Autonomie und Batterien

BETRIEBSARTEN DER SICHERHEITSLEUCHTEN

DAUERSCHALTUNG (MAINTAINED MODE)

In dieser Betriebsart leuchten die Sicherheitsleuchten im Normalbetrieb ständig (Versorgung aus dem Stromnetz). Bei Ausfall der Netzversorgung schaltet die Leuchte automatisch auf die Ersatzstromquelle um, also auf ihre eigene Batterie oder eine Zentralbatterie.

BEREITSCHAFTSSCHALTUNG (NON-MAINTAINED MODE)

In dieser Betriebsart sind die Leuchten im Normalbetrieb ausgeschaltet. Sie leuchten erst bei Ausfall der Netzversorgung und schalten dann automatisch auf die Ersatzstromquelle um.

AUFBAU VON AKKUMULATOREN

In der Sicherheitsbeleuchtung werden normalerweise wiederaufladbare Batterien eingesetzt, die für die Stromversorgung bei einem Stromausfall oder einem unvorhergesehenen Notfall ausgelegt sind. Die Wahl des Batterietyps richtet sich nach den konkreten Anforderungen des Sicherheitsbeleuchtungssystems, beispielsweise der erwarteten Betriebsdauer, dem Wartungsaufwand und den Kosten.

Zu den am häufigsten in der Sicherheitsbeleuchtung eingesetzten Batterietypen gehören:

VRLA (ventilgeregelte Blei-Säure-Batterie; Valve-Regulated Lead-Acid).

LiFePO4 / LFP (Lithium-Eisenphosphat-Batterie).

NiCd (Nickel-Cadmium-Batterie).

NiMH (Nickel-Metallhydrid-Batterie).

VRLA, LiFePO4, NiCd und NiMH sind verschiedene wiederaufladbare Batterietechnologien für unterschiedliche Einsatzbereiche. Im Folgenden werden ihre wichtigsten Unterschiede erläutert.

AUFBAU VON AKKUMULATOREN 50

VRLA (VALVE-REGULATED LEAD-ACID)

Es gibt zwei Hauptarten von VRLA-Batterien:

ABSORBENT-GLASS-MAT-BATTERIEN (AGM)

AGM-Batterien sind VRLA-Batterien, bei denen ein Glasfaservlies den Elektrolyten, eine Mischung aus Schwefelsäure und Wasser, aufnimmt. Das Vlies ist zwischen den Bleiplatten fest zusammengedrückt, während ein Ventil den Druck in der Batterie reguliert. AGM-Batterien zeichnen sich durch eine vergleichsweise hohe Energiedichte, geringen Wartungsbedarf sowie Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen und Stöße aus. Sie werden häufig als Notstromversorgung und für Sicherheitsbeleuchtung sowie in Anlagen für erneuerbare Energien, in der Telekommunikation und in medizinischen Geräten eingesetzt.

GELBATTERIEN

Gelbatterien sind eine weitere VRLA-Bauart. Sie verwenden statt eines flüssigen Elektrolyten einen gelartigen Elektrolyten. Durch Zugabe von Siliziumdioxid wird der Elektrolyt zähflüssiger; dadurch werden Auslaufen und Verschütten verhindert. Gelbatterien sind für lange Lebensdauer, geringe Selbstentladung und hohe Toleranz gegenüber Tiefentladung bekannt. Typische Einsatzbereiche sind Notstromversorgung, Sicherheitsbeleuchtung, erneuerbare Energiesysteme, Schifffahrt und Mobilitätshilfen.

AGM- und Gelbatterien sind verschlossen, benötigen keine besondere Wartung und haben ähnliche Sicherheitseigenschaften, weshalb sie für den Einsatz in Innenräumen geeignet sind. Im Vergleich zu anderen Batterietypen (LiFePO4, NiMH) sind sie verhältnismäßig günstig. Sie haben jedoch eine kürzere Lebensdauer und eine geringere Energiedichte als LiFePO4-Batterien.

VRLA – VORTEILE

Wartungsfreiheit: VRLA-Batterien sind verschlossen und erfordern keine Wartung; daher eignen sie sich für Notstromversorgungen.

Geringer Lüftungsbedarf: VRLA-Batterien erzeugen im Normalbetrieb keine nennenswerten Gasmengen; daher ist keine spezielle Lüftung nötig.

Lange Lebensdauer: gewöhnlich etwa 5–10 Jahre, abhängig von Nutzung und Umgebungsbedingungen.

Mäßiger Betriebstemperaturbereich: 20 °C bis 25 °C.

Geringe Selbstentladung: VRLA-Batterien behalten ihre Ladung über längere Zeit, ohne erneut geladen werden zu müssen.

VRLA – NACHTEILE

Geringere Energiedichte: Im Vergleich zu anderen Batterietypen speichern VRLA-Batterien weniger Energie je Masse und Volumen (etwa 30–40 Wh/kg).

Empfindlichkeit gegen Überladung: Überladung kann die Batterie beschädigen, ihre Lebensdauer verkürzen oder zum Ausfall führen.

Begrenzte Entladetiefe: Zur Vermeidung von Schäden sollten VRLA-Batterien üblicherweise nicht über eine Entladetiefe von etwa 50 % hinaus entladen werden.

Empfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen: Obwohl die Batterien in einem breiten Temperaturbereich funktionieren, kann eine längere Belastung durch hohe Temperaturen ihre Lebensdauer verkürzen.

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LiFePO4 / LFP (LITHIUM-EISENPHOSPHAT)

LiFePO4 ist eine wiederaufladbare Batteriechemie mit Lithium und Eisenphosphat als Elektrodenmaterialien. LiFePO4-Batterien zeichnen sich durch hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und gute Sicherheitseigenschaften aus. Sie werden zunehmend in Elektrofahrzeugen, Energiespeichern für erneuerbare Energien und Notstromsystemen eingesetzt.

Im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien gelten LiFePO4-Batterien als sicherer, weil sie weniger zu thermischem Durchgehen (im Normalbetrieb keine Gasfreisetzung) und Überhitzung neigen. Sie haben außerdem eine längere Lebensdauer und vertragen mehr Lade- und Entladezyklen. Da sie keine giftigen Stoffe wie Kobalt enthalten, sind sie auch aus Umweltsicht vorteilhaft.

In der Sicherheitsbeleuchtung bieten LiFePO4-Batterien eine hohe Energiedichte bei kompakten Abmessungen und geringem Gewicht. Hinzu kommen lange Lebensdauer, geringer Wartungsbedarf und ein größerer Betriebstemperaturbereich von 20 °C bis 35 °C. Allerdings können sie teurer als VRLA- und NiCd-Batterien sein, was bei der Auswahl eine entscheidende Rolle spielen kann.

LiFePO4 / LFP – VORTEILE

Keine Gasentwicklung im Normalbetrieb: Systeme mit diesem Batterietyp benötigen keine besondere Batterieraumbelüftung wegen Gasentwicklung.

Hohe Energiedichte: Im Vergleich zu VRLA-Batterien kann LiFePO4 mehr Energie auf kleinerem Raum bereitstellen (etwa 90–120 Wh/kg) und eignet sich daher besonders für Sicherheitsbeleuchtungssysteme.

Lange Lebensdauer: Viele Lade- und Entladezyklen sind ohne wesentlichen Kapazitätsverlust möglich; das ermöglicht über viele Jahre eine zuverlässige Stromversorgung.

Schnelles Laden: Die Batterie kann nach einem Stromausfall rasch wieder geladen werden.

Geringe Toxizität: Keine gefährlichen Stoffe wie Blei oder Cadmium, daher umweltverträglicher.

Geringe Selbstentladung: Die Ladung bleibt lange erhalten; vorteilhaft für selten eingesetzte Sicherheitsbeleuchtung.

Stabile Chemie: Im Vergleich zu vielen anderen Lithium-Ionen-Batterien besteht eine geringere Neigung zum thermischen Durchgehen und zu vergleichbaren Sicherheitsproblemen.

LiFePO4 / LFP – NACHTEILE

Geringere Zellspannung: LiFePO4-Zellen haben eine niedrigere Spannung als bestimmte andere Lithium-Ionen-Zellen und eignen sich möglicherweise nicht für jede Anwendung.

Höhere Kosten: LiFePO4-Batterien sind im Allgemeinen teurer als andere Lithium-Ionen-Batterietypen.

Begrenzte Verfügbarkeit: Die Beschaffung kann schwieriger sein als bei verbreiteteren Lithium-Ionen-Technologien.

Besondere Ladetechnik: Geeignete Ladegeräte sind erforderlich; das kann Kosten und Komplexität der Sicherheitsbeleuchtungsanlage erhöhen.

Kälteempfindlichkeit: Bei sehr niedrigen Temperaturen kann die Leistung sinken, auch wenn die Batterien unter warmen Bedingungen gut funktionieren.

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NiCd (NICKEL-CADMIUM)

NiCd-Akkumulatoren verwenden Nickeloxidhydroxid und metallisches Cadmium als positive beziehungsweise negative Elektrodenmaterialien. Sie sind für Zuverlässigkeit, relativ hohe Energiedichte und Widerstandsfähigkeit gegen extreme Temperaturen bekannt. Daher werden sie in vielen Bereichen eingesetzt, etwa in der Sicherheitsbeleuchtung, in Elektrowerkzeugen und in der Luftfahrt.

Bei Sicherheitsbeleuchtung können NiCd-Batterien eine zuverlässige, kostengünstige Ersatzstromquelle bilden. Sie vertragen häufige Entlade- und Ladezyklen und sind damit für Leuchten geeignet, die oft geprüft und genutzt werden. Außerdem entladen sie sich vergleichsweise langsam selbst und können ihre Ladung länger als zahlreiche Alternativen halten.

Allerdings sind Nachteile zu berücksichtigen. Die Energiedichte ist geringer als bei manchen anderen Batterietypen, sodass für die gleiche gespeicherte Energie größere Abmessungen erforderlich sein können. NiCd-Batterien enthalten zudem giftiges Cadmium, das bei unsachgemäßer Entsorgung die Umwelt belastet. Das Ausgangshandbuch verweist auf Beschränkungen der EU-Batterierichtlinie 2006/66/EG, die im September 2006 in Kraft trat, und nennt Ausnahmen für Sicherheitsbeleuchtung und Sicherheitssysteme wie Alarmanlagen sowie bestimmte medizinische Geräte. Die Geltung dieser Bestimmungen ist anhand der aktuellen Rechtslage zu prüfen.

Aus diesen Gründen werden für Sicherheitsbeleuchtung teilweise andere Batterietechnologien wie VRLA, LiFePO4 oder NiMH bevorzugt.

NiCd – VORTEILE

Hohe Zuverlässigkeit und Robustheit: NiCd-Batterien halten schwierigen Einsatzbedingungen einschließlich niedriger Temperaturen stand und sind widerstandsfähig gegen mechanische Schäden.

Schnelles Laden: Ein wesentlicher Vorteil ist die Möglichkeit, sie rasch, häufig innerhalb einer Stunde, wieder aufzuladen; das ist bei zeitkritischen Anwendungen nützlich.

Gute Hochstromeigenschaften: Sie können hohe Ströme für Geräte mit großem Leistungsbedarf liefern, beispielsweise Elektrowerkzeuge und bestimmte Fahrzeuge.

Viele Lade- und Entladezyklen: Sie können Tausende von Zyklen ohne erhebliche Kapazitätseinbußen überstehen.

NiCd – NACHTEILE

Memory-Effekt: Bei unvollständiger Entladung vor dem Wiederaufladen kann die maximal nutzbare Kapazität sinken.

Toxizität: Cadmium ist ein giftiges Schwermetall und erschwert Entsorgung und Recycling; die Umweltbilanz ist daher ungünstig.

Regelmäßige Wartung: Zur Sicherung der Kapazität sind Wartung sowie wiederkehrende Entlade- und Ladezyklen notwendig.

Geringere Energiedichte: Bei gleicher Energiemenge ist eine größere Batterie erforderlich (etwa 40–60 Wh/kg).

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NiMH (NICKEL-METALLHYDRID)

NiMH-Batterien können wegen ihrer langen Lebensdauer, hohen Energiedichte und der Fähigkeit, hohe Entladeströme bereitzustellen, für die Sicherheitsbeleuchtung geeignet sein.

Selbstentladung: NiMH-Batterien haben eine höhere Selbstentladungsrate als viele andere Batterietypen. Bei Nichtgebrauch verlieren sie schneller Ladung und können deshalb für Sicherheitsbeleuchtungssysteme weniger geeignet sein.

Auch die Entladerate ist wichtig: Sicherheitsbeleuchtung benötigt oft kurzfristig hohe Ströme, um rasch helles Licht bereitzustellen. Daher sollte eine NiMH-Batterie mit hoher Entladerate gewählt werden, möglichst eine speziell für Geräte mit hohem Energiebedarf ausgelegte Ausführung.

Die richtige Pflege ist ebenfalls wichtig: Batterien sollten kühl und trocken gelagert und ihre Ladestände regelmäßig überprüft werden, damit sie im Notfall einsatzbereit sind. NiMH-Batterien sind wiederaufladbar und benötigen regelmäßige Wartung, um funktionsfähig zu bleiben.

NiMH – VORTEILE

Höhere Energiedichte: NiMH-Batterien speichern bei gleichem oder geringerem Volumen mehr Energie als NiCd-Batterien (etwa 60–120 Wh/kg).

Geringere Umweltbelastung: Sie enthalten kein giftiges Cadmium und sind daher unter Umweltgesichtspunkten günstiger und leichter zu recyceln.

Lange Lebensdauer: Obwohl die Zyklenzahl unter der von NiCd liegen kann, bieten NiMH-Batterien genügend Lade- und Entladezyklen für eine Sicherheitsbeleuchtung, die nicht dauerhaft in Betrieb ist.

Gute Eigenschaften bei niedrigeren Temperaturen: Sie funktionieren im Allgemeinen auch bei Kälte und eignen sich für Außenanlagen und kalte Umgebungen.

NiMH – NACHTEILE

Stärkerer Memory-Effekt als bei Lithium-Ionen-Batterien: Weniger ausgeprägt als bei NiCd, kann der Effekt bei unsachgemäßer Verwendung die Kapazität und Leistung mindern, wenn die Batterien nicht regelmäßig vollständig entladen werden.

Selbstentladung: Im Vergleich zu Lithium-Ionen- und NiCd-Batterien verlieren sie bei längeren Standzeiten schneller gespeicherte Energie.

Empfindlichkeit gegen Überladung: Überladung kann Lebensdauer und Leistung verringern. Geeignete Ladegeräte und Lademanagementsysteme sind wichtig.

Gefahr von Auslaufen und Schäden: Hohe Temperaturen können zum Austritt von Elektrolyt oder zu Zellschäden führen, wodurch Kurzschlüsse oder Schäden am Gerät entstehen können.

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SUPERKONDENSATOREN IN DER SICHERHEITSBELEUCHTUNG (SUPERCAPACITOR)

Superkondensatoren sind Energiespeicher, die Energie außerordentlich schnell aufnehmen und abgeben können. Sie werden häufig in Sicherheitsbeleuchtungsanlagen eingesetzt, weil sie bei Ausfall der regulären Stromversorgung eine zuverlässige Ersatzversorgung ermöglichen.

Gegenüber herkömmlichen Batterien besitzen Superkondensatoren mehrere Vorteile. Ihre Lebensdauer ist erheblich länger, sie können wesentlich schneller geladen und entladen werden und es besteht ein geringeres Risiko, dass sie im Laufe der Zeit auslaufen oder ausfallen. Da sie keine gefährlichen Chemikalien oder Schwermetalle enthalten, sind sie außerdem umweltfreundlicher.

Insgesamt können Superkondensatoren aufgrund ihrer Zuverlässigkeit, Robustheit und schnellen Ladefähigkeit eine ausgezeichnete Lösung für Sicherheitsbeleuchtungsanlagen sein.

Leuchten mit Superkondensatoren benötigen über einen Lebenszyklus von bis zu 15 Jahren oder länger praktisch keine Wartung. Je nach Hersteller decken sie einen großen Temperaturbereich von −40 °C bis +70 °C ab und sind daher auch für den Außenbereich geeignet, beispielsweise für Unterstände und Parkplätze.

Superkondensatoren bieten eine innovative Lösung zur Energieversorgung von Sicherheitsbeleuchtung. Sie verbinden Zuverlässigkeit mit der in Notfällen oft erforderlichen schnellen Reaktion. Trotz der Herausforderungen bei Energiedichte und Kosten können sie Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Sicherheitsbeleuchtungssystemen deutlich verbessern.

SUPERKONDENSATOREN – VORTEILE

Schnelles Laden und Entladen: Superkondensatoren können in äußerst kurzer Zeit Energie aufnehmen und abgeben. Dadurch lässt sich Sicherheitsbeleuchtung bei Stromausfall nahezu sofort aktivieren.

Lange Lebensdauer: Hunderttausende bis Millionen Lade- und Entladezyklen sind ohne erheblichen Kapazitätsverlust möglich. Das ist vorteilhaft für Sicherheitsbeleuchtung, die im Laufe ihrer Lebensdauer oft eingeschaltet wird.

Zuverlässigkeit in verschiedenen Umgebungen: Superkondensatoren sind widerstandsfähig gegen extreme Temperaturen und mechanische Beschädigung und funktionieren sowohl in Industrieanlagen als auch im Außenbereich zuverlässig.

SUPERKONDENSATOREN – NACHTEILE

Energiedichte: Ihre Energiedichte ist geringer als die von Batterien; für die gleiche gespeicherte Energie wird mehr Platz benötigt (etwa 5–10 Wh/kg).

Energiehaltung: Obwohl die Selbstentladung höher ist als bei Batterien, ermöglicht schnelles Wiederaufladen eine hohe Einsatzbereitschaft.

Kosten: Die Anfangsinvestition kann höher sein als bei herkömmlichen Batterien, was sich durch lange Lebensdauer und geringere Wartungskosten ausgleichen lässt.

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BERECHNUNG DER BATTERIERAUMBELÜFTUNG

Bei der Ladung, Erhaltungsladung und Überladung bilden alle Sekundärzellen und Batterien (ausgenommen gasdicht verschlossene Batterien und Batterien ohne wässrigen Elektrolyten, z. B. LiFePO4) durch die Elektrolyse des Wassers Gase.

Dabei werden Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) freigesetzt. Das entstehende Gasgemisch (Knallgas) kann eine explosionsfähige Atmosphäre bilden, wenn die Wasserstoffkonzentration in der Luft 4 Vol.-% überschreitet.

Zur Verhinderung einer explosionsfähigen Atmosphäre muss in Batterieräumen ein ausreichender Luftaustausch durch natürliche oder mechanische Lüftung gewährleistet sein. Die Bemessung der Lüftungsöffnungen und des erforderlichen Luftvolumenstroms erfolgt nach HRN EN IEC 62485-2.

Die Gasentwicklung gilt ungefähr eine Stunde nach dem Abschalten der Ladung als abgeschlossen.

Q = v × q × s × n × Igas × Crt × 10^-3 (m³/h).

Dabei gilt:

Q – erforderlicher Lüftungsvolumenstrom in m³/h.

v – erforderliche Verdünnung des Wasserstoffs.

q = 0,42 × 10^-3 m³/Ah – erzeugte Wasserstoffmenge bei 0 °C. Hinweis: Für Berechnungen bei 25 °C ist der q-Wert bei 0 °C mit dem Faktor 1,095 zu multiplizieren.

s = 5 – allgemeiner Sicherheitsfaktor.

n – Anzahl der 2-V-Zellen des Akkumulators (bei einer 216-V-Batterie: n = 108).

Igas – Gasungsstrom (für VRLA, ventilgeregelte Bleiakkumulatoren: 8 mA/Ah).

Crt – C10-Kapazität der Bleizellen (Ah), Uf = 1,80 V/Zelle bei 20 °C.

Da v × q × s = 0,05 m³/Ah gilt, lautet die vereinfachte Formel:

Q = 0,05 × n × Igas × Crt × 10^-3.

BERECHNUNG DER BATTERIERAUMBELÜFTUNG – BEISPIEL

In der Regel wird der erforderliche Luftvolumenstrom durch natürliche Lüftung sichergestellt. Ist dies nicht möglich, muss eine mechanische (erzwungene) Lüftung vorgesehen werden.

Batterieräume oder Batteriegehäuse mit natürlicher Lüftung benötigen eine Zuluft- und eine Abluftöffnung. Die erforderliche freie Mindestfläche der Öffnungen wird mit der vorgeschriebenen Formel berechnet.

Q – Lüftungsvolumenstrom (m³/h).

A – freie Querschnittsfläche der Zu- und Abluftöffnungen (cm²).

28 – Konstante zur Berechnung der natürlichen Lüftung.

A = 28 × Q.

BEISPIELRECHNUNG

Batteriesatz:

Geschlossene Batterieblöcke gemäß IEC 60896-21, IEC 60896-22 und HRN EN 62485-2.

Lebensdauer: mehr als 10 Jahre gemäß EUROBAT.

Ausführung gemäß HRN EN 50171 mit 25 % Kapazitätsreserve.

Auswahl für eine Mindestautonomie von 60 Minuten.

Batterietyp/Kapazität: 54 Ah.

Batterieart: hermetisch verschlossene, wartungsfreie ventilgeregelte Blei-Säure-Akkumulatoren (VRLA/AGM).

Gehäusematerial: Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS).

Innenwiderstand: 18 × 7,2 mΩ.

Spannung je Batterie: 12 V.

Kapazität je Batterie (bei 20 °C und 1,75 V je Zelle): 54 Ah.

Anzahl der Zellen: 108.

Gesamtzahl der Batterien: 18 Stück.

Q = 0,05 × n × Igas × Crt × 10^-3.

Q = 0,05 × 108 × 8 × 54 × 0,001 = 2,33 m³/h.

Aus diesen Daten ergibt sich der erforderliche Querschnitt der natürlichen Lüftung:

A = 28 × Q.

A = 28 × 2,33 = 65,30 cm².

BERECHNUNG DER BATTERIERAUMBELÜFTUNG 62