WHITEPAPER-REIHE VON EFI

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Den Energieverbrauch im Auge behalten

VERÖFFENTLICHUNG: JUNI 2016

DEN ENERGIEVERBRAUCH IM AUGE BEHALTEN

Inhalt: 1. Einführung 2.

Richtlinien zur Senkung des Stromverbrauchs

3

4

3. Ressourcenschonung und Umweltschutz

5

4.

6

UV-härtende Tinten

5. LED-Härtung

7

6.

Den Energieverbrauch kontrollieren 8

7.

Was steht in der ISO 20690? 9

8. Druckmodi 9.

Die Bedeutung von Dokumentation

10. Vorteile

10

11 12

10.1 Für Druckunternehmen

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10.2 Für Hersteller

12

10.3 Für die Umwelt

12

11. Schlussbemerkung

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DEN ENERGIEVERBRAUCH IM AUGE BEHALTEN

1. Einführung Haben Sie schon einmal etwas von der ISO 20690 gehört? Die ISO 20690, die sich derzeit noch im Entwurfsstatus befindet, gibt an, wie der Stromverbrauch kleiner und großer Digitaldruckmaschinen in Watt und Kilowatt gemessen werden kann. Wozu brauchen wir das? Das Strommanagement ist kein Teil des kollektiven Bewusstseins der Druckindustrie. Dennoch bestimmen die Stromkosten für eine Maschine zu einem wesentlichen Teil die Preise für Rohstoffe und die Kosten der Printmedienproduktion. Die ISO 20690 kann als Anhaltspunkt für die Technologieinvestmentplanung auf Drucker angewandt werden, unabhängig davon, ob eine Produktionseinheit als Eintausend A4-Seiten oder 15 Quadratmeter Substrat definiert wird. Die Digitaldruckindustrie unterstützt eine ressourcenschonende und umweltfreundliche Produktion. Eine ressourcenschonende Arbeitsweise macht Unternehmen durch einen verantwortungsvollen Umgang mit Ressourcen erfolgreicher. Dabei werden Ressourcen effizient genutzt, Prozesse überwacht und verschiedene Arten von Abfällen über die Lieferkette hinweg reduziert. Durch einen geringeren Stromverbrauch können Margen ausgeweitet werden, ohne dass bei den Produktionswerten Kompromisse eingegangen werden müssen. Durch effiziente Energienutzung kann der Wert einer Druckmaschine steigen, während die Gesamtbetriebskosten eines Druckunternehmens sinken. Da Hersteller dies erkannt haben, bringen sie neue Digitaldruckgeräte mit geringerem Stromverbrauch und einer verbesserten Leistung auf den Markt. Da zahlreiche Faktoren einen Einfluss auf die Energiebilanz eines Drucksystems haben, ist Leistung mehr als nur Druckköpfe oder Materialführung. Die Größe und das Ausgabeformat einer Maschine, die Bildgebungstechnologie, die Notwendigkeit von Vorbeschichtungen und Beschichtungen, die Tintensorten, die Anzahl der Farben, die generelle Systemkonfiguration und die Trocknungsund Härtungstechnologien können alle den Strombedarf und Stromverbrauch einer Maschine beeinflussen. Dies ist ein weiterer Grund, warum die ISO 20690 so wichtig ist. Dieses Whitepaper behandelt auch die Frage, wie bei neueren Technologien die Forderung nach größerer Energieeffizienz umgesetzt wird. Ein Beispiel dafür ist das Härten von UV-Tinte durch die LED-Technologie. Anhand des LED-Beispiels wird deutlich, dass energiesparende Technologien bei der Verbesserung der Umweltverträglichkeit des Drucks eine bedeutende Rolle spielen. Da energiesparende Komponenten zur Reduzierung des Strombedarfs eines Drucksystems beitragen, kommt es zu einer Kostenreduzierung.

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2. Richtlinien zur Senkung des Stromverbrauchs Druckunternehmen arbeiten permanent an einem verbesserten Kostenmanagement. Energie ist ein bedeutender Kostenfaktor und immer mehr Unternehmen wird der Anteil der Stromkosten an den Produktionskosten bewusst. Zahlreiche Käufer von Druckmaschinen beginnen damit, die Kosten für Strom und austauschbare Komponenten in ihre Investitionsplanung einzubeziehen. Drucker müssen bestmögliche Ergebnisse liefern, während gleichzeitig immer anspruchsvollere Kundenanforderungen erfüllt und Umweltauflagen eingehalten werden müssen. Dabei kann die Balance zwischen Produktionskosten und akzeptablen Margen schon mal ins Wanken geraten. Durch einen geringeren Stromverbrauch können Produktionskosten gesenkt und Margen ausgeweitet werden. Darüber hinaus ist ein geringer Stromverbrauch auch entscheidend für ein ressourcenschonendes und umweltfreundliches Geschäftsmodell.

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3. Ressourcenschonung und Umweltschutz Die Digitaldruckindustrie und ihre Kunden unterstützen eine ressourcenschonende und umweltfreundliche Produktion. Eine ressourcenschonende Arbeitsweise macht Unternehmen durch einen verantwortungsvollen Umgang mit Ressourcen erfolgreicher. Dabei werden Ressourcen effizient genutzt, Prozesse überwacht und verschiedene Arten von Abfällen über die Lieferkette hinweg reduziert. Durch einen geringeren Stromverbrauch können Margen ausgeweitet werden, ohne dass bei den Produktionswerten Kompromisse eingegangen werden müssen. Durch effiziente Energienutzung kann der Wert einer Druckmaschine steigen, während die Gesamtbetriebskosten eines Druckunternehmens sinken. Da Hersteller dies erkannt haben, bringen sie neue Digitaldruckgeräte mit geringerem Stromverbrauch und einer verbesserten Leistung auf den Markt. Da zahlreiche Faktoren einen Einfluss auf die Energiebilanz eines Drucksystems haben, ist Leistung mehr als nur Druckköpfe oder Materialführung. Die Größe und das Ausgabeformat einer Maschine, die Bildgebungstechnologie, die Notwendigkeit von Vorbeschichtungen und Beschichtungen, die Tintensorten, die Anzahl der Farben, die generelle Systemkonfiguration und die Trocknungs- und Härtungstechnologien können alle den Strombedarf und Stromverbrauch einer Maschine beeinflussen. So wird beispielsweise bei der Härtung von UV-Tinte und Beschichtungen mit LEDs deutlich weniger Strom benötigt als bei der Härtung von UV-Tinte mit herkömmlichen Quecksilberdampflampen.

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4. UV-härtende Tinten Die rasanten Fortschritte der Produktionstechnologie, bei der häufig UV-härtende Tinten verwendet werden, ermöglichen kleinere Auflagen, bei denen für jedes Druckerzeugnis einer Auflage höhere Stückpreise erzielt werden. UV-härtende Tinten enthalten fotoaktive Substanzen, die mit bestimmten Wellenlängen des UV-Lichts reagieren. Die Tinten sind so optimiert, dass sie schnell auf UV-Energie reagieren, ohne dass bei der Farbgebung des Druckererzeugnisses, der Haftung, Haltbarkeit und Flexibilität Kompromisse eingegangen werden müssen. Mit den neuesten Digitaldrucktechnologien ist ein Druck auf Textilien, Keramik und dreidimensionalen Objektiven ebenso möglich wie auf ungewöhnlichen Substraten wie hauchdünnen Folien und Metallen. Druckmitteleinkäufer und Druckanbieter sind begeistert davon, mit diesen Technologien überall auf jeder Oberfläche drucken zu können und zu wissen, dass die erzielten Ergebnisse ausgezeichnet sein werden. Die Eigenschaften von UV-Tinte dürfen sich nicht negativ auf die Leistung des Drucksystems auswirken. Die UV-härtenden Tinten, die in Digitaldrucksystemen verwendet werden, müssen so optimiert sein, dass sie auf den verschiedensten Oberflächen gut angewendet werden können, ohne dass dabei das Risiko einer Beschädigung des Druckkopfes besteht. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Tinten vollständig gehärtet werden, damit keine gesundheitlichen Folgen auftreten können. Das Einhalten all dieser Anforderungen stellt große Herausforderungen an die Technologie, insbesondere wenn auch die Prinzipien einer ressourcenschonenden und umweltfreundlichen Produktion eingehalten werden sollen. UV-härtende Tinten trocknen, anders als herkömmliche Tinten, mithilfe von Wärmeenergie. Diese Energie wurde ursprünglich mithilfe von Quecksilberdampflampen bereitgestellt. Inzwischen verwenden aber immer mehr Hersteller, die die Gesamtbetriebskosten für ihre Kunden senken möchten, Leuchtdioden (LEDs) zum Trocknen ihrer Tinten. Mit der Weiterentwicklung und Verbesserung der Technologie wird die Quecksilberdampftrocknung in immer mehr Bereichen durch die LEDHärtung verdrängt.

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5. LED-Härtung Der Energieverbrauch ist vermutlich der Hauptgrund für die Entwicklung hin zur LED-Härtung, die Verbrauchsmaterialien und Leistungskosten spielen aber ebenfalls eine Rolle. Bei der LEDHärtung ist deutlich weniger Energie erforderlich als bei der herkömmlichen UV-Trocknung mithilfe von Quecksilberdampflampen, sodass bei der LEDHärtung weniger Wärme erzeugt wird. Bei den Gasentladungslampen wird mithilfe eines elektrischen Lichtbogens, der von Quecksilberdampf umgeben ist, intensives Licht im UV-Bereich des Lichtspektrums erzeugt. Da es vier bis sieben Minuten dauern kann, bis Quecksilberdampflampen vollständig aufgewärmt sind, bleiben sie meist aktiviert, wenn der Drucker angeschaltet ist, selbst wenn gerade nicht gedruckt wird. Dadurch entstehen dem Druckunternehmen einerseits Stromkosten, andererseits verringert sich dadurch die produktive Lebensdauer der Lampen. Die Lebensdauer einer Quecksilberdampflampe beträgt etwa 24.000 Stunden. LEDs, die nur dann aktiviert werden, wenn sie benötigt werden, können im Vergleich mehr als doppelt so lange verwendet werden. Bei LEDs ist keine Aufwärmzeit erforderlich. Darüber hinaus benötigen LEDs nur etwa 20 % der Energie der energieintensiven Quecksilberdampflampen. Die LED-Technologie ist somit eine sehr interessante Möglichkeit zur Reduzierung des gesamten Strombedarfs eines Produktionsdrucksystems. Die Wahl von LEDs anstelle von Quecksilberdampflampen kann sich auch positiv auf indirekte Kosten auswirken, da LEDs besser als herkömmliche Lampen für die Verwendung bei empfindlichen Substraten geeignet sind. Dies kann sich sowohl in geringerem Ausschuss von Abfällen als auch in einer geringeren Anzahl an Wiederholungen äußern, was sich beides positiv auf die Stromkosten auswirkt.

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Da LEDs, die auf die Emission bestimmter UVWellenlängen eingestellt werden können, je nach Einstellung entweder keine oder nur wenig Wärme produzieren, existieren nur sehr wenige Substratbeschränkungen. Da LEDs nicht genügend Wärmeenergie produzieren, können selbst sehr empfindliche, hauchdünne Folien mithilfe des LEDHärtungsprozesses getrocknet werden, da diese durch den Prozess nicht beschädigt oder verformt werden. Durch die Wärme, die bei der Trocknung mit Quecksilberdampflampen entsteht, sind die Möglichkeiten zur Trocknung empfindlicher Substrate, die bei Printmediendrucken zur Verfügung stehen, deutlich eingeschränkt. Darüber hinaus ist die Wärmeenergie, die als Abfallprodukt bei der Trocknung mit Quecksilberdampflampen entsteht, vergeudete Energie. Dadurch entstehen für den Druckproduzenten unnötig hohe Energiekosten und -emissionen. Durch die Nutzung von LEDs für die UV-Härtung können der Energieverbrauch und die Gesamtbetriebskosten gesenkt werden, insbesondere im Bereich des Digitaldrucks im Großformat mit kleinen Auflagen.

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6. Den Energieverbrauch kontrollieren Die Kosten für Energie machen trotz des aktuell niedrigen Ölpreises immer noch einen bedeutenden Anteil der Kosten der Printmedienproduktion aus. Darüber hinaus hat der Energieverbrauch auch einen negativen Einfluss auf den ökologischen Fußabdruck eines Unternehmens, sodass es sinnvoll ist, die Leistung von Maschinen und Komponenten zu verbessern. Anhand des LED-Beispiels wird deutlich, dass energiesparende Technologien bei der Verbesserung der Umweltverträglichkeit des Drucks eine bedeutende Rolle spielen. Da energiesparende Komponenten zur Reduzierung des Strombedarfs eines Drucksystems beitragen, kommt es zu einer Kostenreduzierung. Um den Energieverbrauch verschiedener Geräte sinnvoll miteinander vergleichen zu können, benötigen Käufer einen allgemeinen Referenzrahmen zur Messung des Energieverbrauchs eines Drucksystems. Dies ist insbesondere für die digitalen Produktionsdrucker von Bedeutung, die in zahlreichen On-Demand-Anwendungen verwendet werden. Zahlreiche Digitaldruckaufträge werden in sehr kleinen Auflagen gedruckt und umso geringer die Auflage, umso höher werden die Stromkosten für den Druck einer einzelnen Kopie. Somit muss bei der Berechnung des Stromverbrauchs auch der Stromverbrauch pro Druckeinheit berücksichtigt werden. Ohne eine standardisierte Möglichkeit zur Messung des Stromverbrauchs ist es jedoch beinahe unmöglich, die Energieleistung verschiedener Digitaldrucktechnologien genau miteinander zu vergleichen. Dies wurde von der Fogra, der deutschen Forschungsgesellschaft Druck e.V., erkannt. Im Jahr 2014 rief die Fogra das FograEnergieeffizienzprojekt ins Leben, mit dem Ziel, eine Möglichkeit zur Messung des Stromverbrauchs von digitalen Produktionsdruckmaschinen zu entwickeln. Die Fogra hat diese Arbeit an die Internationale Organisation für Normung (ISO) weitergeben, die gerade dabei ist, die Arbeit abzuschließen und zu veröffentlichen. Die ISO 20690 wird voraussichtlich im Jahr 2017 erhältlich sein.

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7. Was steht in der ISO 20690? Die ISO 20690, die sich derzeit noch im Entwurfsstatus befindet, gibt an, wie der Stromverbrauch kleiner und großer Digitaldruckmaschinen in Watt und Kilowatt gemessen werden kann. Der Standard gilt nicht für Digitaldruckmaschinen, die auf anderen Substraten als Papier drucken, es wird aber erwartet, dass Standards für andere Substrate folgen werden. Im Standard wird eine typische Drucksituation definiert. Diese beinhaltet digitale Front-End-Lösungen (DFEs), die eigentliche Druckeinheit, die Papierzufuhreinheit (Blatt- oder Gewebeeinheit), die Papierzustelleinheit, für das Drucksystem erforderliche externe Kühleinheiten, Härtungs- und Trocknungseinheiten usw. Entsprechend der ISO 20690 beinhaltet ein Digitaldrucksystem eine digitale Front-End-Lösung mit Farbverwaltungsfunktionen, Rasterbildverarbeitung (RIP) sowie den Druckmaschineneinstellungen. Dort werden Ausgabeauflösung, Geschwindigkeit, Farben, Anzahl der Durchgänge, Substratbreite, Trocknung, Härtung und Druckmodus festgelegt. Das Drucksystem kann außerdem zusätzliche Geräte wie Geräte zur Weiterverarbeitung beinhalten, die zum Stromverbrauch beitragen und bei der Messung berücksichtigt werden müssen. Entsprechend der ISO 20690 müssen Messungen mit einem Strommessgerät mit einer Speicherfunktion vorgenommen werden. Das Gerät sollte über mehrere Messungen hinweg Spannungswerte speichern und mit einer Genauigkeit von plus/minus einem Prozent messen können. Die Abtastrate muss mindestens fünf Kilohertz betragen. Die Messungen werden über einen Zeitraum durchgeführt, der für die Geschwindigkeit der Druck-Engine und die Anwendung angemessen ist. Dieser kann je nach Geräten und Anwendungen stark variieren, sodass die Messdauer genau dokumentiert werden muss. Mit den Messungen wird erst begonnen, wenn die Maschine betriebsbereit und vollständig aufgewärmt ist und sie bei Betriebstemperatur arbeiten kann. Die Messungen basieren auf der Produktion einer festgelegten Anzahl von Quadratmetern pro Stunde oder einer festgelegten Anzahl von A4-Blättern. An den genauen Details der Referenzmaßeinheiten der ISO 20690 wird derzeit noch gearbeitet. Dies sind jedoch die grundlegenden Details.

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8. Druckmodi Eine der Schwierigkeiten bei Messungen ist, sicherzustellen, dass sie der tatsächlichen Produktionssituation entsprechen. Im StandbyModus ist die Druck-Engine aktiviert, wird aber nicht ausgeführt, sodass nicht gedruckt wird. Im Bereitschaftsmodus ist die Druck-Engine aktiviert, vollständig aufgewärmt und bereit für eine sofortige Ausführung. Dennoch wird immer noch nicht gedruckt. Im Produktionsmodus, in dem der Stromverbrauch gemessen wird, wird gedruckt. Der Druck muss dabei in einer Art und Weise erfolgen, die für den Geschäftssektor oder die Anwendung als typisch angesehen werden kann. Produziert die Druck-Engine repräsentative Drucke, geht man davon aus, dass auch der Stromverbrauch konstant ohne Spitzen und Täler ist. Diese Verbrauchsquote wird sowohl für den Produktionsmodus als auch für den Productivity Mode gemessen. Der Stromverbrauch eines Digitaldruckgeräts hängt von vielen Faktoren ab. Dazu zählen beispielsweise Typ und Alter der Druckmaschine, Druckmodus, Druckereinstellungen, Trocknungs- und Härtungseinstellungen sowie Umgebungsbedingungen wie Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit. Entsprechend der ISO 20690 und den Empfehlungen der Fogra sollten Messungen auf Grundlage einer definierten Produktionseinheit wie fünfzig B3-Substrate oder einhundert Quadratmeter vorgenommen werden. Dabei sollte der Energieverbrauch sowohl für die produktivste Maschinenkonfiguration als auch für die Konfiguration mit der besten Qualität gemessen werden, da der Stromverbrauch bei beiden Konfigurationen unterschiedlich ausfallen kann. Im Produktionsmodus muss zu Referenzzwecken ein Testdruck angefertigt werden, beispielsweise ein Ausdruck der Altona Test Suite der European Colour Initiative, einer Anwendergruppe, die mit dem BVDM, dem deutschen Bundesverband Druck und Medien, zusammenarbeitet. Das gleiche Testverfahren kann auch für Messungen im Productivity Mode verwendet werden. So kann auch sichergestellt werden, dass das Gerät einwandfrei funktioniert. Die Farbwerte der Ausdrucke sollten gemessen werden und professionellen Anforderungen genügen.

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9. Die Bedeutung von Dokumentation Sollen die Messungen der ISO 20690 entsprechen und einen sinnvollen und angemessenen Vergleich des Energieverbrauchs ermöglichen, ist eine vollständige Dokumentation des Testprozesses sowohl für den Produktionsmodus als auch den Productivity Mode erforderlich. Die Dokumentation sollte den Hersteller und das Modell des Druckgeräts, das Ausgabeformat, die Tinten- bzw. Tonersorte, den Druckmodus (Productivity Mode oder Produktionsmodus) und deren Konfiguration, einschließlich des Strombedarfs und des jeweiligen Energieaufwandes, beinhalten. Darüber hinaus sollte die Dokumentation Informationen zum Substrat und dessen Breite, der Anzahl an Farben und Durchgängen, der Ausgabeauflösung, dem Druckmodus (uni- oder bidirektional), Trocknungs- und Härtungsmethoden, der Größe des insgesamt bedruckten Bereichs und natürlich zur Produktivität des Systems enthalten. Weitere Informationen, wie beispielsweise die Druckzeit, können ebenfalls in der Dokumentation erfasst werden. Dokumentation ist der Schlüssel zu Transparenz und Vergleichbarkeit. Durch sie werden die Details des Druckvorgangs bestätigt, beispielsweise Simplexoder Duplexdruck, die Formatgröße, das verwendete Testverfahren usw. Bei Großformatdruckern ist die Umsetzung eines Referenztestverfahrens erforderlich, das ebenfalls dokumentiert werden muss. Details zum Messgerät sowie der Nachweis über die richtige Kalibrierung, beispielsweise durch ein Prüfzertifikat, müssen ebenfalls in der Dokumentation enthalten sein.

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10. Vorteile 10.1 Für Druckunternehmen

10.3 Für die Umwelt

Dieses Dokument bietet Unternehmen mit einem Interesse an Emissionen und der Ausschussreduzierung die Möglichkeit, mehr über den Vergleich des Energieverbrauchs von Digitaldrucksystemen zu erfahren. Mithilfe der ISO 20690 können Betriebskosten und Daten zum ökologischen Fußabdruck einfacher berechnet werden. Dies ist nützlich für die CO2Kompensation und die Berechnung der CO2-Bilanz von Druckmedienprodukten nach der ISO 16759 zur Quantifizierung und Kommunikation der CO2Bilanz von Druckmedienprodukten. Die Norm ist außerdem eine sinnvolle Ergänzung zur Einhaltung der ISO 14001 für Umweltmanagementsysteme. Die ISO 20690 unterstützt Entwicklungen in Richtung einer erweiterten Prozesskontrolle und Prozessverantwortung und hat einen direkten Einfluss auf den Geschäftserfolg eines Druckunternehmens. Durch die ISO 20690 können Käufer digitale Produktionsdrucksysteme über einen allgemeinen Referenzrahmen miteinander vergleichen.

Auch wenn die Messung des Stromverbrauchs keine leichte Aufgabe ist, ist eine Messung notwendig, um CO2-Bilanzen zu bestimmen. Darüber hinaus ist eine Messung erforderlich, da sich die Grafikindustrie zu einer Kreislaufwirtschaft entwickelt. Mithilfe der ISO 20690 können Verbesserungen bei der Stromeffizienz im Laufe der Zeit oder über verschiedene Technologiegenerationen hinweg verfolgt werden. Die ISO 20690 kann gemeinsam mit der ISO 16579 für eine genaue Berechnung der CO2-Bilanz von Druckmedien und als Ergänzung zur Einhaltung der übereinstimmenden Umweltstrategien der ISO 14001 angewandt werden. Eine verbesserte Messung der Umweltverträglichkeit des Drucks unterstützt auch die Verwendung von Druckerzeugnissen.

10.2 Für Hersteller Durch die Verwendung einer standardisierten Methode zur Messung des Stromverbrauchs entsteht ein gemeinsamer Maßstab für die Hersteller digitaler Drucksysteme. Mithilfe der ISO 20690 können Hersteller den Stromverbrauch ihrer Digitaldruckgeräte eindeutig und transparent bestimmen und mit dem anderer Geräte vergleichen. Dies hilft bei Investitionsentscheidungen zu zukünftigen Entwicklungen und bietet Daten für eine Lebenszyklusanalyse (LCA).

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11. Schlussbemerkung Das Strommanagement ist kein Teil des kollektiven Bewusstseins der Druckindustrie. Dennoch bestimmen die Stromkosten für eine Maschine zu einem wesentlichen Teil die Preise für Rohstoffe und die Kosten der Printmedienproduktion. Die ISO 20690 kann als Anhaltspunkt für die Technologieinvestmentplanung auf Drucker angewandt werden, unabhängig davon, ob eine Produktionseinheit als Eintausend A4-Seiten oder 15 Quadratmeter Substrat definiert wird. Die ISO 20690 kann verwendet werden, um die Energieleistung mehrerer Maschinen im Laufe der Zeit zu messen. Sie ist ein nützlicher Indikator für den technischen Fortschritt in der Druckindustrie und eine Möglichkeit zur Bewertung potenzieller Verbesserungen in zukünftigen Technologiegenerationen. Ein Hersteller, der Energieeffizienz priorisiert, kann dieses Engagement durch Verweis auf die Testergebnisse nach ISO 20690 nachweisen.

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