Abstract

Diese Bachelorthesis beschäftigt sich mit der LED-Technik im Bereich der Allgemeinbeleuchtung mit weißem Licht. Betrachtet werden ausschließlich Anwendungen in Industriebetrieben. Ein weiter Bestandteil ist eine Umfrage über Umwelt- und Klimaschutz in Bezug auf Beleuchtungstechnik. Es ist herauszufinden, unter welchen Umständen Unternehmen LED-Technik einsetzen.

Gillt

This bachelor thesis is looking about the potential of white LED-techniques to be used in business companies to light up the buildings. An additional component is a survey about the environmentally und climatically protection within the business companies. The aim is to know how companies use the LED-lightning.

Inhalt

Inhalt   

Abstract   II

Inhalt   III

Abk  ürzungsverzeichnis  V

Abbildungsverzeichnis   V

Tabellenverzeichnis   VII

1  Einleitung  1

1.1  Problemstellung  1

1.2  Zielsetzung der Arbeit  2

2  Das Unternehmen ingenia LED GmbH  3

2.1  Einblicke in das Unternehmen  3

2.2  Produktübersicht  4

3  Grundlagen, Definitionen und Abgrenzungen  7

3.1  Was ist Licht?  7

3.2  Lichttechnische Grundgrößen und Einheiten  9

3.3  Grundlagen der Lichterzeugung durch LEDs  15

3.4  Der Begriff der Ganzheitlichkeit  16

3.5  Abgrenzung des Themas  17

4  Ganzheitliche Betrachtung von LED Technologie  18

4.1  Ursprünge  18

4.2  Ziele und Bestimmungen  20

4.3  Eigenschaften  22

4.3.1  Allgemeinbeleuchtung mit der LED-Technik  22

4.3.2  Weißes Licht aus blauen LEDs  24

III

Inhalt

4.3.3  Biologisch effiziente Beleuchtung  27

4.4  Querbeziehungen zu anderen Technologien  30

4.5  Regeln, Werte und Normen  32

4.6  Nutzen und Anwendungsaspekte  34

4.6.1  Energieeinsparung durch LED-Beleuchtung  34

4.6.2  Total-Cost-of-Ownership  40

4.6.3  LED-Beleuchtung bei UV-sensiblen Gegenständen  46

4.7  Die Ökobilanz einer LED-Beleuchtung  47

5  Einführung der LED Technologie in Unternehmen  54

5.1  Anforderungen an LED Beleuchtungen für Unternehmen  54

5.2  Methoden der Produkteinführung  56

5.3  Gründe zur Umstellung auf LED Beleuchtung aus Unternehmenssicht  60

5.3.1  Der Aufbau des Fragebogens  60

5.3.2  Akquise der Interviewpartner  62

5.3.3  Die Auswertung der Antworten  63

5.3.4  Was könnte ein weiterer Anreiz für Unternehmen sein, auf LED  

Beleuchtung  umzustellen?  75

6  Fazit  77

7  Zusammenfassung und Ausblick  78

Quellen   IX

Anhang   XII

IV

Abkürzungsverzeichnis

Abk  ürzungsverzeichnis  

KMU  Kleine- und mittelständische Unternehmen  

COB  Chip on board  

KLL  Kompakt Leuchtstoff Lampe  

Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1: Hallenleuchte "Lucid arena"  

Abbildung  2: LED-Leuchtmittel mit E27 Sockel "Lucid PAR 30"  

Abbildung  3:LED-Leuchtmittel „Lucid MR16“  

Abbildung  4: LED-Deckenrasterleuchte "Lucid square"  

Abbildung  5: LED-Einbauleuchte "Lucid downlight"  

Abbildung  6: LED-Straßenleuchte "Lucid lane"  

Abbildung  7: LED-Profil "Lucid profile"  

Abbildung  8: "lucid light engine" von LEIDs in der Bauart COB  

Abbildung  9: Elektromagnetisches Spektrum  

Abbildung  10: Illustration der Fachbegriffe Lumen, Candela und Lux  

Abbildung  11: Energieeffizienz von Beleuchtungstechnik im Vergleich  

Abbildung  12: CIE-Farbnormtafel  

Abbildung  13: Birne, Lampe, Leuchte  

Abbildung  14: Das Prinzip der Lichterzeugung von LEDs  

Abbildung  15: Helligkeitsentwicklung von Anorganischen LEDs seit 1970  

Abbildung  16: Konstruktiver Aufbau des Gefahrenfeuers  

Abbildung  17: "Standard"-LED mit 5mm Durchmesser  

Abbildung  18: Schema der Wärmeabgabe einer Power-LED in Chipbauweise  

Abbildung  19: Makroaufnahme eines LED-Chips im ausgeschalteten Zustand  

Abbildung  20: LED-Chip mit mehreren Einzel-LEDs  

Abbildung  21: Beispielhafter Aufbau einer LED mit Phosphorsystem in „Globe-top“-  

Ausf  ührung.  

Abbildung  22: Beispielhafte Spektren von weissen LEDs mit Phosphorsystemen  

V

Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  23: Emissionsspektren einer Auswahl an verfügbaren Silikat-Farbstoffen  

Abbildung  24: LED mit Farbtemperatur 5500K und maximiertem CRI von 96 Ra  

Abbildung  25: Biologische und visuelle Wirkungen von Licht  

Abbildung  26: Blaue und Rote OLED im Labor  

Abbildung  27: Schematischer Aufbau einer OLED  

Abbildung  28: OLED für die Raumbeleuchtung  

Abbildung  29: Wirkungsgradkette der Beleuchtung, hier Energiesparlampe  

Abbildung  30: Empfindlichkeitsverlauf des Auges  

Abbildung  31: Theoretische Lumeneffizienz von Weißlicht  

Abbildung  32: Energieverbrauch in der EU  

Abbildung  33: Sparen mit LED-Beleuchtung  

Abbildung  34: Verkettung der Einzelkosten zu den Gesamtkosten  

Abbildung  35: Meyer Halogenscheinwerfer Leuchtmittel  

Abbildung  36: LEIDs Lucid arena 120 normalweis  

Abbildung  37: Meyer Halogenscheinwerfer  

Abbildung  38: LEIDs lucid Arena 120  

Abbildung  39: Schnittpunkt der Gesamtkosten der LED-Beleuchtung und des  

Halogenstrahlers   

Abbildung  40: CO 2 -Emissionen pro Jahr im Vergleich  

Abbildung  41: Stationen der LED-Ökobilanz  

Abbildung  42: „Osram Parathom A55“ LED-Lampe - Abbildung und schematische  

Zeichnung.   

Abbildung  43: Fertigungsprozess einer weißen LED nach frontend und backend  

getrennt   

Abbildung  44: Gesamtprimärenergieverbrauch der „Osram Parathom A55“ LED-  

Lampe   

Abbildung  45: Energieverbrauch beim Herstellen und Verwenden dreier  

Beleuchtungstypen   

Abbildung  46: Die Lichttechnischen Gütemerkmale und ihre Zusammenhänge  

Abbildung  47: Produktlebenszyklus  

Abbildung  48: Technologiearten  

Abbildung  49: Ablauf eines empirischen Forschungsprozesses  

VI

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Einsparpotenziale der Beleuchtung in Deutschland pro Jahr ................... 38 Tabelle 2: Technische Daten der Leuchten und Leuchtmittel .................................... 42 Tabelle 3: Relatives Schädigungspotenzial von Lichtquellen .................................... 47 Tabelle 4: Umweltgifte der „Osram Parathom A55“ über den kompletten

Lebenszyklus ............................................................................................................. 51

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

Seit Menschen denken können, spielt Feuer eine zentrale Rolle in ihrem Leben. In Zeiten der Unkontrollierbarkeit durch Unwissenheit war es so, dass Feuer in erster Linie Angstgefühle auslöste. Buschbrände oder Blitzeinschläge konnten verehrende Auswirkungen auf Mensch und Tier haben. Doch als der Mensch begann, das Feuer zu beherrschen, lernte er dessen Vorzüge kennen. Feuer spendet Wärme, vertreibt wilde Tiere und lässt das Essen schmackhafter werden. Doch der vielleicht größte Vorteil: Es spendet Licht. Zuerst als einfache Fackel, später als Kerze oder Öllampe und nicht zuletzt die von Eddison erfundene und mit elektrischem Strom betriebene Glühbirne mit Kohledraht. Selbst wenn Glühbirnen nicht wirklich brennen, bezeichnet man ihr Leuchten dennoch als solches, denn die Eigenschaften sind wahrlich dieselben geblieben: Sie sind heiß und spenden Licht.

Der Mensch ist nun abhängig geworden von Licht. Ermöglicht es ihm doch, bis in die Nacht hinein zu arbeiten, zu lesen, sich mit Freunden zu unterhalten oder um in den Straßen der Städte den sicheren Heimweg zu finden.

In der frühen Zeit der Industrialisierung waren Worte wie Klimaschutz und Energieeinsparung sicherlich Fremdworte, man kann sogar mutmaßen, sie haben zu dieser Zeit noch gar nicht existiert. Doch heute ist dies anders, der Klimawandel hat die Erde und seine Bewohner voll im Griff und es wird nach Lösungen gesucht, diesen aufzuhalten. Eine von vielen Wissenschaftlern anerkannte Methode ist die Verringerung des Ausstoßes von CO 2 , das im Volksmund als Treibhausgas bekannt ist. Diese Verringerung kann unter anderem durch die Reduzierung des elektrischen Stromverbrauchs erreicht werden. Eine relativ einfach zu realisierende Maßnahme ist hier der Einsatz effizienter Beleuchtungen. Die LED-Technik wird hierbei eine oder vielleicht auch die entscheidende Rolle in den Anfängen des 21. Jahrhunderts spielen.

Diese Bachelorthesis soll im wahrsten Sinne des Wortes Licht in die Technik und Anwendung dieser modernen Beleuchtungstechnik bringen.

1.2 Zielsetzung der Arbeit

Das Ziel dieser Bachelorthesis ist, die LED-Technik im Bereich der Allgemeinbeleuchtung in seiner Gänze zu erfassen. Betrachtet wird unter anderem das Prinzip ihrer Lichterzeugung, die heute gängigen Bauformen, die Möglichkeit bei der Lichterzeugung zu sparen und die Auswirkungen auf das durch LED beleuchtete Umfeld.

Ein weiterer Bestandteil ist eine Umfrage bei schon vorhandenen und möglichen Neukunden der ingenia LED GmbH. Diese Umfrage soll dem Vertrieb der LED-Beleuchtung Impulse und Informationen geben. Es ist heraus zu finden, warum Unternehmen LED-Beleuchtungen kaufen und wie sich der Nutzen für Unternehmen in Bezug auf energiesparende Beleuchtung maximieren lässt.

Daraus soll eine klare Handlungsempfehlung für den Vertrieb der ingenia LED GmbH geschlussfolgert werden.

2 Das Unternehmen ingenia LED GmbH

2.1 Einblicke in das Unternehmen

Die ingenia LED GmbH wurde Anfang 2010 in Crailsheim durch Steffen Habelt gegründet. Sie ist 100% Tochter der ingenia AG, die ebenfalls ihren Sitz in Crailsheim hat. Die Zugehörigkeit und der Geschäftszweck werden im Firmenprospekt folgendermaßen beschrieben: 1

„Die ingenia LED GmbH gehört zur ingenia Firmengruppe, die sich auf die nächste Generation von modernen, nachhaltigen und umweltfreundlichen Lösungen im Energiesektor konzentriert. (…) Die ingenia LED GmbH vertreibt und projektiert LED-Beleuchtungskonzepte im Industriebereich. Hierzu zählen sowohl KMU als auch Großunternehmen, Kommunen und Hotels. ingenia LED bietet optimale Lösungen für Arbeitssicherheit, Kostenoptimierung und Umweltschutz.“

In den Bereichen

Hallenbeleuchtung (innen/außen), Bürobeleuchtung, Straßen- und Parkplatzbeleuchtung, Werbebeleuchtung und Effektbeleuchtung

sieht die ingenia LED GmbH ihr Kerngeschäft.

Ihre LED-Produkte bezieht die ingenia LED GmbH von einem in Backnang (Baden Württemberg) ansässigen Hersteller, Importeur und Entwickler: der LEiDs GmbH & Co. KG. Die LEiDs GmbH & Co. KG ist die operative Tochter des LED-Herstellers ALDER-Optomechanical Corp. mit Sitz in Taiwan. LEiDs ist zuständig für die Versorgung des europäischen Raums mit LED-Beleuchtung.

¹ Vgl. Ingenia LED GmbH - Produktprospekt 2010

2.2 Produktübersicht

Die Produkte der ingenia LED GmbH sind ausschließlich mit sogenannten „High-Power“- oder auch nur „Power“-LEDs ausgestattet. Diese zeichnen sich durch eine enorme Leuchtkraft bei geringem Energieverbrauch aus.

Die abstrahlflächenmäßig größte Leuchte im

Abbildung 1: Hallenleuchte "Lucid arena"

Sortiment ist die Hallenleuchte „Lucid arena“. Sie besitzt 1.120 LEDs auf einer Fläche von

322 x 220 mm. Sie besitzt die Leuchtkraft eines gewöhnlichen 400W Halogenstrahlers (ca. 8000 lm), bei gerade einmal 100W Verbrauch, inkl. Netzteil.

Für den Sockel E27 sind die Leuchten „Lucid PAR 30“ und „Lucid PAR 38“ (ohne Bild) im Sortiment. Diese können sehr einfach durch Auswechseln alter Glühbirnen oder KLL ^{Quelle: LEiDs Produktkatalog 2010} (Energiesparlampen) in vorhandene Fassungen eingesetzt werden.

Zusätzlich verkauft die ingenia LED GmbH Leuchtmittel mit dem Sockel MR 16. Diese werden mit 12V betrieben und können die herkömmlichen Halogenspots ersetzten.

Abbildung 2: LED-Leuchtmittel mit E27 Sockel

Quelle: LEiDs Produktkatalog 2010 Quelle: LEiDs Produktkatalog 2010

Für den Bürobereich bietet die ingenia LED GmbH die Deckenrasterleuchte „Lucid square“. Diese Leuchte ist mit 483 LEDs bestückt und soll die üblichen Leuchtstoffröhren in sogenannten Odenwalddecken ersetzen.

Zusätzlich bietet die ingenia LED GmbH

Abbildung 5: LED-Einbauleuchte

Quelle: LEiDs Produktkatalog 2010

Abbildung 6: LED-Straßenleuchte "Lucid lane" Abbildung 7: LED-Profil "Lucid profile"

Falls benötigt sind sogenannte Multichips oder COB in verschiedenen Bauformen lieferbar. Sie dienen in erster Linie Leuchtenentwicklern dazu, vorhandene Lampen mit LED-Technik aus- und umzurüsten. Sie können auch in der Industrie zum Beispiel an Maschinen oder Laborarbeitsplätzen eingesetzt werden. Eine hohe Lichtausbeute auf kleinstem Raum zeichnet diese Art der LED aus. Bei 10 Watt elektrischer Leistungsaufnahme erzeugt die „lucid light engine“ einen Lichtstrom von 800 lm bei einer Größe von 8,4 x 4,2 x 0,4cm.

3 Grundlagen, Definitionen und Abgrenzungen

3.1 Was ist Licht?

Erste grundlegende naturwissenschaftliche Arbeiten zur Natur des Lichtes stammen aus dem 17. Jahrhundert: 1675 wurde die Emissions- oder Korpuskulartheorie von Isaac Newton (1643 - 1727) und 1690 die Ondulations- oder Wellentheorie von Christian Huygens (1629 - 1695) entwickelt. 2

Nach Newton besteht Licht aus winzigen Korpuskeln oder Partikeln, die von einer Lichtquelle aus geradlinig durch den Raum geschleudert werden. Die Lichtteilchen können von Hindernissen abprallen und die Richtung ihrer Flugbahn verändern. ³ Damit ließen sich zwar nun die geradlinige Ausbreitung des Lichtes, die Reflexion und die Lichtfarbe gut erklären, die teilweise Reflexion und die Brechung an Grenzflächen wurde hiermit aber noch nicht zufriedenstellend beschrieben. 4

Hier erwies sich Huygens Wellentheorie als überlegen. Um 1800 konnte Thomas Young (1773 - 1829) die Wellennatur des Lichtes sogar beweisen. Ebenso wie der Schall kann auch das Licht als ein Wellenphänomen verstanden werden und die Ausbreitung des Lichtes mit allgemeingültigen Gesetzen zur Ausbreitung von Wellen beschrieben werden. Phänomene wie die Beugung, Interferenz und Polarisation des Lichtes waren dadurch erklärbar. 5

Allerdings gelang es erst im Jahre 1861 dem Mathematiker Clerk Maxwell (1831 -1879), die Ausbreitung von Licht als elektromagnetische Welle quantitativ zu beschreiben. ⁶ Die moderne Lichtquantentheorie unterscheidet sich vom Prinzip her nicht signifikant von den Ansätzen Newtons und Huygens. Im Rahmen des sogenannten Welle-Teilchen-Dualismus werden Korpuskular- und Wellencharakter des Lichts als gleichwertig betrachtet. Allein die Art der Lichtbeobachtung bestimmt, ob das Licht als Teilchen oder als Welle in Erscheinung tritt. 7

² Vgl. HEINZ, Roland: Grundlagen der Lichterzeugung, S. 13

³ Vgl. HALLER, Hauke: LED-INFO - Das Rechercheportal (www.led-info.de)

⁴ Vgl. HEINZ, Roland: Grundlagen der Lichterzeugung, S. 13

⁵ Vgl. HALLER, Hauke: LED-INFO - Das Rechercheportal (www.led-info.de)

⁶ Vgl. HEINZ, Roland: Grundlagen der Lichterzeugung, S. 13

⁷ ebenda S. 13

Da die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung einen großen Bereich umfassen, werden sie in Zehnerpotenzen angegeben. Das Spektrum des sichtbaren

750 nm (rot), entsprechend einer Frequenz von 810 Hz bis 410 Hz. Das

Lichtes umfasst nur einen sehr kleinen Bereich. Er liegt bei etwa 370 nm (violett) bis

Lichtempfinden des menschlichen Auges bezieht sich ausschließlich auf elektromagnetische Wellen, deren Frequenzen im sichtbaren Bereich liegen. Wellen anderer Frequenzen haben keine Farbe. 8

Abbildung 9 zeigt zum einen das komplette elektromagnetische Spektrum, zum anderen das für Menschen sichtbare Spektrum.

⁸ Vgl. HALLER, Hauke: LED-INFO - Das Rechercheportal (www.led-info.de)

8

3.2 Lichttechnische Grundgrößen und Einheiten

Man unterscheidet

strahlungsphysikalischen die sich auf Strahlung beliebiger Wellenlängen lichttechnischen Größen, die das sichtbare Licht bezogen auf die spektrale menschlichen Auges bezeichnen. Die für das Verständnis dieser Arbeit notwendigen Größen und Einheiten werden auf den folgenden Seiten beschrieben.

Lichtstrom = Lumen (lm): 9 Der Lichtstrom ist die gesamte Lichtleistung die von einer Lichtquelle unabhängig von der Richtung abgegeben wird.

Quelle: PSL ProjektSupport- & Leitung GmbH, 2010

Beispiele: 40W Leuchtstofflampen = 750 - 3200 lm

Lichtstärke = Candela (cd): 10

Die Lichtstärke ist der Teil des Lichtstroms, der in einer bestimmten Richtung, dem sogenannten Abstrahlwinkel (Steradiant (sr)) abgegeben wird. Ein Candela entspricht einem lm pro sr.

⁹ Vgl. HALLER, Hauke: LED-INFO - Das Rechercheportal (www.led-info.de)

¹⁰ Vgl. KRÜCKEBERG, Johannes: Hochleistungs-LEDs in der Praxis, S. 23

Beispiele: 100W Glühlampe = 1.100 cd

Beleuchtungsstärke = Lux (lx): 11

Die Beleuchtungsstärke ist der Lichtstrom pro Flächeneinheit. Ein Lux entspricht einem lm pro m².

Beispiele: Sonnenschein mittags im Freien = bis zu 100.000 lx

Leuchtdichte = L (cd/m²): 12

Die Leuchtdichte ist ein Maß für den Helligkeitseindruck. Sie entspricht dem Lichtstrom je Fläche und Raumwinkel. Das menschliche Auge empfindet Leuchtdichteunterschiede als Helligkeitsunterschiede.

Sonnenoberfläche = 1,5 10 cd/m² Glühdraht einer Glühlampe = 5 35 10 cd/m²

Beispiele:

Moderne Leuchtstofflampe = 0,3 1,5 10 cd/m²

Lichtausbeute = Lumen pro Watt (lm/W) = Energieeffizienz: 13 Die Lichtausbeute oder der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effizienz der Umwandlung elektrischer Energie in sichtbares Licht. Abbildung 11 zeigt die Energieeffizienz verschiedener Beleuchtungstechniken. Die LED befindet sich mittlerweile bei über 120lm/W (Stand Mai 2010), Tendenz weiter steigend. Die

¹¹ Vgl. KRÜCKEBERG, Johannes: Hochleistungs-LEDs in der Praxis, S. 23

¹² ebenda, S. 23

¹³ ebenda, S. 24

Bezeichnungen T5 und T8 stehen für Leuchtstoffröhren verschiedener Durchmesser. Die effizientere T5-Röhre hat einen Durchmesser von 16mm, die T8 hat 26mm.

Quelle: In Anlehnung an „Typen energiesparender Lampen“ des Bayerischen Landesamt für Umwelt, ergänzt durch Daten von

^{www.cree.com, 2009} Wirkungsgrad = Prozent (%): 14

Der Wirkungsgrad gibt das Verhältnis der abgestrahlten Lichtleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung an.

Beispiele: Allgebrauchsglühlampe = 3%

Lichtfarbe: 15

Die Lichtfarbe einer Lichtquelle bezeichnet den Farbeindruck der beim direkten Einfall des Lichtes ins Auge entsteht. Einfarbiges Licht wird durch die dominante Wellenlänge definiert. Mischfarben können entweder durch den Farbort x, y in der

¹⁴ Vgl. KRÜCKEBERG, Johannes: Hochleistungs-LEDs in der Praxis, S. 24

¹⁵ ebenda, S. 24f

Farbtemperatur angegeben werden. 16

CIE-Farbnormtafel, siehe Abbildung 12, oder näherungsweise durch die ähnlichste

Abbildung 12: CIE-Farbnormtafel

¹⁶ ebenda, S. 25

12