Calb Zellen haben einen maximalen Ladestrom von 1C. Ein C entspricht der gesamten Batteriekapazität. Somit kann eine Lithium Batterie mit 200 Ah mit 200 A geladen werden und ist nach einer Stunde voll. (Falls man soviel Strom denn hat 😉

Einen sehr detaillierter auch für Laien verständlicher Vergleich über die Eigenschaften von Lithium vs Bleibatterien findest du im Buch von Michael Köhler: Energieversorgung auf Yachten

Achtung: Trotz den hohen erlaubten Ladeströmen darf die maximale Zellenspannung bei Lithium Zellen nicht überschritten werden.

Entladung

Entladung einer Lithiumbatterie:

Eine Calb Lithium Zelle darf bis zu 2C, das heisst zweifache Batteriekapazität bis zur minimalen Entladespannung entladen werden. Mit obigem Beispiel Kapazität 200 Ah, maximaler Entladestrom 400 A. Dies ist auch ein wesentlicher Grund für den Einsatz in Elektroautos um hohe Beschleunigungen, die dann extrem viel Strom aus der Batterie ziehen, zu realisieren.

Auf dem Schiff dagegen bringt es den enormen Vorteil, dass elektrische Geräte mit hohem Stromverbrauch wie zum Beispiel eine elektrische Induktionsplatte zum Kochen oder die Elektropumpe des Wassermachers betrieben werden kann.

Entladung einer Bleibatterie:

Bei einer Bleibatterie ist eine Aussage etwas schwieriger. Auf einen hohen Entladestrom über eine längere Zeit reagiert die Bleibatterie empfindlich, was sich dann stark auf die Lebesdauer auswirkt. Ebenfalls zu erwähnen ist, dass bei einem hohen Entladestrom die Batteriespannung sehr schnell in die Knie geht. Dies vor allem bei älteren Batterien.

Ein Daumenrichtwert würde ich wie folgt festlegen:
20% der Kapazität (132 A bei 660 Ah) max. eine Stunde ohne die Batterie zu stark zu strapazieren und die Lebensdauer zu schonen. Allerdings sollte bei hohen Entladeströmen die Batteriespannung im Auge behalten werden.

Fazit Lithium vs Blei

Zusammenfassend ist für mich klar, dass die Vorteile für Lithium überwiegen, seh Dir nur den Vegleich von Kosten, Gewicht und den zusätzlichen Nutzen bei Ladung und Entladung an:

Übersicht Vergleich unserer 660 Ah AGM Batterie und 540 Ah Lithium Batterie in Bezug auf Lebensdauer, Kosten, Entladung und Ladung

Hier die Links zu
Teil 2 Konzept,
Teil 3 Einbau und Einstellungen der Parameter und
Teil 4 Erfahrungen.

Brauchst du Unterstützung mit der Umsetzung? Gerne helfe ich dir weiter bezüglich Fragen und Umsetzung. Details findest du unter Online Beratung und Coaching für Blauwassersegler

Buchempfehlungen

Michael Köhler: Energieversorgung auf Yachten
David Andrea: Battery Management Systems for Large Lithium-Ion Battery Packs in Englisch
Jens Feddern: Theorie und Praxis der Bordelektrik