Was ist eine VRLA-Batterie?
Eine ventilgeregelte Bleibatterie (Valve Regulated Lead Acid, VRLA) ist einfach eine Bleisäurebatterie, bei der der Elektrolyt immobilisiert wurde, um Wasserstoff und Sauerstoff zu rekombinieren. Es handelt sich um eine abgedichtete Konstruktion mit Druckentlastungsventilen, die das Entweichen von Gasen verhindern, daher der Name.
Da sich der Elektrolyt nicht mehr in einem flüssigen Zustand befindet, weil er entweder mit Siliziumdioxidpulver 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.
In einer VRLA-Batterie wandert der am Pluspol produzierte Sauerstoff zum Minuspol, wo er zu Wasser reduziert wird.
- Überladungsreaktion an der positiven Platte: H2O = 2H+ + 2e- + 1/2O2
- Rekombination an der positiven Platte: 1/2O2 + Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2O
Die ersten VRLA-Batterien (Kieselgel) wurden in den 1930er Jahren von der Elektrotechnischen Fabrik Sonnenburg hergestellt und in den späten 1950er Jahren von Sonnenschein verbessert und auf den Markt gebracht, ebenfalls in Gelform.
Die AGM-Batterie kam Anfang der 1970er Jahre auf den Markt und wurde von der Gates Rubber Corporation erfunden. Es handelte sich um eine spiralförmig gewickelte Konstruktion, ähnlich einem Kondensator. In den 1980er Jahren wurde die bekannte Flachplattenkonstruktion von Chloride und Tungstone im Vereinigten Königreich eingeführt. Moderne VRLA-Batterien werden im Allgemeinen in Flachplatten-AGM- und Röhrenplatten-GEL-Batterien unterteilt, wobei die Röhrenplattenkonstruktion den Vorteil einer langen Zyklenlebensdauer und einer besseren Tiefzyklusbeständigkeit hat. Der AGM profitiert von höheren Entladungsraten und schnelleren Aufladezeiten. Da die Batterien den beim Aufladen entstehenden Sauerstoff und Wasserstoff speichern und rekombinieren, müssen sie während ihrer garantierten Lebensdauer nicht mit Wasser nachgefüllt werden.
Zu diesem Vorteil der Wartungsfreiheit kommt hinzu, dass die Batterie versiegelt werden kann, was die Freisetzung von brennbarem Wasserstoff verhindert. Weitere Vorteile, die sich aus der Immobilisierung des Elektrolyten ergeben, sind, dass die ätzende Säure nicht verschüttet wird oder ausläuft, was die Handhabung und den Transport sicherer macht. Diese Eigenschaften sind klare Vorteile für Unternehmen und Verbraucher und machen diese Technologie weitaus benutzerfreundlicher als geflutete Blei-Säure-Batterien. Im kommerziellen Betrieb können durch den Wegfall der Gasabsaugung Kosten gesenkt werden, und der verfügbare Lagerraum kann besser genutzt werden, da er auf der Seite liegend betrieben werden kann, was flexiblere Installationsmöglichkeiten bietet.
Angesichts dieser Vorteile ist es kaum verwunderlich, dass die Frage, was eine VRLA-Batterie ist, beantwortet wird und sie als das vielseitigste und benutzerfreundlichste Mitglied der Blei-Säure-Familie gilt. Dies spiegelt sich in den netzunabhängigen Anwendungen wider, bei denen diese Technologie einen erheblichen Marktanteil hat. In diesem Blog werden 25 solcher Anwendungen vorgestellt.
Die ersten zu untersuchenden Marktsektoren sind diejenigen, die mit der Freizeitindustrie verbunden sind: Marine, Camping, Golfwagen und Golfbuggys. Bei all diesen Anwendungen muss die Batterie tiefentladen werden. Obwohl die Anforderungen ähnlich sind, können die Größe der Lasten und das Betriebsverhalten sehr unterschiedlich sein. Ein typischer elektrischer Golf-Caddy würde eine 12-V-Kapazität von 18 bis 35 Ah verwenden und hauptsächlich im Sommer, wahrscheinlich alle zwei Wochen, eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu würde ein Golfbuggy, der Passagiere auf einem großen Nutzfahrzeug befördert, normalerweise eine 48-V-Konstruktion mit einer Gesamtkapazität von bis zu 200 Ah benötigen.
Sie werden täglich betrieben, wobei sie im Allgemeinen bis zu 80 % ihrer Nennkapazität entladen werden. Bei dieser Art von gewerblichem Betrieb wären die geringen Wartungskosten einer VRLA-Batterie von Vorteil. Auch die Zyklusdauer ist ein wichtiger Faktor: je länger sie ist, desto besser ist der RTI. In vielen Fällen wäre die Verwendung von 2-V-Gel-Röhrenzellen mit ihrer besseren Zyklenlebensdauer und Tiefentladungsfestigkeit wirtschaftlich sinnvoll.
Beim Camping und in Wohnmobilen werden Batterien für die Beleuchtung und kleine Geräte wie Fernseher oder Kühlschrank benötigt. Die Nutzung erfolgt unregelmäßig und mit Unterbrechungen, aber in der Regel in einem intensiven Zyklus. Das Fehlen von Wartung oder Gasproduktion beim Laden sowie die auslaufsichere Konstruktion und die sichere Handhabung machen VRLA-Batterien ideal für diese Situationen. Bei den Batterien handelt es sich ausnahmslos um Monoblock-Batterien für 12- oder 24-V-Systeme mit Kapazitäten von 85 bis 200 Ah. Diese Batterien werden normalerweise nicht täglich benutzt und werden in vielen Fällen durch lange Lagerung in entladenem oder halbentladenem Zustand beschädigt, insbesondere im Winter oder außerhalb der Saison.
Die Rubrik Schiffsanwendungen umfasst Anwendungen, die von einem Elektrokahn, der die Batterien als primäre Stromquelle nutzt, bis hin zur Unterstützung von Zusatzgeräten wie einem Navigationsgerät und Einrichtungen wie einem Kühlschrank, einem Fernseher oder einer Kabinenbeleuchtung reichen. Wenn die primäre Energiequelle dem Antrieb dient, ist eine lange, gleichmäßige Leistung mit gelegentlichen Spitzenwerten beim Beschleunigen oder Anfahren erforderlich.
Bei der Nebennutzung ist die Leistungsabgabe in der Regel geringer und variabler, da die Geräte ein- und ausgeschaltet werden. Im letzteren Fall werden die Batterien normalerweise vom Antriebsmotor während des Betriebs aufgeladen. Es gibt auch eine relativ neue Anforderung für die Schifffahrt, nämlich die für Trollingmotoren. Dabei handelt es sich um Elektromotoren und Propellereinheiten, die in der Lage sind, Fischerboote geräuschlos im Wasser voranzutreiben, ohne die nahe gelegenen Fischschwärme zu verscheuchen.
Die Anforderungen an Größe, Kapazität und Spannung für Schiffsanwendungen sind sehr unterschiedlich und müssen anhand des Nutzungsmusters und der zu versorgenden Geräte ermittelt werden. Elektroschiffe können zum Beispiel mit 110 V betrieben werden, die einen Elektromotor und alle Wohneinrichtungen an Bord versorgen. Häufig werden dazu 2-V-Gel-Röhrenzellen in einer Serien-Parallel-Konfiguration benötigt, um die für das elektrische System erforderliche Spannung, hohe Kapazität und Zyklenlebensdauer zu gewährleisten.
Bei der Versorgung von Zusatzgeräten wird meist eine Monoblockbauweise verwendet. Dabei handelt es sich um 12-V-Monoblöcke mit Kapazitäten von 80 bis 220 Ah. Für Trolling-Motoren wird jedoch in der Regel eine 12-Volt-Batterie mit 35 Ah verwendet.
Die nächste Kategorie, die es zu berücksichtigen gilt, ist die der unterbrechungsfreien Stromquelle(USV). Dabei muss die Batterie einen sehr kurzen Impuls mit hohem Strom liefern, um einen kurzzeitigen Leistungs- oder Spannungsabfall auszugleichen. Sie wird in der Regel bei Geräten wie Rundfunksendern oder Computern eingesetzt, um Unterbrechungen der Übertragungen oder den Verlust von Programmen und Daten zu verhindern. Zu dieser Kategorie gehören: Telefon-Notstromversorgung, Fernmeldetürme, kleine Kommunikationsanlagen, PC-Terminals, IKT, Serverräume, Datenzentren und industrielle Netzwerke auf Transformatorbasis. In diesen Fällen wird der Leistungsbedarf durch intermittierende, schnelle Stromstöße gedeckt.
Obwohl diese Entladungen häufig sind, handelt es sich dabei um oberflächliche Entladungen, und aufgrund der ständigen Wiederaufladung werden die Batterien nie tief entladen. Bei nicht-industrieller kommerzieller Nutzung können die Batterien aufgrund des Fehlens von Gas- und Säuredämpfen in Büro- und High-Tech-Umgebungen eingesetzt werden, in denen sich Personal und empfindliche elektronische Geräte befinden. Die geringeren Wartungskosten im Vergleich zu Flutbatterien sind ein weiterer wichtiger Vorteil.
Die Betriebsspannungen können sehr unterschiedlich sein, von der Versorgung eines einzelnen Heim-PCs bis zu einer industriellen 3-Phasen-Wechselstromversorgung von 440 V. Während die meisten Installationen 12-V-Monoblocks in Serien-/Parallelkonfigurationen verwenden, um die Anforderungen an die Anwendungsspannung und die Autonomie zu erfüllen, entscheiden sich größere Industrieanlagen häufig für eine 2-V-Röhrengel-Option. Die Kapazitäten können von 25 Ah für kleine Büro- oder Hausinstallationen bis zu 250 Ah für eine industrielle USV reichen. Für den Bereitschaftsstrombetrieb gelten andere Anforderungen als für die USV.
Dabei kann es sich um intermittierende oder regelmäßige Tiefentladungen mit vollständiger Wiederaufladung handeln, um entweder einen Notfall wie Notbeleuchtung, den Betrieb von tragbaren Testgeräten, die z. B. bei der Umweltüberwachung eingesetzt werden, oder tragbare Kommunikationsgeräte wie Walkie-Talkies für den militärischen Einsatz abzudecken. Sicherheitsalarmanlagen und -systeme, Büro- oder Telefon-Notstromversorgung haben ähnliche Nutzungsprofile, d. h. intermittierende Tiefentladung bis zu 80 % der Kapazität.
- Zu den Anwendungen, bei denen die Geräte regelmäßig zyklisch betrieben werden, gehören z. B. vorübergehende Verkehrssignalanlagen, mobile Beleuchtungsanlagen, Wohn- und Industriegebiete mit regelmäßigen Stromausfällen, Diesel-Hybrid- oder Solarstromanlagen. Für alle diese Maßnahmen gibt es festgelegte Betriebszeiten, und sie finden normalerweise täglich statt.
Es gibt keine ideale Batteriegröße oder -konfiguration, da es große Unterschiede bei der Leistungsaufnahme und den Betriebsspannungen gibt. Für größere Installationen sind 2V-Gel-Röhrenbatterien oft die beste Lösung, da sie Tiefentladungen standhalten und eine längere Lebensdauer haben. Bei kleineren oder weniger anspruchsvollen Einsätzen werden im Allgemeinen Blockbatterien bevorzugt, insbesondere wenn der Platz begrenzt ist. Die Größe einer Batterieanlage hängt von der Betriebsspannung, der Last und der Betriebsdauer der Geräte ab.
Nicht alle Marktsektoren lassen sich eindeutig in eine Kategorie einordnen. Viele Mobilfunktürme und andere Funkkommunikationssysteme nutzen Batterien entweder als Reserve oder als reguläre Stromquelle, je nach Qualität und Verfügbarkeit der örtlichen Stromversorgung (falls vorhanden). In beiden Fällen muss die Batterie höchstwahrscheinlich einen tiefen Ladezyklus aufweisen. Der gebräuchlichste Batterietyp ist der 12-V-Block aufgrund seiner hohen Leistungsdichte, seiner kompakten Abmessungen und seiner einfachen Montage. In einigen großen Hochspannungsanlagen sind 2-V-VRLA-Zellen, die an den Seiten montiert sind, die beste Lösung. Da die VRLA-Batterie wartungsfrei ist und keine Gase produziert, eignet sie sich ideal für abgelegene Standorte, insbesondere dort, wo die Batterien auf engem Raum installiert werden.
Die andere große Kategorie, die sich über mehrere Märkte erstreckt, ist die der Antriebsbatterie, die die primäre Quelle für die Antriebskraft eines beweglichen Geräts ist. Dies gilt für alle Fahrzeugkategorien, vom Gabelstapler bis zum Elektrofahrrad für den gewerblichen und privaten Gebrauch. In allen Fällen muss die Batterie tief entladen werden. Bei Gabelstaplern ist der Wegfall der Wartungskosten ein großer Vorteil. Der Nachteil ist jedoch, dass die Batterien länger zum Aufladen brauchen, teurer sind und nicht so tief entladen werden können wie ihre gefluteten Gegenstücke. Dies muss jedoch gegen die Kosten für geflutete Zellen abgewogen werden, zu denen auch die Rauchabsaugung gehört.
Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass beim Aufladen keine Säuredämpfe und Gase freigesetzt werden. In einem geschlossenen Lebensmittellager verbleiben trotz Abluftanlage einige Säuredämpfe aus dem Ladevorgang in der überfluteten Batterie, die während des Betriebs des Gabelstaplers entweichen und die gelagerten Lebensmittel verunreinigen können. Die ideale Batterie für diesen Markt, zu dem auch Elektrohubwagen gehören, ist die 2-V-Röhrenbatterie, die normalerweise in Serienkonfigurationen von 12 bis 80 V angeboten wird. Die Kapazität kann zwischen 25 Ah für einen Gabelhubwagen und 1.000 Ah für einen großen Gabelstapler mit hoher Tonnage liegen.
Die nicht-industrielle Nutzung umfasst Märkte wie Mobilitätsroller und Rollstühle für medizinische Zwecke. Es gibt einen kleinen Sektor, der Blei-Säure-Batterien für E-Bikes, Rikschas und kleine EV-Anwendungen verwendet, die als Nicht-Freizeitnutzung angesehen werden. All diese Anwendungen erfordern Batterien mit kompakter Bauweise und relativ hoher Energiedichte. Dies ist vor allem bei den Monoblock-Batterien der Fall.
Eine ungewöhnliche Verwendung für VRLA-Batterien ist das Anlassen von Motoren. Viele moderne Fahrzeuge verwenden jedoch die AGM-Versionen für genau diesen Zweck. Aufgrund des immobilisierten Elektrolyts ist es weniger anfällig für Störungen durch Elektrolytschichtung und Sulfatierung als geflutete Ausführungen. Sie eignet sich besonders für Fahrzeuge mit Start-Stopp-Automatik, bei denen die Lebensdauer einer überfluteten Batterie nur 6 Monate betragen kann. Da sie über eine hochverdichtete Glasmatte verfügt, die das aktive Material der Platten an Ort und Stelle hält, eignet sie sich sehr gut für Geländefahrzeuge, bei denen Stöße und Vibrationen die überfluteten Batterieplatten leicht beschädigen können.
Da sie mehr kostet als eine Flutbatterie, ist sie kein Standardbauteil in den meisten Serienfahrzeugen. Es ist jedoch eine natürliche Wahl für den Luxusfahrzeugmarkt, wo die hohe Startleistung, die längere Lebensdauer und die überlegene Kaltstartfähigkeit die geringen zusätzlichen Kosten wert sind.
U-Boote sind unter Wasser vollständig auf Batteriebetrieb angewiesen, da es keinen Sauerstoff zur Versorgung eines Verbrennungsmotors gibt. Die Größe der U-Boote reicht von kleinen Freizeit- und Forschungsbooten bis hin zu militärischen Unterwasserbooten mit einer Länge von rund 70 Metern und einem Gewicht von über 2.000 Tonnen. Militärische U-Boote haben traditionell sehr große geflutete Röhrenkonstruktionen mit etwa 2.000 Wh pro Zelle und bis zu 175 in Reihe geschalteten Zellen verwendet. Aus offensichtlichen Gründen ist es sehr wünschenswert, Batterien an Bord eines geschlossenen Fahrzeugs zu haben, die kein explosives Gas erzeugen. Im militärischen Einsatz werden die Batterien normalerweise von den Dieselmotoren geladen, wenn das Fahrzeug an der Oberfläche ist und ordnungsgemäß entlüftet wird.
Wenn jedoch die Wartung der Batterien unter sehr beengten und schwierigen Bedingungen entfällt, ist dies ein großer Vorteil. Da es sich um eine Tiefentladungsanwendung handelt und eine längere Zyklenlebensdauer weniger Ausfallzeiten beim Batteriewechsel bedeutet, sind 2-V-Gel-Röhrenzellen eine offensichtliche und fast obligatorische Wahl für diese Anwendung. In einem kleinen Forschungs- und Freizeitboot können dagegen Blockbatterien verwendet werden, um Platz zu sparen. Aufgrund der vielfältigen Ausführungen können Betriebsspannungen und Kapazitäten enorm variieren.
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