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Vom Umgang mit Blei-Akkus


Blei-Akkus liefern immer noch die meiste Speicherkapazität pro Euro – wenigstens auf den ersten Blick. Zudem gibt es diverse Quellen für gebrauchte Blei-Gel-Akkus, die z.B. in Alarmanlagen oder Notstromversorgungen nach typisch drei Jahren routinemäßig ausgetauscht werden. Für Amateurzwecke sind sie dann durchaus noch nützlich.

Was keinen Sinn hat

Nach zwei Kriterien sollte man Blei-Akkus gleich dem Recycling zuführen:

  • Starterbatterien aus Autos eignen sich für unsere Zwecke nicht. Das liegt am Einsatzfall, für den sie gedacht sind: Für kurze Zeit hohe Ströme zu liefern und dann sofort wieder aufgeladen zu werden. Wenn man für 10 s 360 A zieht, ist das eine Amperestunde. So lange muss man nur selten den Anlasser orgeln lassen. Wenn man diese Batterien stark entlädt, halten sie nur wenige Zyklen durch. Und wenn man sie nach Gebrauch länger liegen lässt, bis man sie wieder auflädt, sind sie noch schneller hinüber.
  • Wenn man gebrauchte Blei-Gel-Akkus bekommt, sollte man als erstes die Klemmenspannung messen. Wenn die unter 12 V liegt und man davon ausgehen muss, dass sie länger als ein paar Wochen nicht geladen wurden, kann man sie auch gleich entsorgen. Sie haben große Teile ihrer Kapazität verloren und können häufig nur noch recht geringe Ströme liefern. Das lohnt den ganzen Aufwand nicht.

Ein paar Hinweise zum Innenleben von Blei-Akkus

Im geladenen Zustand besteht die eine Elektrode vorwiegend aus Blei und die andere aus Bleioxid. Das sind keine massiven Platten, sondern eher feinporiger Metallschaum. Das erhöht die Oberfläche der Platten enorm. In der Literatur findet man Angaben von etwa 1 m2 pro Gramm Blei. Denn aktiv an der Funktion beteiligt sind nur die Oberflächen.

Beim Entladen entsteht auf beiden Elektroden Bleisulfat, ein Salz aus Blei und Schwefelsäuere. Dieser Stoff hat einige unangenehme Eigenschaften:

  • Bleisulfat nimmt mehr Platz ein als das Blei, aus dem es entsteht. Das führt zu mechanischen Spannungen in der Platte, was sie im Lauf der Zeit zerkrümeln lässt. Daraus wird bei Batterien mit flüssiger Säuere der Bleischlamm, der im Extremfall die Platten unten kurzschließt. Und natürlich geht so Speicherkapazität verloren.
  • Bleisulfat ist ein Salz und bildet Kristalle, die in passender Umgebung wachsen. In einer Bleibatterie existieren passende Bedingungen. Wenn man eine nicht vollständig geladene Blei-Batterie länger stehen lässt, entstehen unweigerlich Nadeln aus Bleisulfat – die Batterie sulfatiert.
  • Bleisulfat ist ein sehr schlechter Stromleiter. Eine dünne Bleisulfat-Haut auf der Elektrode ist nicht das Problem, aber die oben erwähnten Bleisulfat-Kristalle sind ein großes Problem: Es gibt keinen Weg, sie wieder aufzulösen. Außer, man recycelt die Batterie.

Damit ist auch klar, warum man sich die Beschäftigung mit den oben genannten Batterien schenken kann: Sie halten den typischen Betrieb in einer Amateurfunkstation nicht aus oder sind sowieso schon unreparierbar kaputt.

Wofür sich Blei-Akkus eignen – und wofür nicht

Blei-Akkus eignen sich als billige Stromspeicher, die nicht all zu oft und vor allem nicht all zu tief entladen werden. Wer also gelegentlich mal etwas Portabel-Betrieb machen will und das Gewicht nicht scheut, ist damit gut versorgt. Für eine Solaranlage, die tagsüber den Akku lädt, auf dass man jeden Abend fernsehen kann, sollte man in aller Regel einen anderen Akkutyp wählen. Lithium-Eisensufat-Akkus kosten zwar das Vierfache, halten aber viel mehr Ladezyklen und tiefere Entladungen aus. Anders ausgedrückt: Wer hier etwas experimentieren will, sollte mit gebrauchten Blei-Gel-Akkus anfangen. Dann kann er nicht viel kaputtmachen.

Entladekurve Long WP7-12

Für Hochstrom-Anwendungen eignen sich Blei-Batterien weniger, mal den Spezialfall Starterbatterie ausgenommen. Das zentrale Problem dabei ist der Materiezuwachs durch das Bleisulfat: Je höher der Entladestrom ist, um so mehr konzentriert sich die Entladung auf die oberflächennahen Teile der Elektroden. Das Bleisulfat verstopft dann die Poren des Bleischaums und macht weite Teile der Ladung unzugänglich. Die Hersteller geben gewöhnlich die Kapazität für 0,05 C an, also für 1/20 des Entladestroms, bezogen auf die Kapazität. Bei einem 7-Ah-Akku stehen die 7 Ah also nur zur Verfügung, wenn man maximal 350 mA entnimmt. Anders ausgedrückt: Ein 7-Ah-Akku kann einen FT-817 im reinen Empfangsbetrieb 20 h lang versorgen. Das Bild rechts stammt aus den Datenblatt für den Long WP7-12.

Natürlich darf man aus einem 7-Ah-Akku auch 7 A entnehmen. Nur ist er dann nach 20 min oder so leer – je nach dem, wie schonend man den Akku betreiben will: Die Hersteller garantieren für eine Entladeschlussspannung von 9,5 V typisch 200 Ladezyklen. Zudem liefert der Akku nach den 20 min keine 12 V mehr; nach Sicherung und Anschlusskabel kaum noch 11,5 V. Das dürfte so manchem Funkgerät schon zu wenig sein. Kleiner Trost: Wenn man sie gleich wieder auflädt, steht die volle Kapazität wieder zur Verfügung.

Das relativiert sich natürlich, wenn man eine ergibige Quelle für gebrauchte Blei-Gel-Akkus aufgetan hat: Man schaltet dann einige Akkus zusammen und tauscht sie bei Bedarf halt aus.

Fazit: Für SOTA-Aktivitäten eignen sich Blei-Gel-Akkus also weniger. Aber in Zahlen: Wer bei 12 V/7 Ah 1,5 kg gegenüber Blei-Gel-Akkus sparen will, muss darfür etwa 100 EUR in die Hand nehmen.

Blei-Gel-Akkus regenerieren?

Wenn man gebrauchte Blei-Gel-Akkus bekommt, stammen die in aller Regel aus Alarmanlagen oder wurden anderswo ständig gepuffert und kaum je entladen. Sulfatierte Akkus sollte man gleich aussortieren und zum Wertstoffhof bringen, siehe oben. Kann man deutlich über 12 V Klemmenspannung messen, sollte man Wasser nachfüllen: Diese Akkus haben ständig wenigstens 13,6 V gesehen, was 2,25 V pro Zelle bedeutet. Wasserelektrolyse beginnt bei 1,9 V, die Zellen haben also ständig leise vor sich hin gegast. Außerdem sind sie ja nicht völlig dicht: Mir lief mal eine original verpackte und versiegelte USV aus dem PC-Bereich zu, die knapp 20 Jahre alt war. Bei der Fertigung wurde ein Blei-Gel-Akku eingebaut, aber nicht angeschlossen. Das Teil war weitgehend ausgetrocknet.

Der eben genannte Akku ließ sich nur noch sehr begrenzt regenerieren; mir ging es eher um die Frage, wie viel Wasser rein ging. Er hatte sich im Lauf der Jahre kräftig selbst entladen und war deshalb sulfatiert. Bei meiner eigenen USV sah das ganz anders aus: Nach etwa 7 Jahren hatten die beiden Blei-Gel-Akkus kaum noch Kapazität. Nachdem ich kräftig Wasser nachgefüllt hatte, erholten sie sich überraschend gut. Sie sind immer noch im Einsatz, weil sie meine Kommunikationszentrale wieder über 20 min versorgen können. Dann habe ich den Versuch abgebrochen, um die Akkus zu schonen.

Das Regenerieren hat also nur nach längeren Fristen einen Sinn – den Wasservorrat im Akku hat der Hersteller ja für 3-5 Jahre Betrieb dimensioniert. Wir wollen die Akkus aber länger betreiben und deshalb ist es sinnvoll, sie einmal im ihrem Leben nachzufüllen.

So lassen sich Blei-Gel-Akkus regenerieren

Werkzeug zum Akku regenerieren

Ob das Regenerieren überhaupt Sinn macht, habe ich oben schon ausführlich diskutiert. Manchmal ist es aber eindeutig hilfreich. Dafür habe ich mir ein Werkzeug gebaut, bestehend aus einer 20-ml-Spritze und ein paar cm Schrumpfschlauch. Außerdem ist eine einfache Vakuumpumpe hilfreich, wie man sie zum Auspumpen von Tüten und Aufbewarungsboxen kaufen kann.

Passendes, entmineralisiertes, Wasser bekommt man in jeden Supermarkt, etwa für Dampfbügeleisen. Bei Youtube findet man auch die Empfehlung, Regenwasser zu nutzen. Ich glaube nicht, dass sich das lohnt.

Warnung: Schwefelsäuere ist äzend. Bei den folgenden Arbeiten Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen!
 
Unterlage (mehrere Lagen Papier oder Karton) verwenden, damit keine Flecken bleiben.

Blei-Gel-Akku mit durchgehendem Deckel

Als erstes muss man den Akku öffnen, was eigentlich nicht vorgesehen ist. Es ist aber recht einfach und zerstörungsfrei möglich. Ich kenne zwei Konstruktionen:

  • Manche Batterien haben einen aufgeklebten Deckel, den man mit einem Messer und einem Schraubendreher abhebeln kann.
  • Die alternative Konstruktion sind einzelne runde Deckel – bei einer 12-V-Batterie sechs Stück. Die kann man von den Längsseiten her mit einem Messer abhebeln. Damit der Wasserstoff entweichen kann, dürfen die Deckel nicht ringsrum angeklebt sein und aus Fertigungsgründen dürften die Klebestellen immer zu den Schmalseiten des Akkus zeigen.

Blei-Gel-Akku mit getrennten Deckeln

Unter dem Deckel finden sich Gummikappen, die auf Stutzen stecken. Beim Laden muss man die Gummikappen am Wegspringen hindern, denn der Wasserstoff will ja raus. Deshalb muss am Ende auch der Deckel wieder drauf, denn sonst springen beim Laden die Gummikappen im Zimmer herum.

Nimmt man die Kappen ab und sorgt für passende Beleuchtung, sieht man meist etwas Weißes: Die Glasfasermatten, die das Gel mit der Schwefelsäuere halten und die Platten voneinander trennen.

Im nächsten Schritt kippe ich etwas entionisiertes Wasser in eine kleine Schüssel oder Tasse und ziehe daraus die Spritze auf. Mit dem Schrumpfschlauch fülle ich so viel Wasser in die einzelnen Zellen, dass man einen Wasserspiegel sehen kann. Der darf aber nicht im Stutzen sein, sondern unten in der Zelle! Durch den Schrumpfschlauch kann man auch wieder Wasser herausziehen. Das ist aber kein entionisiertes Wasser mehr, sondern verdünnte Schwefelsäuere!.

Akkuzelle ohne Stopfen

Jetzt muss das Wasser möglichst tief in die Zellen hinein. Dort gibt es genug Luftblasen. Dafür gibt es mehrere Strategien:

  • Den Akku laden, ggf. sogar mit relativ hoher Spannung (14,5 V oder so – siehe Datenblatt!). Die Zellen sollen jetzt gasen in der Hoffnung, das so die Schwefelsäuere in Bewegung kommt.
  • Schlicht ein paar Tage warten und hoffen, dass etwas passiert.
  • Die Luft aktiv aus den einzelnen Zellen heraussaugen, mit einer Vakuumpumpe. Das geht bei den runden Deckeln am einfachsten. Unter den großen Deckeln gibt es oft Kanäle, die man z.B. mit Heißkleber verschließen kann.

Jedenfalls sollte der Säuerespiegel etwas sinken.

In diesem Zustand darf man die Akkus nur aufrecht betreiben. Es ist sinnvoll, die überschüssige Flüssigkeit mit der Spritze abzusaugen. Damit kann man dann gleich den nächsten Akku nachfüllen.

Egal, was man tut: So gut wie neu werden die Akkus nicht mehr. Mir liefen beispielsweise zwei 26-Ah-Akkus zu, die nach dem Nachfüllen deutlich an Kapazität gewannen und jetzt etwa die halbe Sollkapazität haben – das ist schon mal ein Wort. Laut meinem Solarladeregler (das wird noch eigenes Kapitel) kann ich aber nur grob zwei Drittel der Ladeleistung auch wieder herausholen. Das liegt sicher teilweise daran, dass die Ladespannung höher ist als die Entladespannung. Ich weiß auch nicht, wieder Laderegler seinen eigenen Strombedarf verrechnet. Vielleicht untersuche ich das irgendwann nochmal genauer. An der Selbstentladung liegt es jedenfalls nicht.

Konkretes Beispiel: 12 V/7 Ah

Diese Größe ist wohl die am meisten verbreitete. In vielen USVs sind 1-4 Stück eingebaut, auch in Alarmanlagen sind sie häufig eingesetzt. Bei mir landen davon fünfmal so viele wie von allen anderen Bauformen zusammen. Deshalb habe ich hier die meiste Erfahrung.

Als erstes lade ich diese Akkus auf etwa 14.2 V auf, wobel ich den Ladestrom auf 500 mA begrenze. Mit einem Experiementiernetzteil geht das zwanglos. Dann warte ich, bis der Ladestrom auf weniger als 100 mA gesunken ist. Dann schließe ich, mit Messstrippen, ein Voltmeter an. Schließlich verbinde ich die Pole mit einem 10-Ω-Leistungswiderstand (5 W) und beobachte die Batteriespannung. Häufig sinkt sie innerhalb von Sekunden auf unter 10 V ab. So sind die Akkus nicht zu gebrauchen.

Anschließend fülle ich die Akkus nach und lade sie, wie oben, noch ein paar Stunden. Vor dem folgenden Test sollen sie etwas Zeit haben, um sich zu regenerieren. Dann messe ich wieder, genau wie oben. In den vielleicht 10 s, bis der Widerstand zu warm wird, um ihn in der Hand zu halten, sinkt die Spannung nur noch um 200 oder 300 mV ab. Erfolg!

10 ml pro Zelle gingen hier immer rein. Typisch fülle ich 15 ml nach, ohne die wieder abgezogenen Flüssigkeit. Ich weiß nicht, ob das der Verlust ist. Vermutlich fülle ich mehr als den Verlust nach. Zumindest auf der Seite liegend sollte man sie nach meiner Behandlung noch betreiben können.

Natürlich sollte man prüfen, wie viel Kapazität noch in der Praxis verfügbar ist. Aber 10 min Arbeit kann man hier doch gut investieren.

Blei-Akkus zusammenschalten

Im Prinzip kann man Blei-Akkus gut zusammenschalten – sowohl in Serie als auch parallel. Kauft man neue Akkus gleichzeitig, vom gleichen Hersteller und Typ, ist das wirklich problemlos. Nur wenn man sie sehr weit entlädt, kann vor allem die Serienschaltung problematich werden: Der schwächste Akku wird am tiefsten entladen, nutzt sich am stärksten ab und verstärkt so die Unterschiede noch mehr.

Das Aufladen ist problemlos: Oberhalb vom 13 V beginnen die Akkus mehr oder weniger stark zu gasen. Leicht unterschiedliche Selbstentladungen werden so ausgeglichen.

Ausgesprochen hilfreich ist hier ein Zangen-Amperemeter. Damit kann man in jedem Betriebszustand die Strome leicht und beeinflussungsfrei messen. Das sagt häufig mehr als das Messen der Spannungen. Speziell wenn man gebrauchte Akkus zusammenschaltet, halte ich ein Zangenamperemeter für unverzichtbar.

Welche Systemspannung wählen?

Auf den ersten Blick sind 12 V Systemspannung am einfachsten. Diese Spannung hat aber einige Nachteile:

  • Das System wird recht niederohmig und man kann sich kaum Spannungsabfälle zu den Verbrauchern leisten. Man muss also mit dicken, kurzen Strippen arbeiten.
  • In vielen Einsatzfällen kann man die Batteriekapazität nicht voll nutzen, weil bei höheren Lastströmen die Batteriespannung in die Knie geht.
  • Jede Sicherung erzeugt schnell 200 mV Spannungsabfall und oft muss man zwischen Batterie und Verbraucher wenigstens zwei Sicherungen in Serie schalten. So ist schnell ein halbes Volt oder mehr weg, wenn man es am wenigsten brauchen kann: beim Senden

In vielen Fällen sind 24 V eine sinnvolle Alternative:

  • Für 24 V gibt es viele Geräte, weil LKW und Busse meist mit 24 V Bordspannung arbeiten. Bessere Solarladeregler für Inselnetze schalten automatisch um.
  • Man kommt bei gleichen Verlusten mit einem Viertel des Kupfers aus.
  • Spannungswandler von 24 V auf 12 V gibt es ausgesprochen preiswert und mit hohem Wirkungsgrad.
  • Der Spannungswandler kann gleich die Funktion des Batteriewächters übernehmen. Verwendet man mehrere Spannungswandler, kann man ihre Abschaltspannungen etwas staffeln und so dafür sorgen, dass die weniger wichtigen Geräte früher abgeschaltet werden.
  • Wenn man diese Spannungswandler unmittelbar am Verbraucher unterbringt, erhält der Verbraucher eine ausgesprochen steife Betriebsspannung mit dem optimalen Wert, also beispielsweise 13,8 V.

Es gibt Einsatzfälle, in denen man noch höher gehen sollte: Gebrauchte USVs im kW-Bereich arbeiten häufig mit 36 oder 48 V. In Rechenzentren speist man Rechner gerne mit -48 V; entsprechende Netzteile tauchen auch auf dem Gebrauchtmarkt auf. Wer ein größeres LAN betreibt und dort Geräte über das Netzwerkkabel mit Strom versorgt (Power over Ethernet, PoE), kann die unstabilisierten 48 V direkt für normgerechtes PoE nutzen.

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Alexander von Obert * http://www.dl4no.de/thema/vomumgan.htm
Letzte Änderung: 11.10./09.11.18 (Erstfassung)


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