Glühbirnen und Leuchtmittel
Die 60 Watt Glühbirne ist tot. Zumindest ihr Verkauf als Leuchtmittel ist beendet und auch die anderen Glühbirnen mit weniger Leistungsaufnahme werden bald verschwunden sein. Allerdings scheint das relativ wenig Jubel auszulösen. Die meisten Reaktionen, die mir dazu begegnen, schimpfen über die EU die hier mal wieder liebgewordene Dinge wegreglementiert. Dabei ist es energetisch gesehen höchste Zeit auch hier endlich mal Konsequenzen zu ziehen. Denn die Birne ist beleuchtungstechnisch zu tiefst unökonomisch.
Die Glühbirne
Seit den ersten Erwähnungen von Glühbirnen um 1820 herum, hat sich an dem Prinzip nichts verändert. Man nimmt einen Faden, befestigt ihn in einer möglichst sauerstofffreien Atmosphäre und leitet Strom hindurch, bis er aufgrund des Widerstands sich erhitzt und anfängt zu leuchten.
Abb. 1: Strahlungsspektrum eines ideal schwarzen Körpers in Abhängigkeit
von der Temperatur cc-by-sa Anton
Das Problem bei diesem Prinzip ist nicht die Erwärmung (ohne Erhitzen kein Leuchten), sondern dass wir keine halbwegs leitenden Materialien haben, die wir heißer machen können. Denn auch der Glühfaden folgt dem Planckschen Strahlungsgesetz und sein Emissionsspektrum ist somit abhängig von der Temperatur des Körpers. Bei den 2700°C eines Glühbirnenfadens liegt nur ein kleinerer Teil der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung im sichtbaren Bereich, der größere Rest geht als IR- (Wärme-) Strahlung für die Beleuchtung verloren (vgl. Abb.1).
Wenn wir von der Farbtemperatur eines Körpers reden, meinen wir damit übrigens auch genau diese Strahlungsverteilung, die bestimmt, wie wir das ausgesendete Licht wahrnehmen (Abb.2).
Eine Verbesserung bezüglich der Lichtausbeute stellt die Halogenlampe dar, die bis zu 3400°C heiß wird.
Hier versucht man der Abnutzung durch die hohe Temperatur mit einem Trick zu begegnen. Chemischer Transport heißt das Zauberwort (Abb.3).
Ein wenig eingebrachtes Iod und die hohen Temperaturen im Kolben liefern die Bedingungen, damit vom Faden abgedampftes Wolfram mit Iod eine flüchtige Verbindung bildet, welche dann am heißeren Glühfaden wieder zerfällt. Natürlich ist auch diese Lösung nicht perfekt, auch Halogenlampen gehen immernoch kaputt.
Außerdem haben wir nun zwar mehr Licht im sichtbaren Bereich und insgesamt eine höhere Emission, aber gleichzeitig auch einen höheren Anteil an UV-Strahlung, denn die Strahlungsverteilung bleibt eine Verteilung und verschiebt sich insgesamt Richtung kürzere Wellenlängen. Das ist in sofern schlecht, als man extra für die höheren Temperaturen der Halogenlampe, die wir für die Reaktion brauchen, auf Quarzglas umgestiegen ist, welches aber nun durchlässig für UV-Strahlung ist.
Die Energiesparlampe
Was bei den Glühbirnenliebhabern weiter sauer aufstößt ist eine der häufigsten Alternativen zur Glühbirne, die Energiespar- (oder auch Kompaktleuchtstoff-)lampe.
Der eigentliche Leuchtstoff ist dabei nichts anderes als ein Fluoreszensfarbstoff, der innen an der Wandung der Glasröhre aufgetragen ist. Das Licht das diesen Farbstoff anregt, kommt vom Stein des Anstoßes - dem Quecksilber. Dieses wird in der Leuchtstoffröhre verdampft und einem hochfrequenten Wechselstrom ausgesetzt (~50,000 Hz). Dadurch kommt es zur Ionisierung des Gases. Es entsteht ein Plasma. Rekombinieren die Kationen und Elektronen, wird die überschüssige Energie als elektromagnetische Strahlung frei (Abb.4), die Lampe leuchtet.
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Abb. 5: Emissionsspektrum einer frühen Kompaktleuchtstofflampe; 1-6: Spektrallinien des Quecksilbers; gelb markiert: der Beitrag des Fluoreszenzfarbstoff
cc-by-sa Deglr6328
Da Elektronen in Atomen nur definierte Energieniveaus besetzten, haben wir es hier auch nicht mit einer Strahlungsverteilung zu tun, viel mehr werden vom Quecksilber nur bestimmte Peaks einer definierten Wellenlänge emittiert. Das führt uns zu dem Problem, dass man praktisch verschiedene Fluoreszensfarbstoffe kombinieren oder einen breitbandigen Fluoreszensfarbstoff verwenden muss, um das für uns als angenehm empfundene Lichtspektrum zu erreichen (Abb. 5).
Die Leuchtdiode
Der Hoffnungsträger unter den Leuchtmitteln ist allerdings die Leuchtdiode.
Die Leuchtdiode gehört zu den sogenannten Halbleitern, was soviel heißt, das sie elektrische Ladungen leiten, wenn man mit entsprechender Spannung, Temperatur oder Wellenlänge die Motivation dafür schafft.
Um etwas genauer zu sein, benutzt man gerne das Bändermodell als Erklärung (was sich wiederum zwanglos aus MO-Theorie und Quantenmechanik ergibt).
Abb. 6: Bändermodell für Metalle, Halbleiter und
Isolatoren
public domain by Pieter Kuiper
Man geht man davon aus, das in einem Festkörper die Valenzorbitale der einzelnen Atome ein quasi kontinuierliches Band bilden. Dieses reicht über verschiedene Energieniveaus, was bei elektrischen Leitern ein Elektronenfluss ermöglicht. Bei Halbleitern und Nichtleitern ist dieses Band zweigeteilt ein besetztes Leitungsband wird durch eine Bandlücke vom unbesetzten Valenzband getrennt (Abb.6).
In Halbleitern kann diese Bandlücke nun unter Umständen überwunden werden. Was bedeutet, dass eine ausreichende Spannung bei Leuchtdioden den Übergang von Elektronen aus dem Leitungsband ins energetisch niedriger gelegene Valenzband ermöglicht. Die Energiedifferenz zwischen den beiden Bändern wird dann in Form von Licht der entsprechenden Wellenlänge abgegeben.
Auch hier gilt also, das ein tageslichtähnliches Spektrum erst durch die Kombination der entsprechenden Wellenlängen erzeugt werden muss.
Abb. 7: Eine weiße LED durch Kombination von
blauer LED und gelbem Fluoreszenzfarbstoff.
cc-by-sa Cepheiden
Vergleicht man nun bei gleicher Helligkeit die Lichtausbeute in Lumen pro Watt, kommt eine Glühbirne auf nur etwa 12 lm/W, die Halogenlampe immerhinschon auf bis zu 20 lm/W (weshalb sie uns auch noch etwas länger erhalten bleibt). Kompaktleuchtstofflampen kommen dagegen auf bis zu dreimal so hohe Werte, die immernoch nur etwa halb so hoch sind wie die von weißen LEDs. Es lässt sich also sowohl vom Prinzip, als auch von den Zahlen her nachvollziehen, dass gute Gründe gegen die Glühbirne als Leuchtmittel sprechen.
Bleibt der schlechte Ruf der Energiesparlampen aufgrund des Quecksilber. Da muss man ganz klar sagen, Quecksilber ist ein Schwermetall und die meisten Schwermetalle vertragen wir recht schlecht. Aber Quecksilber ist nicht krebserregend und so kann man immerhin sagen: die Menge machts. Bei verantwortungsvollem Umgang hat man keine Quecksilberemissionen.
Darüber hinaus ist Quecksilber zumindest so sicher, das man biologische Grenzwerte definieren konnte (also Konzentrationen von Hg im Körper), die als ungefährlich gelten.
Die Risiken halten sich also in Grenzen, die man ohne Vorsatz nicht allzuleicht überschreiten kann und langfristig werden wir wohl sowieso auf OLEDs und ähnliches ausweichen.
Solange gilt: auch Kompaktleuchtstofflampe und LED sind noch nicht perfekt, aber sie sparen uns schonmal einiges an Energie und das ist, auch ohne auf Atomausstieg oder Klimawandel hinzuweisen, etwas was sich ökonomisch und ökologisch lohnt.
Naja, am privaten Licht zu sparen, mag vllt umweltfreundlich klingen, ist doch aber nur vorgeschoben. Zumal man speziell im Winter die " abwaerme" ja auch nutzt. will man dort etwas erreichen, gibt es nur den weg über höhere Strompreise.
Wenn vom schlechten Glühbirnen-Wirkungsgrad gesprochen wird, geht es um die Lichtausbeute. Der gesamte Wirkungsgrad muss aber die Wärmestrahlung berücksichtigen: Da in Mittel- und Nordeuropa 2/3 des Jahres die Aussentemperatur niedriger als die Zimmertemperatur ist trägt die Birne da 2/3 des Jahres zur Heizung bei. Der Wirkungsgrad ist in der Zeit bei praktisch 100%. Das ergibt übers Jahr gerechnet einen Wirkungsgrad von 68% - (5% + 2/3 von 95%) und da ist noch nicht gerechnet, dass jedes Licht länger brennt, je finsterer und kälter die Tage sind.
Eine Energiersparnis wird also nicht eintreten, da die bei der Glühbirne gesparte Energie bei der Heizung zusätzlich verbraucht wird.
Was meinen Sie denn mit "vorgeschoben"? Was sind denn ihrer Meinung nach die "echten" Gründe?
Wenn Sie von privatem Licht reden, meinen sie die öffentlichen Räume, die Industrie, die Bürokästen brauchen keine Beleuchtung?
Letztlich verwenden wir momentan auch unsere Computer als Heizquellen und im Sommer stellt man die Klimaanlage an.
Energieeffizients wird nicht nur bei der Beleuchtung eingefordert, nur ist er hier ebend durch den Wegfall der Glühbirne markanter, als bei dem Kühlschrank, wo das Altgerät Energieeffizientsklasse D hatte und jetzt das Neugerät Klasse A hat.
Wie Sie sagen: es geht um Licht. Aber auch wenn wir die Wärmeleistung mit einbeziehen geht die Rechnung nicht auf.
Wenn sie aus einem Energieträger Wärme gewinnen, um daraus Elektrizität zu gewinnen, mit der sie dann wieder Wärme gewinnen, wird das nie so effizient sein, wie aus einem Energieträger direkt Wärme zu gewinnen.
Die Energieersparnis besteht also zum einen darin aus einem Watt mehr Licht herauszuholen als bei einer Glühlampe und gleichzeitig dort wo geheizt werden soll, dies nicht über ineffiziente Umwege zu tun.
Ab 2020 müssen deshalb auch Nachtspeicheröfen, die vor 1990 in Betrieb genommen wurden, in Mehrparteienhäusern (>6 Parteien) und Nichtwohngebäude (>500 m²) gegen andere Heizsysteme ausgetauscht werden (EnEv 2009).
Langfristig wird man wohl versuchen das Heizen mit Elektrizität auf Ausnahmen zu beschränken.
Toller Beitrag.
[EDIT]: Danke schön. Trotzdem berechtigt ein Lob nicht dazu, hier Werbung für ihre privaten Onlineglückspielambitionen zu posten, deshalb habe ich editiert. Sollte Ihnen das nicht passen, melden Sie sich, dann entferne ich den Kommentar komplett.
Ich bitte das zukünftig zu berücksichtigen.
danke für die fundierte information. mir stellt sich aber noch die frage nach dem energieverbrauch bei der herstellung der neuen leuchtmittel und dem energieverbrauch bei der entsorgung. fände es interessant wie dann die vollständige gesamtbilanz im vergleich aussieht.
ich weiß da sehr wenig darüber, habe aber gelesen, dass für die engergiesparlampen unter anderem sog. seltene erden verwendet werden, die in china abgebaut werden. also werden hier rohstoffe abgebaut und sehr weit transportiert.
Das Hauptärgernis bei den Energiesparlampen ist ihre Qualität: Die bezahlbaren leben nur unewesentlich länger als Glühbirnen oder gar kürzer bei vielen Schaltzyklen, und die besseren kosten eine Lawine.
Die meiseten Leute haben daher ihre Erfahrungen mit den bezahlbaren ESL gemacht und sind somit auf Dauer abgeschreckt.
Im Rahmen der Regulierung wäre eine Untergrenze für die Qualität notwendig gewesen, mein Vorschlag:
* Die angegebene Helligkeit darf die am Ende der angegebenen Lebensdauer gemessene nicht überschreiten.
* Gemessen wird 20 Sekunden nach dem Einschalten.
* Die Ermittlung der Lebensdauer erfolgt mit Minutenweisem Ein- und Ausschalten.
Die ersten beiden Bedingungen verhindern den heutzutage üblichen Schrott, der nach 1-2 Monaten 5 Minuten bis zur vollen Helligkeit braucht.
Die dritte Bedingung (zuasammen mit der zweiten) entspricht der stückzahlenmäßig häufigsten Nutzung: In selten genutzten Räumen, wo das Licht kurz auf- und dann wieder abgedreht wird.
Nachdem die geforderten Qualitäten hauptsächlich von ICs abhängen, würde damit der Tendenz zum Bau von Schrott der Boden unter den Füßen weggezogen, und durch die Massenfertigung wären die besseren Lampensteuerunge fas so preiswert wie der jetzige Schrott.
Liebe Kollegen,
wie ist Wirkungsgrad definiert? Nutzarbeit zu der dazu aufgewendeter Arbeit. Ja genau diese Frage sollte man sich stellen, wenn man über Wirkungsgrad redet! Sonst vergleicht man nämlich Äpfel mit Birnen.
Wärme ist bei der Lichterzeugung unnütz! Deshalb erhöht sich auch nicht den Wirkungsgrad! Wärme für Heizung lässt sich ja effektiver und mit weniger CO2-Emission erzeugen als mit einer Glühlampe!
Also erst nachdenken, dann posten!
@ingejahn
Also wenn ich nach dem Report gehe, der Grundsatz für das Gesetz war hier zu finden,
dann kommt da folgendes raus (je inkl. Produktion, Betrieb, Entsorgung):
Gesamtenergieverbrauch durch Lichtstrom durch Lebenszeit:
Glühlampe: 2247,06 J/lm/h
Halogenlampe: 1946 J/lm/h
Kompaktleuchtstofflampe: 642,2 J/lm/h
LED: 445,69 J/lm/h
Lebenszykluskosten durch Lichtstrom durch Lebenszeit (in 10^(-6) €):
Glühlampe: 33,72
Halogenlampe: 31,50
Kompaktleuchtstofflampe: 11,55
LED: 31,26
@Markus
Bezüglich ihrer Bedenken was Helligkeit, Lebensdauer, Schaltzyklen etc. angeht, empfehle ich diese Lektüre unter III. finden sie dort, denke ich, ihre Sorgen ausreichend gewürdigt oder zumindest bedacht.
Seltene Erden werden in vielen Bereichen benötigt, das sie momentan fast nur aus China kommen, liegt (mal wieder) am Preis.
Lars Fischer hat darüber vor kurzem geschrieben:
garnicht so seltene seltene Erden
Hei,
Du hast einen kleinen Fehler im Artikel:
Das Valenzband ist das besetzte, das Leitungsband das unbesetzte. Ergibt sich, wenn man den Graph anschaut auch einfach nach der Hundtschen Regel. Die Elektronen werden im Grundzustand im Energieärmeren Valenzband liegen, und werden durch Energiezufuhr ins Leitungsband gehoben, wodurch Leitfähigkeit entsteht. ;)
Sonst ein toller Artikel. =)
Jörg: Ja das könnte man grundsätzlich denken, allerdings geht man bei LEDs von pn-Halbleitern aus. Die haben, wenn man es streng nimmt, energetisch verschieden liegende Valenz- und Leitungsbänder. Wenn man die Spannung anlegt, können Elektronen aus dem Leitungsband der p-Schicht in das Valenzband der n-Schicht wandern, die dort realtiv gleich hoch liegt wie das Leitungsband. Die Energiedifferenz kann dann als Licht emittiert werden. Die unterschiedliche Lage der Bänder ergibt sich durch Verwendung von Elementen der III bzw. IV Hauptgruppe. Was du beschreibst, wäre eher der umgekehrte Fall einer Photozelle, wo Licht Elektronen in das Leitungsband anregt. Photozellen leuchten aber eher weniger ;). Trotzdem danke!