IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8/2004, Seite 120 ff.


WERKZEUGE


Ohne Netz und doppelten Knoten

Akku-Technik für Elektrowerkzeuge heute und morgen

Akkubetriebene Geräte machen immer dann Sinn, wenn ein Netzanschluss weit entfernt oder gar nicht vorhanden ist. Ein weiteres Kriterium ist der Umfang der Arbeiten. Für Serienmontagen von mehreren hundert Schrauben ist ein Akku-Schrauber kaum geeignet. Doch immer dann, wenn es darum geht, eine definierte und begrenzte Anzahl an Arbeitsgängen auszuführen, beispielsweise bei der Montage von Rohrtrassen oder Bohren von Dübellöchern, ist das Akku-Gerät erste Wahl.

Heute werden allein in Deutschland jedes Jahr eine Milliarde Batterien und Akkus verbraucht. In vielen Bereichen des täglichen Lebens und auch auf dem Werkzeugmarkt haben sich die akkubetriebenen Geräte ihr Feld erobert und sind ihren kabelgebundenen Verwandten in vielen Fällen nahezu ebenbürtig. Leistungsfähige Akku-Werkzeuge stehen heute für die unterschiedlichsten Anwendungen zur Verfügung. Die wichtigsten sind immer noch das Bohren und Schrauben. Ergänzt wird das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten mittlerweile durch Schlagschrauber, Hammerbohrer sowie Sägen oder Metall-Handkreissägen.

Flache Bauformen machen die Geräte handlicher. So lässt sich auch an engen Stellen noch gut arbeiten.

Blick ins Innere

Erreicht wird diese Vielseitigkeit durch eine ständig weiterentwickelte Akku-Technik einerseits und andererseits durch Maschinen, die immer besser auf den Einsatz von Akkus abgestimmt sind. Spezielle Motoren und effiziente Getriebetechnik reduzieren die Verluste in der Maschine und ermöglichen maximale Leistung bei der Arbeit.

Was ist heute Stand der Akku-Technik und welche Entwicklungen bietet die Zukunft? Der geläufige Begriff Akku steht eigentlich für Akkumulator, was nichts anderes ist als eine Batterie, die allerdings mehrmals wieder aufgeladen werden kann. Die heute verbreiteten Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd) waren über viele Jahre hinweg die einzigen verfügbaren Akkus für portable Geräte. Erst Anfang der neunziger Jahre kamen Akkus auf Lithiumionen-Basis und fast zeitgleich Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) auf den Markt, die sich jedoch im Werkzeugsektor bisher nicht nachhaltig durchsetzen konnten.

Elektronisch gesteuerte Ladegeräte unterstützen den Anwender beim optimalen Laden der Akkus. Dieses Schnellladegerät von AEG lädt Akkus von 7,2 bis 18 Volt und ist für NiCd- und NiMH-Akkus geeignet.

Lithiumionen-Akku

Mit Lithiumionen-Akkus können sehr hohe Kapazitäten realisiert werden. Mit einer Ladung könnte also länger gearbeitet werden. Zudem kennen sie keinen Memory-Effekt und bieten Vorteile bei gleichbleibenden, konstanten Entladeströmen, etwa in tragbaren Computern oder in Handys. Außerdem weisen sie nur eine sehr geringe Selbstentladung auf, was bei Geräten, die nur gelegentlich verwendet werden, von Vorteil wäre. Doch beim Einsatz in Werkzeugen ist von häufig und schnell wechselnden Belastungen auszugehen. Schon bei einem Akku-Schrauber können kurzzeitig Entladeströme von bis zu 60 Ampere auftreten, die diese Akkus noch nicht vertragen. Alle führenden Hersteller arbeiten an dieser Problematik, sodass in zwei bis drei Jahren auch leistungsfähigere Werkzeuge mit Lithiumionen-Akkus ausgerüstet sein könnten.

Selbstreinigende Kontakte sorgen für bessere Nutzung der Energie. Verdeckte Akku-Kontakte schützen vor Schmutz und Kurzschlüssen.

Nickel-Metallhydrid-Akku

Auch Nickel-Metallhydrid-Akkus können pro Ladung deutlich mehr Energie (bis zu 40 Prozent) speichern als ein NiCd-Akku. Dem stehen allerdings nur etwa 600 Lade- und Entladezyklen gegenüber. Ein NiCd-Akku kann dagegen bis zu 1500 mal wieder aufgeladen werden. Dadurch relativiert sich die bessere Umweltverträglichkeit der NiMH-Akkus. Zudem gibt es für NiCd-Akkus eine geregelte Entsorgung. Der verbrauchte Metallhydrid-Akku könnte jedoch auch im normalen Restmüll landen, was aber problematisch ist, da er zu großen Teilen das hochallergene Nickel enthält.

Kraftvolle Schlagschrauber werden überall dort für Schraubarbeiten eingesetzt, wo herkömmliche Akku-Schrauber nicht über genug Drehmoment verfügen. Aber auch dann, wenn die sonst mühselige Tätigkeit schneller und leichter von der Hand gehen soll, sind diese Geräte eine gute Wahl.

Leistungsfähigkeit

Entscheidend für die Funktionalität der akkubetriebenen Geräte ist die Leistungskraft der Akkus. Einst galt eine hohe Voltzahl als das Maß der Dinge. Mehr Volt bedeutete mehr Leistung, denn die Kapazität der Akkus war mit 1,2 Amperestunden (Ah) stets die gleiche. Mittlerweile gibt es aber auch NiCd-Akkus mit 1,4 Ah, 1,7 Ah oder gar 2,4 Ah. Für einen aussagekräftigen Vergleich ist die Voltzahl mit der Amperestunde zu multiplizieren. Das Ergebnis sind Wattstunden (Wh). Je mehr Wattstunden, umso größer ist der Energieinhalt und umso länger kann damit gearbeitet werden. Das gilt aber nur, wenn das Gerät selbst von der Qualität der Einzelkomponenten für einen dauerhaften Einsatz ausgelegt ist.

Vielseitigkeit ist Trumpf: Längst hat akkubetriebenes Werkzeug neben Schrauben und Bohren weitere Anwendungsfelder erobert. Diese kraftvolle Metallhandkreissäge durchtrennt unterschiedlichste Metalle. Die Leerlaufdrehzahl liegt bei 3200 U/min.

Um die Leistungsfähigkeit der Geräte weiter zu erhöhen, könnte es eine Überlegung sein, immer stärkere Akkus einzusetzen. So wird daran gearbeitet, chemische Zusammensetzungen zu entwickeln, die in der Lage sind, bei vergleichbarem Gewicht mehr Energie speichern zu können. Eine weitere Möglichkeit ist es, die heute verbreiteten NiCd-Akkus mit immer höherer Spannung auszustatten. Je mehr Spannung bei vergleichbarer Kapazität, umso länger ist die Standzeit und kann mit dem Werkzeug gearbeitet werden.

Temperatur und Selbstentladung

NiCd-Akkus verlieren beständig Kapazität, selbst dann, wenn sie nicht benutzt werden. Deshalb ist es besser, Akkus immer erst unmittelbar vor der Verwendung zu laden. Der Effekt der Selbstentladung kann vor allem bei hohen Temperaturen problematisch werden. Unter Belastung steigt die Temperatur in den Zellen eines vom Sonnenlicht aufgeheizten Akkus noch weiter an. Das kann in den Zellen zu chemischen Reaktionen führen, die den Akku unbrauchbar machen.

Schon heute sind deshalb Bohrhämmer mit 24-Volt-Technik auf dem Markt. Theoretisch sind auch Akkus mit 48 oder 64 Volt Spannung denkbar. Doch da die NiCd-Akkupacks bei allen Herstellern aus Einzelzellen bestehen, die jeweils nur 1,2 Volt Spannung bereitstellen, hat die Erhöhung der Spannung auch stets eine Vervielfachung der Einzelzellen und damit eine Gewichtszunahme zur Folge. Wegen des hohen Gewichts spielen Geräte mit mehr als 24 Volt in der Praxis derzeit kaum eine Rolle. Unproblematisch ist das höhere Gewicht dagegen bei Anwendungen, bei denen die Maschine auf dem Werkstück aufliegt und die Belastung für den Bediener geringer ist. Das ist zum Beispiel bei einer Akku-Handkreissäge der Fall.

Gesetzliche Vorgaben erzwingen jedoch ohnehin eine "natürliche" Grenze bei 42 Volt. Bei höheren Spannungen müssen aufwendigere Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden. So dürfen dann keine Kontakte mehr offen liegen, was nach derzeitigem Stand der Technik bedeutet, dass keine Akkus mehr verwendet werden können.

Ein anderer Weg wäre die Anwendung der Hoch-Kapazitätstechnik (Ultra-Capacititor-Technologie), bei der sehr starke Kondensatoren als Energiespeicher eingesetzt werden. Solche Speicher wären viel leichter als die herkömmlichen Akkus und ließen sich auch schneller und unkomplizierter laden. Doch bisher gibt es keine wirtschaftlich sinnvollen Lösungen. Produkte mit dieser Technik, etwa ein kleiner Handschrauber, wären noch zu teuer.

Drei Geräte in einem: Bohrhammer, Bohrer und Schrauber. Leistungsstarke Maschinen mit 18 Volt und mehr erweitern das Anwendungsspektrum.

Ladetechniken

In der Praxis kommt es vor allem auf den richtigen Umgang mit den Akkus an, damit diese über ihre gesamte Lebensdauer hinweg ihre maximale Leistung abgeben können. Besondere Bedeutung spielt hierbei der Einsatz der Ladegeräte, von denen es eine ganze Bandbreite an Qualitäten gibt.

Führende Hersteller statten ihre Akku-Werkzeuge mit intelligenten Ladegeräten aus, die den Ladevorgang steuern und optimal geladene Akkus ermöglichen. Dazu wird vom Ladegerät die Spannung und die Temperatur in den Zellen gemessen, um den Verlauf der Ladung anzupassen und den besten Zeitpunkt für die Beendigung des Ladevorganges zu ermitteln.

Ein Problem, weshalb nach Alternativen in der Akku-Technik gesucht wird, ist der Memory-Effekt der NiCd-Zellen. Bei unvollständigen Lade- und Entladezyklen verliert der Akku im Laufe der Zeit seine Kapazität und wird unbrauchbar. Beim Einsatz von NiCd-Akkus in Werkzeugen hat der Memory-Effekt aber nicht die negativen Auswirkungen, die ihm zugeschrieben werden. Denn dieser Effekt wird vor allem durch konstante Entladestromstärken ausgelöst. Doch beim Werkzeug, ob Akkuschrauber, Bohrhammer oder Säge, kommt es zu stark wechselnden Belastungen. So steigt die Belastung beim Bohren mit dem Bohrfortschritt immer stärker an, um im Moment des Durchbruches schlagartig abzufallen. Durch diesen Verlauf werden die Zellen immer wieder neu animiert und der Memory-Effekt verliert seinen "Schrecken".

Dieser starke 24-Volt-Bohrhammer ist für den harten professionellen Einsatz entwickelt. Die Maschine ist mit einer SDS plus Werkzeugaufnahme für einfachen und schnellen Bohrerwechsel ausgestattet.

Auswahlkriterien

Die Leistungskraft der Akkus lässt sich besser nutzen, wenn die jeweiligen Maschinen optimal auf die spezifischen Besonderheiten der Akku-Technik abgestimmt sind. Ziel ist es dabei, Verluste zu minimieren und die Leistung möglichst bedarfsgerecht abrufen zu können. Konstruktive Merkmale wie gesinterte Elektroden und verdeckte, gegen Verunreinigungen geschützte, selbstreinigende Kontakte spielen hier eine ebenso wichtige Rolle wie die eingesetzten Elektromotoren und Getriebeeinheiten.

Mit welcher Kraft gebohrt oder geschraubt werden kann, hängt vom Drehmoment ab. Hierfür ist einerseits ein gut abgestimmtes Getriebe wichtig, aber andererseits auch die Frage, welche maximale Belastung der Akku verträgt. Bohrschrauber mit einem sehr hohen Drehmoment drehen auch dicke Schrauben schneller ein. Besonders für sauberes und präzises Arbeiten, zum Beispiel beim bündigen Eindrehen von Schrauben in Serie, sorgt eine feinfühlige Abstimmung des Getriebes.

Auch in Ausstattung, Ergonomie und Handhabung werden die Akku-Geräte beständig weiterentwickelt. Schon heute muss der Anwender auf praktisch nichts verzichten, was er nicht auch von netzbetriebenen Geräten kennt. Mit einer Einschränkung: Irgendwann ist jeder Akku einmal leer und muss wieder aufgeladen werden.


B i l d e r :   Atlas Copco Elektrowerkzeuge GmbH, Essen