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Nicht Umweltschutz, sondern die Kosten könnten das Aus der Blei-Säure-Batterien sein

| Autor / Redakteur: Svend Culverhouse * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Welche Vorteile in Sachen Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Kosten Lithium-Eisenphosphat-Batterien in industriellen und kommerziellen Systemen gegenüber Blei-Säure-Batterien zu bieten haben, beschreibt dieser Beitrag anhand von Erfahrungen aus realen Installationen.

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LFP-Batteriesatz von VARTA Storage, konzipiert als Ersatz für eine Blei-Säure-Batterie.
LFP-Batteriesatz von VARTA Storage, konzipiert als Ersatz für eine Blei-Säure-Batterie.
(Bild: VARTA Storage)

Sie sind robust und billig und haben bewährte elektrische und mechanische Eigenschaften. Es verwundert deshalb nicht, dass wiederaufladbare 12-V-Blei-Säure-Batterien als Notstromversorgung in einigen zehntausend industriellen und kommerziellen Systemen dienen (Bild 1).

Daneben kommen 12-V-Blei-Säure-Batterien natürlich auch in Autos und Motorrädern zum Einsatz, nämlich als Starterbatterie und zur Versorgung der Bordelektrik bei abgeschaltetem Motor. Tatsächlich sind es die von der Automobilindustrie generierten Skaleneffekte, die sowohl den niedrigen Stückpreis von Blei-Säure-Batterien als auch ihre umgehende Verfügbarkeit bei kommerziellen Anbietern erklären. Hinzu kommt, dass die Bauteile einer Blei-Säure-Batterie einfach sind und sich problemlos zusammenbauen lassen.

Angesichts all dieser vorteilhaften Eigenschaften der Blei-Säure-Batterien mag es zunächst überraschen, dass die Konstrukteure industrieller und kommerzieller Anwendungen ernsthaft nach einer alternativen wiederaufladbaren Batterietechnologie suchen. Bei genauerem Hinsehen aber gibt es triftige Gründe dafür. So ist mit neuen europäischen Umweltvorschriften zu rechnen, welche die Verwendung bleihaltiger Batterien untersagen. Zeitlich fällt dies mit einer in den letzten zwei Jahren zu beobachtenden, drastischen Kostensenkung bei Batteriesätzen auf der Basis jener Technik zusammen, die die Blei-Säure-Batterie sehr wahrscheinlich verdrängen dürfte: die Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LiFePO4), die auch als Lithium-Ferrophosphat-Batterie (LFP) bezeichnet wird.

Tatsächlich könnten Kostenerwägungen die Akzeptanz von LFP-Batteriesätzen stärker beschleunigen als die Aussicht auf neue Umweltvorschriften.

Die Vorschriftenlage hat sich geändert

Blei ist ein äußerst schädliches Element. Verunreinigung durch Blei wird mit gravierenden negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und speziell auf das Zentralnervensystem in Verbindung gebracht. Die Gefahr, die von Blei in der Umwelt ausgeht, veranlasste Regierungen auf der ganzen Welt in den 1990er Jahren dazu, verbleites Benzin zu verbieten.

Das Blei in Blei-Säure-Batterien wurde bisher noch nicht zum Ziel staatlicher Verbote, denn im Gegensatz zum Blei im Benzin soll das Blei in den Batterien im bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht an die Umwelt freigesetzt werden. Dennoch ist nicht abzustreiten, dass einige Blei-Säure-Batterien am Ende ihrer Nutzungszeit nicht den vorgesehenen Recycling-Kanälen zugeführt werden. Selbst bei jenen Batterien aber, die korrekt zurückgeliefert und aufgearbeitet werden, wird das enthaltene Blei häufig nur unvollständig extrahiert, sodass es nicht zu vermeiden ist, dass ein Teil des Bleis aus verschrotteten Blei-Säure-Batterien in die Umwelt gelangt. Es gibt aber keinen Grenzwert, unterhalb dessen eine Verunreinigung mit Blei als ungefährlich betrachtet werden kann.

In der Industrie geht man deshalb davon aus, dass Blei-Säure-Batterien nach und nach unweigerlich aus einigen Anwendungen verbannt werden.

Gestützt wird diese Sichtweise durch Anzeichen für Fortschritte bei der Normungsinstanz IEC in dem Bemühen, eine technische Norm für den Einsatz von LFP-Batterien in Notbeleuchtungen zu entwickeln (Bild 2). Die zu erwartende Ratifizierung dieser Norm wird der Europäischen Union grünes Licht geben, ein Verbot für den Einsatz von Blei-Säure-Batterien als Energiequelle für Notbeleuchtungen zu erlassen, da sie in der Lage sein wird, eine offiziell validierte Ersatztechnologie vorzuschreiben.

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FLP gewinnt Status als bevorzugte Technik

Dass die Lithium-Eisenphosphat-Technik Anklang gefunden hat, liegt an ihrer Kombination elektrischer und kommerzieller Eigenschaften, die sie zu einem geeigneten Ersatzkandidaten für Blei-Säure-Batterien macht:

  • Während eine Blei-Säure-Batterie für eine Einsatzdauer von ein bis drei Jahren spezifiziert werden kann, hält eine LFP-Batterie bis zu zehn Jahre. Im Zusammenhang damit steht die Tatsache, dass eine LFP-Batterie mehr Lade-Entlade-Zyklen verkraftet, nämlich bis zu 3000, verglichen mit den 200 bis 1000 Zyklen der Blei-Säure-Batterie. Im Unterschied zu einer Blei-Säure-Batterie ist eine LFP-Batterie zudem wartungsfrei.
  • Eine LFP-Batterie kommt besser mit Tiefentladung zurecht und kann bis auf 20% ihrer Kapazität entladen werden, ohne langfristig Schaden zu nehmen. Im Gegensatz dazu leidet bei den meisten Blei-Säure-Batterien die Kapazität oder die Zyklusfestigkeit, wenn sie auf weniger als 50% ihrer Kapazität entladen werden.
  • Die LFP-Technik bietet eine höhere Energiedichte als die Blei-Säure-Batterie. Bei gleicher Energiedichte ist ein LFP-Batteriesatz somit kleiner und leichter als eine Blei-Säure-Batterie.
  • Eine LFP-Batterie enthält kein Blei, weshalb sie aus Sicht des Umweltschutzes zu bevorzugen ist.

Bild 1: Ansicht einer typischen, zentralisierten Notstromversorgungs-Anlage. Es handelt sich um unterbrechungsfreie Stromversorgungen vom Typ Borri (100 kW, IP54) in einem britischen Wasserwerk.
Bild 1: Ansicht einer typischen, zentralisierten Notstromversorgungs-Anlage. Es handelt sich um unterbrechungsfreie Stromversorgungen vom Typ Borri (100 kW, IP54) in einem britischen Wasserwerk.
(Bild: Borri)

Darüber hinaus unterscheidet sich die LiFePO4-Technik von der bei Lithium-Ionen-Batterien in Konsumgeräten wie Laptop-Computern und Smartphones. So ist bei LiFePO4-Batterien das Risiko des Thermal Runaway erheblich kleiner. Werden die vorgeschriebenen Schaltungen zum Schutz vor Übertemperatur, Überspannung und Überstrom eingesetzt, kann die LiFePO4-Technik in industriellem oder kommerziellem Equipment sicher eingesetzt werden.

Ein LFP-Batteriesatz, der in vollständig aufgeladenem Zustand eine Nennspannung von 3,2 V liefert, eignet sich am besten für ein Konstantstrom/Konstantspannungs-Ladeprofil, das einen Ladezustand von 100% aufrechterhält. Diese Lademethode ist kompatibel zur Verwendung als Notstromversorgung. LiFePO4-Zellen werden typisch als Rundzellen im Format 26650 oder 18650 angeboten. Ein Batteriesatz besteht aus mehreren Zellen, kombiniert mit Schutzschaltungen und einem Batteriemanagement-System auf einer Leiterplatte, und alles verpackt in ein gemeinsames Gehäuse (Aufmacherbild). Kommerziell angeboten werden auch LiFePO4-Batteriesätze, die in ihrem Format den 12-V-Blei-Säure-Batterien entsprechen.

Wettbewerbsfähige Gesamtkosten

Die Aussicht darauf, dass künftige Vorschriften die Beseitigung von Blei-Säure-Batterien beispielsweise aus Notbeleuchtungs-Systemen verlangen werden, ist für viele OEMs der Hauptgrund, die LFP-Technik als möglichen Ersatz ins Auge zu fassen. Noch stärker ins Gewicht fallen die kommerziellen Pluspunkte der LFP-Technik jedoch, wenn man die Kosten über die gesamte Nutzungsdauer berücksichtigt.

Diese kommerziellen Vorteile traten in den vergangenen zwei Jahren hervor, als der spezifische, auf die Wattstunde umgerechnete Preis von LFP-Batteriesätzen stark zurückging. Ursache hierfür ist die wachsende Verbreitung der LFP-Technik, welche die Hersteller von LFP-Zellen dazu veranlasste, automatisierte Produktionslinien in Betrieb zu nehmen. Diese Automatisierung führte zu einem drastischen Rückgang der Produktionskosten und bot den Herstellern gleichzeitig Gelegenheit, ein gleichbleibend hohes Qualitätsniveau zu wahren.

Die beim Ersterwerb niedrigeren Kosten eines LFP-Batteriesatzes pro Wattstunde wirken sich auf die von den Anwendern angestellten Berechnungen der Kosten aus, die über die gesamte Lebensdauer anfallen. In einer typischen Anwendung, etwa einer Notbeleuchtung, wird die Nutzungsdauer oft mit zehn Jahren angesetzt. Anwender können davon ausgehen, eine auf Blei-Säure-Batterien basierende Notstromversorgung während dieser Zeit ein- bis zweimal ersetzen zu müssen. Wird anstelle der Blei-Säure-Batterie dagegen ein LFP-Batteriesatz eingesetzt, ist zu erwarten, dass dieser die gesamte Nutzungsdauer ohne Austausch übersteht. Anders als eine Blei-Säure-Batterie erfordert eine LFP-Batterie zudem keine routinemäßigen Inspektions- und Wartungsarbeiten.

Bild 2: Notbeleuchtung in einem Gang eines Bürogebäudes in Aichi, Japan (rechts) im Vergleich zur normalen Beleuchtung (links).
Bild 2: Notbeleuchtung in einem Gang eines Bürogebäudes in Aichi, Japan (rechts) im Vergleich zur normalen Beleuchtung (links).
(Bild: Darklanlan / CC BY 4.0 / CC BY 4.0)

Eine kürzlich von Future Electronics angestellte Machbarkeitsstudie zog detaillierte Betriebsdaten eines Kunden heran, bei dem es sich um einen Hersteller zentralisierter Notbeleuchtungs-Systeme handelt. Wie die Berechnungen ergaben, sind die Kosten pro Ladezyklus bei einer Notstromversorgung auf Basis einer Blei-Säure-Batterie zwischen 0,50 und 0,88 € anzusetzen (einschließlich Wartung und Austausch). Ein entsprechendes System auf LFP-Basis mit gleicher Energiekapazität würde dagegen lediglich 0,27 € pro Zyklus kosten.

Was beim Einsatz von LFP- Batterien zu beachten ist

LFP-Batterien sind heutzutage in verschiedenen Standardformaten als direkter Ersatz für 12-V-Blei-Säure-Batterien erhältlich. Dennoch muss unbedingt darauf hingewiesen werden, dass bei der Verwendung von Batterien in LFP-Technik bestimmte Dinge zu beachten sind.

Am wichtigsten ist, dass der Batteriesatz durch ausfallsichere Schaltungen geschützt werden muss. Diese stellen sicher, dass die Batterie keinen schädlichen elektrischen oder thermischen Einflüssen ausgesetzt wird. Wie jede andere Lithiumbatterie auch, benötigt eine LFP-Batterie zudem ein korrekt geregeltes Konstantstrom/Konstantspannungs-Ladeprofil und einen Zellenausgleich. Für die meisten OEMs ist es die sicherste Möglichkeit zur Implementierung einer auf LFP-Batterien basierenden Stromversorgung, einen komplett montierten Batteriesatz, der bereits die Schutzschaltungen und das Batteriemanagement-System enthält, von einem auf LFP-Batterien spezialisierten Batteriehersteller wie Varta Storage oder BST Power zu spezifizieren.

Berücksichtigen müssen OEMs auch die Lieferkette, über die sie ihre LFP-Batterie beziehen wollen. Während 12-V-Blei-Säure-Batterien bei einer breiten Palette nicht-spezialisierter Distributoren oder sogar im Einzelhandel bezogen werden können, werden LFP-Batterien in deutlich geringeren Stückzahlen produziert, sodass das Angebot begrenzt ist. Ein kundiger Distributor mit einer direkten Franchise-Geschäftsbeziehung zu Herstellern von LFP-Batteriesätzen kann solide und verlässliche Hilfestellung zu wichtigen Fragen bezüglich der Lieferkette leisten, was beispielsweise die Versorgungssicherheit, die Vorlaufzeit, die Verfügbarkeit von Zweitlieferquellen und die Qualität betrifft.

Schließlich gelten für Lithium-Batterien besondere Sicherheitsvorschriften für Transport und Lagerung. Unabhängig davon, ob eine LFP-Batterie per Luftfracht oder auf dem Land- oder Seeweg transportiert wird, muss der Eigentümer strikte Regeln bezüglich der Kennzeichnung, Verpackung und Handhabung einhalten. Kunden eines Distributors wie Future Electronics müssen sich allerdings um keine dieser Vorschriften kümmern, da deren Einhaltung in der Zuständigkeit des Distributors und nicht des Käufers liegt, bis die Batterien in den Räumen des OEMs angeliefert werden.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 12/2020 (Download PDF)

Distributionskunden, die von einem Just-in-time-Lieferabkommen (z.B. Bonded Inventory Management von Future Electronics) profitieren, kommen sogar ohne Vorsichtsmaßnahmen für die umfangreiche eigene Lagerung aus, da sie nur so viele Batterien vorrätig haben müssen, wie sie in ein bis drei Tagen verbrauchen.

Mit dem Rückhalt eines leistungsfähigen Distributors, der sich zur gesicherten Lieferung qualitativ hochwertiger, montierter LFP-Batteriesätze verpflichtet, können Hersteller industrieller und kommerzieller Systeme nunmehr vertrauensvoll die LiFePO4-Technik als Ersatz für Blei-Säure-Batterien anvisieren und sich auf die damit erzielbaren Kosten- und Performance-Vorteile freuen.

* Svend Culverhouse ist EMEA Commercial Solutions Manager bei Future Electronics.

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