Kleine Batteriekunde: Blei vs LI

„Die Zukunft gehört dem, der als erster die Kraft der Sonne in den Tank packt, mit Wasserstoff überholt oder CO2-frei vorankommt.“
(Horst Köhler, 14. Januar 2010, damals noch Bundespräsident)

Für jemanden, der nicht aus der Elektrobranche kommt, ist es oft nicht einfach, dass ganze Fachchinesisch zu verstehen. Hat man die Grundlagen einmal verstanden, ist es sehr hilfreich kein Fachmann zu sein, will man sein Wissen weitergeben. In diesem Artikel geht es also nicht um die Feinheiten der unterschiedlichen Technologien, sondern er soll vielmehr ein Ratgeber sein und einen ersten verständlichen Einblick verschaffen. Die Elektromobilität hängt am Faden der Batterietechnik. Lithiumbatterien als Energiespender sind in letzter Zeit in aller Munde. Aber was ist an dieser Batterieart so besonders und ist sie wirklich so teuer und was rechtfertigt den Preis?

Für Nicht-Experten
Wir nehmen zwei Wasserkanister mit je 50 Liter Fassungsvermögen. In einem versenken wir einen Schwamm, der 25 Liter Wasser aufsaugen kann. Der andere bleibt wie er ist. Wir füllen beide mit Wasser. Der Kanister ohne Schwamm ist schnell befüllt, der mit Schwamm braucht länger um die 50 Liter komplett aufzunehmen, weil der Schwamm das Wasser nicht so schnell aufsaugt. Beim Ausgießen des Wassers ist es genauso.

Der Kanister ohne Schwamm ist unsere Lithium Batterie, wir können bis zum Schluss das Wasser mit hoher Geschwindigkeit entnehmen und direkt wieder befüllen. Dabei ist es egal, ob der Kanister halb voll oder fast leer ist. So ist es auch mit dem Strom aus der Lithium Batterie.

Der Kanister mit Schwamm ist unsere Blei Batterie. Wir können ohne Problem die ersten 25 Liter ausgießen. Danach wird es schwieriger, weil der Schwamm das Wasser nicht so schnell freigibt. Eine komplette Entleerung ist wahrscheinlich nur mit Auspressen des Schwammes möglich. Haben wir beispielsweise 40 Liter entnommen und füllen nicht sofort wieder nach, trocknet die obere Hälfte des Schwammes – immerhin 15 Liter – aus. Dass sind 30 Prozent der Gesamtkapazität, und je länger Schwamm austrocknet, umso schwieriger wird das Befüllen. Es kann so weit gehen, dass der Schwamm kein Wasser mehr aufnimmt und wir haben 50 Prozent an Kapazität verloren. Bei den Blei Batterien nennt man das Sulfatierung. Dabei schließen sich an der Oberfläche der Elektroden die Bleisulfat-Kristalle zu grobkörnigeren Ablagerungen zusammen. Leistungsverlust ist die Folge; im schlimmsten Fall wird die Batterie zerstört. Allerdings nimmt eine entladene Blei Batterie keinen Schaden, wenn man sie sofort wieder auflädt. Die Lithium Batterie dagegen ist zerstört, wenn sie einmal komplett entladen wird, was aber eine eingebaute Software verhindert.

Will ich allerdings 50 Liter Wasser immer schnell zur Verfügung haben, und auch schnell wieder nachfüllen können, nehme ich entweder zwei Kanister (Blei Batterien) mit Schwamm oder einen Kanister (Lithium Batterie) ohne Schwamm. Ergo brauche ich bei 50 Prozent Entladetiefe bei gleicher Leistungsentnahme zwei Blei- oder eine Lithium-Batterie.

Hier muss dann jeder für sich selbst rechnen: Die Angaben der Hersteller und die Informationen auf den unterschiedlichen Internetportalen schwanken bezüglich Preis und Lebenserwartung schon erheblich. Die Preisangaben sind sehr unterschiedlich: So kann eine Lithium Batterien je nach Typ und Ausführung bis zu fünfmal teurer sein als ein vergleichbarer Blei Akku. Oder anderes ausgedrückt: Für einen Elektro-Niederhubwagen mit LI-Batterie kann ich zwei Hubwagen mit Blei-Batterien kaufen. Dafür ist das Gewicht des Lithium Akkus bis zu 70 Prozent geringer und die Ladezyklen können mehr als das Dreifache betragen.

Der Einsatz entscheidet

Klar ist, dass den Lithium-Ionen-Batteriesystemen die Zukunft gehört. Denn nur diese leichten und leistungsstarken Akkumulatoren bringen die globale Elektromobilität nach vorne. Wer allerdings einen Elektrohubwagen oder einen Elektrostapler für seine tägliche Arbeit braucht, ist momentan noch gut beraten eine vernünftige Kosten-Nutzen-Analyse für seine Einsatzbedingungen zu erstellen. Wer seine Flurförderzeuge nur hin und wieder benutzt oder im Einschichtbetrieb seine Gabelstapler betreibt, ohne diese stets an ihrer Leistungsgrenze zu fahren, ist oft mit der guten alten Blei-Säure-Batterie (PbA) gut bedient. Sie ist ein preiswertes Massenprodukt mit etablierter Technik, besitzt einen relativ hohen Wirkungsgrad ohne Memory-Effekt und lässt sich gut recyceln. Hinzu kommt, dass ihr höheres Gewicht beim Einbau in Gabelstaplern kein Nachteil ist: Es wird einfach als Kontergewicht genutzt. Die Nachteile sind eine geringe Energiedichte und das schnelle Degradieren bei mehrmaliger Tiefentladung, eine begrenzte Zyklenzahl (Wiederaufladungen), eine hohe Wartungsintensität und Temperaturempfindlichkeit sowie die Umweltschädlichkeit durch das Blei. Allerdings können mit modernen Batteriemanagement-Systemen (BMS), wie sie in vielen Staplern zum Einsatz kommen, viele Schäden wie die schädlichen Tiefenentladungen vermieden werden.

Die Ergebnisse der Lithium-Ionen-Batterien in puncto Energie- und Leistungsdichte sind momentan unschlagbar und insbesondere im Mehrschichtbetrieb oder in harten Einsätzen eine zu kalkulierende Alternative. Durch ihre ausgezeichneten Leistungsverhältnisse können die Stapler länger arbeiten und die Batterien sind schneller wieder aufgeladen. Und wo man eventuell früher zwei Stapler brauchte, reicht vielleicht jetzt einer mit einem Lithium-Ionen-Wechsel-Akku. Die Batterie ist aufgrund ihres geringen Gewichtes schnell ausgetauscht. Im Allgemeinen hilft der spitze Bleistift beim Errechnen des Return on Investment: Denn ein Stapler im sieben Tage, 24 Stunden Einsatz kommt natürlich auch schneller an seine Verschleißgrenzen – egal wie gut die Batterie ist – und steht dann aufgrund von nötigen Reparaturen plötzlich still. Sicherlich sieht das bei Flotten schon wieder ganz anders aus. Hier ist guter Rat gefragt. Den gibt es bei guten Gabelstaplerlieferanten, die sich mittlerweile auch auf diesem Gebiet bestens auskennen.

So wie das höhere Gewicht des Blei-Akkus bei Gegengewichtsstaplern eher eine untergeordnete Rolle spielt und sogar vorteilhaft genutzt werden kann, bringt das geringere Gewicht der Lithium Ionen Batterie von nur rund 30 Prozent des Blei-Akkus bei Niederhubwagen wiederum Vorteile: Zum Beispiel wenn die Hubwagen auf LKW oder Transportern mitgeführt werden, kann die Zuladung erhöht werden und das Handling gestaltet sich einfacher. Diese Art der Für und Wider müssen gesammelt und gegenüber gestellt werden. Nur so kann man zu einer wirtschaftlichen Entscheidung kommen.

In der LI-Technik heute noch nicht alle Fragen und Probleme geklärt: Wie sieht es mit der Entsorgung der Lithium Ionen Batterie aus? Da gibt es noch keine allgemein tauglichen Konzepte. Das Gefahrenpotential durch Unfälle ist bei den Lithium Ionen Batterien in Elektroautos noch sehr hoch, da die Batterien ungeschützter verbaut sind als in Flurförderzeugen, wo sie meist in Stahlgehäusen stecken. Eine durch Fremdeinwirkung beschädigte Lithium Ionen Batterie muss wegen der hohen Selbstentzündungsgefahr fachmännisch entsorgt und behandelt werden.

TIPP

Mieten statt sofort kaufen. Wer sich nicht sicher ist, kann die benötigte Lagertechnik oder die Gabelstapler mit Lithium Ionen Batterien mieten. So lernen Anwender und Eigentümer die Technik kennen, ohne selbst die höheren Kosten und das Risiko voll tragen zu müssen.

Kein Zurück?
Dies ist gewiss: Die Überlegung ob Blei oder Lithium wie sie sich jetzt noch aktuell darstellen lässt, wird es mittelfristig so nicht mehr geben. Hier haben wir eine alte Technik, die immer wieder aufgepimpt wird, dort den Energiespeicher der Zukunft, der es bis dato noch nicht zur vollen Serienreife gebracht hat. Die Lithium Technik findet sich überall: in Autos, Handys, Computern, Werkzeugen, E-Bikes und verbessert sich Tag um Tag, Monat um Monat. Und auch die Logistik 4.0 wird ohne die neue Energiespeichertechnik nicht die Fahrt aufnehmen, die ihr prognostiziert ist. Aber warten wir es ab, den Totgesagte leben bekanntlich länger.

Ihr unter Strom stehender
Manfred Suthues