Batterien im Bordnetz: Typen, Auslegung, Ladung

Die Batterie ist die teuerste Einzelkomponente im Bordnetz und die, bei der Fehlentscheidungen am längsten wehtun. Dieser Fachbereich führt von der Frage, welche Technologie zu Ihrem Nutzungsprofil passt, bis zur fertigen Auslegung einer Batterie-Bank samt Ladeinfrastruktur. Sie können an jeder Stelle einsteigen.

Welche Technologie passt zu welchem Einsatz

Die Entscheidung zwischen LiFePO4 und Blei fällt selten über den Preis pro Amperestunde. Sie fällt über drei Eigenschaften, die im Datenblatt weit auseinanderliegen: nutzbare Entladetiefe, Ladeakzeptanz und Gewicht.

Eine Bleibatterie darf im Dauerbetrieb etwa zur Hälfte entladen werden, bevor die Lebensdauer spürbar leidet. Von 200 Ah Nennkapazität bleiben also rund 100 Ah nutzbar. Eine LiFePO4-Zelle verträgt 80 bis 90 Prozent Entladetiefe ohne nennenswerte Einbußen. Aus 200 Ah werden dort etwa 170 Ah. Für denselben nutzbaren Vorrat brauchen Sie mit Blei also die rund doppelte Nennkapazität, das rund vierfache Gewicht und deutlich mehr Stauraum.

Der zweite Unterschied ist die Ladeakzeptanz. Blei nimmt Ladestrom nur begrenzt an und verbringt die letzten 20 Prozent in einer langen Absorptionsphase. Wer täglich zwei Motorstunden hat, bekommt eine Bleibatterie-Bank praktisch nie voll. LiFePO4 lädt bis kurz vor Schluss mit vollem Strom und ist in einem Bruchteil der Zeit wieder aufnahmefähig. Für den Törnbetrieb mit kurzen Motorphasen ist das oft das entscheidende Argument.

Wogegen Blei weiterhin spricht: Anschaffungspreis, unkritisches Verhalten bei Kälte und die Tatsache, dass eine vorhandene Ladeinfrastruktur ohne Umbau weiterläuft. Bei einem Dauerlieger mit Landstrom, geringem Verbrauch und knappem Budget ist AGM nach wie vor eine vernünftige Wahl.

Kapazität richtig auslegen

Die Auslegung läuft immer in derselben Reihenfolge. Wer eine Stufe überspringt, landet regelmäßig bei einer zu kleinen Batterie-Bank.

1. Verbraucherliste erstellen. Jeder Verbraucher mit Stromaufnahme in Ampere und täglicher Laufzeit in Stunden. Das Produkt ergibt den Tagesverbrauch in Amperestunden.
2. Ruhestrom nicht vergessen. Gasmelder, Alarmanlage, Bordrechner im Standby und Displays laufen 24 Stunden. In der Praxis sind das oft 10 bis 15 Ah pro Tag, also mehr als die gesamte Beleuchtung.
3. Autarkietage festlegen. Wie lange soll das Schiff ohne Landstrom und ohne Motorlauf auskommen? Zwei bis drei Tage sind ein üblicher Ansatz.
4. Auf nutzbare Kapazität umrechnen. Der Bedarf geteilt durch die zulässige Entladetiefe der gewählten Technologie ergibt die Nennkapazität.
5. Reserve aufschlagen. 10 bis 20 Prozent für Alterung, Kälte und Verbraucher, die später dazukommen.

Beispielrechnung: Fahrtensegler, 12 V

Typische Werte für ein 38-Fuß-Schiff im Sommerbetrieb. Der Kühlschrank macht rund die Hälfte aus — das ist der Normalfall, nicht die Ausnahme.

Bei drei Autarkietagen ergibt das 270 Ah Bedarf. Mit 10 Prozent Reserve sind rund 300 Ah nutzbare Kapazität anzusetzen. Daraus folgt:

• LiFePO4 bei 80 Prozent Entladetiefe: 300 / 0,8 = 375 Ah Nennkapazität, etwa 45 kg
• AGM bei 50 Prozent Entladetiefe: 300 / 0,5 = 600 Ah Nennkapazität, etwa 180 kg

HinweisDie 180 kg AGM sind nicht nur ein Gewichtsproblem. Sie brauchen auch den Platz, die Befestigung nach Norm und eine Lichtmaschine, die eine so große Batterie-Bank in vertretbarer Zeit wieder füllt.

Die Technologien im direkten Vergleich

Typische Bandbreiten für Bordanwendungen bei 25 °C. Zyklenzahlen gelten bis 80 Prozent Restkapazität und immer nur zusammen mit der Entladetiefe, auf die sie sich beziehen — eine Zyklenangabe ohne Entladetiefe ist keine Information. Herstellerangaben im Einzelfall haben Vorrang.

Die letzte Zeile wird häufig unterschätzt: Die flache Entladekurve von LiFePO4 macht eine Spannungsanzeige praktisch nutzlos. Ohne Amperestundenzähler mit Shunt wissen Sie bei Lithium nicht, wo Sie stehen.

Laden und Ladeinfrastruktur

Der häufigste Fehler beim Technologiewechsel ist, nur die Batterie zu tauschen. Eine Batterie-Bank aus LiFePO4-Zellen stellt an jede Ladequelle andere Anforderungen als Blei, und sie verhält sich im Fehlerfall grundlegend anders: Wenn das BMS abschaltet, verschwindet die Batterie schlagartig aus dem Bordnetz.

Das trifft vor allem die Lichtmaschine. Eine Batterie-Bank aus LiFePO4-Zellen nimmt Strom an, bis der Regler ihn begrenzt — eine Standardlichtmaschine läuft dabei dauerhaft am Anschlag und überhitzt. Und wenn das BMS unter Last trennt, entsteht ein Lastabwurf, dessen Spannungsspitze den Gleichrichter zerstören kann. Beides ist mit externem Laderegler, Lichtmaschinen-Temperaturfühler und einer Pufferbatterie oder einem Ladewandler beherrschbar, aber es muss geplant werden.

WarnungLaden Sie LiFePO4 nicht bei Frost ohne freigebende Zellheizung. Unterhalb von etwa 0 °C lagert sich Lithium metallisch an der Anode ab, statt sich einzulagern. Der Kapazitätsverlust ist dauerhaft und von außen nicht erkennbar. Die Herstellerangaben für die untere Ladegrenze reichen von −5 bis +5 °C — halten Sie sich an den Wert Ihres Zellherstellers. Entladen ist bei Minusgraden dagegen zulässig.

Was beim Umstieg typischerweise mitgetauscht oder ergänzt werden muss: Laderegler beziehungsweise Ladegerät mit Lithium-Kennlinie, externer Regler für die Lichtmaschine oder ein Ladewandler, Solarladeregler mit passender Ladeschlussspannung, ein Batteriemonitor mit Shunt sowie die Absicherung, die auf die deutlich höheren Kurzschlussströme ausgelegt sein muss.

Typische Fehler

• Kapazität nach Bauchgefühl. Ohne Verbraucherliste wird der Kühlschrank fast immer unterschätzt und der Ruhestrom komplett vergessen.
• Alte und neue Batterien parallel. Die schwächere zieht die stärkere auf ihr Niveau. Eine Batterie-Bank wird immer komplett getauscht.
• Unterschiedliche Technologien in einer Batterie-Bank. Verschiedene Ladespannungen und Innenwiderstände führen dazu, dass eine der beiden dauerhaft falsch behandelt wird.
• Shunt im falschen Zweig. Sitzt er nicht so, dass wirklich jeder Strom durch ihn fließt, misst der Monitor dauerhaft daneben.
• Absicherung nicht angepasst. LiFePO4 liefert erheblich höhere Kurzschlussströme als Blei. Sicherung und Trennschalter müssen dazu passen.
• Ungleiche Kabellängen bei Parallelschaltung. Die Batterie mit dem kürzeren Weg wird stärker belastet und altert schneller.

Normen und Vorschriften

Maßgeblich für elektrische Anlagen auf Sportbooten ist ISO 13297:2020. Sie deckt seit dieser Ausgabe beides ab: Gleichstromanlagen bis 50 V Nennspannung und einphasige Wechselstromanlagen bis 250 V. Die früher für die Gleichstromseite zuständige ISO 10133 wurde Ende 2020 zurückgezogen und in ISO 13297 überführt — wer sich noch auf ISO 10133 beruft, arbeitet mit einem zurückgezogenen Dokument.

Relevant für die Batterieinstallation sind vor allem: gesicherte Befestigung gegen Verrutschen und Kentern, Schutz der Pole gegen versehentliche Berührung und Kurzschluss durch Werkzeug, Belüftung des Batterieraums bei gasenden Bleibatterien sowie eine Überstromsicherung möglichst nahe am Pluspol.

Die Hauptsicherung gehört an die Batterie, nicht an die Schalttafel. Sie schützt die Leitung zwischen Batterie und Verteilung — und genau diese Leitung ist im Kurzschlussfall das Problem. Bei Lithiumsystemen kommen die Vorgaben des Zellherstellers und des BMS hinzu, die regelmäßig strenger sind als die Norm. Im nordamerikanischen Raum regelt ABYC E-13 zusätzlich die Anforderungen an Lithiumsysteme und verlangt dort ausdrücklich ein BMS, das die Batterie innerhalb ihres sicheren Betriebsbereichs hält und sie andernfalls trennt.