Wie effizient ist LED-Beleuchtung?

by Wolfgang Messer | 28.1.2013 21:31

Wandeln Leuchtdioden tatsächlich rund 90 Prozent des Stroms in Licht um, wie man manchmal in diversen Medien lesen, hören und sehen kann? Das wäre zwar theoretisch in bestimmten Fällen möglich, hat aber nichts mit der aktuellen Realität der LED-Beleuchtung zu tun. Hier liegt der Wirkungsgrad meist unter 30 Prozent.

Cree XLamp-MKR
Gerade zur Serienreife gebracht: Ein „XLamp MK-R“-Modul des US-Herstellers „Cree“[1] mit vier Einzel-LEDs. Unter idealen Bedingungen können die „kalt-weißen“ Modulversionen einen Lichtstrom von bis zu 200 Lumen[2]/Watt erzeugen. (Foto: Cree-PR)

Seit 17. Januar gibt es auf der Website des Deutschlandradios (DRadio)/Deutschlandfunks[3] im Bereich „Umwelt und Verbraucher“ eine „Kaufberatung: LED-Lampen“[4]. Dort erfahren Sie unter anderem:

LED-Lampen sind effizient. 95 Prozent der Elektrizität werden in Licht verwandelt. Bei der Glühlampe ist das Verhältnis genau umgekehrt. Selbst die „Energiesparlampe“ kann mit einer LED in puncto Sparsamkeit nicht mithalten. LED bedeutet maximales Licht bei minimalem Stromverbrauch.

Klingt wie ein Märchen aus Lampukistan[5]. Bisher ist mir nämlich noch kein Experte begegnet, der ernsthaft behaupten würde, dass LEDs 95 Prozent Wirkungsgrad[6] (auch „wall-plug efficiency“, WPE[7], genannt) erreichen könnten – also nur 5% Verlustleistung hätten. Nach den mir bisher vorliegenden Informationen und Berechnungen gibt es zwar durchaus LEDs, die Wirkungsgrade von über 60% erzielen. Hier handelt es sich jedoch in der Regel um monochromatische (einfarbige) Chips ohne Berücksichtigung der Trafo-/Treiber-Verluste.

Fraunhofer-LEDs
Drei monochromatische Leuchtdioden und eine „weiße“ LED älterer Bauart (von links) – die beiden mittleren haben physikalisch bedingt die besten Lumen/Watt-Effizienzwerte. (Foto: Fraunhofer IAF/PR[8])

Die Realität sieht anders aus

Das hat nichts mit der realen Lichtausbeute der in Lampen eingesetzten „weißen“ Dioden[9] zu tun. Die schaffen derzeit (Stand Januar 2013) samt Vorschaltelektronik[10] serienmäßig allenfalls bis zu 30% – über 70 Prozent werden also noch in Wärme umgesetzt[11].

Fastvoice-Eigen-Banner-04-14[12]

Die grobe Vergleichsberechnung „Glühlampe/LED“ kann jeder selbst und ganz ohne Physikstudium anstellen. Meist werben ja die LED-Hersteller und-Händler mit einem Einsparpotenzial von rund 80 Prozent. Das bedeutet, dass LED-Lampen und -Leuchten einen etwa fünfmal so hohen Wirkungsgrad haben müssten wie herkömmliche Leuchtmittel.

Mal sehen, ob das stimmt: Glühlampen liefern pro eingesetztem Watt zwischen 10 und 15 Lumen Lichtstrom[13] – je leistungsstärker die Lampe, desto effizienter. Aktuelle Serien-LED-Lampen[14] mit vergleichbarer Farbtemperatur[15] („warm-weiß“) schaffen meist zwischen 50 und 80 Lumen[16] – also tatsächlich rund das Fünffache. Tendenziell geht das bereits dieses Jahr in Richtung 90 Lumen; dann wären wir bei Faktor 6 und einem Einsparpotenzial von ca. 85%.

LED-Aufbau Co. LEDON
Aufbau eines LED-Moduls mit Chip, Anschlüssen und „Globe Top“. (Grafik: LEDON-PR[17])

Der Wirkungsgrad solcher LED-Lampen ist dann sechs Mal höher als der von Glühlampen. Laut DRadio-Artikel liegt jener bei 5% (in Wirklichkeit übrigens meistens noch weniger). Und was ergibt 6 mal 5? Genau: Da sind wir bei den rund 30% Wirkungsgrad der derzeit besten warm-weißen Serien-LED-Lampen. Ein Teil der 70% Verlustleistung geht schon in der notwendigen Vorschaltelektronik verloren, der andere Teil innerhalb der Chips und in der Beschichtung/Optik („Globe Top“) darüber. Deshalb werden LED-Lampengehäuse im Dauerbetrieb teilweise auch über 70 Grad warm[18].

Lumixon-LED-Tod 2
So heiß können LED-Lampen werden: Ein durchgebrannter „Lumixon HighLumen“-LED-Spot [19] (GU10, 4 Watt, warm-weiß, 15 SMD-LEDs) – inzwischen nicht mehr im Angebot. (Foto: W. Messer)

Das schreibt der DRadio-Autor

Mein entsprechender Hinweis an den Autor des DRadio-Beitrags (der offenbar bis dato nicht wusste, dass ich ein Blog mit Schwerpunkt „LED-Beleuchtung“[20] betreibe) wurde jetzt nach elf Tagen so beantwortet:

„Nach meinen Informationen wird 90 Prozent der elektrischen Energie bei den LED-Lampen in Licht verwandelt. Damit unterscheiden sich diese Leuchtmittel fundamental von den herkömmlichen Glühlampen, bei denen die meiste elektrische Energie in Form von Wärme bzw. Infrarotstrahlen umgesetzt wird.

Nun verwenden Sie – werter Kollege – eine neue Begrifflichkeit – den „Wirkungsgrad“. Es ist in der Tat so, dass nicht alles an Licht, dass im LED-Element erzeugt wird, auch sichtbar nach außen dringt. Ein großer Teil des erzeugten Lichtes wird von den LED-Komponenten – kaum dass es entstanden ist – schon wieder absorbiert. Besonders problematisch ist die Situation bei weißem LED-Licht. Hier müssen die Halbleiter in besonderer Weise (mit Zusatzstoffen) maskiert werden, damit im menschlichen Auge die Anmutung eines weißen Lichtes entsteht.

Dabei ist es auch ein Unterschied, ob das Licht mit 6000 K (Kaltweiß) oder 2700 K (Warmweiss) leuchten soll. Bei 6000 K sind die Lampen – bezogen auf die Wattzahl -per se immer heller, das heißt, sie haben mehr Lumen. Rein theoretisch könnte eine LED-Lampe pro Watt eingesetzter elektrischer Energie ca. 600 Lumen an Lichtleistung abstrahlen.

Von diesen Werten sind die Lampenhersteller momentan aber noch weit entfernt. Preiswerte LEDs haben heute ca.nur 50 bis 60 Lumen pro Watt. Bei (besseren und meist auch teureren) Hochleistungs-LEDs sind heute aber auch schon 120 Lumen pro Watt zu erwarten. Nach Meinung von Experten werde es nur eine Frage der Zeit sein, dass die LEDs im Sinne eines höheren „Wirkungsgrades“ in Zukunft wohl noch viel auch mehr Lumen pro Watt nach außen abstrahlen: 600 Lumen (das sind unsere 90 Prozent) wären möglich. Wenn man bedenkt, wo die LED-Technik noch vor wenigen Jahren stand, ist diese Prognose wohl auch realistisch.

Eine Diskussion über die physikalischen Feinheiten der LED-Technik – hier mit Blick z.B. auf die Maskierung oder Anhebung des Wirkungsgrades wäre dann sicher in der Sendereihe „Forschung aktuell“ ausgestrahlt worden. Im vorliegenden Verbrauchertipp ging es vielmehr um die (recht banale) Frage, ob es sich lohnt, LEDs gegen Glühlampen, gegen Halogenlampen oder Energiesparlampen zu tauschen. Eindeutiges Fazit: Es lohnt sich!

Große Teile dieser Antwort kann ich problemlos nachvollziehen und unterschreiben – vor allem den letzten Absatz. Einige Informationen (etwa jene zur Luminiszenzkonversion bei „warmweißen“ und „kaltweißen“ LEDs[21]) sind unbestritten und auch schon lange hier im Blog zu lesen.

90% sind leider nicht möglich

Manches geht aber leider auch daneben. Die physikalisch mögliche Lumen/Watt-Ausbeute liegt bei kalt-weißen LEDs nicht bei 600, sondern nur bei ca. 350 lm/W[22]. Grüne LED-Chips mit einer Wellenlänge von 555 Nanometer könnten theoretisch sogar 683 lm/W schaffen. Davon ist die Serienfertigung bei LED-Allgemeinbeleuchtung aber noch weit entfernt, und 90% Wirkungsgrad dürften hier bei akzeptablen Farbtemperaturen und gutem Farbwiedergabeindex[23] niemals erreichbar sein.

Der Begriff „Wirkungsgrad“[24] ist auch keine „neue Begrifflichkeit“, sondern durchaus gängig[25] – und zwar schon lange (schauen Sie sich mal die Tabelle in diesem „energieinfo“-Beitrag von 2010[26] an, damals wurde der Wirkungsgrad von weißen Leuchtdioden noch mit schlappen 12% beziffert). Er berücksichtigt selbstverständlich alle Verluste auf dem Weg zwischen Stromversorgung und Lichtaustritt und nicht nur das, was in der Dioden-Sperrschicht (bei einzelnen Halbleitertypen liegt die „interne Quanteneffizienz[27]“ sogar bei nahe 100%) oder der gelben Phosphor-Beschichtung über dem Chip verloren geht.

Deshalb ist die aktuelle Behauptung des DRadio-Autors …

90 Prozent der elektrischen Energie wird bei den LED-Lampen in Licht verwandelt.

… immer noch falsch, auch wenn hier schon nicht mehr die Rede von den im ursprünglich im Beitrag genannten „95 Prozent“ ist. Damit wir uns nicht falsch verstehen: Ich hätte absolut nichts gegen solche Traum-Effizienzwerte einer modernen Lichttechnologie. Aber was hilft’s, wenn sie zumindest mit LED-Technik nicht zu erzielen sind?

Hallo Experten, bitte helfen!

Vielleicht kann ich ja darüber noch ein wenig mit dem DRadio verhandeln: Wenn bei jedem neuen Schriftwechsel jeweils fünf Prozentpunkte von den aktuellen 90% abgezogen würden, wären wir nach weiteren zwölf E-Mails so ungefähr auf der richtigen Schiene von rund 30 Prozent. Ich würde mich freuen, wenn der eine oder andere Philips-/Osram-/LEDON-/LCTW- oder weitere Experte in den Kommentaren hier unten oder per E-Mail an info@dradio.de[28] ein wenig dabei mithelfen könnte.

Ich arbeite hier im Blog schon rund drei Jahre lang intensiv daran, auch Skeptikern die Vorteile und Möglichkeiten der LED-Beleuchtung[29] nahe zu bringen. Unerfüllbare Versprechungen, irreführende und weit von der Realität abweichende Angaben über Wirkungsgrade und Sparpotenziale[30] finde ich dabei nicht hilfreich. Gerade von den seriösen und sonst so korrekt arbeitenden Kollegen des Deutschlandradios hätte ich Besseres erwartet.

Mehr zum Thema:

Blog-Leserfrage (21): Warum sind LED-„Birnen“ effizienter als LED-Spots?[31]

Blog-Leserfrage (KW 19): Wie sparsam ist die LED-Vorschaltelektronik wirklich?[32]

LED-Umrüstung: Wie viel sparen Sie wirklich?[33]

Wie LED-Lampen das Stromnetz belasten[34]

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Links/Quellen:
  1. „XLamp MK-R“-Modul des US-Herstellers „Cree“: http://www.cree.com/news-and-events/cree-news/press-releases/2012/december/mkr-intro
  2. Lumen: http://fastvoice.net/2013/02/23/die-lumen-falle-wie-lichtstrom-werte-hinters-licht-fuhren/
  3. Deutschlandradios (DRadio)/Deutschlandfunks: http://de.wikipedia.org/wiki/Deutschlandradio
  4. „Kaufberatung: LED-Lampen“: http://www.dradio.de/dlf/sendungen/umwelt/1981333/
  5. Märchen aus Lampukistan: http://www.prosieben.de/tv/switch-reloaded/video/clip/2008789-rtl-aktuell-wahlen-in-lampukistan-1.3422722/
  6. Wirkungsgrad: http://www.led-info.de/grundlagen/leuchtdioden/wirkungsgrad.html
  7. „wall-plug efficiency“, WPE: http://en.wikipedia.org/wiki/Wall-plug_efficiency
  8. Fraunhofer IAF/PR: http://www.iaf.fraunhofer.de/de/presse_und_medien/presse_2011-11-22.html
  9. in Lampen eingesetzten „weißen“ Dioden: http://fastvoice.net/2012/03/05/wie-leds-zum-gluhlampen-ersatz-werden/
  10. Vorschaltelektronik: http://fastvoice.net/2015/06/13/blog-leserfrage-19-wie-sparsam-ist-die-led-vorschaltelektronik-wirklich/
  11. über 70 Prozent werden also noch in Wärme umgesetzt: http://fastvoice.net/2012/08/11/hier-wirds-heis-der-tc-punkt-von-led-lampen/
  12. [Image]: http://twitter.com/Fastvoice
  13. Lichtstrom: http://fastvoice.net/2013/02/23/die-lumen-falle-wie-lichtstrom-werte-hinters-licht-fuhren/
  14. Serien-LED-Lampen: http://fastvoice.net/2012/12/20/osram-led-classic-a-75-advanced-sehr-helles-kopfchen/
  15. Farbtemperatur: http://fastvoice.net/2012/06/06/led-licht-der-schein-kann-trugen/
  16. zwischen 50 und 80 Lumen: http://fastvoice.net/2012/05/27/edeka-uberrascht-mit-philips-led-neuheiten/
  17. LEDON-PR: http://www.ledon-lamp.com/de/led-technologie.htm
  18. teilweise auch über 70 Grad warm: http://fastvoice.net/2013/01/10/ledon-start-ins-jahr-2013-neue-lampe-neue-verpackung/
  19. durchgebrannter „Lumixon HighLumen“-LED-Spot : http://fastvoice.net/2012/09/03/led-schlachtbank-im-fastvoice-studio/
  20. Schwerpunkt „LED-Beleuchtung“: http://fastvoice.netalles-uber-led-beleuchtung/
  21. Luminiszenzkonversion bei „warmweißen“ und „kaltweißen“ LEDs: http://fastvoice.net/2012/03/05/wie-leds-zum-gluhlampen-ersatz-werden/
  22. nur bei ca. 350 lm/W: http://de.wikipedia.org/wiki/LED#Lichtausbeute
  23. Farbwiedergabeindex: http://fastvoice.net/2012/02/19/auf-treue-achten-auch-bei-led-lampen/
  24. „Wirkungsgrad“: https://www.enbw.com/blog/kunden/2012/09/26/keine-angst-vor-led-und-energiesparlampen/
  25. durchaus gängig: http://www.led-info.de/grundlagen/leuchtdioden/wirkungsgrad.html
  26. in diesem „energieinfo“-Beitrag von 2010: http://www.energieinfo.de/energiesparen/energiespartipps_wirkungsgrad_leuchtmittel.html
  27. interne Quanteneffizienz: http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenausbeute
  28. info@dradio.de: mailto:info@dradio.de?subject=Kaufberatung%20LED-Lampen,%20z.%20Hd.%20Michael%20Engel
  29. die Vorteile und Möglichkeiten der LED-Beleuchtung: http://fastvoice.net/2010/05/03/der-ubernachste-schritt-ist-der-bessere/
  30. Sparpotenziale: http://fastvoice.net/2012/11/17/led-umrustung-wie-viel-sparen-sie-wirklich/
  31. Blog-Leserfrage (21): Warum sind LED-„Birnen“ effizienter als LED-Spots?: http://fastvoice.net/2016/10/31/blog-leserfrage-21-warum-sind-led-birnen-effizienter-als-led-spots/
  32. Blog-Leserfrage (KW 19): Wie sparsam ist die LED-Vorschaltelektronik wirklich?: http://fastvoice.net/2015/06/13/blog-leserfrage-19-wie-sparsam-ist-die-led-vorschaltelektronik-wirklich/
  33. LED-Umrüstung: Wie viel sparen Sie wirklich?: http://fastvoice.net/2012/11/17/led-umrustung-wie-viel-sparen-sie-wirklich/
  34. Wie LED-Lampen das Stromnetz belasten: http://fastvoice.net/2014/01/02/wie-led-lampen-das-stromnetz-belasten/

Source URL: http://fastvoice.net/2013/01/28/wie-effizient-ist-led-beleuchtung/