LED richtig, behaglich und effizient

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1 LED richtig, behaglich und effizient Raphael Wicky Weisskopf Partner GmbH 25/ / 1

2 Inhalt Energie- und Lichttechnische Grundlagen Effizienz von Lampen und Leuchten Aufbau und Eigenschaften einer LED Einsatzgebiete von LED Bewertung von Beleuchtungsanlagen Wirtschaftlichkeit (Life Cycle Costing) Was bringt die Zukunft 25/ / 2

3 Energetische Bedeutung der Stromverbrauch Beleuchtung Rund 15% des schweizerischen Strombedarf wird für die Beleuchtung benötigt. Entspricht bei einem Schweiz weiten Strombedarf von GWh (2013) rund GWh. Kosten Insgesamt rund 3 Mrd. CHF kosten entstehen jedes Jahr für die Beleuchtung in der Schweiz. Davon rund 1.2 Mrd. CHF für die elektrische Energie. Bahnen 5% übrige 3% Grosscomputer/ Kommunikation 7% Geräte (Büro und Unterhaltung) 4% Planung und Installation 28% Elektrische Energie 44% Industrielle Prozesse 24% Haushaltgeräte 14% Lampen 6% Beleuchtung 15% Leuchten 22% Elektrowärme 13% Transportanlagen 7% Lüftung/Klima 5% Umwälzpumpen 3% 25/ / 3

4 Energietechnische Grundlagen (1/2) Leistung Formelzeichen der Grösse: Einheit: P Watt [W] Energie Formelzeichen der Grösse: E 1000 W = 1 kw = 0,001 MW Einheit: Wattsekunde [Ws = J] 3600 Ws = 1 Wh = 0,001 kwh 1000 kwh = 1 MWh 25/ / 4

5 Energietechnische Grundlagen (2/2) Beispiel Energiebedarf: 300 Watt x 45 Stunden = Wh = 13.5kWh Dauerleistung einer laufender Person: 300 Watt Aarau Genf: 45 Stunden (218 km) Energiepreis basierte Entlohnung: 13.5 kwh x 18 Rp./kWh = CHF / / 5

6 Lichttechnische Grundlagen (1/4) Lampen (Leuchtmittel) Leuchten 25/ / 6

7 Lichttechnische Grundlagen (2/4) Lichtstrom Beleuchtungsstärke Der Lichtstrom beschreibt die von einer Lichtquelle abgegebene Lichtmenge im sichtbaren Bereich. Die Masseinheit des Lichtstroms ist das Lumen (lm). Eine 100 Watt Glühbirne erzeugt etwa 1400 Lumen, eine 10 Watt LED-Lampe ca Lumen. Die Beleuchtungsstärke beschreibt die Menge des Lichtstroms, der von einer Lichtquelle auf eine Fläche auftrifft. Die Masseinheit der Beleuchtungsstärke ist das Lux (lx). Die Beleuchtungsstärke ist das übliche Mass für Helligkeit. Im Freien bei hellem Sonnenschein können bis 100'000 lx erreicht werden. Eine Mondscheinnacht ist ca. 0,2 lx hell. 2012, Markus Hubbuch, ZHAW 25/ / 7

8 Lichttechnische Grundlagen (3/4) Farbwiedergabe Die vom Auge wahrgenommene Farbe eines Objektes ist in Wirklichkeit das reflektierte Licht von der Oberfläche dieses Körpers, welches nicht mehr alle Wellenlängen des Spektrums des weissen Lichtes enthält (z. B. nur noch Rotanteile). Je nach Lampe kann die Farbwiedergabe gut oder schlecht sein. Die Farbwiedergabe-Qualität wird mit dem Farbwiedergabeindex Ra angeben. 25/ / 8 Bild: 2012, Markus Hubbuch, ZHAW

9 Lichttechnische Grundlagen (4/4) Lichtfarbe Die Lichtfarbe ist die Farberscheinung des Lichtes. Im Alltag ist bekannt, dass es warmes, eher gelbliches und kaltes, fast bläuliches Licht gibt. Die Einheit der Farbtemperatur ist Kelvin (K). Dabei können zwei Lichtquellen mit der selben Farbtemperatur in unterschiedlichen Farben leuchten. In der Fachsprache sind drei Farb-Begriffe bekannt: 2012, Markus Hubbuch, ZHAW 25/ / 9

10 Effizienz von Lampen und Leuchten (1/6) Lichtausbeute Die Lichtausbeute ist die Kennzahl, die aussagt wie gut eine Lichtquelle elektrische Energie in Lichtstrom umsetzen kann, d. h. mit wie wenig Wärmeverlust dies geschieht. Damit ist diese Zahl das wichtigste Kriterium um energieeffiziente Beleuchtungslösungen zu erreichen. Die Einheit ist Lumen/Watt (lm/w) LED-Lampen und Leuchten heute mit >120 lm/watt erhältlich! Bild:2012, Markus Hubbuch, ZHAW 25/ / 10

11 Effizienz von Lampen und Leuchten (2/6) Die Energieetikette teilt die Lampen, wie viele andere elektrische Geräte und Autos in 7 Klassen der Energieeffizienz, von E bis A++, ein. Beispiele für die Klasseneinteilung: LED-Lampen: Klassen A++ und A+. Leuchtstofflampen, Sparlampen, LED-Spots: Klassen A und B. Eco-Halogen-Glühlampen: Klassen B und C. Hochvolt Halogen-Glühlampen: überwiegend in Klasse D. Glühlampen (verboten): überwiegend in den Klassen E und F. 25/ / 11

12 Effizienz von Lampen und Leuchten (3/6) A++ A+ A B C LED 125 lm/w Sparlampe 67 lm/w LED 85 lm/w Sparlampe 60 lm/w Halogen Eco 18 lm/w D E Halogen Eco 17 lm/w Glühlampe 12 lm/w 25/ / 12

13 Effizienz von Lampen und Leuchten Beispiel Leistungsaufnahme 6.5 Watt Lichtstrom 450 lm Lichtfarbe 2700 K warmweiss Farbwiedergabe-Index R a 80 Lebensdauer h Schaltfestigkeit ein/aus Energieetikette A + (4/6) Lichtausbeute: 450lm / 6.5 Watt = 69.2 lm/watt 25/ / 13

14 Effizienz von Lampen und Leuchten Vergleich Wirkungsgrad (5/6) Glühlampe Eco Halogen Sparlampe FL-Röhre T8 / T5 LED Lampe 2% Licht 98% Wärme 3% Licht 97% Wärme 12% Licht 88% Wärme 20% Licht 80% Wärme 25% Licht 75% Wärme Quelle: 25/ / 14

15 Effizienz von Lampen und Leuchten Effizienz Lampe (6/6) ca. 60 lm/watt Effizienz Leuchte ca. 90 lm/watt ca. 20 lm/watt ca. 90 lm/watt Bild: Marco Männer, Nov / / 15

16 Aufbau und Eigenschaften einer LED (1/13) LED (Light Emitting Diode) Erfindung der roten und grünen LED in den 1960er Jahren. Ab 1960 als Signalleuchten Bsp. für elektronische Geräte. Schwierigkeiten beim Erzeugen von weissem Licht Erfindung der blauen LED erste LED mit weissem Licht wird vorgestellt. Ab 2000 immer mehr Produkte mit brauchbarem weissem Licht. Bild: 1 Für die Entwicklung der blauen LED wurde 2014 der Physik- Nobelpreis vergeben. 25/ / 16

17 Aufbau und Eigenschaften einer LED (2/13) Funktionsweise einer LED Eine Leuchtdiode besteht aus zwei Halbleiterschichten «p» und «n». «p» wurde so dotiert, dass diese Schicht einen Elektronenmangel aufweist. Die «n»-schicht weist einen Elektronenüberschuss auf. Wenn eine genügend hohe Spannung angelegt wird, wird die Barriereschicht (dunkelrot) überwunden und elektromagnetische Energie wird, in Form eines Photon, freigesetzt. Je nach Halbleiter hat das Photon eine bestimmte Wellenlänge. Bild: 2008, H.Weber; Displaytechnologien. Eine Übersicht und Anwendungen. 25/ / 17

18 Aufbau und Eigenschaften einer RGB LED LED (3/13) Vermischung von Blauen, Roten (oder Gelben) und Grünen Dioden zum erzeugen von weissem Licht. Ermöglicht einstellbare Farbtemperaturen. Eher selten. Bild: Lumineszenz - LED Eine blaue LED wird mit photolumineszierendem Material kombiniert. Grösstenteils wird mit dem Halbleitermaterial Indiumgalliumnitrid (InGaN) blaues Licht erzeugt. Mithilfe einer gelben Phosphorschicht werden die Photonen gefiltert und es entsteht weisses Licht. Häufigste Technologie. 25/ / 18

19 Aufbau und Eigenschaften einer Farbspektrum einer LED Tageslicht hat ein lückenloses Farbspektrum, wobei blau dominiert. Glühlampen haben ebenso ein lückenloses Farbspektrum, jedoch dominiert rot. Das Farbspektrum von Sparlampen ist Lückenhaft. LED haben ein besseres Spektrum als Sparlampen, jedoch haben alle LED ein «Loch» zwischen Blau und Grün. Je kleiner dieses Loch, desto besser ist die Farbwiedergabe (Ra.) LED (4/13) Bild: 25/ / 19

20 Aufbau und Eigenschaften einer Elemente einer LED LED (5/13) LED strahlen Wärme nach hinten ab grosser Kühlkörper erforderlich, dadurch begrenzt Abstrahlwinkel! LED benötigen Gleichspannung LED-Treiber erforderlich Bild: Bild: 25/ / 20

21 Aufbau und Eigenschaften einer LED (6/13) Vergleich Nennlebensdauer Glühlampe Eco Halogen Sparlampe FL-Röhre T8 / T5 LED Lampe LED Leuchte 1000 h 2000 h 5000 h h T h T h h h h h 25/ / 21

22 Aufbau und Eigenschaften einer Definition der Lebensdauer LED (7/13) «L-Wert» «L» beschreibt den Lichtstrom, er gibt an wie viel Prozent des Lichtstromes nach Ablauf der Lebensdauer durchschnittlich übrig sind. «B-Wert» «B» gibt an, wie viele LED-Module den gegebenen «L-Wert» unterschreiten. Seit 1.März 2014 gilt (EU Verordnung 1194/2012 ): [L80/B10] bedeutet dass, 10 % der LED-Module einen Lichtstrom unter 80 % des Initialwerts abgeben. 25/ / 22

23 Aufbau und Eigenschaften einer LED (8/13) Seltene Erden Die Produktion von LED-Chips benötigt geringe Mengen von Indium, Gallium und eher selten Germanium. Sie sind Nebenprodukte der Erzverhüttung anderer Metalle (Zink, Aluminium und Kupfer). Rund 97% der seltenen Erden werden in China abgebaut. Rund 15% der weltweiten Gallium- und Indiumförderung wird für Leuchtmittel benötigt. Die Rückgewinnung ist technisch kaum machbar und wirtschaftlich uninteressant. Weitere Elemente Aluminium für Kühlkörper. Phosphor für die Beschichtung der LED-Chips. Aluminium 25/ / 23 Phosphor Gallium ca. 0.5mg pro LED-Chip. Indium ca. 0.17mg pro LED-Chip Quelle: LED-Umweltstudie, Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH

24 Aufbau und Eigenschaften einer LED (9/13) Energiebilanz LED-Produktion Leuchtmittel Glühlampe (40 Watt) Sparlampe LED (8 Watt) Produktionsenergie 0.6 kwh 4 kwh 9.9 kwh Lebensdauer h h h Energieverbrauch für gleichen Lebenszyklus 50 x 0.6 kwh = 30 kwh 5 x 4 kwh = 20 kwh 1 x 9.9 kwh = 9.9 kwh Quelle: LED-Umweltstudie, Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH 25/ / 24 /

25 Aufbau und Eigenschaften einer Elektrosmog LED (10/13) LED benötigen im Gegensatz zu Sparlampen (fast) strahlungsfreien Gleichstrom; Sparlampe hochfrequenten Wechselstrom (25-70 Kilohertz (khz)) LED-Leuchtmittel sind im Gegensatz zu Sparlampen sehr strahlungsarm. Laut Messungen der ETH Zürich, strahlen LED nicht mehr als eine Glühlampe. Achtung: LED haben bis zu 100-fache Einschaltströme des I Nenn! Entsprechende Leistungsschutzschalter und Relais müssen eingebaut werden. 25/ / 25 /

26 Aufbau und Eigenschaften einer LED (11/13) Beleuchtungssteuerung LED LED erreicht unmittelbar nach dem Einschalten 100% der Beleuchtungsstärke, eine Steuerung mithilfe von Bewegungs- oder Präsenzmelder ist daher sinnvoll LED lassen sich stufenlos dimmen (beim Kauf auf entsprechende Produkte achten!) Bild: Bild: 25/ / 26

27 Aufbau und Eigenschaften einer LED (12/13) Vorteile von LED Leuchten und Lampen Lange Lebensdauer (bis Stunden) Unempfindlich gegenüber Erschütterungen und Vibrationen Geringe Einschaltdauer sofort 100% Licht Hohe Schaltfestigkeit Sind frei von Quecksilber und giftigen Gasen Hohe Effizienz Geben keine UV und IV-Strahlung und nahezu keinen Elektrosmog ab Sind stufenlos dimmbar Nahezu in jeder Form erhältlich 25/ / 27

28 Aufbau und Eigenschaften einer LED (13/13) Nachteile von LED Leuchten und Lampen z.zt. noch hoher Anschaffungspreis. Viele, zum Teil dubiose Anbieter auf dem Markt mit schlechten Produkten. Geringe Standardisierung der technischen Elemente. Netzrückwirkungen (infolge der LED-Treiber) Teilweise hohe Einschaltströme (bis zu 100 x I nenn im µ- Sekunden Bereich). Der Einsatz ist noch nicht für alle Bereiche wirtschaftlich (Bsp. Direkt-/ Indirektbeleuchtung). Sämtliche Nachteile dürften in naher Zukunft aufgehoben werden! 25/ / 28

29 Einsatzgebiete von LED (1/8) Ersatz Halogen Lampen Bsp.: R7s, 80 Watt, 1400 lm Bsp.: GU4, 14 Watt, 205 lm Bsp.: R72, 9 Watt, 650lm Bsp.: GU4, 2 Watt, 120 lm 25/ / 29 Nicht gleich viel Lumen erforderlich wie bei Halogen. Bei dem Ersatz von Niedervolt Halogenlampen durch LED müssen oftmals die Vorschaltgeräte ausgewechselt werden (infolge der geringeren Leistungsaufnahme der LED).

30 Einsatzgebiete von LED (2/8) Ersatz Glüh- und Sparlampen 6 x Effizienter Bsp.: E 27,60 Watt, 800 lm Bsp.: E27,10 Watt, 800 lm 2 x Effizienter Bsp.: E27, 18 Watt, 1100 lm Bsp.: E27, 9 Watt, 950 lm 25/ / 30

31 Einsatzgebiete von LED (3/8) Ersatz von T8 und T5 Leuchtstoffröhren Bsp.: 36 Watt, 3350 lm (93 lm/w exkl. KVG) Bsp.: 18 Watt, 1620 lm (90 lm/w exkl. KVG) Bsp.: 28 Watt, 2600 lm (103 lm/w exkl. EVG) Bsp.: 16 Watt, 2000 lm (125 lm/w exkl. LED- Treiber) 25/ / 31

32 Einsatzgebiete von LED (4/8) Ersatz von T8 durch T5 Leuchtstoffröhren Alt: 86 Leuchten à 2 x 36 Watt T8 Systemleistung: kw Neu: 69 Leuchten à 1 x 35 Watt T5 Systemleistung: kw 25/ / 32

33 Einsatzgebiete von LED (5/8) Ersatz von Kompaktsparlampen in Downlights Ersatz von 13 Watt Sparlampen durch 5 Watt LED- Seitenstrahler 20% mehr Licht Payback: 1.8 Jahre (bei 4500 h/a) 25/ / 33

34 Einsatzgebiete von LED (6/8) Ersatz von Leuchten durch LED Ersatz von 2 x 36 Watt T8 Leuchten durch 44 Watt LED Einbauleuchten. Payback: 5.8 Jahre. (bei 4000 h/a) Systemleistung: 336 Watt (inkl. KVG) Systemleistung: 176 Watt (inkl. LED-Treiber) 25/ / 34

35 Einsatzgebiete von LED (7/8) Mit LED kann nahezu jede Form erstellt werden! Alte Situation: 650 Leuchten mit zwei Kompakt-Leuchtstofflampen Systemleistung: 50 Watt Mangelhafte Beleuchtungsstärke (ca. 80 Lux) Hoher Wartungsaufwand Neue Situation: 650 LED-Leuchten Systemleistung: 15 Watt Beleuchtungsstärke ca. 130 Lux Lange Lebensdauer Stunden Reduzierter bis kein Wartungsaufwand 25/ / 35

36 Einsatzgebiete von LED (8/8) 25/ / 36

37 Bewertung von Beleuchtungsanlagen (1/3) SIA 380/4 Spez. Elektrizitätsbedarf (W/m2) Beleuchtungsstärke (Lux) Effizienz von Leuchten und Lampen (lm/w) Sollte >60 lm/w betragen Berechnungstool Websites / / 37

38 SIA 380/4 Bewertung von Beleuchtungsanlagen (2/3) Bild: SIA 380/4, / / 38

39 Bewertung von Beleuchtungsanlagen (3/3) 20 Halogenlampen à 10 Watt Systemleistung = 20 x 10W + 15W = 215 Watt Bild: Meter 1 Halogenlampe à 50 Watt Systemleistung = 1 x 50W + 5W = 55 Watt 12 LED-Lampen à 5 Watt Systemleistung = 12 x 5 W + 5 W = 65 Watt Total Fläche: 24.75m 2 Total Leistung: 335 Watt spez. Leistung: 13.5 Watt/m 2 25/ / 39

40 Lebenszykluskosten (1/3) Vorgezogene Recyclinggebühr (vrg) Anschaffungskosten = Investition Betriebskosten = Energiekosten + Unterhaltskosten + Verzinsung + Amortisation Entsorgungskosten = Kosten welche bei der Entsorgung entstehen 25/ / 40

41 Beispiel: Alt: Lebenszykluskosten (2/3) 354, 13 Watt Kompakt FL (Systemleistung: 16 Watt) Betriebsstunden pro Jahr. Leuchtmittelkosten: CHF 4.-/Stk. Lebensdauer: Stunden Neu: 354, 5 Watt LED-Seitenstrahler Leuchtmittelkosten: CHF 16.-/Stk. Lebensdauer: Stunden 25/ / 41

42 Lebenszykluskosten (3/3) Beispiel: Einsparungen und Ausgaben Wirtschaftlichkeit (Annuitäten-Methode) Elektrische Energie Thermische Energie Unterhalt Betrieb Unterhalt Betrieb inkl. Teuerung Investition Nutzungsdauer Finanzierungskosten Einsparung total (Energie /Unterhalt) Kosten / Nutzen- Verhältnis Payback MWh/a CHF/a MWh/a CHF/a CHF/a CHF/a CHF a CHF/a CHF/a a Anzahl Leuchtmittelwechsel während Nutzungsdauer: 6 x Sparlampe 1 x LED-Seitenstrahler Rahmenbedingungen: Strompreis: 120 CHF/MWh Wärmepreis: 82 CHF/MWh Arbeitszeitkosten: 80 CHF/h Zinssatz Kapital: 3.5% Teuerung Energie: 1.5% Teuerung Arbeit: 1.0% 25/ / 42

43 Was bringt die Zukunft? (1/8) Bis 2020 werden LED bis 200 lm/watt kommerziell erhältlich sein. Physikalische Grenze liegt bei rund 683 lm/watt (für grüne LED!). Für weisse LED zwischen 280 und 350 lm/watt. Keine weiteren Entwicklungen bei Sparlampen zu erwarten! Bild: 25/ / 43

44 Lichtqualität Was bringt die Zukunft? (2/8) Das Licht von «weissen» LEDs war vor kurzem noch bläulich oder gelblich. Die neueste Generation emittiert Licht in Tageslichtqualität. Die Preise dafür werden in den nächsten Jahren stark sinken. Bauformen Der GH76p-Sockel wurde für LED- Leuchtmittel entwickelt, der integrierte Kühlkörper leitet Wärme sehr effektiv ab. Sockel GH76p Lampe GH76p Quelle 25/ / 44

45 Was bringt die Zukunft? (3/8) Flexible Farbtemperaturen und Lichtfarben Farbtemperatur werden in der Zukunft nicht ab Fabrik definiert, sondern frei wählbar sein. Farbtemperatur und Lichtfarbe verstellt sich je nach Tageszeit automatisch. Bild: Bild: 25/ / 45

46 Was bringt die Zukunft? (4/8) Preise 25/ / 46

47 Was bringt die Zukunft? (5/8) «LED-Fadenlampe»; «Filament LED» Seit ca. 1-Jahr auf dem Markt. Hohe Farbwiedergabe bis zu >Ra Grad Abstrahlwinkel. Hohe Effizienz (> 100lm/W) 5.5 Watt LED Bild: ww.fastvoice.net/w.messer 60 Watt Glühbirne Bild: 25/ / 47

48 Was bringt die Zukunft? (6/8) OLED (organic light emitting diode) Die OLED besteht aus organischen Elementen. Sie kann extrem dünn und biegsam hergestellt werden. Als Smartphone- und Tabletbildschirme werden OLED schon verbaut, insgesamt ist die Technik aber noch unreif und hat enormes Potential. In Effizienz und Lebensdauer sind die OLED den «normalen» LED noch unterlegen. Die effizientesten OLED-Panels haben schon 100 lm/w und eine Lebensdauer von h. Bild: Bild: Bild: 25/ / 48

49 Was bringt die Zukunft? (7/8) Rebound Effekt Jede neue Leuchttechnologie spart Energie, jedoch zeigt die Vergangenheit, dass mit jeder Einführung einer neuen Lichttechnologie auch ein Ausbau der Beleuchtungsintensität einhergeht. Die tatsächliche Einsparung von Energie und Ressourcen ist daher geringer als erwartet. In Industrieländern steigt der Beleuchtungsbedarf pro Jahr um 1-3%. Direkter Rebound Effekt Wenn ich eine Sparlampe durch LED ersetzte und, da ich ja nun eine effizientere Leuchte verwende, auch gleich noch eine Hintergrundbeleuchtung für mein Büchergestell anschaffe. Indirekter Rebound Effekt Wer Energie spart, spart auch Geld. Dieses Kapital jedoch, gibt man wieder für etwas aus, das ebenfalls Energie verbraucht. Mit den gesparten Stromkosten fliege ich für eine Woche in die Karibik. 25/ / 49 Quelle: LED-Umweltstudie, Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH

50 Was bringt die Zukunft? (8/8) Lichtverschmutzung Lichtverschmutzung bezeichnet die Aufhellung des Nachthimmel durch Lichtquellen. In den Himmel abgestrahltes Licht erzeugt keinen Zweck! Lichtverschmutzung wird weiter zunehmen u.a. infolge des Rebound Effekt. Bild: Bild: 25/ / 50

51 Tipps beim Einkauf von LED Prüfen der Wirkung des Licht vor dem Einkauf (Muster) Bsp. auf dem Handrücken da die Lichtfarbe variieren kann. Eine Farbtemperatur von 2700 Kelvin bei einer LED entspricht dem einer Glühlampe, 3000 Kelvin einer Halogenlampe. Nicht gleich eine grosse Anzahl Leuchten oder Lampen einkaufen. Zuerst Wirkung im Einsatzbereich testen. Lebensdauer sollte mindestens Stunden betragen. Effizienz der Lampe oder Leuchte sollte grösser 60 lm/w sein. Anzahl Ein- und Ausschaltungen sollte mindestens Schaltzyklen entsprechen. Preise von LED-Lampen und Leuchten vergleichen grosse Preisunterschiede! 25/ / 51

52 Keine Angst vor neuem Licht! «Dieser Raum ist mit Edison s elektrischem Licht ausgestattet. Versuchen Sie nicht, es mit dem Zündholz anzuzünden. Drehen Sie einfach den Schalter an der Wand bei der Tür.» 1888, Thomas A. Edison «Die Verwendung von Elektrizität zur Beleuchtung ist in keiner Weise gesundheitsschädlich und er beeinträchtigt auch nicht die Schlafqualität.» 25/ / 52

53 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 25/ / 53