Netztrennung spart Energie - Panasonic Electric Works Schweiz AG

Elektromechanik Relais
Spannendes Thema
Netztrennung spart Energie
Energiesparen ist eines der wichtigsten Themen überhaupt, egal ob ökologisch oder wirtschaftlich
betrachtet. Neben Feldern wie der elektrischen Antriebstechnik in der Industrie
bietet im Consumerbereich die Standby-Schaltung von elektrischen Geräten großes
Potenzial: Beispiel Waschmaschine, hier kann eine automatische Endabschaltung nach
Programmende viel bringen. Voraussetzung dafür ist ein sogenannter Wakeup-Schalter.
Weg von der Atomkraft bedeutet vor allem Energieeinsparung,
denn Strom aus regenerativen Energieträgern wird auch in Zukunft
nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen. Einen großen Beitrag
dazu können Elektrogeräte liefern: Neben der Effizienz im
Betrieb spielt vor allem der Energieverbrauch im Bereitschaftsmodus
eine große Rolle. Die ideale Lösung ist, das Elektrogerät komplett
vom Netz zu trennen und damit den Energieverbrauch im
Ruhezustand auf Null Watt zu reduzieren.
Aus Design-, Kosten-, Sicherheits- und Komfortgründen verbrauchen
aber heute selbst neue Geräte im Ruhezustand bis zu
mehrere Watt, weil etwa der Netzschalter eingespart wird. Als einfach
nachvollziehbares Beispiel dienen hier Millionen von DVD-
Playern im Markt, die auf der Frontblende über keinen Aus-Schalter
mehr verfügen und so immerzu im Standby-Betrieb laufen.
Dies bedeutet einen erheblichen privaten, volkswirtschaftlichen
und ökologischen Aufwand.
Im Folgenden werden Möglichkeiten und Bauelemente aufgezeigt,
die den Energieverlust im Ruhezustand eines Gerätes auf
Null bringen und viele Nachteile durch eine Direktabschaltung des
Gerätes beseitigen.
Energiesparpotentiale
Mit der heutigen Technologie lassen sich nach ZVEI-Angaben in den
Bereichen elektrische Antriebe, Hausgeräte und Lampen /Leuchten
jährlich allein in Deutschland 40 Milliarden Kilowattstunden Strom
einsparen. Das entspricht etwa dem Energieverbrauch von ganz Hessen
und würde gleichzeitig eine Reduktion der CO 2
-Emission um 22
Millionen Tonnen pro Jahr bedeuten. Das größte Einsparpotential in
Deutschland bieten elektrisch angetriebene Systeme wie Pumpen,
Ventilatoren, Kompressoren oder Zentrifugen. 15 Prozent dieses
Stromverbrauchs ließen sich nach Einschätzung des ZVEI durch den
Einsatz energieeffizienter Antriebstechnik sparen.
Knapp ein Drittel der in Deutschland genutzten Endenergie
nehmen die privaten Haushalte in Anspruch. Standardtechnik in
der weißen Ware ist heute bereits die Energieeffizienzklasse A++,
dabei wird hier nur das Gerät im Betrieb betrachtet. Jedoch gerade
Bild: Fotolia, David Woods
46 elektronikJOURNAL 03a/2008 www.elektronikjournal.com

Elektromechanik Relais
beim Standby-Betrieb von Consumer-Produkten gehen nach ZVEI
Angaben in den 39 Millionen Privathaushalten in Deutschland
acht Milliarden Kilowattstunden Energie pro Jahr verloren, was
zwei mittelgroßen Kernkraftwerken entspricht. Dies hat auch der
Gesetzgeber erkannt und im Jahr 2005 die EuP-Richtlinie (Eco-
Design Requirements for Energy using Products) erlassen, die darauf
abzielt, die Umweltverträglichkeit energiebetriebener Produkte
durch die Vorgabe von Ökodesign-Anforderung zu
verbessern. Im Zuge dessen wird derzeitig mit dem Projekt IEC
61903 eine Norm erarbeitet, die für diese Geräte Energieverbrauchsgrenzen
festlegt. Berücksichtigt wird der gesamte Energieverbrauch
der Geräte einschließlich der Stillstandszeiten.
Wesentliche Ansatzpunkte zur Reduzierung oder Eliminierung
des Energieverbrauchs bei Stillstand des Gerätes ist der Einsatz energiesparender
Bauelemente. Ansätze sind zum Beispiel sparsamere
Empfängermodule von Fernbedienungen, Reduzierung
von Blindleistungen durch Netzfilter bis hin zum vollständigen
Trennen der Geräte vom Netz. Letzteres stellt aus energetischer
Sicht die Maximallösung dar, zieht aber oft Nachteile bei Komfort,
Kosten oder Sicherheit nach sich.
Wakeup-Schalter
Am Beispiel eines typischen Hausgerätes, der Waschmaschine, soll
der Einsatz eines Energiewandlerschalters (Wakeup-Schalter) erläutert
werden. Stand der Technik ist, dass in der Stillstandszeit der
Maschine ein Schaltmattentaster, Knackfroschtaster, Mikroschalter
oder ähnliches betätigt wird. Ein Mikrocontroller überwacht diese
Eingabe und bewirkt die Inbetriebnahme der Maschine. Es ist leicht
zu erkennen, dass die Abfrage eines solchen Schalters durch die Elektronik
im Standby-Modus-Energie verbraucht. Einfache Maschinen
vermeiden diesen Nachteil dadurch, dass man manuell mittels Drehschalter
in der Stellung Null die Maschine vom Netz trennen kann.
Das hat aber erhebliche Nachteile. Zum einen kann dieser Schalter
nur manuell bedient werden, was bedeutet, dass der Bediener
den Schalter wenn überhaupt erst mit erheblicher Zeitverzögerung
betätigt. Wird z.B. die Wäsche abends oder morgens angesetzt und
abends oder morgens erst entleert, befindet sich die Maschine
ständig im Standby-Modus und verbraucht somit Energie. Weitere
Nachteile bestehen im Design, Komfort und den Kosten. Der klobige
Drehwahlschalter wirkt als störendes Element auf der Bedienblende
und ermöglicht nur eine begrenzte Anzahl von Programmen.
Die Netzspannung muss zudem an die Frontblende geführt
werden. Dies führt zu einem erhöhten Verdrahtungsaufwand und
weiteren Maßnahmen, die den Schutz von Personen (Betriebssicherheit)
gegen elektrischen Schlag sicherstellen müssen.
Es liegt daher der Gedanke nahe, dass sich die Maschine eigenständig
vom Netz trennt (Selbstmörderschaltung), wenn das
Programm vollständig durchgelaufen ist: Die Maschine zieht also
bildlich gesehen selber den Netzstecker. Einen interessanten
Ansatzpunkt hierfür stellen bistabile Netzrelais oder Schalter mit
integrierter Ausschaltspule dar. Schaltet sich nun die Waschmaschine
komplett vom Netz, stellt sich die Aufgabe, Energie bereitzustellen,
um wieder zu starten. Denn auf der Bedienfläche soll ja
kein Netzschalter vorhanden sein, der Start muss über einen netzunabhängigen
Energieimpuls erfolgen. Dafür gibt es wiederum
verschiedene Ansatzpunkte.
Wakeup-Schalter im Schnitt: Ein Energiewandler wandelt kinetische Energie in
elektrische Energie, Versuche mit verschiedenen Energiewandlern haben
induzierte Leistungen in der Größenordnung von 0,5 bis zwei Milliwatt ergeben.
Elegante Alternative
Nahe liegend ist ein Energiespeicher, etwa ein Kondensator. Der
Nachteil von Energiespeichern ist die begrenzte Lebensdauer, die
begrenzte Speicherkapazität und damit die Verfügbarkeit. Befindet
sich die Waschmaschine längere Zeit im Verkaufslager oder wird
vom Nutzer selbst vom Netz getrennt, so kann selbst die geringe
Energie zur Erhaltungsladung nicht aufgebracht werden.
Besser eignen sich deshalb Energiewandler zur eleganten Lösung
des Problems: Ein Energiewandler wandelt kinetische Energie
in elektrische Energie, oftmals durch das aus Feuerzeugen bekannte
piezoelektrische Prinzip. Die bekannteste Möglichkeit,
kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, ist der
elektromagnetische Energiewandler mit Magnet und Spule. Mit
dieser Methode können effektiv große Energiemengen erzeugt
werden, sie stellen die Basis für die heutige Energieerzeugung dar.
Es liegt nahe, dieses Prinzip zur Energieerzeugung für die Startenergie
(wakeup) einzusetzen.
Energiewandler
Bereits in den 60er Jahren gelang es SDS Relais, die in die heutige
Panasonic Electric Works Europe übergegangen ist, gepolte Relais
so zu modernisieren, dass daraus kostengünstige Relais für die
Massenfertigung entstanden sind. Diese Technik ist heute in Milliardenstückzahlen
im Einsatz. Es liegt daher nahe, die Erfahrungen
daraus zum Bau eines effizienten Energiewandlers zur Erzeugung
von Impulsen zu nutzen. Der Energiewandler kann Platz sparend
und kostengünstig in Abwandlung der gepolten Relaistechnik produziert
werden.
Der im Bild dargestellte Energiewandler weist ein feststehendes
Joch mit zwei Polflächen auf, welches von einer Induktionsspule umwickelt
ist. Ein permanentmagnetischer Anker ist beweglich um das
Joch angeordnet. Dessen Ankerpolfläche berührt eine Polfläche ➜
Auf einen Blick
Startenergie liefern
Schaltet ein elektrisches Gerät sich selbst ab, braucht sie aus irgendeiner
Quelle die Energie um wieder zu starten. Als sinnvoller Ansatz
für die Lösung dieses Problems dient die Verwendung eines Wakeup-
Schalters, bei dem die Schaltbewegung den netzunabhängigen Energieimpuls
erzeugt um das Gerät anzuwerfen. Das Ganze erfordert
ein Umdenken beim Design der Geräte, aber das Potenzial der Technologie
ist groß.
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Schaltbeispiele zur Nutzung des Wakeup-Schalters: Im Betrieb kann der
Wakeup-Schalter auch zur Eingabe von Befehlen wie Stopp oder ähnlicher
doppelt genutzt werden.
des Jochs. Ein Betätigungselement führt eine externe Kraft auf den
Anker aus, welche diesen bewegt, wodurch in der Induktionsspule
elektrische Energie induziert wird. Versuche mit verschiedenen Energiewandlern
haben induzierte Leistungen in der Größenordnung
von 0,5 bis zwei Milliwatt ergeben. Eine weitere Optimierung des
Energiewandlers ist ohne weiteres möglich. Die Energie war ausreichend,
um z.B. ein bistabiles Relais direkt zu betreiben.
Denkbar ist neben der Ansteuerung von Relais auch die Ansteuerung
von Halbleitern oder Controllern, damit die Maschine selbständig
ans Netz geht. Der erzeugte Energieimpuls ermöglicht somit ohne
weiteres die Wiederinbetriebnahme eines Gerätes wie z.B. einer
Waschmaschine. Im Betrieb kann der Wakeup-Schalter auch zur
Eingabe von Befehlen wie Stopp oder ähnlicher doppelt genutzt werden
(Bild 5). Je mehr sich unsere fossilen Energieträger zu Ende neigen,
desto wichtiger wird Energieeinsparung auf breiter Front. Der
beschriebene Wakeup-Schalter kann allein hier in Deutschland einen
Beitrag leisten, der einer Fahrstrecke mit einem durchschnittlichen
Auto (170g CO 2
/km) von über 26 Milliarden Kilometern, oder
65.000-mal um die Erde entspricht. (Hagen Herbsleb / uns) n
info Panasonic Electric Works Deutschland
D: Tel. (+49 80 24) 64 80, info-de@eu.pewg.panasonic.com
A: Tel. (+43 22 36) 2 68 46, info-at@eu.pewg.panasonic.com
CH: Tel. (+41 41) 799 70 50, info-ch@eu.pewg.panasonic.com
Vorteil Energiespartechnik, vorteilhaft für die Umwelt und den
Geldbeutel zugleich.
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