Stand der Technik und Einsatzmöglichkeiten von LED in der Allgemein- und Pflanzenbeleuchtung

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2 Stand der Technik und Einsatzmöglichkeiten von LED in der Allgemein- und Pflanzenbeleuchtung Stefan Zorn, GICON GmbH GICON

3 AGENDA Einführung Grundbegriffe Unterschiede zwischen konventioneller und LED-Lichttechnik Stand der LED-Technik Allgemeinbeleuchtung Pflanzenbelichtung Perspektiven für den Einsatz von LED-Technik im Gartenbau GICON 2

4 Ziele des Vortrags Vermittlung wesentlicher Grundlagen Sensibilisierung für Qualitätskriterien und Anforderungen an hochwertige LED Darstellung grundsätzlicher Möglichkeiten von LED im Bereich der Pflanzenbelichtung Diese komplexen Themen können nur angerissen werden! GICON 3

5 Arbeitsplatzbelichtung Assimilationslicht Photoperiodische Belichtung Einführung Beleuchtungstechnik im Gartenbaubetrieb Allgemeinbeleuchtung Pflanzenbeleuchtung Verkaufsgewächshaus Büro/ Verwaltung/ Sozialräume Produktionsgewächshäuser Typische Leuchtmittel: o o o o o Produktionsgewächshäuser Zusatzbelichtung zum Ausgleich von Strahlungsdefiziten Typische Leuchtmittel: o o Produktionsgewächshäuser Leuchtstoffröhren Halogenstrahler Glühbirnen Kompaktleuchtstofflampen ( Energiesparlampen ) LED Natriumdampf- Hochdrucklampen Halogen- Metalldampflampen Beleuchtung zur Steuerung von Entwicklungsprozesse der Pflanzen Typische Leuchtmittel: o o o o Leuchtstoffröhren Glühbirnen Kompaktleuchtstofflampen ( Energiesparlampen ) (Natriumdampf- Hochdrucklampen) GICON 4

6 Einführung Warum LED? Effizienz von Lichtquellen mit Stand 2017 Datenbasis: Prof. Dr. Jüstel, FH Münster GICON 5

7 Einführung Strom sparen bei der Beleuchtung 1.) Beleuchtung nur anschalten, wenn notwendig. (Sensibilisierung der Mitarbeiter) Quelle: ) Alternative Beleuchtungstechnik/ Leuchtmittel (z.b. LED) GICON 6

8 Einführung THESEN Der Einsatz von LED für die Allgemein- und Pflanzenbeleuchtung*: bietet Potenziale signifikanter Energieeinsparungen lässt sich je nach Anwendung für die Allgemeinbeleuchtung wirtschaftlich darstellen eröffnet neue Möglichkeiten zur Beeinflussung von Wachstum, Formgebung und Entwicklungsprozessen der Pflanzen* erfordert eine kritische Bewertung von Herstellerangaben verlangt eine sorgfältige lichttechnische Planung ist derzeit noch Gegenstand zahlreicher wissenschaftlicher Untersuchungen* ist für die Anforderungen und Bedürfnisses des Betriebes individuell anzupassen* GICON 7

9 Grundlagen Bewertung der Strahlungswirkung nach Anwendung: Nutzungspfad Allgemeinbeleuchtung Assimilations-/ Pflanzenbelichtung Bewertungsparameter Empfindlichkeit des menschlichen Auges für bestimmte Spektralbereiche (Nacht) (Tag) Photosynthetisch wirksamer Spektralbereich nm photosynthetic active radiation - PAR Elektromagnetische Strahlung... die durch Strahlungsquelle emittiert wird die auf eine Fläche auftrifft. die pro zugeführter Leistung erzielt wird.... wird über Empfindlichkeitskurve gewichtet: Lichtstrom im Lumen (lm) Beleuchtungsstärke in Lux (lx) lx = lm/ m 2 Lichtausbeute in Lumen/ Watt (Lm/ W).. wird im Bereich nm unabhängig von deren Intensität erfasst: Photosynthetischer Photonenfluss (PPF) in µmol/ s Photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD) in µmol/ (m 2 x s) Photosynthetische Photonenflussausbeute (PFA) in µmol/ (W x s) bzw. µmol/ J GICON 8

10 Grundlagen Grundlegende Unterschiede zwischen herkömmlicher und LED- Beleuchtungstechnik (1): Herkömmliche Beleuchtungstechnik Leuchte, Leuchtmittel ( Lampe ), (Vorschaltgerät) getrennte Produkte unterschiedlicher Hersteller, Austausch möglich Normen/ Standards für Leuchtmittel (Sockel, Form, Abmaße, Nennleistungen..) weitgehend vergleichbare lichttechnische und physikalische Eigenschaften von Leuchtmitteln (z.b. Lebensdauer, Lichtausbeute) überschaubarer Anbietermarkt für Leuchtmittel GICON 9

11 Grundlagen Grundlegende Unterschiede zwischen herkömmlicher und LED- Beleuchtungstechnik (2): LED-Technik Leuchte, Leuchtmittel ( LED ) und Betriebsgerät bilden i.d.r. ein Produkt (Ausnahme: LED-Retrofit) Austausch von LED oder Betriebsgerät nur durch Hersteller oder gar nicht möglich keine Normen/ Standards für Leuchtmittel (Sockel, Form, Abmaße, Normierung zu Kenngrößen/ Parametern/ Messverfahren in der Entwicklung, noch nicht übergreifend im Einsatz unüberschaubarer Anbietermarkt, aber: Marktbereinigung (Anbieteranzahl sinkt!) LED-Technik bedeutet eine Abkehr von bekannten Normen und Standards und erschwert dem Nutzer (derzeit noch) einen objektiven Qualitätsvergleich! GICON 10

12 GICON Allgemeinbeleuchtung

13 Allgemeinbeleuchtung LED-Allgemeinbeleuchtung: Stand der Technik Retrofit -Leuchtmittel als 1:1-Ersatz für herkömmliche Leuchtmittel (Glühlampen, Spotlights, Röhren), Ersatz für Entladungslampen: Verdrahtung/ Vorschaltgeräte beachten stabförmige LED-Leuchtmittel für Betrieb an externem Betriebsgeräten LED-Komplett-Leuchten (Strahler, Panels, Downlights) extrem weites Spektrum (Preise, Produktqualitäten, Produktdokumentation) - Preis korreliert i.d.r. mit der Qualität unüberschaubarer Anbietermarkt GICON 12

14 Allgemeinbeleuchtung Qualitäts-/ Bewertungskriterien für LED Bewertungskriterium Erläuterung Anwendungsbezug Lichtausbeute Lumen/ Watt (lm/ W) Sollte für Gesamtsystem angegeben sein! Lebensdauer Angabe in Stunden L x B y oder L x (B 50 ) =. h Ausfallrate (Totalausfall) Angaben in % zum Zeitpunkt L 0 C z oder L x B y C z =..h Lichtfarbe Angabe in Kelvin kaltes (8.000 K) oder warmes Licht (2.700K) Abstrahlcharakteristik breit- oder engstrahlend ja nach Beleuchtungsaufgabe Farbwiedergabe Ra-Wert/ CRI-Wert im Verkaufsgewächshaus möglichst hoch (> 80-90) Bemessungsumgebungstemperatur der Leuchte (kein Kennwert): Angabe in C, wenn keine Angabe: 25 C Qualität/ Lebensdauer des Treibers Temperaturen/ Wärmeabführung im Raum deutlich abweichend? wird in den Herstellerangaben der LED nicht oder nur eingeschränkt berücksichtigt Garantiezeit Angabe in Jahren Einschränkungen/ Kleingedrucktes beachten Austauschfähigkeit von Komponenten Bietet der Hersteller ersatzfähige Komponenten (Betriebsgeräte, LED- Module) im Falle eines Ausfalls? GICON 13

15 Allgemeinbeleuchtung Wesentliche Einflüsse auf die Effizienz und Lebensdauer von LED Bestromung der LED-Chips (Herstellerangaben?): je niedriger, desto effizienter und geringere Temperaturabhängigkeit bzgl. Lebensdauer Kerntemperatur des LED-Chips (Bestromung, Temperatur der Umgebung, Konstruktion/ Wärmeleitkette) Optische System (Lichtverluste, Abstrahlcharakteristik) Quelle: TRILUX Akademie Lichtqualität: Gute Lichtqualität und breiter Spektralbereich nicht mit höchster Effizienz erreichbar. GICON 14

16 Allgemeinbeleuchtung Lebensdauerangaben von LED Ein Vergleich von mit? h L 70 B 50 : h L 80 B 10 : h Ausfallrate LED? Ausfallrate Treiber? GICON 15

17 Allgemeinbeleuchtung Bemessungslebensdauer Lx: Wird mit Angabe eines definierten Bemessungslichtstrom (% bezogen auf Ausgangswert) ausgewiesen Betriebsdauer in Stunden Quelle: TRILUX Akademie GICON 16

18 Allgemeinbeleuchtung Bemessungslebensdauer Lx mit Anteil der Leuchten mit erhöhtem Lichtstromrückgang By: Beispiel L 80, B 10 Betriebsdauer in Stunden Quelle: TRILUX Akademie GICON 17

19 Allgemeinbeleuchtung Bemessungslebensdauer Lx mit Anteil der Leuchten mit erhöhtem Lichtstromrückgang By: Beispiel L 70, B 50 Betriebsdauer in Stunden Quelle: TRILUX Akademie GICON 18

20 Allgemeinbeleuchtung Geplante Nutzungszeit und die Qualität der LED müssen bei der Lichtplanung sorgfältig berücksichtigt werden (notwendige Überdimensionierung/ Wartungsfaktoren )! Leuchtstoffröhre T8 LED Betriebsdauer in Stunden Quelle: TRILUX Akademie Quelle: ZVEI e.v. GICON 19

21 Allgemeinbeleuchtung Wirtschaftlichkeit von LED-Retrofit-Röhren Photoperiodische Pflanzenbelichtung, Arbeitsplatzbeleuchtung im Gewächshaus Bürobeleuchtung Verkaufsgewächshaus Kalkulationsdaten: Strompreis 22 ct/ kwh, Bestand: Leuchtstoffröhre T8 58 W (KVG), Ersatz: LED-Retrofit 25 W, keine Betrachtung von Ersatzkosten für Leuchtstoffröhren, keine Preissteigerung GICON 20

22 GICON Pflanzenbelichtung

23 Pflanzenbelichtung Die Sonne als Referenzsystem (1) nm MAR PAR MAR Photosynthese: Photosynthetic active radiation (PAR) Wachstumssteuerung: Morphologic active radiation (MAR) Sonnenlicht ist vollspektral Spektrum des Sonnenlichts ist veränderlich und liefert den Pflanzen Informationen (MAR-Spektrum) GICON 22

24 Spektrale Photonenflussdichte (mmol/ m -2 s -1 ) Pflanzenbelichtung Die Sonne als Referenzsystem (2) Spektrum des Sonnenlichts ist veränderlich und liefert den Pflanzen Informationen : Mittagsonne Mittagssonne durch Blattschichten gefiltert Sonnenuntergang Wellenlänge (nm) Pflanzen/Pflanzenteile die durch andere Pflanzen/Pflanzenteile abgeschattet werden können dies detektieren und darauf reagieren Verhältnis Rot/ Dunkelrot ( nm/ nm): zwischen Mittagssonne und Sonnenuntergang relativ vergleichbar zwischen Mittagssonne und Situation unter Blattschicht deutlich abweichend GICON 23

25 relative Absorption/ relative Photonenausnutzung Pflanzenbelichtung Photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) Relative Quanten-Effizienz nach McCree und Inada (61 Arten/Sorten) Wellenlänge (nm) Pflanzen bestehen nicht nur als Chlorophyll grünes und gelbes Licht erreicht tiefere Blattschichten und ist für die Photosynthese ebenfalls von Relevanz (indirekt über Carotinoide) Fokus bei LED auf blaues + rotes Licht nicht immer ausreichend GICON 24

26 Relative Strahlungsintensität/ Photonenfluss Pflanzenbelichtung Spektren von Leuchtmitteln im Vergleich Wellenlänge (nm) HPS Sonnenlicht High-End-LED GICON 26

27 Pflanzenbelichtung Grundlegende Unterschiede in der Energiebilanz HPS - LED Natriumdampf- Hochdruck (HPS) LED Quelle: Philips Horticulture LED Solutions/ GreenPower LED toplighting Ist der geringe Strahlungswärmeanteil der LED ein Nachteil? (Positive) Auswirkung des Strahlungswärmeanteils konventioneller Beleuchtung auf das Wachstum (erhöhte Blatttemperaturen) derzeit noch nicht eindeutig belegt. GICON 27

28 Pflanzenbelichtung LED-Pflanzenbelichtung Stand der Technik Schwerpunkt Assimilationsbeleuchtung wenige (große) Hersteller Einsparpotenzial ca. 40% (LED max. 2,8 µmol/j, HPS max. 1,7 µmol/j*) Effizienz-Steigerungspotenziale bei LED deutlich höher (Weiterentwicklung HPS-Technologie fraglich) LED: dimm- und steuerbar Forschung/ Entwicklung Wirkung: einzelner Spektralfarben Farbspektren auf Wachstum, Pflanzenentwicklung und Inhaltsstoffgehalt Ziel u.a.: Reduzierung/ Ersatz chemischer Hemmstoffe Vielzahl publizierter Forschungsergebnisse bislang wenige anwendungsreife Belichtungsrezepturen * HPS W GICON 28

29 Pflanzenbelichtung Einfluss der verschiedenen Wellenlängen auf das Pflanzenwachstum (i.w. nach Prucker, FH Weihenstephan-Triesdorf, 2013 Literaturauswertung) energiereich UV-B/A ( nm/ nm): verringerte Wuchshöhe, geringere Biomasse, abnehmendes Blattvolumen Blau ( nm): Photosynthese, uneindeutige Aussagen (Verstärkung oder Verminderung des Streckungswachstums); Einfluss auf Blütenbildung? Blaugrün/ Grün ( nm): Photosynthese (indirekt über Carotinoide) Rot ( nm): Photosynthese, mehrheitlich Verminderung des Streckungswachstums (kompakterer Wuchs), Stimulation (Langtagpflanzen) oder Verhinderung (Kurztagspflanzen) der Blütenbildung Dunkelrot ( nm): Entgegenwirkung der Effekte von Hellrot auf die Blütenbildung; Förderung des Streckungs- und Blattflächenwachstums Verhältnisse Blau Rot und Rot-Dunkelrot: Steuerung morphologischer energiearm Prozesse GICON 29

30 Pflanzenbelichtung Einfluss der verschiedenen Wellenlängen auf das Pflanzenwachstum (i.w. nach Prucker, FH Weihenstephan-Triesdorf, 2013 Literaturauswertung) energiereich UV-B/A ( nm/ nm): verringerte Wuchshöhe, geringere Biomasse, abnehmendes Blattvolumen Blau ( nm): Photosynthese, uneindeutige Aussagen (Verstärkung oder Verminderung des Streckungswachstums); Einfluss auf Blütenbildung? Blaugrün/ Grün ( nm): Photosynthese (indirekt über Carotinoide) Rot ( nm): Photosynthese, mehrheitlich Verminderung des Streckungswachstums (kompakterer Wuchs), Stimulation (Langtagpflanzen) oder Verhinderung (Kurztagspflanzen) der Blütenbildung Dunkelrot ( nm): Entgegenwirkung der Effekte von Hellrot auf die Blütenbildung; Förderung des Streckungs- und Blattflächenwachstums Verhältnisse Blau Rot und Rot-Dunkelrot: Steuerung morphologischer energiearm Prozesse GICON 30

31 Pflanzenbelichtung Welche lichtbedingten Faktoren beeinflussen die Pflanzenentwicklung? Lichtspektrum (und im Bestfall dessen Dynamik) Gleichmäßigkeit/ Homogenität (auf der Fläche) Eindringtiefe Intensität in jeder Entwicklungsphase Beleuchtungsdauer pro Tag/ Lichtsumme Anforderungen an eine optimierte Technik zur künstlichen Pflanzenbelichtung (LED) GICON 31

32 Pflanzenbelichtung Anforderungen an die Lichtverteilung - + Stark gerichtetes Licht verringert die Eindringtiefe und somit die effektiv beleuchtete Blattmasse Beleuchtungslösungen mit Linsen-Optiken sind nicht zu empfehlen! GICON 32

33 Zusammenfassung Pflanzenbelichtung mit LED marktverfügbare Systeme sind bereits jetzt technisch in der Lage, konventionelle Assimilationsbeleuchtung zu ersetzen derzeitige Beleuchtung (HPS, LED) ist eine Kompromisslösung, da neben Energieeffizienzkriterien weitere Faktoren von Bedeutung sind (Lichtspektrum, Ausleuchtung, Steuerbarkeit) LED und klassische Leuchtmittel schließen sich nicht aus, sondern können einander sinnvoll ergänzen Forschung & Entwicklung im Bereich der spektralen Wirksamkeit von Licht weiter notwendig Zukunftsperspektive: sensorgestützte, gezielt steuerbare, dem natürlichen Licht angenäherte LED-Beleuchtung mit kombinierten Funktionen für Pflanzenwachstum und -entwicklungssteuerung GICON 33

34 Pflanzenbelichtung Nicht vergessen... ineffiziente Leuchten sind teure Heizgeräte. GICON 34