VRLA-Batterien im Einsatz

VRLA-Batterien, also Blei-Säure-Akkus mit Überdruckventil, kommen in vielen industriellen Anwendungen zum Einsatz und bedürfen der richtigen Handhabung, um ihre Lebensdauer zu maximieren. (Bild: Yuasa)

Prinzipiell besteht eine Bleibatterie mit einer bestimmten Spannung und Kapazität aus in Reihe geschalteten Zellen mit einer Zellspannung von etwa 2 V. Allgemein gilt: je mehr Zellen, desto höher die Spannung, und je größer die Elektrodenflächen, desto höher die Kapazität. Zur einfachen Handhabung werden Batterien meist in 12-V-Blöcken mit sechs Zellen angeboten, es gibt sie aber auch als 6-V-Block, 4-V-Block und selbst als 2-V-Zelle. Vor allem im Industriebereich hat sich die sogenannte VRLA-Batterie (Valve Regulated Lead Acid Battery, ventilgeregelte verschlossene Blei-Säure-Batterie) als kosteneffektive und einfach herstellbare Variante etabliert. Sie ersetzt in vielen Bereichen offene Batteriesysteme. Für den mobilen Einsatz sind VRLA-Batterien wartungsfrei versiegelt und erfordern kein Nachfüllen. Ihr Elektrolyt ist eingedickt (Gel-Batterie) und ermöglicht einen Betrieb der Batterie auch in Seitenlage.

VRLA-Batterien
Bleibatterien zählen mit ihrer Kombination aus Blei und Bleioxid in einem Schwefelsäurebad zum erfolgreichsten Batterietyp. Yuasa bietet verschiedene Typen für zahlreiche Einsatzgebiete in der Industrie an. (Bild: Yuasa)

Was ist eine ventilgeregelte Bleibatterie (VRLA)

Eine ventilgeregelte Bleibatterie (Valve Regulated Lead Acid, VRLA) ist eine Bleibatterie, bei der der Elektrolyt immobilisiert wurde, um Wasserstoff und Sauerstoff zu rekombinieren. Sie hat eine versiegelte Konstruktion mit Druckentlastungsventilen, um das Entweichen von Gasen zu verhindern, daher auch der Name. Da sich der Elektrolyt nicht mehr in flüssigem Zustand befindet, weil er entweder mit Silikapulver zu einem Gel vermischt oder in einer fein strukturierten Glasmatte absorbiert wurde, können die entstehenden Gase keine Blasen bilden und an die Oberfläche des Elektrolyten aufsteigen. Stattdessen sind sie in der immobilisierten Matrix gefangen und werden durch das Druckgefälle, das beim Aufladen entsteht, gezwungen, zu den entgegengesetzten Polen zu wandern. In einer freien Flüssigkeit wäre dies unmöglich.

Wie lang ist die Gebrauchsdauer von Bleibatterien?

Die mögliche Gebrauchsdauer einer VRLA-Batterie unterscheidet sich nach ihrem Einsatzbereich – je nachdem, ob ihre Anwendung im Bereitschaftsbetrieb oder im zyklischen Betrieb erfolgt.

  • Im Bereitschaftsbetrieb ist die Gebrauchsdauer im Rahmen eines bestimmten Ladeprofils und einer definierten Umgebungstemperatur durch die Einklassifizierung des Herstellers in Eurobat-Klassen vorgegeben. Die Eingruppierung einer Batterie kann also zum Beispiel in die Eurobat-Klasse drei bis fünf Jahre oder zehn bis zwölf Jahre Gebrauchsdauer erfolgen. Im Normalfall hat die Batterie das Ende ihrer Gebrauchsdauer erreicht, wenn Sie nur noch 80 Prozent ihrer Nennkapazität besitzt. Die Gebrauchsdauer verkürzt sich jedoch unter anderem bei falscher Ladung oder wenn die Batterie höheren Temperaturen als vorgeschrieben ausgesetzt ist.
  • Im zyklischen Betrieb gibt der Hersteller an, wie viele Zyklen eine VRLA-Batterie bei einer bestimmten Entladetiefe erreichen kann. Je tiefer die Entladung ausfällt, desto geringer ist die Anzahl an Ladezyklen bis zum Ende der Gebrauchsdauer. Die Tiefe der Entladung wird in Prozent der pro Einsatzzyklus benötigten Kapazität angegeben. Mit Erreichen einer bestimmten Anzahl an Zyklen ist die Gebrauchsdauer einer zyklisch betriebenen Batterie folglich beendet. Wird eine Batterie also intensiv betrieben, kann dies schon nach einigen Monaten der Fall sein. Voraussetzung ist hier zudem das richtige Laden und die korrekte Handhabung der Batterie, ebenso darf sie nicht in teilentladenem Zustand belassen werden.

Ladeverfahren und Eigenheiten von ventilgeregelten Bleibatterien

Weil die Bleibatterie keinen Memory-Effekt hat, lässt sie sich unabhängig vom Entladezustand immer wieder aufladen. Die Elektroden bestehen aus Blei beziehungsweise Bleioxid, der Elektrolyt besteht aus verdünnter Schwefelsäure. Für eine optimale Gebrauchsdauer und bestmögliche Leistung der VRLA-Batterie ist das korrekte Aufladen maßgeblich. Beim Ladevorgang sollte immer eine konstante Spannung anliegen, aber auch die optimale Temperatur von 20 °C, ein Ladestrom von höchstens einem Viertel der Batteriekapazität sowie ein möglichst minimaler Oberwellenstrom sind wichtig. Grundsätzlich unterscheiden Fachleute zwischen zwei Ladeverfahren:

VRLA-Batterien
Die NP-Batterieserie von Yuasa kommt bevorzugt bei Standby-Anwendungen zum Einsatz, wo die Erhaltungsladung eine besondere Rolle spielt. (Bild: Yuasa)

Die Erhaltungsladung eignet sich bei Batterien für Stromausfälle (u.a. Brandmeldezentralen, Notbeleuchtung, USV). So benötigen etwa die Yuasa-NP-Batterietypen eine Erhaltungsladespannung von 2,275 V pro Zelle. Andere Baureihen können von diesen Werten abweichen.

Das zyklische Ladeverfahren empfiehlt sich, wenn die Batterien im Gebrauch ständig entladen und wieder neu geladen werden, etwa bei mobilen Geräten, Rollstühlen oder Golftrolleys. Die Ladespannung ist hierbei höher, sie sollte jedoch keinesfalls für unbegrenzte Zeit anliegen, da eine Überladung zur Zerstörung der Batterie führen kann.

VRLA-Batterien in Einsatz
In großen Energiespeichersystemen wie dem Kraftwerk Lerwick finden Bleibatterien von Yuasa zu Tausenden ihren Einsatz. (Bild: Yuasa)

Die Pflege von VRLA-Batterie in Kürze

Wird eine VRLA-Batterie (Valve Regulated Lead Acid Battery) idealerweise bei konstanter Spannung geladen, bei 20 °C betrieben und nicht tiefentladen, erreicht sie zuverlässig eine lange Gebrauchsdauer bei voller Kapazität und Zellspannung. Voll geladen, bei 20 °C  temperiert und trocken verpackt lassen sich Bleibatterien bis zu sechs Monate ohne Nachladen direkt verwenden. Bei längerer Einlagerungsdauer verhindert das Nachladen eine nachhaltige Schädigung der Batterie durch zu tiefe Selbstentladung.

Batterien, die sich für zyklische Ladung eignen, erreichen das Ende ihrer Gebrauchsdauer nach einer vorgegebenen Anzahl an Ladezyklen. Diese hängt von der Entladetiefe pro Zyklus ab – je tiefer die Entladung, desto niedriger die Anzahl der Ladezyklen bis zum Ende der Gebrauchsdauer.

 

Überladung

Für einen optimalen Ladevorgang sind Spannung, Stromstärke und Temperatur ausschlaggebend. Diese Größen stehen miteinander in Zusammenhang und jede einzelne kann eine Überladung verursachen. Eine überhöhte Ladespannung zwingt zu hohen Strom in die Batterie. Dieser wird als Wärme abgeführt und kann zu einem Gasaustritt durch das Sicherheitsventil führen. Innerhalb kürzester Zeit korrodiert das Material der positiven Platte und beschleunigt das Ende der Gebrauchsdauer der Batterie.

Unter diesen Bedingungen kann die im Inneren der Batterie erzeugte Wärme im Extremfall zu einem sogenannten Thermal Runaway aufgrund erhöhter elektrochemischer Reaktionstätigkeit führen: Die vermehrte Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklung läßt die Batterie anschwellen, bis sie irreparabel ausfällt – eine unerwünschte und potenziell gefährliche Situation.

 

Graph der entnehmbaren Kapazität einer VRLA-Batterie
Zellspannung und entnehmbare Ladungsmenge einer Batterie reduzieren sich bei tiefen Betriebstemperaturen signifikant. (Bild: Yuasa)

Was ist die empfohlene Betriebstemperatur für eine VRLA

Die empfohlene Betriebstemperatur für eine optimale Gebrauchsdauer der Batterie bei Erhaltungsladung beträgt 20 °C. Schon bei einer Temperatur von 25 °C erreicht die Batterie nur noch circa 70 Prozent ihrer ursprünglichen Gebrauchsdauer, bei 30 °C nur noch die Hälfte. Hohe Temperaturen verkürzen also die Lebensdauer der Batterien oft erheblich, wenngleich sie die Batterieleistung steigern. Tiefe Temperaturen hingegen tragen zu einer Verlängerung der Lebensdauer bei, wobei die Batterien dann nur eine eingeschränkte Kapazität aufweisen. Deshalb sollten Anwender und Entwickler gleichermaßen auf die optimale Gebrauchstemperatur achten und insbesondere Hitze vermeiden.

Betriebstemperatur einer VRLA-Batterien
Gebrauchsdauer und Anzahl von Ladezyklen der Batterie verringern sich bei erhöhter Betriebstemperatur deutlich. (Bild: Yuasa)

Wie erfolgt die richtige Lagerung einer VLRA-Batterie?

Generell lässt sich eine VRLA-Batterie in geladenem Zustand zwischen 12 und 18 Monate bei 20 °C lagern – allerdings nie in entladenem oder teils entladenem Zustand. Eine Batterie sollte komplett verpackt in einer trockenen, sauberen und kühlen Umgebung gelagert werden. Ab einer Lagerzeit von sechs Monaten oder mehr ist vor Inbetriebnahme eine Ergänzungsladung notwendig.

Die Zellspannung sollte niemals unter 2,10 V fallen. Belässt man eine Batterie über längere Zeit mit einer Spannung unterhalb dieses kritischen Werts, bilden sich Sulfatkristalle, wodurch der Innenwiderstand der Batterie hochohmig wird. Dieser Zustand blockiert bei Wiederverwendung das Aufladen und verhindert einen normalen Betrieb. Erkennen lässt sich eine mögliche Sulfatierung daran, dass die Leerlaufspannung einer Batterie niedriger als ihre Nennspannung ist.

Eine Wiederherstellung ist je nach Grad der Sulfatierung möglich durch die Aufladung bei einer höheren Spannung und einer Stromstärke, die maximal zehn Prozent ihrer Kapazität beträgt, für höchstens zwölf Stunden. Beim Laden mit erhöhter Spannung wird ein maximaler Ladestrom in die Batterie gepresst. Die Ladespannung verringert sich im Zuge ihrer Erholung auf ihren Normalwert. Die an einer sulfatierten Batterie angelegte Ladespannung übersteigt die eigentliche Empfehlung und ist nicht ungefährlich. Darum empfiehlt es sich, die Batterie während des Ladevorgangs ständig zu überwachen und bei Anzeichen übermäßiger Wärmeabgabe sofort vom Ladegerät zu trennen. Ist die Batterie zu stark sulfatiert und fließt trotz erhöhter Ladespannung kein nennenswerter Ladestrom, ist die Batterie nicht mehr regenerierbar und es bleibt nur der Ersatz.

Wie sollten VLRA-Batterien installiert werden?

Die Installation von VLRA-Batterien erfordert eine präzise Planung und sorgfältige Ausführung, um ihre optimale Leistung und Sicherheit zu gewährleisten. Zunächst sollten die Batterien auf einer stabilen, ebenen Fläche installiert werden, um mechanische Schäden zu vermeiden. Ein sicherer Stand verhindert das Kippen oder Umstürzen, was die Integrität der Batteriegehäuse beeinträchtigen könnte.

Ein entscheidender Aspekt bei der Installation ist die richtige Belüftung des Raumes. Obwohl VLRA-Batterien als wartungsfrei gelten, kann es bei Überladung zur Bildung von Wasserstoffgas kommen. Eine ausreichende Belüftung minimiert das Risiko einer Gasansammlung, die potenziell explosiv sein könnte. Daher sollten Batterien in gut belüfteten Räumen oder Gehäusen installiert werden, um eine sichere Betriebsumgebung zu gewährleisten.

Ein weiterer kritischer Punkt ist die korrekte Verkabelung. Es ist von essenzieller Bedeutung, hochwertige Kabel und Anschlüsse zu verwenden, um einen sicheren und effizienten Stromfluss zu gewährleisten. Es ist von entscheidender Bedeutung, die richtige Polarität einzuhalten, da ein falscher Anschluss zu Kurzschlüssen führen und die Batterien beschädigen kann. Die Klemmen sollten fest angezogen sein, um einen sicheren Kontakt zu gewährleisten, und regelmäßig auf Korrosion überprüft werden.

Bei der Installation mehrerer Batterien in Reihe oder parallel ist darauf zu achten, dass die Verbindungen korrekt und sicher sind, um eine gleichmäßige Ladung und Entladung zu gewährleisten. Ungleichmäßige Belastungen können die Lebensdauer der Batterien erheblich verkürzen. Es ist daher empfehlenswert, für die Verbindung geeignete Busbars oder Verbindungskabel zu verwenden, die für die erforderliche Stromstärke ausgelegt sind.

Abschließend ist ein geeigneter Installationsort zu wählen, der frei von Vibrationen und extremen Temperaturschwankungen ist. Vibrationen können interne Komponenten beschädigen, während Temperaturschwankungen die chemischen Prozesse in den Batterien beeinträchtigen können.

Was ist beim Betrieb von VLRA-Batterien zu beachten?

Das präzise Management des Betriebs von VLRA-Batterien ist von entscheidender Bedeutung, um ihre optimale Leistung und Langlebigkeit sicherzustellen. Die korrekte Lade- und Entladeprozedur unter Verwendung von Ladegeräten, die speziell für VLRA-Batterien entwickelt wurden, ist dabei von grundlegender Bedeutung. Solche Geräte verhindern wirksam Über- und Tiefentladung, die die Batterien dauerhaft schädigen können.

Eine Überladung ist unbedingt zu vermeiden, da sie zur Gasbildung und Druckerhöhung im Inneren der Batterie führt, was die Dichtungen beschädigen kann. Regelmäßige Überprüfungen der Ladespannung und des Ladestroms sind notwendig, um innerhalb der empfohlenen Spezifikationen zu bleiben.

Die Temperaturüberwachung während des Betriebs ist entscheidend. Optimal ist ein Temperaturbereich von 20 bis 25 Grad Celsius. Höhere Temperaturen beschleunigen die chemischen Reaktionen und verringern die Lebensdauer, während niedrigere Temperaturen die Kapazität und Effizienz beeinträchtigen. Ein kontrolliertes Umfeld ist daher von entscheidender Bedeutung.

Trotz ihrer wartungsfreien Eigenschaften sollten VLRA-Batterien regelmäßig auf äußere Schäden, Korrosion und Verschleiß überprüft werden. Die Anschlüsse müssen sauber und fest sein, um optimale Leitfähigkeit zu gewährleisten. Ablagerungen oder Korrosion sind umgehend zu entfernen.

Regelmäßige Kapazitätstests erlauben die Überwachung der Leistung der Batterien und dienen der frühzeitigen Erkennung von Anzeichen von Alterung oder Verschlechterung. Solche Tests sind von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die Batterien die erforderliche Leistung liefern.

Ein konstanter Lastbetrieb ist ebenfalls von Bedeutung. Plötzliche oder extreme Lastwechsel belasten die Batterie und verkürzen ihre Lebensdauer. Ein durchdachtes Lastmanagement gewährleistet eine gleichmäßige Entladung der Batterien, wodurch deren konstante Leistung über die Zeit sichergestellt wird. Dies gewährleistet die Zuverlässigkeit der Batterie als Energiequelle für kritische Anwendungen.

Welche Sicherheitsaspekte sind bei VLRA-Batterien zu beachten?

Die Sicherheit im Umgang mit VLRA-Batterien stellt ein essenzielles Element dar, um Unfälle und Schäden zu vermeiden. Ein Kurzschluss kann gravierende Folgen haben, da er nicht nur die Batterie selbst, sondern auch Funken und Brände verursachen kann. Aus diesem Grund ist es von grundlegender Bedeutung, dass die Batterieanschlüsse stets korrekt isoliert sind und keine leitenden Materialien enthalten.

Ein weiterer Sicherheitsaspekt ist die ordnungsgemäße Entsorgung von alten oder beschädigten Batterien. VLRA-Batterien enthalten gefährliche Stoffe und müssen gemäß den lokalen Vorschriften für Sondermüll entsorgt werden. Sie dürfen keinesfalls im Hausmüll landen. Viele Gemeinden und spezialisierte Recyclingbetriebe bieten Sammelstellen für die fachgerechte Entsorgung von Batterien an.
Die Überwachung der Batterietemperatur während des Betriebs ist ebenfalls wichtig. Eine Überhitzung der Batterie kann zu deren Beschädigung und in extremen Fällen zu Bränden führen. Bei Anzeichen von Überhitzung müssen die Batterien sofort vom Ladegerät getrennt und in einem sicheren Bereich abgekühlt werden. In diesem Zusammenhang spielt die Belüftung eine entscheidende Rolle. Ein gut belüfteter Raum verhindert die Ansammlung von potenziell explosivem Wasserstoffgas, das bei Überladung freigesetzt werden kann.

Ein weiteres Sicherheitsrisiko besteht bei der Installation und dem Betrieb mehrerer Batterien in einem System. Es ist von essentieller Bedeutung, dass alle Verbindungen sicher und korrekt ausgeführt sind, um elektrische Störungen und mögliche Kurzschlüsse zu vermeiden. Bei der Installation sollten die Batterien auf mechanische Schäden überprüft werden.

Was ist bei Notfällen mit VLRA-Batterien zu tun?

Im Notfall bei VLRA-Batterien ist schnelles Handeln entscheidend. Bei einem Säureaustritt sofort die betroffenen Stellen mit viel Wasser spülen und ärztliche Hilfe suchen. Bei Überhitzung die Batterie vom Ladegerät trennen und an einen sicheren Ort bringen, um abzukühlen. Brände sollten mit CO2- oder ABC-Pulverlöschern bekämpft werden, niemals mit Wasser. Den Raum evakuieren und die Feuerwehr alarmieren.

Wenn Gasbildung vermutet wird, den Raum sofort lüften und Funken oder offene Flammen vermeiden. Bei mechanischen Schäden die Batterie außer Betrieb nehmen und auf Risse oder Undichtigkeiten prüfen. Beschädigte Batterien gemäß den lokalen Vorschriften entsorgen. Regelmäßige Notfallübungen und Schulungen für das Personal erhöhen die Sicherheit und gewährleisten eine schnelle Reaktion im Ernstfall.

Raphael Eckert

ist Group Sales Manager bei Yuasa Battery (Europe) in Düsseldorf.

(jwa)

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