Individuell angepasste Energiekonzepte spielen eine zentrale Rolle in einer auf Nachhaltigkeit ausgerichteten Produktentwicklung, besonders im Hinblick auf den sogenannten ökologischen Fußabdruck der Produkte. Auch EU-weite Richtlinien und Regulierungen, wie die neue EU-Batterierichtlinie, beeinflussen mit ihren Vorgaben das Design der Produkte beeinflussen, da beispielsweise Hersteller ihre Endgeräte so entwerfen müssen, dass Altbatterien problemlos vom Endverbraucher entnommen und der vorgeschriebenen Entsorgung zugeführt werden können. Auch für fest eingebaute Batterien muss nach der Geräterücknahme durch den Hersteller eine gesetzeskonforme Entsorgung möglich sein.

Tabelle 1: Genormte elektrochemische Systeme, Quelle: IEC 60086-1 [zum Vergrößern in das Bild klicken] Tabelle 2: Wirkungsgrad ( η ) am Beispiel der Duracell Ultra LR6 (AA) KNenn = 2 850 mAh an 43 Ω, (Mittelstrom 26 mA) bis 0,8 V [zum Vergrößern in das Bild klicken]

Sämtliche qualitativen Anforderungen an Design, Format und Leistung des Energiekonzeptes sollten schon während des Entwicklungsprozesses genau definiert werden. Nur so haben Hersteller die Möglichkeit leistungs- und konkurrenzfähige Produkte auf den Markt zu bringen, die eine optimale Leistung bei geringem Energiebedarf und niedrigen Gesamtkosten bieten.

Kritische Erfolgsfaktoren bei der Wahl des Energiekonzeptes

Idealerweise sollten Endgeräte bereits in der Entwicklungsphase so ausgelegt werden, dass möglichst viele verfügbare Batterie- bzw. Akkumulatorensysteme und -konzepte eingesetzt werden können, die die Geräteanforderungen optimal unterstützen. Auch darf die eigentliche Beschaffenheit des Energielieferanten das Gerätedesign an sich nicht negativ beeinflussen; Größe und Anpassbarkeit sind hier die entscheidenden Kriterien.

Zum Beispiel benötigen Endgeräte mit geringen Abmessungen, wie elektronische Geräte der neuen Generation, Batteriesysteme mit höchster Energiedichte und maximaler Spannung und Belastbarkeit pro Zelle. Lithium-Primärzellen repräsentieren den neusten Entwicklungsstand auf dem Gebiet der Primärbatterietechnologie und bieten zahlreiche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Alkali-Mangan-Batteriesystemen. Sie verfügen über eine hohe Energiedichte, hohe Pulsstrom-Belastbarkeit und extreme Temperaturbeständigkeit. Durch ihren geringen Platzbedarf und ihr geringes Gewicht sind die Zellen in der Lage besonders effizient ein Höchstmaß an Energie abzugeben und sind daher bestens für elektronische Geräte mit einem hohen Impulsstrombedarf und Anwendungen mit Dauerstrom- oder Speicher-Backup-Bedarf geeignet.

Eine Alternative zu Primärbatteriesystemen bieten wieder aufladbare (und sofort einsetzbare) Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Akkus, die zu den modernsten ladbaren Batteriesystemen gehören. Gegenüber herkömmlichen Nickel-Cadmium (NiCd)-Akkus bieten sie eine bis zu 40 Prozent längere Betriebszeit sowie eine höhere Energiedichte. Durch den Verzicht an Schwermetallen sind sie gemäß dem Stoffverbot der neuen EU-Batterierichtlinie eine umweltfreundliche Wahl.

Optimale Ausnutzung der Batterieleistung

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Art und Weise wie das zukünftige Gerät verwendet wird. Die nutzbare Kapazität bei Geräten variiert, je nachdem ob sie konstant, mehrere Stunden täglich oder nur einige Male im Monat im Einsatz sind. Bei einem Langzeiteinsatz ist die Lagerfähigkeit des Batteriesystems von besonderer Bedeutung. Genormte Alkaline Primärbatterien halten heutzutage etwa acht Jahre, neuartige Lithium Mangan-Dioxid-Systeme bereits zehn Jahre. Für eine relativ kurze Einsatzzeit mit häufig wiederkehrenden Nutzungsperioden sind aufladbare Systeme geeignet. Die Selbstentladung liegt hier bei etwa zwei Prozent pro Tag. Sonderbauformen haben geringere Lagerverluste. Hier müssen Hersteller eine Auswahl treffen zwischen den bevorzugten Merkmalen wie Anzahl der benötigten Lade-Zyklen, Eignung zur Schnell- oder Ultraschnellladung, mit dem Kompromiss, die Zyklenzahl eventuell erheblich zu reduzieren.

Um die Batterieleistung möglichst effizient und wirtschaftlich auszunutzen, sollte der nutzbare Spannungsbereich des Endgerätes optimal an die Kennlinie der Batterie angepasst sein. Da hoch-spezialisierte Produkte auf Grund von technischen Erfordernissen über einen sehr engen Spannungsbereich verfügen oder hohe Pulsströme abrufen, kann ein dediziertes Batterie-managementsystem helfen, eine längere Betriebszeit zu erzielen und Ressourcen zu schonen.

Hochspezialisierte Geräte haben oftmals widersprüchliche Anforderungen und Ansprüche, die durch eine einzelne Batterie nicht zu erfüllen sind. Eine geeignete Lösung sind Batteriepacks, die Batterien mit unterschiedlichen Entladekennlinien enthalten können. Besonders für Hochstromanwendungen sind optimierte Varianten im Markt verfügbar. Die Hochstrombatterien können durch einen geringeren Innenwiderstand die Entladekurve strecken und ein Mehrfaches an Servicezeit ermöglichen. Jedoch sollte die vorgegebene Entladeschlussspannung nicht unterschritten werden.

Spannung und Stromentnahme

Damit keine unerwünschten Nebeneffekte bzw. Störungen und Ausfälle des Endgerätes auftreten, sollte auch die maximale Leerlaufspannung einer Batterie (siehe Tabelle 1) bei der Auslegung der Geräteschaltung berücksichtigt werden.

Die Effizienz bzw. Kapazität der eingesetzten Batterie oder des Akkus steht im direkten Zusammenhang mit der Stromentnahme und Entladungsspannung. Dabei hat die Abschaltspannung im Gerät einen direkten Einfluss auf die entnehmbare Kapazität. Es gilt: je höher der Abschaltpunkt, desto geringer ist die Kapazitätsausbeute des Energieträgers (siehe Tabelle 2).

Fazit

Die Entwicklung energieeffizienter und nachhaltiger Produkte mit einem geringen ökologischen Fußabdruck wird heutzutage immer entscheidender. Nur so können Endgerätehersteller konkurrenzfähig bleiben. Deswegen ist es wichtig, schon in der Produktkonzeption Energiequellen zu wählen, die optimal an die spezifischen Leistungsanforderungen eines Gerätes angepasst sind. Markenhersteller von Batterien und Akkumulatoren wie Duracell können schon frühzeitig einen Mehrwert in der Entwicklungsphase liefern. Wie gut dies in der Praxis funktioniert, zeigen die Synergien von Duracell mit dem Mutterhaus Procter & Gamble. Dort sollen in den nächsten fünf Jahren 20 Milliarden Dollar Umsatz mit Produkten erwirtschaftet werden, die einen kleineren ökologischen Fußabdruck hinterlassen als die heutigen Produkte. Produkte, die diese Vorgaben erfüllen, werden als „Sustainable Innovation Product“ für den Verbraucher klar erkennbar gekennzeichnet. Duracell spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung dieser Produkte.

Autor: Markus Schubert, Sales Manager DACH, Duracell Professional Procter&Gamble GmbH