Energieeffiziente Beleuchtung mit LED

Gastbeitrag von Prof. Dr. Ulrich H.P. Fischer-Hirchert, Hochschule Harz und Geschäftsführer der HarzOptics GmbH.

In der öffentlichen Diskussion um die Frage, auf welche Weise die Energieversorgung der Zukunft sichergestellt werden soll, wird häufig der Ruf nach mehr Energieeinsparung laut. Dieser Gedanke ist in der Regel eng an die Frage gebunden, auf welche Formen des Energieverbrauchs die moderne, hochtechnische Gesellschaft zu verzichten bereit ist. Bereits die Fragestellung impliziert Verzicht und Verlust an Lebensqualität, weshalb die Aufforderungen zu Einsparungen nicht immer auf eine ungeteilte Zustimmung stoßen. Dies ist jedoch nur eine von zwei möglichen Perspektiven, denn an die Stelle der Überlegung, auf welche Formen der Beleuchtung, auf welche technischen Anlagen, welches Entertainment-Equipment etc. in welchem Umfang verzichtet werden muss oder soll, kann ebenso gut die Überlegung treten, wie man mit weniger Energieeinsatz den aktuellen Status Quo halten könnte. Diese Überlegung führt uns zum Stichwort „Steigerung der Energieeffizienz“, also zur Verbesserung des Verhältnisses von eingesetzter Energie zur mit diesem Energieeinsatz erreichten Leistung.

In den letzten Jahren ist dabei auch immer wieder auf die mangelnde Effizienz der heutigen Beleuchtungstechnik verwiesen worden, denn ein nicht unerheblicher Anteil der aktuell verbrauchten Energie fließt in das Ausleuchten von Wohnungen und Geschäften, von Schaufenstern und Dekorationen oder auch von Straßenzügen und Parkhäusern. Eine der vielversprechendsten Möglichkeiten zur Erhöhung der Energieeffizienz in der Beleuchtungstechnik ist der Einsatz von LED-Arrays (englisch für Light Emitting Diode, d.h. Leuchtdiode), über die ja anlässlich des „Thema des Monats“ bei energynet bereits aus verschiedenen Perspektiven berichtet wurde.

Doch wie funktioniert das genau mit der Energieeinsparung und welche Einsparungen lassen sich erreichen? Um diese Fragen zu beantworten, muss man die LED-Beleuchtung mit den beiden wichtigsten konventionellen Beleuchtungstechniken von Heute vergleichen – Leuchtstoffröhren (auch als Quecksilberröhren bekannt) für die Innenraumbeleuchtung und Natriumdampflampen (eine weit verbreitete Form von Gasentladungslampen) für die Aussenbeleuchtung.

Beginnen wir einmal mit der Aussenbeleuchtung. Hier dominieren in Europa inzwischen die Natriumdampflampen, wobei sich mit vergleichbaren LED-Straßenlampen etwa 10-15% der Energie einsparen ließen – und das bei gleichbleibender Intensität der Beleuchtung und sinkenden Wartungskosten. Da die Thematik „LED-Straßenbeleuchtung“ bei energynet bereits recht ausführlich aufgegriffen wurde, möchte ich nachfolgend stärker auf die Innenraumbeleuchtung eingehen. Hierbei sollte man sich vor Augen führen, dass diese Thematik natürlich auch die Innenraumbeleuchtung von Industriehallen, Kaufhäusern etc. mit einschließt, d.h. nicht auf die Beleuchtung in Privathaushalten beschränkt ist. Gerade im kommerziellen Sektor lassen sich aber teils recht große Effizienzerfolge erzielen, weshalb die Innenraumbeleuchtung meines Erachtens nach in den nächsten Jahren zunehmend in den Fokus der Effizienzplaner rücken dürfte.

In ebendieser Innenraumbeleuchtung spielen Leuchtstoffröhren inzwischen eine, wenn nicht sogar die führende Rolle. Leuchtkörper dieses Typs erzeugen zunächst einmal für den Menschen unsichtbares Ultraviolettlicht (UV-Licht), welches erst durch eine fluoreszierende Leuchtschicht auf dem Glasbehälter der Leuchtstoffröhre in sichtbares Licht umgewandelt wird. Der Prozess der Lichterzeugung ist also zweistufig – zunächst wird unsichtbares UV-Licht in der Leuchtstoffröhre erzeugt, erst im zweiten Schritt wird es über die Fluoreszenzschicht in sichtbares Licht umgesetzt. Eine solche Zweistufigkeit führt zwangsweise zu Ineffizienz, da beim Übergang von der ersten in die zweite Stufe nicht das gesamte UV-Licht umgewandelt werden kann – insgesamt wird lediglich ein Bruchteil der elektrischen Energie letztendlich in sichtbares Licht umgesetzt .

Da Leuchtstoffröhren zudem mit unter niedrigem Druck gehaltenen Quecksilberdampf gefüllt sind, stellen sie bei der Herstellung und besonders bei der Entsorgung ein zusätzliches Umweltproblem dar, denn bereits kleine Mengen des hochgiftigen Quecksilbers können den Boden verseuchen oder das Grundwasser vergiften. Das Quecksilber wird aber dringend benötigt, da bei Verwendung anderer Gase der Wirkungsgrad der Lampe deutlich geringer ausfällt.

Beleuchtungsformen mit höherer Energieeffizienz und besserer Umweltverträglichkeit wären daher wünschenswert – beispielsweise in Reihe geschaltete LED (so genannte LED-Arrays) deren Energieverbrauch bei gleicher Leistung deutlich unter dem von Leuchtstoffröhren liegt.

Worauf kommt es beim Einsatz von LED für die Beleuchtung an? Idealerweise sollte die künstliche Beleuchtung ja der natürlichen Beleuchtung, d.h. dem Sonnenlicht, möglichst nahe kommen. Ziel ist also die Erzeugung von augenfreundlichem, „warmen“ Weißlicht, die mit LED nicht so einfach gelingt. Sowohl bei Osram als auch bei Nichia gibt es inzwischen aber patentierte Lösungen, bei denen mittels einer der LED übergestülpten Kappe mit dotiertem Phosphormaterial weißes Licht erzeugt werden kann. Alternativ lassen sich mit RGB-LED (Kombi-LED, die sich aus mindestens drei Chips unterschiedlicher Farbgebung zusammensetzen) auch Grundfarben zu angenehmen, weißem Licht vermischen, so dass man näherungsweise eine natürliche Beleuchtung erreicht. Der echte, „warme“ Sonnenlichtton kann jedoch noch immer nicht ganz erreicht werden, wobei das Licht bei den meisten Applikationen sichtbar ins Bläuliche abgleitet.

Ein (grober) Vergleich der Wirkungsgrade (der Wirkungsgrad bezeichnet das Verhältnis von eingesetzter Energie zu erzeugtem Licht) zeigt, dass LED-Arrays auf der Effizienzsskala relativ weit vorne stehen:

Beleuchtungselement und deren Wirkungsgrad:
Glühlampe: ~ 1 – 3,5%
LED-Array: ~ 6 – 13%
Energiesparlampe: ~ 6 – 13%
Gasentladungslampe: ~ 15%
Laserdiode: ~ 20 – 50%

Wie man sieht, kann ein gut eingestelltes LED-Array in Punkto Energieeffizienz nicht nur jede herkömmliche Glühbirne übertreffen, sondern auch jede Energiesparlampe schlagen bzw. mit ihr gleichziehen. Fortgesetzte Forschungen auf dem Feld der LED-Beleuchtungstechnik werden in den nächsten Jahren dafür sorgen, dass die Energieeffizienz der Arrays noch weiter ansteigt. Starke Hochleistungs-LED mit großer Leuchtkraft müssen beispielsweise in viel geringeren Mengen auf ein Array aufgebracht werden, um den gleichen Effekt zu erzielen. An solchen Hochleistungs-LED wird bereits geforscht – unter anderem in Regensburg und der Optik-Hochburg Jena.

So wurden beispielsweise Ende des letzten Jahres drei Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik (Fraunhofer IOF) in Jena sowie der Firma Osram Opto Semiconductors GmbH aus Regensburg mit dem Deutschen Zukunftspreis 2007 geehrt. Die ausgezeichnete Innovation: Die drei Wissenschaftler und ihr 60 Personen starkes Forscherteam entwickelten extrem lichtstarke LEDs – eine Technik, die mittelfristig den Beleuchtungsmarkt revolutionieren könnte. Dem Forscherteam gelang es, mit Hilfe der Dünnfilmtechnologie die Leistungsfähigkeit von LED-Chips deutlich zu steigern – und die passenden Gehäuse für die neuen LED-Chipsätze entwickelten die Lichtforscher gleich mit. Solche Hochleistungs-LED könnten in Zukunft vielfach herkömmliche Glühbirnen und vor allem Spotlights ersetzen – und dies bei gleicher oder stärkerer Lichtleistung und geringerem Energieverbrauch, so dass bei entsprechend breitem Einsatz z.B. in der Straßen- oder in der Industriebeleuchtung ein positiver Beitrag zu Umwelt- und Klimaschutz geleistet werden könnte. (Weitere Informationen zum Zukunftspreis beim Harzoptics-Blog und bei der Süddeutschen Zeitung.)

Die besonders effizienten Laserdioden (zwischen 20% und 50% Wirkungsgrad) lassen sich übrigens kaum für „echte“ Beleuchtung außerhalb von Laser- und Light-Shows einsetzen, da das abgegebene Licht aufgrund des schmalbandigen Spektrums für das menschliche Auge äußerst unangenehm ist und daher nur für kurzfristige „Effekthaschereien“ verwendet werden kann.

Gerade in den Privathaushalten sehe ich ein besonders großes Einsparpotenzial im Ersatz von so genannten H4-Halogen-Spotlampen, die vielfach für die atmosphärische, passive Raumbeleuchtung eingesetzt werden, die aber auch bei Leselampen im Wohnzimmer und ganz besonders häufig bei Schreibtischlampen zur Anwendung kommen – also überall dort, wo das Licht nicht zerstreut in den Raum fallen, sondern punktgenau bestimmte Flächen möglichst stark ausleuchten soll. Dies ist auch mit LED-Arrays möglich, deren Lichtabgabe sich mit unterstützenden, passiven Optik-Elementen sehr genau auf bestimmte Spots fokussieren lässt. Da gerade H4-Halogen-Lampen sehr viel Energie verbrauchen (vor allem wenn sie sich manuell „dimmen“ lassen), halte ich hier Einspareffekte von bis zu 60% durch den LED-Einsatz für nicht unwahrscheinlich, wobei auch mit LED-Arrays ein „Dimmeffekt“ möglich ist, also bei Ersatz der Lampe kein Qualitätsverlust eintritt.

Ein weiterer Aspekt, der gerade aus Sicht des Umweltschützers für die LED spricht, ist deren lange Lebensdauer. Nicht nur, dass man sie nach Ablauf derselben relativ unkompliziert entsorgen kann, da von ausgedienten LED im Gegensatz zu Quecksilber-Leuchtstoffröhren keine Umweltgefahr ausgeht, man muss sie auch in weitaus geringerem Umfang entsorgen, da sie deutlich länger verwendet werden können. Während man bei einer Standard-Glühbirne von einer Betriebsdauer von etwa 5.000 Stunden ausgehen kann, bringen es viele LED auf 80.000 Stunden und mehr – eine Differenz um das 16-fache. Im Schnitt würde man also in der Zeit, in der man einen LED-Spotstrahler bis zur Auswechslung des Arrays betreiben kann, schon 16 mal die kaputte Standard-Glühbirne entsorgt und eine neue eingesetzt haben. Eine Lebensdauer von über 100.000 Stunden wird übrigens bei manchen LED-Typen bereits erreicht – und es ist damit zu rechnen, dass diese in den nächsten Jahren noch weiter ansteigen dürfte.

In den USA hat übrigens eine Studie ergeben, dass man auf mehrere Großkraftwerke verzichten könnte, wenn man allein die Beleuchtung von Ampeln auf LED-Arrays umstellen würde. Insofern bietet die LED-Technologie schon heute sehr viele Möglichkeiten, in der Lichttechnik bei gleich bleibender Qualität der Beleuchtung sehr viel Energie einzusparen. Diese Möglichkeiten werden sich in Zukunft noch deutlich ausweiten, so dass man die LED-Technik auf jeden Fall im Auge behalten sollte – denn das Licht der Zukunft kommt definitiv aus den kleinen Halbleitern.

Der Autor: Prof. Fischer-Hirchert unterrichtet optische Nachrichten- und Kommunikationstechnik an der Hochschule Harz und ist Geschäftsführer der HarzOptics GmbH, einem auf die Photonik-Forschung spezialisierten An-Institut. Vor seiner Professorentätigkeit war er viele Jahre als Optik-Forscher am Heinrich-Hertz-Institut und als Dozent an der Freien Universität Berlin tätig. Mehr Informationen zu seinen Forschungen und Publikationen finden sich im Netz unter http://www.ufischerhirchert.hs-harz.de.