Gebäude nachhaltig und energieeffizient auslegen – Dank moderner LED-Beleuchtung

Die Beleuchtung spielt bei der Energieoptimierung von Gebäuden eine Schlüsselrolle: Satte 20% des Stromverbrauchs sind auf Leuchtmittel zurückzuführen. Die gute Nachricht: der Kostenfaktor Lichtquelle lässt sich sehr viel einfacher und schneller senken als andere Ausgaben. Vor allem Leuchtdioden, kurz LEDs (Licht-emittierende Dioden), bieten erhebliche Einsparpotenziale. Sie verfügen nicht nur über einen höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Energie in Licht, sondern sind auch deutlich langlebiger.

LEDs – zuverlässig und effizient

Wenn es auf die Zuverlässigkeit von LEDs geht, kommt es auf die Auswahl von namhaften und qualifizierten Herstellern an, sagt Dr. Slabke vom led Institut Dr. Slabke, der die Produkte untersucht. An dieser Stelle lohnt es sich, genau hinzuschauen, da ansonsten leicht Konstruktions- und Herstellungsfehler auftreten. Um Reklamationen und gerichtliche Auseinandersetzungen zu umschiffen, empfiehlt es sich, sich intensiv mit den Qualitätsmerkmalen von LEDs auseinanderzusetzen. Hier sind eine Effizienz von über 120 Im/W zu beachten, sowie belastbare Lebensdauer, gute Farbqualität und eine nachvollziehbare Datenlage entscheidend.

Um die Alterung einer LED zu messen, verwendet die International Electrotechnical Commission (IEC) die Veränderung des Lichtstroms als Maßstab. Die Lebensdauer wird darauf aufbauend angegeben, indem der verbleibende Lichtstrom ins Verhältnis zur verstrichenen Zeit gesetzt wird. Beispiel: Der Wert L70 20.000 Stunden indexiert einen Lichtstrom von 70 % des Ursprungswertes nach einer Laufzeit von 20.000 Stunden.

L70, L80 und L90 sind hierfür übliche Werte. Doch auch die sogenannten B-Werte gilt es zu berücksichtigen. B20 bedeutet beispielsweise, dass 20 % der LEDs den ausgewiesenen Lichtstrom statistisch nicht mehr einhalten, 80% der LEDs die Werte aber überschreiten müssen.  L- und B-Werte zusammen bieten einen ausgezeichneten Rahmen für Garantiebedingungen.

Chemikalien beeinträchtigen die Funktion von LEDs massiv. Besonders Schwefel- und Chlorverbindungen führen zu Farbveränderungen, einem gravierenden Lichtstromrückgang nach sehr kurzer Zeit und frühzeitigem Ausfall der Diode.

Häufig kommen bei der Umstellung auf LED Beleuchtung Retrofit-Lampen zum Einsatz. Das Problem dabei: die vorgegebenen „historischen“ Formen können potenziell die Funktion beeinträchtigen, da ein angemessenes thermisches Management mit nur begrenztem Platz für die Elektronik und Wärmemanagement begrenzt möglich ist. Dies bewirkt mitunter eine frühzeitige Reduzierung von Lebensdauer und Lichtstrom.

Lebensdauer anhand von Kriterien beurteilen und vorhersagen

Im Unterschied zu Glühlampen nimmt die Lichtleistung von LED-Systemen zumeist kontinuierlich ab, eine sogenannte Degradation. Wie dieser Prozess genau aussieht, hat eine Forschungsgruppe vom Fachgebiet Lichttechnik der Technischen Universität Darmstadt einige Untersuchungen durchgeführt. Zwei LEDs unterschiedlicher Hersteller wurden gealtert.

Es gilt zu beachten, dass die Messung des Lichtstroms gemäß DIN 5032 als V(λ)-Kurve dargestellt wird. Sie gewichtet spektrale Anteile im gelb-grünen Bereich des Lichts stärker als blaue und rote. Die erste untersuchte Einheit war eine phosphorkonvertierte, weiße LED, die sowohl über blaue als auch gelbe Anteile im emittierten Licht verfügt. Es zeigte sich, dass sich ihr Verhältnis mit der Zeit zu Gunsten des gelben, konvertierten Lichts veränderte. Ergo wurde die LED immer warmweißer. Verglichen mit dem Strahlungsfluss verläuft die Exponentialkurve des Lichtstroms durch die höhere Gewichtung gelber Spektralbereiche flacher, was rechnerisch eine höhere Lebensdauer bewirkt.

Eine zweite Einheit wurde den gleichen Betriebsbedingungen ausgesetzt, wobei hier die interne thermische Verlustleistung um 15 % anstieg. Im realen Betrieb ist durch diese erhöhte Leistung ein Temperaturanstieg zu erwarten, der eine beschleunigte Alterung nach sich zieht.

Um abschließend die beschleunigte Alterung zu prüfen wurden LEDs zweier Hersteller unter moderaten bis zu harten Bedingungen gealtert. Hierbei wurden der Lichtstrom, die Verläufe der optischen Leistung sowie die spektralen Änderungen beobachtet. Was in der Abbildung auffällt, ist ein Sprung im roten Kurvenverlauf, der zeigt: extreme Bedingungen führen zu plötzlichen Rissen in der Primäroptik.

Zeitlicher Verlauf der optischen Leistung bei konstantem Strom (1.000 mA) und verschiedenen Temperaturen (grün: 55 °C, blau: 85 °C, rot: 95 °C). Die Mittelwerte aus zehn Mustern sind als Punkte, die Mediane als Kreuze dargestellt. Quelle: TU Darmstadt

Somit zeigt sich der Leistungsverlust bei verschiedenen Betriebsbedingungen bei jeder LED-Komponente anders. Leider lässt es sich bisher nicht überprüfen, ob LEDs über die gesamte Lebensdauer hinweg tatsächlich ein exponentielles Verhalten an den Tag legen. Ein zweites Problem besteht in der Schnelllebigkeit des Marktes. Nichtsdestotrotz ermöglicht eine genauere Kenntnis der Einflussfaktoren auf die Degradation eine optimalere Prognose und somit wesentlich vorausschauendere Planungen sowie Realisierungen.

Zukunftsbranche Recycling von LEDs

Der Beschluss der EU-Kommission von 2005 bedeutet einen umfassenden Wandel zugunsten der LED-Technologie. Momentan nehmen sie zwar nur einen Anteil von 7 % an der Allgemeinbeleuchtung ein. In den nächsten 5 bis 10 Jahren wird dieser Prognosen zufolge jedoch massiv ansteigen.

Da der Marktanteil von LEDs klein, ihre Lebensdauer aber groß ausfällt, liegen die Rückläufe an LED-Altlampen erwartungsgemäß bei lediglich ca. 1 %. Es fehlt hierfür noch an industriellen Prozessen zum Recycling. Beim Recycling von LEDs gibt es einige Besonderheiten zu beachten:

Zunächst einmal weisen LEDs im Gegensatz zu den Energiesparlampen kein giftiges Schwermetall (Quecksilber) auf. Allerdings bestehen sie aus wesentlich mehr unterschiedlichen Materialkomponenten. Daher spielt die sortenreine Trennung eine Schlüsselrolle beim Recycling von LEDs. Die Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) hat hierfür mit der elektrohydraulischen Zerkleinerung (EHZ) eine vielversprechende Methode vorgelegt.

Woran die Forschungsgruppe nun weiter arbeitet, ist ein Verfahren, durch das Funktionsmaterialien der LED-Chips auch zurück gewonnen werden können. Stoffe wie Gold und Silber aus den Kontakten sollen erhalten bleiben, auch, wenn sich ihre Rückgewinnung momentan aufgrund der sehr geringen Mengen ökonomisch noch nicht rechnet. Doch denken wir an die Prognosen für die steigende Verwendung von LED-Leuchten, wird deutlich, dass dieses Thema weiter an Relevanz gewinnen wird.

Fazit und Blick in die Zukunft

Nicht zuletzt durch den Einfluss von Nachhaltigkeitszertifikaten entwickeln sich Bauten zunehmend in Richtung Kreislaufwirtschaft. Sowohl Berater als auch Planer müssen nun bei LEDs darauf achten, wie deren Komponenten aufgebaut sind, wie spezielle Umgebungsbedingungen auf sie wirken und welcher Lichtstrom langfristig erforderlich ist. Ein internationaler Standard fehlt bislang. Mitte 2017 soll diese Lücke jedoch mit dem IEC 63013 gefüllt werden.

Für den Lichtstromerhalt sind vor allem Herstellungsprozess und verwendetes Silikon entscheidend. Außerdem kommt es auf die Materialen an, aus denen der LED-Chip besteht, sowie auf Art und Qualität des benutzten Phosphors. Soll der Einsatzzeitraum ausgedehnt werden, empfiehlt es sich, die Alterung von Elektronik, Elektrik und Kunststoffen zu berücksichtigen. Die sortenreine Trennung möglichst aller verwendeten Stoffe der recycelten LED-Leuchten verleiht der guten Ökobilanz im Hinblick auf Beleuchtung von Gebäuden den letzten Schliff.

Autoren des Artikels:

Dr. Uwe Slabke
Professor Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh