Elektrifizierung von Kleingeräten – mehr als ein Trend

Während Elektrofahrzeuge im Pkw-Bereich mittlerweile weit verbreitet sind, gewinnen auch akkubetriebene Kleingeräte, wie Motorsägen, Freischneider, Heckenscheren, Laubbläser, Trennschleifer, Kehrgeräte und noch vieles mehr, immer mehr an Bedeutung. Ausschlaggebend dafür sind vor allem die technischen Fortschritte bei der Akkutechnologie, die in den vergangenen Jahren zu deutlich leistungsfähigeren und langlebigeren Energiespeichern geführt haben. Moderne Akkus verfügen heute über höhere Kapazitäten als frühere Generationen. Dadurch können viele Arbeiten, die früher mit benzinbetriebenen Geräten durchgeführt wurden, mittlerweile auch elektrisch erledigt werden. Für die Anwender ergeben sich daraus zahlreiche Vorteile. Akkugeräte arbeiten deutlich leiser, verursachen keine Abgasemissionen und lassen sich ohne großen Aufwand per Knopfdruck starten. Zudem entfällt ein Großteil der Wartungsarbeiten, die bei Verbrennungsmotoren regelmäßig anfallen. Ein weiterer Vorteil ist die Unabhängigkeit von fossilen Brenn- und Schmierstoffen. Besonders im Arbeitsalltag überzeugen Akkugeräte durch die Kombination von geringem Wartungsaufwand, hoher Bedienfreundlichkeit und leisem Betrieb. Dies erhöht den Arbeitskomfort deutlich. Neben den praktischen Aspekten gewinnt auch die Wirtschaftlichkeit zunehmend an Bedeutung. Die Anschaffungskosten eines Akkusystems liegen zwar häufig über jenen eines vergleichbaren Motorgerätes; jedoch können die laufenden Betriebskosten geringer ausfallen. Strom ist meist günstiger als Treibstoff, und der Wartungsaufwand fällt erheblich niedriger aus. Besonders interessant kann dies für Betriebe mit einer eigenen Photovoltaikanlage sein. Werden die Akkus mit selbst erzeugtem Strom geladen, können Energiekosten weiter reduziert werden.

Um die Wirtschaftlichkeit von Akku- und Benzingeräten besser vergleichen zu können, wurden im Rahmen eines Beispiels jeweils eine Akku- und eine benzinbetriebene Motorsäge sowie eine Akku- und eine benzinbetriebene ­Motorsense mit vergleichbarer Leistung gegenübergestellt. Für die ­Berechnung wurde bei der Motorsense eine Motorleistung von 2,0 kW und eine jährliche Nutzung von 100 Betriebsstunden angenommen. Die Motorsäge weist eine Leistung von 1,7 kW bei einer jährlichen Einsatzdauer von 150 Betriebsstunden auf. Als Grundlage der Betriebskostenberechnung wurde ein Treibstoffpreis von 1,80 Euro/l angesetzt. Der Strompreis wurde mit 0,30 Euro/​kWh bei Netzbezug beziehungsweise 0,07 Euro/​kWh, wenn der Akku mit selbst erzeugtem Strom aus einer Photovoltaikanlage geladen wird, angenommen. Zusätzlich wurden die Kosten für Schmiermittel pauschal mit 10 % der Treibstoffkosten berücksichtigt. Die zugrundegelegten Kraftstoffverbräuche orientieren sich an den ÖKL-Richtwerten der jeweiligen Leistungsklasse.
Die Anschaffungskosten der Geräte wurden anhand aktueller Marktpreise erhoben und können je nach Hersteller, Modell und Ausstattung stark variieren. Für das Vergleichsbeispiel wurden Gesamtkosten von rund 2380 Euro für das Akkusystem (inklusive Geräte, Akkus und Ladegerät) sowie 1760 Euro für die vergleichbaren benzinbetriebenen Geräte angesetzt.
Dennoch stoßen Akkugeräte in bestimmten Einsatzbereichen weiterhin an Grenzen. Bei langen Arbeitseinsätzen oder Tätigkeiten fernab einer Stromquelle können zusätzliche Akkus erforderlich sein. Ob ein Akkusystem wirtschaftlich und praktisch sinnvoll ist, hängt daher von den jeweiligen Einsatzbedingungen und den betrieb­lichen Anforderungen ab.
Die Wahl des Akkusystems sollte gut überlegt sein. Vor der Anschaffung ist zu prüfen, ob das Geräteangebot eines Herstellers den eigenen Anforderungen entspricht. Ein Wechsel des Akkusystems ist meist mit höheren Kosten verbunden, weshalb es sich lohnt, langfristig bei einem Hersteller zu bleiben.
 

Vor dem Kauf eines Akkugeräts sollte zunächst analysiert werden, wie lange das Gerät im praktischen Einsatz ohne Unterbrechung betrieben werden muss. Anschließend empfiehlt es sich zu prüfen, ob diese Einsatzdauer mit einem Akkugerät realistisch erreicht werden kann. Viele Hersteller geben in ihren Produktbeschreibungen die minimale und maximale Einsatzdauer sowie die empfohlene Akkugröße für das jeweilige Gerät an.

Der Energiegehalt eines Akkus ergibt sich aus der Multiplikation der Akkuspannung (Volt) mit der Nennkapazität (Amperestunden) und wird in Wattstunden (Wh) angegeben. Dabei handelt es sich um den sogenannten Bruttoenergiegehalt des Akkus. Die tatsächlich nutzbare Kapazität, und somit die Energie, die abgegeben werden kann, kann jedoch geringer ausfallen, da viele Hersteller einen Teil der Kapazität aus Gründen der Akkuschonung und zur Verlängerung der Lebensdauer nicht freigeben. Für den praktischen Einsatz ist daher vor allem die vom Hersteller angegebene Laufzeit bzw. die nutzbare Akkukapazität entscheidend. Die Einheiten Leistung und Energie werden häufig verwechselt, beschreiben jedoch zwei unterschiedliche Größen. Die Leistung gibt an, wie viel Energie innerhalb einer bestimmten Zeit umgesetzt wird und wird in Watt (W) angegeben. Die Energie beschreibt hingegen die insgesamt verfügbare oder verbrauchte Arbeit und wird in Wattstunden (Wh) bzw. Kilowattstunden (kWh) angegeben. Leistung: Watt (W) = Volt (V) × Ampere (A); 1000 Watt (W) = 1 Kilowatt (kW) Energie: Wattstunden (Wh) = Volt (V) × Amperestunden (Ah); 1000 Wattstunden (Wh) = 1 Kilowattstunde (kWh) Zusätzlich nützliches Wissen: Die offizielle SI-Einheit (weltweit verwendete Standard-Maßeinheit von physikalischen Größen) von Energie ist Joule (J). 1 Joule (J) = 1 Wattsekunde (Ws) = (in SI-Einheiten) 3600 Wattsekunden (Ws) = 1 Wattstunde (Wh); 1000 Wattstunden (Wh) = 1 Kilowattstunde (kWh) = 3.600.000 Joule (J) (auch oft als 3,6*106 J ausgeschrieben); kg = Kilogramm, m = Meter, s = Sekunden

Für die Berechnung der Akkukapazität sollte stets die Nennspannung und nicht die Maximalspannung verwendet werden. Viele Hersteller geben beide Werte an, was häufig zu Verwirrung führt. Der Grund liegt im Aufbau von Lithium-Ionen-Akkus (NMC). Bei vielen in Akku-Werkzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Zellen beträgt die Nennspannung einer einzelnen Zelle rund 3,6 bis 3,7 Volt. Im vollständig geladenen Zustand steigt die Zellspannung auf etwa 4,2 Volt an. Da mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden, addieren sich ihre Spannungen zur Gesamtspannung des Akkus. Werden beispielsweise fünf Zellen in Serie verbunden, ergibt sich eine Nennspannung von rund 18 Volt. Voll geladen erreicht der Akku eine Spannung von etwa 21 Volt. Bei zehn Zellen ergeben sich entsprechend rund 36 Volt Nennspannung beziehungsweise 42 Volt im vollgeladenen Zustand. Aus diesem Grund werben einige Hersteller mit der maximalen Spannung und bezeichnen ihre Geräte beispielsweise als „20 V Max“ oder „40 V Max“, während andere die Nennspannung von 18 beziehungsweise 36 Volt angeben. Technisch handelt es sich dabei oft um vergleichbare Akkusysteme. Auch bei der Lagerung von Lithium-Ionen-Akkus sollten die Herstellerangaben beachtet werden. Grundsätzlich empfiehlt es sich, Akkus – insbesondere vor längeren Standzeiten oder der Überwinterung – mit einem Ladezustand von etwa 40 bis 60 % zu lagern. Ein vollständiges Laden auf 100 % sollte möglichst erst kurz vor dem Einsatz erfolgen. Viele moderne Akkus und Ladegeräte verfügen über spezielle Lagerungs- oder Erhaltungsfunktionen, die den Akku automatisch in einen akkuschonenden Ladezustand versetzen und so dazu beitragen, Kapazitätsverluste und Alterung zu reduzieren.

Insgesamt zeigt sich, dass die Elektrifizierung auch bei land- und forstwirtschaftlichen Kleingeräten weiter an Bedeutung gewinnen wird. Fortschritte in der Akkutechno­logie, steigende und schwankende Kraftstoffpreise, der hohe Bedienkomfort sowie der zunehmende Ausbau erneuerbarer Energien machen elektrische Antriebe für viele Anwendungen zu einer äußerst attraktiven Alternative. Auch wenn Verbrennungsmotoren in bestimmten Einsatzbereichen weiterhin ihre Berechtigung haben und auf ab­­­seh­bare Zeit nicht vollständig ersetzt werden können, werden Akkugeräte künftig in vielen Anwendungsbereichen eine immer wichtigere Rolle spielen. Neben LFP und NMC gibt es weitere Lithium-Ionen-Systeme, die je nach Anwendungsbereich auf maximale Leistung, besonders lange Lebensdauer oder spezielle Einsatzbedingungen ausgelegt sind.

Lithium-Ionen-Akkus speichern elektrische Energie, indem sich Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden innerhalb der Akkuzelle bewegen. Entscheidend für die Eigenschaften eines Akkus ist jedoch nicht nur das Lithium selbst, sondern vor allem die verwendete Zellchemie. Sie bestimmt unter anderem die Lebensdauer, das Gewicht, die Leistungsfähigkeit und die Sicherheit des Akkus. Ähnlich wie Benzin- und Dieselmotoren nach dem selben Grundprinzip arbeiten, aber unterschiedliche Eigenschaften haben, gibt es auch bei Lithium-­Ionen-Akkus verschiedene Zellchemien. Zu den heute am häufigsten eingesetzten Systemen zählen Lithium-­Eisenphosphat (LiFePO4 oder LFP) und Lithium-­Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNiMnCoO2 oder NMC). Beide Akkutypen haben ihre Stärken und eignen sich für unterschiedliche Einsatzbereiche. LFP-­Akkus zeichnen sich vor allem durch ihre hohe Sicherheit, lange Lebensdauer und geringe Alterung aus. Deshalb werden diese häufig in Heimspeichern, stationären Energiespeichern sowie zunehmend auch in Elektrofahrzeugen eingesetzt. NMC-Akkus bieten hingegen eine höhere Energie- und Leistungsdichte bei geringerem Gewicht. Dadurch können bei gleicher Akkugröße mehr Energie gespeichert und höhere Leistungen bereitgestellt werden. Deshalb werden sie häufig in handgeführten Akku-Geräten sowie in vielen Elektrofahrzeugen eingesetzt.