Kernkraftwerk an Bord

Vor einigen Wochen haben Sabrina und ich die letzte Stromrechnung bezahlt und unseren Landstromanschluss endgültig abgegeben. Seitdem läuft Morgenstern komplett autark und unser Kernkraftwerk, wie wir das fertige Stromversorgungssystem manchmal scherzhaft nennen, ist im Vollbetrieb.
Ende Dezember haben wir mit dem neuen Akku das letzte Teilsystem an Bord installiert. Zuvor lief die Bordelektrik bereits ein ganzes Jahr mit einem kleinen LiFePO4 Akku im Testbetrieb. Darüber hatte ich hier bereits berichtet.
In der Praxis hat sich die Theorie mit dem winzigen 12V – 60Ah Akku bestätigt und so sprach am Ende nichts mehr gegen die endgültige Umstellung auf LiFePO4 Akkus. Die Bezeichnung LiFePO4, bzw. Lithium-Eisenphosphat-Akku, werdet ihr hier übrigens noch öfter lesen. Auch wenn es vielleicht nerven mag, ich finde es wichtig, die verwendete Akkutechnik richtig beim Namen zu nennen, um Missverständnisse und Falschinformationen, rund um die verschiedenen Zelltechnologien, aus dem Weg zu räumen.
Am Steg und auch auf der Straße wird man nämlich immer wieder mit folgendem Satz konfrontiert: „Sie wissen aber schon, dass Lithium Akkus explodieren können!?“
Auf meine manchmal gestellte Rückfrage, „WELCHE Lithium Akkus das können?“ herrscht meistens Stille.
Und so kläre ich dann gerne auf (wenn es gewünscht ist) und bin am Ende der Unterhaltung zufrieden, wenn ich ein wenig Licht ins Dunkel der Akkutechnik bringen konnte.
Es gibt eben nicht DEN Lithium Akku, der explodieren kann und selbst bei der heißesten Technologie, den Lithium-Polymer-Akkus, passiert das heute nur noch äußerst selten und bei massiver Überschreitung der Grenzwerte.
LiFePO4 Akkus gehen hingegen, selbst bei extremster Überladung, nicht thermisch durch! Der Lithium Anteil im Akku (weniger als 5%) ist dafür schlicht und ergreifend zu gering. Das > P O < in der Bezeichnung bedeutet auch nicht Polymer, wie hin und wieder zu hören ist! Wer es ganz genau wissen möchte, hier die aufgedröselte Summenformel:

Li = Lithium
Fe = Eisen
P = Phosphor
O4 = Vier Sauerstoffatome

Die Zelltechnologie des LiFePO4 Akkus macht ihn deshalb zu einem der sichersten Akkutypen, die es überhaupt gibt. Wesentlich sicherer in allen Belangen, als ein klassischer Bleiakku!
Gegenüber anderen Lithium-Akku-Typen hat er eigentlich nur einen Nachteil, der für Schiffe aber praktisch uninteressant ist: Die Energiedichte ist etwas geringer als bei einigen anderen Lithium Typen und der Akku wiegt dadurch ein klein wenig mehr.
Deutlich leichter und kleiner als Bleiakkus sind LiFePO4 Akkus trotzdem noch.

Weitere Vorteile:
Kein flüssiger Elektrolyt im Akku
Lageunabhängig
Hochstromfähig beim Entladen als auch beim Laden
Lange Lebensdauer (ca. 20 Jahre, je nach Hersteller)
Enorm hohe Zyklenfestigkeit (je nach Hersteller ca. 5000 Zyklen bei 80% Entladetiefe)

Zyklen spielen deshalb in der Praxis an Bord mit LiFePO4 Akkus keine Rolle mehr. Man erreicht selbst bei kleinen Akkus und Liveaboard-Nutzung eher das konstruktive Höchstalter der Zellen, als dass man den Akku durch Zyklen in die Knie zwingt. Denn nach beispielsweise 5000 Zyklen mit je 80% Entladetiefe ist der Akku noch nicht hinüber, sondern lediglich in seiner Leistung um ca. 20% reduziert.

Das „Kernkraftwerk“ an Bord. (Auf dem Foto noch nicht in der endgültigen Version. Es fehlen noch die angepassten Bus Bars und die obere Halterung)

Kommen wir nun zum Akku, den wir bei Morgenstern verbaut haben. Es ist ein 12,8V / 800Ah LiFePO4 Monster geworden. In Kilowattstunden gerechnet sind das satte 10 kWh. Diese 10 kWh sind zu 100% nutzbar, da der Akku etwas Überkapazität hat.
Aufgebaut habe ich ihn als sogenannten 4p4s aus 200Ah Einzelzellen. 4 dieser Zellen sind Parallel verbunden und ergeben eine einzelne 800Ah Zelle mit einer Nennspannung von 3,2V. 4 dieser Blöcke werden im weiteren Schritt in Reihe verdrahtet und ergeben den fertigen Akku mit oben genannten Eigenschaften.
Das Kraftpaket ist eigentlich deutlich überdimensioniert, wenn man bedenkt, dass man aus einem LiFePO4 in der Praxis etwa die dreifache Energiemenge bekommt, als aus einem gleich großen AGM Bleiakku. Denn man darf nicht nur die nutzbare Kapazität vergleichen, sondern muss berücksichtigen, dass ein Bleiakku signifikante Verluste beim Laden und Entladen durch einen hohen Innenwiderstand verursacht. Auch lassen sich Stromspitzen beim Laden mit Solarmodulen und Windgenerator Aufgrund der Ladecharakteristik nicht so speichern, wie sie anfallen. Wer mal versucht hat, einen Bleiakku schnell zu laden, weiß was gemeint ist. Er nimmt nur bei sehr niedrigem Ladestand (den es bei Blei jedoch zu vermeiden gilt) viel Strom auf und fällt anschließend kontinuierlich ab. Eine Volladung dauert gefüht eine kleine Ewigkeit.
Da nützt es nichts, wenn die Sonne mittags auf die Solaranlage ballert, oder der Windgenerator in einer Front richtig Leistung bringt. Der Bleiakku ist häufig nicht in der Lage, diese Leistungsspitzen zu speichern.
Bei einem LiFePO4 sieht das völlig anders aus. Der Innenwiderstand ist so dermaßen gering, dass er wesentlich mehr Ladestrom verträgt, als wir jemals auch nur annähernd zur Verfügung stellen könnten.
Unsere 800Ah Verbraucherbank könnten wir problemlos mit 1C laden. Das wäre ein Ladestrom von 800A! Also gut 10kW.
Eine Böe im Windgenerator ist dagegen ein Klacks für so einen Akku und wird praktisch verlustfrei in gespeicherte Ladung umgesetzt.

Warum also einen Akku mit so viel Kapazität an Bord einsetzen? Naja, es gab da eine lange Disskussion zwischen Sabrina und mir.
Ich war eigentlich für 5kWh. Die hätten locker gereicht. Aber am Ende hat sie sich mit guten Argumenten durchgesetzt und nun haben wir soviel Kapazitätsreserven, dass wir bei Ausfall aller Lademöglichkeiten gut 20 Tage komfortabel an Bord leben könnten. Bei Verzicht auf Komfort wäre das Schiff noch wesentlich länger autark.
Das sind aber alles Rechnungen, die in der Praxis eigentlich keine Rolle spielen. Wirklich interessant wird der große Verbraucherakku erst, wenn der E-Antrieb eingebaut ist. Dann kann in diesem Akku zusätzlich gepuffert werden und die Reichweite unter Motor steigt deutlich. Das war Sabrinas Hauptargument für einen überdimensionierten Verbraucherakku.
Ein weiteres Argument gegen den 5kWh Akku war, dass wir damit am Steg doch wieder auf zusätzlichen Landstrom angewiesen wären und die Leistungsfähigkeit der Solaranlage nicht hätten voll ausnutzen können.
Mit dem 10kWh Akku können wir komplett auf Landstrom verzichten und decken unseren gesamten Energiebedarf aktuell ausschließlich durch Sonnenenergie (der Windgenerator ist im Hafen immer abgestellt). Auch Schweißarbeiten, Wasserkocher oder Staubsauger sind mit dem Akku über einen Inverter kein Problem. Abends sitzen wir gerne im Cockpit und jetzt in der Übergangszeit haben wir da oft einen kleinen Heizlüfter laufen, damit es nicht so kalt wird. Mit dem „Kernkraftwerk“ ist das kein Problem.
Wir haben einen 230V / 3,5KW Inverter (Dauerleistung) mit reiner Sinuswelle installiert. Die Einschaltströme dürfen bei dem Gerät bis zu 7kW betragen. In der Praxis fliegt mir zu Hause beim Schweißen eher die Sicherung raus, als an Bord.

Bevor der Akku im Dezember 2020 eingebaut werden konnte, stellte sich allerdings die Frage, wie man einen so großen Akku initialisieren sollte. Dazu zunächst eine komprimierte Erklärung, was das Initialisieren eines LiFePO4 Akkus überhaupt bedeutet und warum man es macht. Denn um die Initialladung und die Hintergründe ranken sich nach wie vor Mythen:
Fangen wir mit der Ladecharakteristik an. Die Lade-/Entladekurve einer LiFePO4 Zelle ist extrem flach. Bei der späteren Nutzung des Akkus ist diese flache Kennlinie ausschließlich von Vorteil. Es gibt keine Spannungseinbrüche, die Leistung ist über gut 80% der Kapazität gleichbleibend.
Nun kommen gute LiFePO4 Zellen vom Hersteller üblicherweise so beim Endkunden an, dass sie alle dieselbe Spannung haben.
Ich kann diese Spannung mit einem Multimeter messen und höchstens ein Aussage darüber treffen, ob die Zelle so gut wie voll geladen, oder so gut wie leer ist, sollte die Spannung sehr hoch oder sehr niedrig sein. Mehr nicht!
In unserem Fall hatten alle Zellen eine Ruhespannung von 3,26V. Erst bei der dritten Nachkommastelle zeigten sich minimale Unterschiede. Die niedrigste Zelle lag bei 3,262V, die höchste bei 3,267V. Im Tausendstelvoltbereich ist die Messungenauigkeit allerdings bereits so groß, da springt das Multimeter leicht mal 2 Tausendstel hin und her, wenn man öfter als einmal misst und jemand im Raum hustet.
Die Zellen hatten also alle exakt dieselbe Spannung. Dieselbe Kapazität haben sie deshalb trotzdem nicht! Die Ruhespannung sagt bei einer LiFePO4 Zelle nicht viel über die Kapazität aus.
Schauen wir uns einmal eine (idealisierte) Entladekurve einer LiFePO4 Zelle an, dann sollte es „klick“ machen.

Die Initialladung dient ausschließlich einem einzigen Grund: ALLE ZELLEN AUF DENSELBEN LADESTAND BRINGEN!

Sonst nix!
Ein LiFePO4 muss nicht irgendwie aktiviert werden, oder angelernt, oder homöopathisch besprochen…

Um diese Initialladung durchzuführen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Ich zähle mal drei praxistaugliche auf.
Da sollte eigentlich für jeden etwas dabei sein. Wer das nicht machen möchte, kann auch seinen Händler ansprechen, manche bieten nämlich die Initialladung gegen Aufpreis an.
Und wer sich den ganzen Aufwand des selber Bauens sparen möchte, kann mittlerweile auch auf fix und fertige Komplettakkus inkl. integriertem BMS zurückgreifen. Das ist allerdings aus meiner Sicht nur für kleinere Anlagen interessant.

Kommen wir also zu den drei Möglichkeiten der Initialladung.

1.
Alle Zellen des späteren Akkupacks werden parallel verbunden und dadurch zu einer einzelnen gigantischen LiFePO4 Zelle verschaltet. Diese Einzelzelle wird nun mit einem dedizierten Ladegerät für die Initialladung bis zu einer Spannung von 3,65V geladen. Und zwar so lange, bis kein nennenswerter Strom mehr fließt. An diesem Punkt sind alle Zellen voll und Ladungsunterschiede haben sich ausgeglichen. Im World Wide Web kursieren immer mal wieder (selbst bei Händlern) Hinweise, man solle die Zellen kurzzeitig auf bis zu 4,0V laden. Davon halte ich überhaupt nichts! Das stresst den Akku enorm und die wenigen Promille, die man da noch angleicht, sind das nicht wert. Um diese wenigen Promille kümmern sich später beim fertig konfektionierten Akku die Balancer.
Ich selbst benutze bei dieser Variante der Initialladung übrigens lieber ein Labornetzteil, welches ich sowieso habe. Man stellt am Netzteil eine feste Spannung von 3,65V ein, dreht den Stromregler voll auf und lädt ebenfalls solange, bis kein nennenswerter Strom mehr fließt.
Je nach Akkugröße, Ladestrom und Ladestand dauert so eine Ladung einige Tage.

2.
Bei sehr großen Akkus kommt man irgendwann an den Punkt, bei dem es mit Variante 1. mehrere Wochen dauern kann, bis die Initialladung abgeschlossen ist.
Es gibt aber eine Möglichkeit, in Stufen zu laden, wenn man über ein LiFePO4 Ladegerät aus dem Modellbau verfügt. (Diese Variante wäre auch mit dem Ladesetup des endgültigen Akkupacks, inkl. BMS möglich.)
Man verschaltet die Akkus zunächst nicht parallel zu einer einzigen großen Zelle, sondern verdrahtet die Zellen in Reihe zu so großen Packs wie man sie mit seinem Balancerladegerät bedienen kann. Ich habe zum Beispiel ein 20A Gerät, welches 8 zellige LiFePO4 Akkus laden kann.
Mit diesem Gerät lade ich die Zellen so lange, bis die erste Zelle 3,55V erreicht hat. Anschließend wird der Akku wieder auseinander gebaut, alle Zellen Parallel verschaltet und wie bei Variante 1. bis auf 3,65V so lange geladen bis kein nennenswerter Strom mehr fließt.
Mit dieser kombinierten Ladung ist man deutlich schneller fertig. In meinem Fall fast 16 mal schneller, weil mein Labornetzteil nur 10A liefert und der Modellbaulader 20A. Diese 20A aber dann eben an einem 8 zelligen Akku.

3.
Bei der einfachsten, aber langsamsten Variante werden alle Zellen (wie bei 1.) parallel verdrahtet. Man lässt den Akku nun einfach stehen. Die Zellen gleichen ihre Ladungsunterschiede von ganz allein immer näher aneinander an. Durch die extrem geringen Spannungsunterschiede dauert das allerdings mehrere Wochen. Wer aber keine andere Möglichkeit hat, bzw. viel Zeit, fährt mit dieser Möglichkeit ganz gut. Ich würde mal 4 bis 6 Wochen als Minimum ansetzen und anschließend den fertig konfektionierten Akku mit BMS laden und ein Top-Balancing durchführen.

Die Initialladung an unserem 10kWh Verbraucherakku habe ich mit Variante 1. durchgeführt. Man kann übrigens davon ausgehen, dass die Akkus mit 10 bis 30% geladener Kapazität (je nach Hersteller und Lieferweg) geliefert werden. Da muss also wirklich eine Menge Energie rein. Und man sollte auch daran denken, dass die Energie nach der Initialladung zeitnah wieder raus muss. Denn ein 100% voller LiFePO4 Akku sollte nach Möglichkeit nie lange auf diesen 100% verweilen. Die Lebensdauer leidet einfach darunter.
Am wohlsten fühlt sich so ein Akku, wenn er so um die 70% herumdümpelt. Was bei Bleiakkus in der Praxis an Bord oft ein großes Problem ist, gefällt dem Lithium-Eisenphosphat-Akku am allerbesten.
Bei uns an Bord dümpelt der Akku meistens so bei 500 bis 600Ah (von 800Ah) herum. Höher würden wir ihn nur laden, wenn wir unterwegs wären oder aus irgendeinem Grund absehbar ist, dass in den nächsten Tagen sehr viel Strom benötigt wird. Um das im Blick zu behalten, haben wir einen Batteriemonitor installiert. Das ist nichts anderes als ein Amperemeter mit integriertem Rechner, der immer schön vollautomatisch alles was raus geht und alles was geladen wird verrechnet und auf einem Display darstellt.
Zusätzlich überwacht ein BMS (Batterie-Management-System) jede einzelne Zelle des Akkus und greift im Notfall mit Abschaltung ein. Ich habe bei uns ein BMS verbaut, bei dem ich alles selbst programmieren kann. Das ist nicht unbedingt nötig, aber so lässt sich der Akku noch besser ans Schiff anpassen und man kann selbst entscheiden, welche Sicherheiten man wo haben möchte.

Und nun kommen wir zur Frage, die ich in letzter Zeit öfter am Steg höre: „Braucht man das?“ bzw. „Soll ich auch auf einen Lithium-Eisenphosphat-Akku umstellen?“

Ich sehe das so:
Wenn ein vernünftiges System mit Bleiakkus verbaut ist, die Akkus Ok sind und man keine Probleme hat, dann würde ich da vorerst nichts dran ändern.
Wenn man an dem Punkt ist, an dem der Bleiakku so langsam das Zeitliche segnet und die Ladeelektronik vielleicht auch schon uralt ist, dann würde ich heute zumindest über LiFePO4 nachdenken.
Man sollte sich einfach mal anschauen, wie man sein Boot in der Praxis nutzt und danach entscheiden. Verlässt man nur wenige Male im Jahr für wenige Tage mit dem Boot die Steganlage, was nach meiner Erfahrung ein bedeutender Teil aller Bootseigner tut, dann halte ich einen Hochleistungsakku, der viele tausend Zyklen übersteht, für übertrieben.
Ist man aber viel unterwegs, will oft vor Anker liegen, muss aufs Gewicht achten oder plant wirklich lange Fahrten, dann könnte ein LiFePO4 das richtige sein.
Allerdings gebe ich immer zu bedenken, dass eine Umrüstung oft einen Rattenschwanz nach sich zieht und man ein wenig an Know How mitbringen sollte. Bei mir selbst basiert das Know How um Lithium Akkus auf mittlerweile rund 2 Jahrzehnten des experimentierens mit den unterschiedlichsten Typen. Anfangs habe ich da auch das ein oder andere Lehrgeld bezahlt.
Hat man das Basiswissen rund um Elektrik und Akkutypen nicht und möchte sich das Lehrgeld sparen, wäre ein gutes Buch zum Thema keine schlechte Idee. Im www findet auch man sehr viele gute Seiten, aber leider auch eine Menge Halbwissen. Und auch wenn die Angaben in diesem Artikel richtig sind, so kratzt er ebenfalls nur an der Oberfläche.
Man liest immer wieder von Leuten, bei denen LiFePO4 Akkus nach wenigen Jahren hinüber waren. Meistens wurden sie ständig voll gehalten (wie man das eben von Blei gewohnt war) oder die Anlage wurde nicht fachmännisch umgerüstet. Einfach die Akkus tauschen geht häufig nicht, auch wenn auf Webseiten von Händlern gerne etwas anderes behauptet wird! Wobei?! Es geht schon, aber segnet dann nicht selten der teure Akku nach wenigen Jahren das Zeitliche, oder zum Beispiel die Lichtmaschine, weil eben nichts optimal ist.
Hat man dagegen alle Lademöglichkeiten optimiert, Trennschalter für die Solaranlage installiert (um manuell die Ladung an jedem beliebigen Punkt zu unterbrechen), oder die entsprechend optimierten Regler und ein gut programmiertes BMS im Einsatz, dann wird man mit einem System belohnt, das sich in der Praxis anfühlt wie ein kleines Kernkraftwerk und weitaus weniger zickig und sicherer ist als ein Bleiakku (egal welchen Typs).

Und wie geht’s nun weiter an Bord der Morgenstern?

Aktuell bin ich dabei, das Heck von Morgenstern umzubauen. Die neuen Heckstufen sind bereits angeschweißt und die Badeplattform fertig. Das ganze Heck sollte in wenigen Tagen endlich komplett sein, dann werde ich hier darüber berichten.
Der Neubau der Pantry ist ebenfalls in vollem Gang. Auch dazu kommt demnächst noch ein Beitrag.
Nebenbei bin ich damit beschäftigt den Fahrakku für Morgensterns E-Antrieb zu initialisieren. Die Zellen dafür haben wir vor wenigen Tagen bekommen. Die Kapazität des Akkus liegt bei 22kWh. Kann also etwas dauern…

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