LED, Leuchtstoffröhre und Glühlampe Grünes Licht

»Glühbirnen« sind böse, (Kompakt)-Leuchtstoffröhren sind mal gut, mal böse, und Leuchtdioden sind nur gut - kann die Welt wirklich so einfach sein? Klare Antworten sind rar, ganz eindeutig ist, wie so oft im Leben, nichts. In der Praxis entscheidend sind Anwendungsfall, Preis und Kompatibilität zu vorhandenen Installationen. Aus diesem Grund legen wir einige Fakten dar.

Es gilt, verschiedene Umweltaspekte zu betrachten. Da ist einmal natürlich die Energieeffizienz, für die sowohl die Verlustleistung (sprich: Wärme) als auch die gesamte aufgenommene Leistung sowie die Lebensdauer eine Rolle spielen. Im Zuge der etwas überhitzten Energiedebatten kommt häufig ein anderer wichtiger Punkt zu kurz: die verwendeten Materialien.

Wo kommen sie her, wie wird der Leuchtkörper produziert und was passiert nach dem unvermeidlichen Ende? Für eine ökologische Betrachtung ist die Frage des Recyclings von Bedeutung, denn wer nicht bedauerlicherweise gerade in unmittelbarer Nachbarschaft eines Wertstoffhofs wohnt, wird moderne Leuchten genausowenig ordnungsgemäß dort abliefern, wie dies bisher mit Glühlampen geschah, die bestenfalls (fälschlicherweise) im Glascontainer landeten.

Energie sinnvoll nutzen

Generell ist die Frage des Energieverbrauchs für die Beleuchtung in der öffentlichen Diskussion etwas übertrieben worden. Laut einer Studie aus dem Jahr 2007 spielt die Beleuchtung mit lediglich 2% Anteil am Gesamtenergieverbrauch privater Haushalte in Deutschland eine eher untergeordnete Rolle. Für Gewerbebetriebe gibt es keine umfassenden, aktuellen Studien, doch ältere sehen den Anteil der Beleuchtung zwischen 5% und 10% des Gesamtenergieverbrauchs. Da in beiden Fällen im Lauf der letzten Jahre (oft gezwungenermaßen) energieeffizientere Systeme zum Einsatz kommen, dürften sich die Anteile eher nach unten verschoben haben. Schließlich werden Leuchtmittel häufiger ausgewechselt als Heizungsanlagen, Waschmaschinen oder andere Großgeräte.

Negativ-Spitzenreiter beim Wirkungsgrad ist eindeutig die Glühlampe. In ihr wird ein elektrischer Leiter als Glühfaden oder -wendel durch Stromfluss so stark erhitzt, dass er glüht. Er emittiert also im elektromagnetischen Spektrum, vor allem Wärmestrahlung und sichtbares Licht. Der größte Teil wird im Infraroten abgestrahlt und mittels Wärmeleitung und -konvektion an Füllgas und Glaskolben sowie über Wärmeleitung an die Zuleitungs- und Haltedrähte der Glühwendel abgegeben.

Der Anteil des sichtbaren Lichts erreicht maximal 5%, die Lebensdauer reicht im Allgemeinen von 1000 Stunden bis 6000 Stunden. Im Gegenzug handelt es sich bei der »Glühbirne« aufgrund des simplen Funktionsprinzips wohl um die »sauberste« Lichtquelle: Glas, Blech und Wolfram sind weitgehend unbedenklich; selbst die Wolframgewinnung ist, obwohl vergleichsweise kompliziert, nicht belastender als bei bergmännischem Abbau beliebiger Erze üblich. Neuerdings gibt es zwar Hinweise auf eine karzinogene Wirkung bei Einlagerung in größeren Mengen, doch wird Wolfram üblicherweise vom Körper einfach ausgeschieden.

Umgangssprachlich (und etwas unsauber) bezeichnet der Begriff »Energiesparlampe« die Kompaktleuchtstofflampe (Bild 1). Dabei handelt es sich um kleine Ausführungen der Leuchtstofflampen, also um Quecksilberdampf-Niederdrucklampen. Diese sind zur Verringerung der Abmessungen ein- oder mehrfach U-förmig gebogen oder als Wendel ausgeführt. Gegenüber ihren »großen Schwestern« ist der Innendruck meist höher. Im Sockel befindet sich das (elektronische) Vorschaltgerät. Dieses heizt beim Lampenstart zunächst die Kathoden, indem diese im Stromkreis in Reihe zu einem PTC-Widerstand liegen. Hat sich dieser durch Stromfluss erwärmt, wird er hochohmig und gibt die Entladungsstrecke für das Vorschaltgerät frei, die Lampe zündet.

Der Druckaufbau, mithin die Verdampfung des Quecksilbers, geschieht beim Einschalten durch die Vorheizung der Kathoden beziehungsweise durch Heizfäden (direkt geheizte Kathoden) und nachfolgende Eigenerwärmung. Daher erreichen Kompaktleuchtstofflampen nicht sofort ihre volle Leuchtkraft. Die Gasentladungsstrecke selbst arbeitet an einem Resonanzwandler, das heißt die Netzwechselspannung wird zunächst gleichgerichtet, um anschließend wieder in eine Wechselspannung höherer Frequenz (ca. 45 000 Hz) zerhackt zu werden. Die Wechselrichtung erfolgt mit zwei Schalttransistoren, die hochfrequente Wechselspannung gelangt dann über eine Ferritkern-Drossel zum Lampenstromkreis.

Kompaktleuchtstofflampen haben mit etwa 60 lm/W eine rund vier- bis fünfmal höhere Lichtausbeute als normale Glühlampen mit 12 lm/W bis 15 lm/W, sie benötigen bei gleichem Lichtstrom also 75% bis 80% weniger elektrische Leistung. Im Lauf der Lebenszeit nimmt ihre Lichtausbeute jedoch ab. Die angegebene Lebensdauer liegt mit 3000 h bis 15 000 h deutlich über einer normalen Glühlampe. Neben der Betriebsdauer spielt die Schalthäufigkeit für die Lebensdauer eine Rolle.

Sofortzündende Kompaktleuchtstofflampen, die ohne Vorglühen gezündet werden, sind sehr empfindlich und altern bei jedem Zündvorgang zwischen 2 h und 5 h, da durch die notwendige Zündspannung viel Elektrodenmaterial abgesputtert wird und so mit dem Quecksilber legiert (Lebensdauer etwa 10 000 h oder 3000 Startvorgänge). Bei Lampen mit Vorheizung werden die Elektroden erst 0,2 s bis 2 s vorgeheizt. Bei diesen Energiesparlampen versprechen die Hersteller bis zu 600 000 Schaltzyklen. Wie alle Leuchtstofflampen enthalten Kompaktleuchtstofflampen giftiges Quecksilber. Nach der RoHS-Richtlinie gilt in der EU eine Höchstmenge von 5 mg je Lampe.

Bei hochwertigen Lampen werden jedoch teilweise weniger als 1,5 mg eingesetzt oder Quecksilberlegierungen genutzt, um das Entweichen des Quecksilbers im Falle eines Glasbruchs zu unterbinden. Nicht mehr funktionsfähige Kompaktleuchtstofflampen sind entsprechend Sondermüll, da sie Quecksilber sowie in der Lampe, dem Starter und der Elektronik weitere problematische Stoffe enthalten. Die Rohstoffe wie Kupfer, Aluminium und Zinn sowie die Leuchtstoffe können teilweise wiederverwertet werden. Für Quecksilber gilt das in der Regel nur, wenn der Glaskolben unbeschädigt ist, da es schon bei Zimmertemperatur verdunstet. Weiterhin dünsten viele solche Lampen flüchtige organische Verbindungen aus, die durchaus giftig sein können.

Aufgrund des Elektro- und Elektronikgerätegesetzes und der dazugehörigen EU-Verordnung WEEE sind EU-weit die Hersteller, nicht aber die Händler von Leuchtstofflampen, verpflichtet, diese zurückzunehmen. Die Sammlung wird in Deutschland von der Non-Profit-Organisation Lightcycle organisiert und erfolgt unter anderem in 1000 kommunalen Wertstoffhöfen, 400 gewerblichen Sammelstellen und 700 Supermärkten. Ordnungs-gemäß wird von Privathaushalten bislang allerdings nur ein sehr geringer Teil entsorgt. Laut Lightcycle kommen in Deutschland jährlich 160 000 000 Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren auf den Markt. Im Jahre 2008 wurden 41 500 000 alte Ener-giesparlampen eingesammelt, entsprechend einer Rücklaufquote von 40% der -Lampen aus dem Jahre 2002. Dabei wird eine Lebensdauer von sechs Jahren unterstellt.

Die tatsächliche Haltbarkeit im Haushalt wird auf fünf bis 15 Jahre kalkuliert. Das Ver-bot von Glühlampen aus dem Jahre 2009 wird sich auf die Mengen -voraussichtlich im Jahre 2015 auswirken. Von Großverbrauchern werden nahezu 90% zurückgegeben. Dieses Problem besteht bei Leuchtdioden-basierten Systemen im selben Maße. Dort kommt zwar kein hochgiftiges Quecksilber zum Einsatz, dafür ebenfalls Vorschaltgeräte in irgendeiner Form sowie seltene Erden und andere schwierig zu gewinnende Materialien wie Yttrium, Cer, Indium oder Gallium. Unter wirtschaftlichen wie auch unter ökologischen Gesichtspunkten ist Wertstoffrecycling absolut bedeutend. Was die Lebensdauer anbelangt, sind Leuchtdioden ungeschlagen.

Als Lebensdauer einer LED gilt die Zeit, nach der die Lichtausbeute auf die Hälfte des Anfangswertes abgesunken ist (eine Art Halbwertszeit). Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Hohe Temperaturen verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen tausend Stunden bei älteren 5-W-LEDs bis zu über 100 000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen Dioden. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre Lebensdauer bei 15 000 bis 30 000 Stunden liegt.