Energie-intelligentes Licht hat viele Facetten

Öl- und Gaslampen, Fackeln und Kerzen waren bis weit ins 19. Jahrhundert die einzigen nicht natürlichen Lichtquellen. Zwar hatte es schon im 18. Jahrhundert Versuche mit elektrischen Bogenlampen gegeben, praktische Bedeutung erlangten sie aber erst, als Werner Siemens zunächst 1866 Dynamomaschinen entwickelte und Thomas Alvar Edison 1879 die Glühlampe zur technischen Reife gebracht hat. Seitdem ist ein Leben ohne künstliche Beleuchtung nicht mehr vorstellbar. Effiziente Technologien, neue Werkstoffe und optische Systeme haben dabei Möglichkeiten geschaffen, eine klassische Technologie der Industrialisierung im Hinblick auf Effizienz und Klimaschutz im 21. Jahrhundert auf eine ganz neue Grundlage zu stellen. Licht an ist nicht gleich Licht an Hartnäckig heißt es immer noch „Glühbirne“, wenn eigentlich die Lampe gemeint ist – und „Lampe“, wenn es Leuchte heißen sollte. Der Begriff „Leuchte“ steht also nur für den Beleuchtungskörper, in dem die Lampe befestigt, betrieben und geschützt wird. Die hier zur Auswahl stehenden Möglichkeiten sind nahezu unbegrenzt. Für jeden Einsatzort gibt des die passende Lösung. Lichttechnische und elektrotechnische Eigenschaften entscheiden darüber, welche Leuchte für welchen Zweck eingesetzt werden kann. Etwa der klassische Kronleuchter fürs Wohnzimmer, kardanische Strahler in Verkauf und Ausstellung oder leistungsstarke Pendelleuchten im Büro. Die eigentliche Lampe ist das Leuchtmittel. Sie unterscheiden sich durch die Art der Lichterzeugung, ihre lichttechnischen Eigenschaften, ihre Leistungsaufnahme in Watt und ihre geometrische Bauform. Aufgrund von zwei entscheidenden Nachteilen hat die Edison-Glühlampe dabei als Prototyp aller elektrischen Lichtquellen (fast) ausgedient: Sie erzeugt mehr Wärme als Licht, und sie hat mit maximal 1.000 Betriebsstunden eine nur kurze Lebensdauer. Andere Leuchtmittel sind heute wesentlich energieeffizienter – sie verbrauchen weniger Strom und halten deutlich länger. Halogenlampen sind eine Weiterentwicklung der klassischen Glühlampe. Bei ihnen ist der Kolben mit Halogengas gefüllt.

Dieser Füllgaszusatz sorgt dafür, dass sich abdampfende Wolfram-Atome nach einem „Kreisprozess“ wieder auf der Wendel ablagern und so eine Kolbenschwärzung verhindert wird. Die wesentlichen Vorteile der Halogenlampen sind eine höhere Lichtausbeute von bis zu etwa 20 Lumen pro Watt, eine längere Lebensdauer, konstanter Lichtstrom, eine weiße Lichtfarbe und geringe Abmessungen. Unterschieden werden sie in Hochvoltlampen für den Betrieb an 230 Volt und in Niedervoltlampen für Spannungen von 6, 12 oder 24 V. Wie alle Temperaturstrahler können sie problemlos gedimmt werden, Niedervoltlampen benötigen dafür jedoch einen speziellen Dimmer, der auf den Transformator abgestimmt sein muss. Entladungslampen erzeugen Licht beim Stromdurchgang durch ionisiertes Gas oder Metalldampf. Je nach Gasfüllung wird sichtbares Licht direkt abgestrahlt oder UV-Strahlung durch Leuchtstoffe auf der Innenseite der Glaskolben in sichtbares Licht umgewandelt. Entsprechend dem Betriebsdruck im Entladungsrohr wird in Niederdruck- und Hochdrucklampen unterschieden. Entladungslampen benötigen zum Betrieb ein Vorschaltgerät, das hauptsächlich dazu dient, den durch die Lampen fließenden Strom zu begrenzen. Zur Zündung werden Starter oder Zündgeräte gebraucht, die genügend hohe Spannungs- und Energie-Impulse liefern, um die Gassäule (Entladungsstrecke) zu ionisieren und dadurch die Lampe zu zünden. Drei-Banden-Leuchtstofflampen sind Niederdruck-Entladungslampen. Sie haben drei oder fünf besonders prägnante Spektralbereiche im blauen, grünen und roten Bereich, die die guten Farbwiedergabeeigenschaften ausmachen. Die auf der Innenseite der Lampenrohre aufgetragene Leuchtstoffschicht wandelt die im Wesentlichen unsichtbare UV-Strahlung der Gasentladung in sichtbares Licht um. Die chemische Zusammensetzung des Leuchtstoffs bestimmt unter anderem die Lichtfarbe und Farbwiedergabe. Zwei Baureihen stehen zur Verfügung: Lampen mit „hoher Lichtausbeute“ von 14 Watt bis 35 Watt sind für höchste Wirtschaftlichkeit ausgelegt; „hoher Lichtstrom“ ist das Kennzeichen der zweiten Baureihe mit 24 Watt bis 80 Watt für Anwendungsbereiche mit indirekter Beleuchtung oder direkter Beleuchtung in Räumen mit großen Höhen. Leuchtstofflampen und Kompaktleuchtstofflampen an geeigneten elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) können problemlos gedimmt werden. Umgangssprachlich ist die Kompaktleuchtstofflampe besser bekannt als Energiesparlampe. Mit integriertem – überwiegend elektronischem – Vorschaltgerät und Schraubsockel kann sie problemlos die Glühlampe ersetzen. Auch Induktionslampen sind Niederdruck-Entladungslampen. Sie kommen ohne Elektroden aus, der Elektronenfluss wird von einem magnetischen Feld erzeugt. Weil sie keine verschleißenden Komponenten enthalten, erreichen sie eine mittlere Lebensdauer von 60.000 Betriebsstunden. Induktionslampen gibt es in Ringform und in Kolbenform. Die wichtigsten Hochdrucklampen sind Halogen-Metalldampflampen und Natriumdampf-Hochdrucklampen. Durch Zusätze von Halogenverbindungen verschiedener Metalle haben die Halogen-Metalldampflampen eine hohe Lichtausbeute und gute Farbwiedergabe. Diese lichtstarken, energieeffizienten und langlebigen Lichtquellen gibt es mit Ellipsoidkolben, in Röhrenform und zweiseitig gesockelt in den Lichtfarben Warmweiß und Neutralweiß. Fast alle Lampen haben UV-absorbierende Kolben. Natriumdampf-Hochdrucklampen zeichnen sich durch besonders warmweißes Licht ohne UV-Anteil und eine sehr hohe Lichtausbeute aus. Auch sie gibt es mit Ellipsoidkolben, in Röhrenform und zweiseitig gesockelt. Die Typen mit schlechter Farbwiedergabe eignen sich für die Straßenbeleuchtung. Typen mit verbesserter Farbwiedergabe werden vorwiegend in der Industriebeleuchtung eingesetzt, Typen mit guter Farbwiedergabe in der dekorativen Akzentbeleuchtung und in Verkaufsräumen. Halogen-Metalldampflampen und Natriumdampf-Hochdrucklampen brauchen auf die einzelnen Typen abgestimmte Zünd- und Vorschaltgeräte, die meisten dieser Lampen können an EVG betrieben werden. Das Dimmen verlangt aufwändige Technik, insbesondere müssen Farbverfälschungen vermieden werden. Heute gibt es auch dimmbare EVG für diese Lampen.

Bei LEDs wird ein Festkörperkristall elektrisch zum Leuchten angeregt. In den verwendeten Kristallen existieren zwei Bereiche: ein n-leitender Bereich mit einem Überschuss an Elektronen und ein p-leitender Bereich mit einem Mangel an Elektronen. In diesem Übergangsbereich entsteht Licht beim Ausgleich zwischen Elektronenüberschuss und -mangel, wenn Gleichspannung angelegt wird. Das Emissionsspektrum des so entstehenden Lichts ist schmalbandig und hängt vom Material des Halbleiterkristalls ab. Weißes Licht kann mit LEDs durch Farbmischung oder Lumineszenzkonversion erzeugt werden. So lassen sich Farbtemperaturen von warmweiß bis tageslichtweiß (3.000 bis 7.000 Kelvin) generieren. Der Farbwiedergabeindex Ra kann für die Anforderungen der jeweiligen Applikation ausgewählt werden. Ra-Werte knapp über 90 sind bereits möglich. Zu den wichtigsten Vorteilen von LEDs gehören die geringe Größe, die lange Lebensdauer und niedrige Ausfallraten. Außerdem emittieren LEDs keine IR- oder UV-Strahlung.

Lichtmanagement: effizient und komfortabel

Trotz der weitreichenden technologischen Auswahlmöglichkeiten – vor allem bei den Lampen –, energie-intelligent wird die Beleuchtung erst durch das richtige Lichtmanagement. Hierzu zählen alle Systeme, die das starre Muster „Ein“ oder „Aus“ durchbrechen. Modernes Lichtmanagement braucht deswegen elektronische Betriebsgeräte: Komponenten wie Vorschaltgeräte oder Sensoren übernehmen z. B. das Steuern und Regeln der Beleuchtung und sorgen für bedarfsgerechtes Licht im Innen- und Außenbereich. So werden nicht nur Lichtausbeute und Lebensdauer der Lampen erhöht, auch das Dimmen von Leuchtstofflampen wird möglich. Darüber hinaus starten die Lampen sofort und flackerfrei und erzeugen ein ruhiges flimmerfreies Licht ohne Stroboskopeffekte. Defekte Lampen werden automatisch abgeschaltet. Weitere Bausteine sind abrufbare Lichtszenen für verschiedene Tätigkeiten, Schaltung der Beleuchtung mit Bewegungsmeldern in Abhängigkeit vom Tageslicht, über Lichtsensoren an Arbeitsplatzleuchten, Lichtsensoren im Raum oder über Außenlichtsensoren.

Ein neues Zeitalter braucht auch ein neues Bewusstsein

Grundsätzlich kommt kein Haus, kein Büro, keine Industrieanlage und auch keine Straße ohne entsprechende Beleuchtung aus. Private Haushalte werden damit ebenso zu wichtigen Akteuren des Klimaschutzes und der Energieeffizienz wie Unternehmen, Städte oder Gemeinden. Dennoch werden die beschriebenen technischen Auswahlmöglichkeiten nicht entsprechend umgesetzt. Mehr als ein Drittel aller deutschen Straßen sind beispielsweise noch immer mit ineffizienten Beleuchtungsanlagen aus den 1960er Jahren ausgestattet. Durch den Einsatz moderner Beleuchtungstechnik könnten hier alljährlich 2,7 Milliarden Kilowattstunden und 1,6 Millionen Tonnen Kohlendioxyd eingespart werden. Gleichzeitig sind mehr als 75 Prozent der Bürobeleuchtung veraltet; bis zu 3,2 Milliarden Kilowattstunden und damit bis zu 475 Millionen Euro Betriebskosten im Jahr könnten durch Sanierungen mit innovativer Technik eingespart werden. Gleiches gilt für die Industrie, die normalerweise auf eine wirksame Kosten- und Leistungsrechnung viel Wert legt. Aber auch hier wird das Thema Beleuchtung vernachlässigt. Die Betriebskosten werden nicht separat erfasst, sondern in die Ermittlung der gesamten Energiekosten für die Produktionsmaschinen mit einbezogen. Dies ist nicht zuletzt auch dem Umstand geschuldet, dass die Beleuchtung meist unauffällig und zum Teil seit Jahrzehnten ohne Störung in Betrieb ist. Vergessen wird häufig auch, dass eine bessere Lichtqualität positive Auswirkungen auf die Produktivität der Mitarbeiter hat, da Arbeitssicherheit und Arbeitsleistung gesteigert werden können. Das in der Industriebeleuchtung ruhende Einsparpotenzial hat der ZVEI auf 8,3 Milliarden Kilowattstunden jährlich oder aber 1,2 Milliarden Euro beziffert. Diese Einsparung würde auch eine Reduzierung des Kohlendioxydausstoßes um fünf Millionen Tonnen bedeuten. Daneben bietet eine gute Beleuchtung die Möglichkeit, Produktionskosten aufgrund gesteigerter Arbeitsleistung einzusparen. Vor dem Hintergrund, dass diese Energiesparpotenziale durch den Einsatz moderner Technik relativ einfach zu erschließen sind und zusätzlich die Beleuchtungsqualität verbessert werden kann, ist es erstaunlich, dass die verfügbaren Technologien erst in geringem Umfang Verwendung finden. Ursachen für die geringe Wechselrate sind häufig fehlende Informationen über das ökonomische und ökologische Potenzial energie-intelligenter Technologien, Unsicherheit durch fehlendes technisches Verständnis und in Bezug auf die Finanzierungskosten. Hier müssen Hersteller, Politik und Verbände an einem Strang ziehen. Weitere Informationen erhalten Sie unter www.licht.de

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EnQ Magazin 03/2009

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