Energiesparoption LED

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1 Energiesparoption LED Technik und Wirtschaftlichkeit Fachtagung der ABGnova und des Energiereferats Frankfurt Beispiel: LED-Retrofit als Ersatz für Glühlampen Kolben LED Vorschaltelektronik Kühlkörper Referenten: Prof. Dr.-Ing. habil. Tran Quoc Khanh Dipl.-W irtsch.-ing. Christoph Schiller Fassung

2 Inhalt 1. Kurze historische Betrachtung der Lichtquellentechnologien 2. Straßenbeleuchtungs-Teststrecke in Darmstadt 3. Innenraumbeleuchtung Private Beleuchtung Büroraumbeleuchtung 4. Schlussbetrachtung Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 2

3 1. Lichtquellentechnologien Ein historischer Rückblick Öllampe Asien Kerze Ägypten Glühlampe USA Luxeon LED USA v. Chr v. Chr Technologischer Durchbruch Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 3

4 1. Lichtquellentechnologien LED-Beispiel: SMD-Gehäuse SMD Surface Mount Device Komponenten High Power LED Chip Chipverklebung Kühlkörperanschluss Spritzgussgehäuse, Leitungen Bonddrähte Silkonverguss (Linse) Substrat Kühlkörper Quelle: Osram, Single Standard Chip Packages Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 4

5 1. Lichtquellentechnologien LED: weiße Strahlung und Farbwiedergabe Weißes Licht: Möglichkeiten der Erzeugung Direkt mit RGB LEDs Höchste Effizienz Sehr großer Farbbereich möglich Einstellbarer Weißpunkt Blaue LED + Phosphor Einfach Mäßige Farbwiedergabe (R a 75) mit einem Phosphorsystem, hoher R a -Wert bei Mehrfachphosphor Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 5

6 1. Lichtquellentechnologien LED: weiße Strahlung durch Leuchtstoffkonversion Blaue LED (Chip) und gelber Leuchtstoff (z.b. YAG) Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 6

7 1. Lichtquellentechnologien Farbwiedergabe: Farbinformation / Objektidentifikation Farbwiedergabe-Index R a > 90 (HMI-Lampe) Farbwiedergabe-Index R a < 20 (Na-Lampe) Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 7 Quelle:Osram

8 1. Lichtquellentechnologien Lichtausbeute heutiger Entladungslampen Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 8

9 1. Lichtquellentechnologien Lichtausbeute heutiger LEDs Lichtausbeute [lm/w] Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 9

10 1. Lichtquellentechnologien Lichtausbeute heutiger LEDs > 110 lm/w unter realen Bedingungen erreichbar Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 10

11 1. Lichtquellentechnologien Stand der weißen LED-Technik (Tageslicht) Die kaltweiße LED: bis 10W bis 120 lm/w bei 350 ma und T=60 C T c > 5000K Farbwiedergabeindex CRI = (93) schlechte Farbwiedergabe roter Farbtöne Y Yttrium Gd Gadolinium Tb Terbium Lu Lutetium Ce - Cerium Quelle: Th. Jüstel Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 11

12 1. Lichtquellentechnologien Stand der weißen LED-Technik (warmweiss) Warmweiße LED für die Innenbeleuchtung: lm/w T c = K(4200 K) CRI = Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 12

13 1. Lichtquellentechnologien LED: Lichtausbeute und Kosten von Lichtquellen Lichtausbeute [lm/w] Preis [ /klm] Glühlampe 13 0,5 Leuchtstofflampe 83 0,6 Hochdruck-Entladungslampe 100 1,1 LED weiß ca Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 13

14 2. Straßenbeleuchtung Anteil der Lichtquellen für Deutschland 2006 In Deutschland: Ein Großteil der bisher verwendeten Lampentechnologien in der Straßenbeleuchtung sind Quecksilberdampfhochdrucklampen Ab 2015 dürfen diese aufgrund ihrer schlechten Effizienz in Europa nicht mehr vertrieben werden Quelle: Osram Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 14

15 2. Straßenbeleuchtung LEDs: Vorteile in der Straßenbeleuchtung LED-Vorteile für die (Straßen-)Beleuchtung: lange Lebensdauer, i. d. R. kein plötzlicher Ausfall, langsame Degradation sehr gute Temperaturcharakteristik (Effizienz, wenn Temp. ) Zündverhalten/Anlaufzeit unproblematisch (sehr schnell) kein UV-Anteil (Insektenschutz) zweckmäßige Farbwiedergabe R a = 65 bis 80 Einfache, schnelle und verlustfreie Dimmbarkeit zwischen 0 % und 100 % Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 15

16 2. Straßenbeleuchtung LEDs: Vorteile in der Straßenbeleuchtung Lebensdauer der LEDs als Funktion der pn-übergangstemperatur Lichtstrom rel. [%] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Lichtstromabfall bei LEDs TJ = 55 C TJ = 100 C TJ = 80 C TJ = 125 C Bei T j = 55 C ca h möglich (15 Jahre) 0,2 0, Brennstunden [h] Quelle: Seoul Semiconductor Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 16

17 2. Straßenbeleuchtung LEDs: Vorteile in der Straßenbeleuchtung Relative Lichtstromerhöhung mit geringerer Substrattemperatur Temperaturabhängigkeit einer kaltweißen LED 100 Lichtstrom rel. [%] Substrattemperatur der LED [C ] Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 17 Quelle: Lichtlabor TU Darmstadt 2010

18 2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt Teststraße 2009 Direkter Vergleich unterschiedlicher Technologien Energie / Effizienz Lichtqualität / DIN EN Praxistest Akzeptanz Sicherheit Lichtfarbe Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 18

19 2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Effizienz HME SON-H HST LED Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 19

20 2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Effizienz Urzustand: die Straße ist mit 80 W HME-Lampe bestückt (Koffer AEG) Bestückung der vier Messfelder: 1. Alte Leuchte, geputzt, neue HME 125 W 2. Alte Leuchte, geputzt, SON-H 68 W 3. SR50, HST 70 W, EVG 4. LED-Leuchte DL10,dimmbare Elektronik Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 20

21 2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Effizienz Ergebnisse der Installation und Messung auf der Fahrbahn Berechnung für die gleiche Geometrie der 4 Straßenabschnitte Lampe Dimmung Mittlere Beleuchtungsstärke [lx] Leistung der Leuchte [W] HME 125 W KVG Nicht möglich 5,4 134,2 SON-H 68 W KVG Nicht möglich 6,3 80,0 HST 70 W EVG 77 % 6,3 62,7 LED EVG 43 % 6,3 68,0 Jahr W für das Jahr Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 21

22 2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Durchgeführte Befragungen: 1. Anwohnerbefragung - Verteilen von je 2 Fragebögen an insgesamt 330 umliegende Haushalte - Rücklaufquote: ca. 12 % = 39 Antworten (sehr hoch), Alter um 64 Jahre 2. Test als Autofahrer - 21 Testpersonen, Alter im Mittel 29 Jahre - Fahrt durch die Teststraße mit Schrittgeschwindigkeit (Abblendlicht aus) - Fahrer und Beifahrer füllen Fragebogen für jeden Abschnitt aus 3. Test als Fußgänger - 21 Testpersonen, Alter im Mittel 29 Jahre - Ablaufen der Teststrecke zu Fuß - Ausfüllen eines Fragebogens zu jedem Abschnitt Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 22

23 2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Fußgängertest: Insgesamt: 21 Personen als Versuchsteilnehmer Kleingruppen à 4-5 Personen (davon: 1 eingewiesene Aufsichtsperson) Alle Testpersonen wurden vor dem Versuchsdurchlauf über ihre Aufgabenstellung informiert 2 Personen mit Warnweste laufen im Abstand von ca. 30m vor der Gruppe (Frage 4 im Fragebogen) Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 23

24 2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Natriumdampfbeleuchtuchtung Fußgängertest: Testpersonen mit Warnwesten (links im Bild ) und Verkehrsschilder LED-Beleuchtuchtung Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 24

25 2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Start Fragebogen ausfüllen (kein Zeitlimit) Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 25

26 2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Fragen des Fragebogens: 1. Generelle Helligkeit 2. Erkennbarkeit von Bordsteinkanten 3. Erkennbarkeit von Hindernissen 4. Erkennbarkeit der Warnwesten 5. Gefühlte Sicherheit 6. Farbwiedergabe 7. Farbe des Lichtes 8. Ranking: Bester Abschnitt Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 26

27 2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Mittelwerte Ausreichend Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 27

28 2. Straßenbeleuchtung weitere Tests von LED-Straßenleuchten: Umwandlung der vorhandenen Teststrecke in eine Deutsche Referenzstrecke mit den besten 6 LED-Straßenleuchtentypen (gemessen nach dem Stand August 2010) Untersuchung der Langzeitstabilität von LED-Straßenleuchten: über 3 Jahre ( Stunden) auf einem großen Testgelände in der Nähe von Frankfurt mit LED-Straßentypen und 30 Straßenleuchten Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 28

29 3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Übersicht der Rahmenbedingungen Politische und technologische Rahmenbedingungen Seit : - Verbot von Glühlampen ab 100 W - Verbot von mattierten Glühlampen Seit Verbot von Glühlampen ab 75 W Die verbleibenden Halogenglühlampen haben nur eine Lichtausbeute von max. 25 lm/w alle anderen Lampentypen für Haushalt, Büro und Verkaufsräume sind quecksilberhaltig die Kompaktleuchtstofflampen haben - nur eine Lichtausbeute von maximal lm/w, - eine Lebensdauer von ca Stunden sowie - eine lange Einschaltzeit von über einre Minute Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 29

30 3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Retrofit LEDs als Ersatz für Glühlampen Aufbau Retrofit LED Ersatz für Glühlampen Kolben LED Vorschaltelektronik Kühlkörper Fassung Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 30

31 3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Entwicklung von Lampen und Leuchten 1. Entwicklung von Retrofit-LED-Lampen Vorteile: gleiche Sockel wie die Glühlampen E14, E27, E40 warmweiße Retrofit-LED-Lampen mit R a = 85 Nachteile: noch teuer, das thermische Problem nicht gelöst 2. Entwicklungen von LED-Büroleuchten und LED-U-Bahn-Leuchten - mit LED-Farbwiedergabe von R a > 80, meistens um R a = 85 - dimmbar und steuerbar mit Sensorik (Meldesensor, Helligkeitssensor) - bisher überwiegend als Prototypen oder Kleinserie Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 31

32 3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Retrofit-LEDs: Messergebnisse TU Darmstadt 3/2010 Lampentyp bzw. Hersteller El. Leistung [W] Lichtstrom [lm] Lichtausbeute [lm/w] Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 32 Farbtemperatur CCT [K] FaCC-5W-ww FaCC-5W-kw FaCC-5W-skw FaOm-2W-kw FaOm-8W-ww FaPs-7W-ww FaPs-6W-M-ww FaPs-6W-MG-ww FaPx-6W-ww FaLx-3,7W-kw FaRm-PAR-0,8W-kw FaRm-PAR-4W-ww FaSl-TRL4W-ww FaSl-8W-ww Fasl-4W-A55-ww FaSl-8W-A60-kw , FaSl-PS-8,1W-ww FaSl-ZWC-7W-ww FaSl-ZWSL-7W-ww

33 3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Vergleich: (Halogen-)Glühlampen, Energiesparlampen Lampentyp bzw. Hersteller El. Leistung [W] Lichtstrom [lm] Lichtausbeute [lm/w] Farbtemperatur CCT [K] Glühlampe 60W Halogen-Glühlampe FaP-KLL-12W-ww FaP-KLL-15W-ww FaP-KLL-20W-ww FaP-KLL-8W-kw FaP-KLL-12W-kw FaP-KLL-15W-kw Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 33

34 3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Simulation Innenraumleuchte: T5-Lampen bzw. LEDs Leuchtmittel T5 LED Leistung pro Leuchte [W] Lichtstrom pro Leuchte [lm] Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 34

35 3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Simulation Innenraumleuchte: Raumgeometrie 1 Parameter für Simulation: 5 x 5 Meter Reflektionsgrade - Wand: 0,5 - Boden: 0,2 - Decke: 0,8 LED: R a = ca Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 35

36 3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Simulation Innenraumleuchte: Raumgeometrie 1 Berechnungsergebnisse: - bei der LED-Leuchte wurde durch umgedrehte Montage einer zweiten Leuchte auch nach oben abgestrahlt Bezeichnung Leuchtenanzahl Leistung insgesamt [W] Lichtstrom [lm] E m [lx] E min [lx] E max [lx] g 1 g 2 Arbeitsbereich LED 3 x ,52 0,41 Umgebung ,23 0,11 Arbeitsbereich T5 x ,51 0,40 Umgebung ,30 0,12 Arbeitsbereich T5 x Arbeitsbereich T5 x Rot = gedimmt (auf gleiche Leistung bzw. gleichen Lichtstrom) Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 36

37 3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Simulation Innenraumleuchte: Raumgeometrie 2 10 x 10 Meter Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 37

38 3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Simulation Innenraumleuchte: Raumgeometrie 2 Berechnungsergebnisse: - bei der LED-Leuchte wurde durch umgedrehte Montage einer zweiten Leuchte auch nach oben abgestrahlt Bezeichnung Leuchtenanzahl Leistung insgesamt [W] Lichtstrom [lm] E m [lx] E min [lx] E max [lx] g 1 g 2 AB 1 Mitte LED x ,656 0,618 UB 1 Mitte ,165 0,105 AB 3 Mitte T5 x ,773 0,703 UB 3 Mitte ,334 0, Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 38

39 4. Abschlussbemerkungen Grenzen der Effizienzsteigerung Keine große Steigerung der Effizienz durch thermische Strahler Langsame Steigerung bei Entladungslampen ( lm/w) Entwicklung der LEDs: - bis 160 lm/w in den nächsten 3 Jahren - danach weitere Steigerung durch Phosphor bis 200 lm/w Große Potentiale: - durch die intelligente Steuerung und - die gezielte Lichtlenkung Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 39

40 4. Abschlussbemerkungen Ausblick Die Entwicklung von HL-LEDs schreitet weiter rasant voran Heute: Einzug der LED in viele Alltagsbereiche der Beleuchtung - Kfz-Beleuchtung - Straßenbeleuchtung - Innenraumbeleuchtung System-Funktionalität - das Gesamtsystem (Lichtquelle, Elektronik, Gehäuse) muss zuverlässig sein Eine Frage der Zeit.. - bis die LED alle wesentlichen Beleuchtungsaufgaben dominiert Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 40

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 41

42 Anhang Farbwiedergabe Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 42

43 Anhang UV-Schutz Quecksilberdampf- Hochdrucklampe (auch Leuchtstofflampen): Quelle: D. Beckmann Osram GmbH Publikation in Licht 92, S. 21 weiße LED: kein UV-Anteil, deutlich geringere Insektengefährdung Quelle: Lumileds Luxeon K2 Datenblatt Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 43

44 Anhang Dimmverhalten Dimmen der LED: - stufenlos % - Fast verlustfrei - Reaktion: sofort - Energieeinsparung durch bedarfsgerechte Beleuchtung Entladungslampe: - nicht bis 0% dimmbar - starke Verluste - Verzögerung Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 44

45 Anhang LED-Retrofits in der Außenbeleuchtung LED-Retrofits Pro: Kostengünstig (auf den 1. Blick) Schnell umrüstbar Alte Leuchte beibehalten Contra: Schlechte thermische Anbindung LED-Retrofit für die Straßenbeleuchtung: zu schwer für die Leuchtenfassung nicht zugelassen Verkürzte Lebensdauer KEINE ZULASSUNG (zu hohes Gewicht für Fassung) Volles Potential (lange Lebensdauer, Dimmen, etc.) der LED nur in einem abgestimmten Gesamtsystem nutzbar Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 45