DESIGNCORNER, STROMVERSORGUNG

Nachhaltige, energieeffiziente Produktentwicklung mit Batterien

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 EndgerĂ€te so entwerfen mĂŒssen, dass Altbatterien problemlos vom Endverbraucher entnommen und der vorgeschriebenen Entsorgung zugefĂŒhrt werden können. Auch fĂŒr fest eingebaute Batterien muss nach der GerĂ€terĂŒcknahme durch den Hersteller eine gesetzeskonforme Entsorgung möglich sein.


Tabelle 1: Genormte elektrochemische Systeme, Quelle: IEC 60086-1 [zum VergrĂ¶ĂŸern 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 VergrĂ¶ĂŸern in das Bild klicken]

SÀmtliche qualitativen Anforderungen an Design, Format und Leistung des Energiekonzeptes sollten schon wÀhrend des Entwicklungsprozesses genau definiert werden. Nur so haben Hersteller die Möglichkeit leistungs- und konkurrenzfÀhige 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 EndgerĂ€te bereits in der Entwicklungsphase so ausgelegt werden, dass möglichst viele verfĂŒgbare Batterie- bzw. Akkumulatorensysteme und -konzepte eingesetzt werden können, die die GerĂ€teanforderungen optimal unterstĂŒtzen. Auch darf die eigentliche Beschaffenheit des Energielieferanten das GerĂ€tedesign an sich nicht negativ beeinflussen; GrĂ¶ĂŸe und Anpassbarkeit sind hier die entscheidenden Kriterien.

 

Zum Beispiel benötigen EndgerĂ€te mit geringen Abmessungen, wie elektronische GerĂ€te der neuen Generation, Batteriesysteme mit höchster Energiedichte und maximaler Spannung und Belastbarkeit pro Zelle. Lithium-PrimĂ€rzellen reprĂ€sentieren den neusten Entwicklungsstand auf dem Gebiet der PrimĂ€rbatterietechnologie und bieten zahlreiche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Alkali-Mangan-Batteriesystemen. Sie verfĂŒgen ĂŒber eine hohe Energiedichte, hohe Pulsstrom-Belastbarkeit und extreme TemperaturbestĂ€ndigkeit. 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 fĂŒr elektronische GerĂ€te mit einem hohen Impulsstrombedarf und Anwendungen mit Dauerstrom- oder Speicher-Backup-Bedarf geeignet.

 

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

 

Optimale Ausnutzung der Batterieleistung

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Art und Weise wie das zukĂŒnftige GerĂ€t verwendet wird. Die nutzbare KapazitĂ€t bei GerĂ€ten variiert, je nachdem ob sie konstant, mehrere Stunden tĂ€glich oder nur einige Male im Monat im Einsatz sind. Bei einem Langzeiteinsatz ist die LagerfĂ€higkeit des Batteriesystems von besonderer Bedeutung. Genormte Alkaline PrimĂ€rbatterien halten heutzutage etwa acht Jahre, neuartige Lithium Mangan-Dioxid-Systeme bereits zehn Jahre. FĂŒr eine relativ kurze Einsatzzeit mit hĂ€ufig wiederkehrenden Nutzungsperioden sind aufladbare Systeme geeignet. Die Selbstentladung liegt hier bei etwa zwei Prozent pro Tag. Sonderbauformen haben geringere Lagerverluste. Hier mĂŒssen 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 EndgerĂ€tes optimal an die Kennlinie der Batterie angepasst sein. Da hoch-spezialisierte Produkte auf Grund von technischen Erfordernissen ĂŒber einen sehr engen Spannungsbereich verfĂŒgen oder hohe Pulsströme abrufen, kann ein dediziertes Batterie-managementsystem helfen, eine lĂ€ngere Betriebszeit zu erzielen und Ressourcen zu schonen.

 

Hochspezialisierte GerĂ€te haben oftmals widersprĂŒchliche Anforderungen und AnsprĂŒche, die durch eine einzelne Batterie nicht zu erfĂŒllen sind. Eine geeignete Lösung sind Batteriepacks, die Batterien mit unterschiedlichen Entladekennlinien enthalten können. Besonders fĂŒr Hochstromanwendungen sind optimierte Varianten im Markt verfĂŒgbar. 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 unerwĂŒnschten Nebeneffekte bzw. Störungen und AusfĂ€lle des EndgerĂ€tes auftreten, sollte auch die maximale Leerlaufspannung einer Batterie (siehe Tabelle 1) bei der Auslegung der GerĂ€teschaltung berĂŒcksichtigt werden.

 

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

 

Fazit

Die Entwicklung energieeffizienter und nachhaltiger Produkte mit einem geringen ökologischen Fußabdruck wird heutzutage immer entscheidender. Nur so können EndgerĂ€tehersteller konkurrenzfĂ€hig bleiben. Deswegen ist es wichtig, schon in der Produktkonzeption Energiequellen zu wĂ€hlen, die optimal an die spezifischen Leistungsanforderungen eines GerĂ€tes angepasst sind. Markenhersteller von Batterien und Akkumulatoren wie Duracell können schon frĂŒhzeitig 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 nĂ€chsten fĂŒnf Jahren 20 Milliarden Dollar Umsatz mit Produkten erwirtschaftet werden, die einen kleineren ökologischen Fußabdruck hinterlassen als die heutigen Produkte. Produkte, die diese Vorgaben erfĂŒllen, werden als „Sustainable Innovation Product“ fĂŒr 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


 


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