Sparsame LED-Straßenleuchtung am KIT Niedriger Strombedarf dank neuem LED-Schaltungs-Konzept

Bei dem Kleinleistungsleuchtdioden-Array beeinträchtigt der Ausfall einer einzelnen LED nicht gleich das Gesamtsystem.
Bei dem Kleinleistungsleuchtdioden-Array beeinträchtigt der Ausfall einer einzelnen LED nicht gleich das Gesamtsystem.

Die neue LED-Straßenleuchte vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat einen niedrigen Energiebedarf. Die KIT-Forscher konnten die üblichen Hochleistungsdioden durch ein spezielles Leuchtpunkte-Array ersetzten und somit Wirkungsgrad und Lebensdauer deutliche steigern.

Eine größere Zahl von LEDs parallel zu schalten ist nach wie vor schwierig, denn fällt eine einzelne Diode aus, versagt gleich das ganze System – oder zumindest Teilbereiche. Auch die Alternative sei laut Michael Heidinger vom Lichttechnischen Institut ebenfalls mit Nachteilen behaftet. Mit steigender Dioden-Anzahl werden auch sehr hohe Spannungen benötigt. Doch da die gesetzlich zulässige und als nicht lebensbedrohlich geltende Berührungsspannung bei 120 Volt liegt, konnten bislang nur bis 40 LEDs in einer Reihenschaltung verbaut werden.

Heidinger hat jedoch eine Schaltung entwickelt, die Alterung und Ausfälle einzelner LEDs abfängt. Dadurch wird es kostengünstig möglich, eine Vielzahl von LEDs – im Prototyp waren es 144 Leuchtpunkte – auf einer einzigen Platine zu montieren und sicher zu betreiben. Das neue Schaltkonzept ermöglicht es, mit geringeren Spannungen zu arbeiten. Im Prototyp waren es laut Heidinger nur 20 V.

Zudem entsteht in der Konstruktion weniger unerwünschter Wärme. »Bei wenigen LEDs ist die Verlustleistung sehr konzentriert und muss aufwendig verteilt werden«, erläutert Heidinger. Wird die Wärme nur mangelhaft verteilt, könne es zu lokalen Überhitzungen kommen, die sich negativ auf die Lebensdauer der Leuchte auswirke. Jedoch ist eine entsprechende Wärmeverteilung- und Minderung aufwendig und kostspielig. Nicht so bei Heidingers LED-Anordnung.

Für das menschliche Auge seien außerdem die Leuchteigenschaften des neuen Konzepts angenehmer, meint Heidinger: »Viele kleine LEDs werden aus einiger Entfernung als Flächenstrahler wahrgenommen. Sie blenden dadurch weniger als Hochleistungs-LEDs, die als Punktlichtquelle wahrgenommen werden.« Noch dazu sind Kleinleistungs-LEDs billiger als Hochleistungs-LEDs, so dass das neue System zum gleichen Preis hergestellt und angeboten werden kann, obwohl mehr Leuchtdioden benötigt werden. Der Umstieg auf die neue Lampentechnik ist außerdem unkompliziert und damit preiswert: »Das LED-Modul kann einfach in die bestehenden Leuchten montiert werden«, erläutert Heidinger.

Von den neuen LED-Leuchten könnten künftig auch Städte und Gemeinden profitieren. Gerade ist die Umstellung der alten konventionellen Straßenbeleuchtung mit hohem Strombedarf auf LED-Technik vielerorts in vollem Gange. So umfasst etwa die Stadtbeleuchtung einer mittleren Großstadt mit 300.000 Einwohnern wie Karlsruhe laut Stadtverwaltung fast 60.000 Lampen – rund 1/10 davon sind LEDs –, deren Stromverbrauch im Jahr 2015 rund 12.000 MWh betrug. Dadurch kommt es zu jährlichen Strom und Wartungskosten von bis zu 3 Millionen Euro. In der Millionenstadt Berlin summierten sich die Energiekosten für die elektrische öffentliche Beleuchtung im gleichen Jahr auf rund 14 Millionen Euro – auch da die Hauptstadt zusätzlich auch noch Gaslaternen betreibt. Der Strombedarf liegt bei 75.000 MWh. In Deutschlands zweitgrößter Metropole Hamburg fielen im Jahr 2014 bei einem Energiebedarf für die Straßenbeleuchtung von rund 35.000 MWh rund 7 Millionen Euro Kosten an.

Erste Industriepartner befinden sich schon in der Produktentwicklung auf Grundlage der Karlsruher Technik. »Die Technik erlaubt es uns erstmals blendfreie Leuchten mit hohem Wirkungsgrad zu konstruieren, die höchsten Sicherheitsstandards entsprechen«, erläutert Klaus Müller, Geschäftsführer von Gratz Luminesance. »Ersten Testkunden werden wir noch in diesem Jahr unsere Leuchte zu Testzwecken zur Verfügung stellen können.«