LED und Klimaschutz

LED - ein kleiner Schritt für uns, eine große Maßnahme für das Weltklima

Der weltweite Bedarf an Energie wächst unaufhaltsam. Die Internationale Energieagentur IEA prognostizierte in ihrem World Energy Outlook aus dem Jahr 2014 eine Zunahme um 37 % bis 2040 – dem Jahr, in dem die Nachfrage nach fossilen Energieträgern wie Öl, Gas und Kohle voraussichtlich ihren höchsten Stand erreichen wird.

Das Problem: wir leben deutlich über unsere Verhältnisse. Bereits seit Mitte der 1980er Jahre übersteigt der Verbrauch natürlicher Ressourcen für Ernährung, Wohnen, Mobilität und Konsum die Biokapazität der Erde. Das bedeutet dass wir seit dreißig Jahren auf Kosten der nächsten Generationen wirtschaften. Wenn alle Menschen so einen Lebensstil wie in Europa pflegen, würden wir dafür die Kapazität von 2,5 Erden benötigen.

Leben braucht Energie

In der Physik ist Energie definiert als die Fähigkeit, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszustrahlen. Sie tritt in sehr unterschiedlichen Formen auf, zum Beispiel als elektrische, thermische, chemische oder magnetische Energie, Lichtenergie oder Kernenergie.

Unser Leben wird von Energie bestimmt. Nicht nur für technische Geräte sondern auch für unser biologisches Leben ist sie absolut notwendig. Die physikalische Einheit der Energie, das Joule, finden wir deshalb auf jeder Lebensmittel-Verpackung. Sie hat die im Alltag immer noch gebräuchlichen Kalorien abgelöst. Unser Körper erhält durch die Nahrungsaufnahme die nötige Energie.

Der Energieerhaltungssatz der Physik besagt, dass in geschlossenen Systemen Energie niemals verloren geht. Wenn das aber so ist, warum sprechen wir dann überhaupt von Energieverbrauch? Warum müssen wir uns Sorgen machen um unseren Energiehaushalt?

Energie wird umgewandelt, aber auch entwertet

Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Das ist grundsätzlich gut, denn so können wir heute Sonnenenergie aus geologischer Vorzeit nutzen. Vor Millionen Jahren wurden durch die thermische Energie der Sonne Abbauprodukte toter Pflanzen und Tiere in Kohle, Öl, Gas und Torf verwandelt. Die Sonnenenergie wird in ihnen in chemischer Form gespeichert. In einem Kraftwerk wird die chemische Energie fossiler Stoffe durch Verbrennung wieder in thermische und mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Einfacher geht es mit einer Solarzelle, die aus heutigem Sonnenlicht ohne fossilen Zwischenträger Strom erzeugt. Ein Auto mit Elektromotor verwandelt Strom in kinetische Energie.

Aber wir können nicht alle umgewandelten Energieformen nutzen. Wird ein Fahrzeug abgebremst, verwandelt sich kinetische Energie, also Bewegungsenergie, zu einem großen Teil in Wärme – die Bremsen werden heiß. Fährt das Auto statt zu bremsen gegen eine Wand, erleben wir Verformungsenergie. Die Energie ist damit entwertet. Auch der sogenannte Prozess der Energieerzeugung, besser gesagt der Energieumwandlung, läuft nicht vollständig wie gewünscht. Ein Kohlekraftwerk hat üblicherweise einen Wirkungsgrad von nur 30 bis 40 %, der sich durch Nutzung der Abwärme durch Kraft-Wärme-Kopplung nur dann steigern lässt, wenn es in der Nähe des Kraftwerks und entsprechend der Jahreszeit Abnehmer für Fernwärme gibt. Gaskraftwerke arbeiten effizienter und nutzen auch häufiger die Abwärme.

Schauen wir uns unter dem Aspekt der Energieerhaltung doch auch die Glühlampe etwas näher an. Hoffentlich haben Sie noch nie probiert, die Stärke der Wärmestrahlung einer Glühbirne durch Anfassen festzustellen. Mit Sicherheit werden Sie sich die Finger verbrannt haben, denn die Glühlampe gibt 95 % der aufgenommenen elektrischen Energie als Wärme – also Strahlung im Infrarot-Bereich – ab. Nur 5 % sind sichtbares Licht, das wir eigentlich wollen. Auf diesen wichtigen Aspekt werden wir in Zusammenhang mit der LED noch einmal zurückkommen.

Effizienz ist also ein ganz großes Thema, wenn es darum geht, den Energieverbrauch zu begrenzen. Farbige Energie-Label sind nur ein Anfang. Eine EU-Richtlinie regelt die Rahmenbedingungen, und ein Nationaler Aktionsplan Energieeffizienz (NAPE) in Deutschland gibt Unternehmen aller Branchen marktwirtschaftliche Anreize, in Stromeffizienz zu investieren. Je höher die Einsparung, desto mehr Förder-Euro fließen. Bis 2018 stehen in dem Förderprogramm STEP up! 300 Millionen Euro zur Verfügung, die in zwei jährlichen Ausschreibungsrunden vergeben werden.

Regenerative Energien werden zur Nummer Eins in der Stromproduktion

Die große Bedeutung der elektrischen Energie für unseren Alltag hängt ebenso direkt mit der Umwandlung verschiedener Energieformen zusammen. Einerseits lässt sich elektrische Energie relativ leicht – wenn auch, wie gesehen, oft ineffizient – aus anderen Energieformen herstellen. Wichtiger noch: sie selbst lässt sich gut transportieren und vor Ort zum Beispiel in Licht, Kraft und Wärme umwandeln. Enenso haben die Möglichkeiten der Speicherung elektrischer Energie in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte gemacht.

Werfen wir zunächst einen Blick auf die Herkunft elektrischer Energie. Obwohl wir wissen, dass die Vorkommen begrenzt sind, haben die fossilen Energieträger Öl, Gas und Kohle immer noch Zuwachsraten. Die Internationale Energieagentur IEA geht von einer Steigerung des weltweiten Ölkonsums bis auf 104 Millionen Barrel pro Tag (!) im Jahr 2040 aus. Und auch die Kernenergie ist auf dem Vormarsch. Vier Länder sind für einen Zuwachs von insgesamt 60 % verantwortlich: China, Indien, Nord-Korea und Russland. Auf den ersten Blick ist Kernenergie umweltfreundlich und ressourcenschonend. Die traditionell atomfreundliche IEA argumentiert, Kernkraft erspare den Menschen den CO₂-Ausstoß von vier Jahren. Kontrovers diskutiert wird dagegen die Frage nuklearer Altlasten und die grundsätzliche Beherrschbarkeit der Technologie. Tschernobyl und Fukushima haben uns gezeigt, dass die Folgen eines extrem unwahrscheinlichen Unfalls unabsehbar groß sind. Ein solches Risiko, und sei es auch noch so klein, darf eine verantwortungsvolle Energiepolitik nicht in Kauf nehmen, insbesondere nicht in dicht besiedelten Gebieten.

Die gute Nachricht aus dem World Energy Outlook: der Einsatz regenerativer Energien zur Stromproduktion ist auf dem Vormarsch. Vor allem Windkraft, aber auch Wasserkraft und Solarenergie wachsen im Energiemix rasant und werden bis 2040 Kohle als meistverwendeten Energieträger überholt haben. Wir haben bereits gesehen, dass jede fossile Energieform ursprünglich aus Sonnenenergie entstanden ist. Es liegt auf der Hand, dass eine direkte Nutzung der Sonne ökonomisch und auch ökologisch günstiger ist als der Umweg über die Verbrennung von Fossilien. Eine Herausforderung bleibt die Verteilung und Speicherung des Stroms. In Deutschland wird aktuell die Diskussion über den SuedLink geführt, eine Hochspannungstrasse, die im Norden erzeugte Windenergie nach Süden transportieren soll.

Watt hat nichts mit Helligkeit zu tun

Elektromotoren, elektrische Heizungen, Leuchtmittel und eine Vielzahl anderer Elektrogeräte wandeln elektrische Energie in andere Formen wie Kraft bzw. Geschwindigkeit, Wärme und Licht um. Physikalisch richtig müssen wir hier statt von Energie von elektrischer Arbeit sprechen. Die bekannte Einheit hierfür ist Watt. Die Einheit für die Energie, Joule, ist nichts anderes als eine Wattsekunde. Ein Joule wird also verbraucht, wenn für eine Sekunde ein Watt Arbeit verrichtet wird. Eine Kilowattstunde, die Sie vom Stromzähler her kennen, entspricht also 1000 Watt x 3600 Sekunden = 3,6 Millionen Joule.

Inzwischen wissen wir, dass sich bei Glühlampen zu Unrecht die Leistungsaufnahme in Watt als Maß für die Helligkeit eingebürgert hat. Die 60-Watt-Birne verbraucht zwar in einer Stunde 60 Wattstunden oder 216 Kilojoule, aber davon werden, wie wir oben gesehen haben, nur 5 % oder 3 Watt zu sichtbarem Licht. 57 Watt verteilen sich als Wärme im Raum, dieser Anteil der Energie ist für uns nicht nutzbar oder verloren. Nachhaltigkeit sieht anders aus. Darum ist etwa 140 Jahre nach Edisons Patent das Zeitalter der Glühlampe nun zu Ende. Zum Vergleich: die Lichtausbeute, also das Verhältnis von Lichtstrom zu Leistungsaufnahme, liegt bei der LED rund sieben Mal so hoch. Da LED weniger warm werden, ist auch die Brandgefahr geringer.

Nachhaltigkeit sichert die Zukunft

Sie kehren spät von der Arbeit heim, sind hungrig, müssen aber feststellen, dass Ihre Familie Ihnen nichts vom Abendbrot verwahrt hat. Richtig ärgerlich, wenn keine Vorräte mehr im Haus und die Geschäfte schon geschlossen sind – und sogar ernsthaft bedrohlich, wenn Sie wissen, dass die Läden leer gekauft sind und nicht mehr öffnen werden. Genau dieses Beispiel beschreibt aber die Art und Weise, wie wir heute mit der Biokapazität unserer Welt umgehen. Unsere Enkel werden – um im Bild zu bleiben – einen leeren Kühlschrank vorfinden.

In Deutschland werden jeden Tag zwei Millionen Tonnen klimaschädliches CO₂ in die Atmosphäre geblasen. Pro Jahr füllt jeder Deutsche statistisch gesehen zwei olympische Schwimmbecken mit dem Treibhausgas. Man benötigt Achtzig ausgewachsene Bäume um eine Tonne CO₂ zu binden. Wollten wir unseren CO₂-Ausstoß kompensieren, wäre unser Land bald ein Urwald. Tun wir das aber nicht, steigt die Konzentration von CO₂ in der Atmosphäre an. Kurzwellige Sonnenstrahlen dringen zur Erdoberfläche, sie werden in langwellige Strahlung verwandelt, und die kann durch das CO₂ nicht mehr zurück.

Globale Erwärmung führt zu steigenden Meeresspiegeln, schmelzenden Gletschern, Verschiebung von Vegetationszonen und häufigeren Wetterkatastrophen wie Stürmen, Überschwemmungen und Trockenheit. Auch wenn die von Menschen verursachten Klimaveränderungen von langfristigen natürlichen Zyklen überlagert sind, wird kein ernst zu nehmender Wissenschaftler die direkten und indirekten Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, die Landwirtschaft und auch auf die Politik bestreiten. Heute beschäftigen uns Kriegsflüchtlinge – morgen werden es Umweltflüchtlinge sein, die aus ihren bisherigen Lebensräumen durch den Anstieg des Meeres oder durch Wasserknappheit vertrieben werden. Volkswirtschaftliche Schäden werden mit 5 bis 20 % des weltweiten Bruttosozialprodukts prognostiziert. Die Folgen lassen sich in etwa abschätzen, wenn man die Weltwirtschaftskrise der 1930er Jahre betrachtet.

Ist es bereits zu spät für eine Umkehr? Nein, sagen Wissenschaftler, und sie belegen ihre Behauptung mit Computermodellen. Allerdings müssen wir rasch und radikal handeln. Um die Klimaerwärmung auf 2 °C zu begrenzen, müsste ein Drittel der bekannten Vorkommen fossiler Brennstoffe im Boden bleiben. Bei der Kohle blieben sogar 80 % unangetastet. Nachhaltigkeit im Sinn einer Stabilität und natürlichen Regenerationsfähigkeit des Systems Erde ist damit noch nicht erreicht. Zumindest verbaut unser Wirtschaften aber nicht endgültig die Chancen kommender Generationen auf eine lebenswerte Welt.

LED verkleinern den ökologischen Fußabdruck gewaltig

An der Notwendigkeit, den Energiehunger vor allem in Industrienationen und Schwellenländern massiv zu begrenzen und die Stromerzeugung auf klimafreundliche Konzepte umzustellen, besteht kein Zweifel. Aber können einige durch LED ersetzte Glühbirnen wirklich die Welt retten?

Untersuchungen zeigen, dass die Einsparungseffekte selbst von Großverbrauchern wie Städten und Gemeinden falsch eingeschätzt werden. Weltweit entfallen knapp 20 % des Stromverbrauchs auf Beleuchtungsanwendungen, und davon wiederum der größte Anteil auf Glühlampen, Halogenlampen und Leuchtstoffröhren, zu denen auch die sogenannten Energiesparlampen zählen. Für alle diese Leuchtmittel stehen marktreife Alternativen zur Verfügung, die bis zu 90 % der Energie einsparen.

Will man die Effizienz verschiedener Leuchtmittel vergleichen, bietet sich die Helligkeit im Verhältnis zur Leistungsaufnahme als passende Größe an. Die Helligkeit wird als Lichtstrom in Lumen (lm) gemessen, das Verhältnis also in Lumen pro Watt (lm/W) ausgedrückt. Eine 60-Watt-Glühbirne erzeugt ca. 700 Lumen Lichtstrom, die Lichtausbeute beträgt also 700 lm geteilt durch 60 W = 12 lm/W. Mehr ist zwar möglich, zum Beispiel in Projektionslampen, aber das verkürzt die Lebensdauer. Kompaktleuchtstoffröhren, das sind die sogenannten Energiesparlampen, verbessern die Ausbeute deutlich auf rund 50 lm/W, haben aber gravierende Nachteile. Insbesondere die Verwendung von Quecksilberdampf macht Probleme bei der Entsorgung und birgt bei einem Bruchschaden gesundheitliche Risiken. Ein LED-Leuchtmittel erzeugt 700 Lumen Lichtstrom aus nur 8 Watt elektrischer Arbeit – die Ausbeute liegt mit fast 90 lm/W rund sieben Mal so hoch wie bei der Glühbirne. Umgekehrt gesagt: Sie ersparen der Umwelt rund 85 % der Belastung und sich selbst die entsprechenden Verbrauchskosten. Die seit Jahren ansteigenden Strompreise sind dadurch sehr leicht überkompensiert. Die bessere Umweltbilanz der LED-Lampen durch ihre lange Lebensdauer ist hier noch gar nicht eingerechnet. Je nach LED sind das im Mittel zwischen 15.000 und 25.000 Betriebsstunden. Diese Zahl wird so berechnet, dass die Hälfte der getesteten LED-Lampen zum Ende dieser Zeit noch mindestens 70 % des ursprünglichen Lichtstroms abzugeben. Einzelne LED halten durchaus 50.000 Stunden und sind zudem robust, vibrationsfest und bruchsicher. Die empfindliche Glühbirne kommt dagegen selbst unter günstigen äußeren Bedingungen nur auf etwa 1000 Stunden.

Jong Kyu Kim und E. Fred Schubert, die seit vielen Jahren auf dem Gebiet der LED Lichttechnik forschen, stellten bereits 2008 in einer Studie für die Optical Society of America OSA fest: ein schrittweiser Austausch herkömmlicher Lichtquellen gegen LED über zehn Jahre könnte mehr als zehn Gigatonnen – 10.000.000.000 Tonnen – CO₂-Emissionen vermeiden und Einsparungen von mehr als einer Billion US-Dollar bedeuten. Eine Billion ist eine Zahl mit zwölf Nullen. Allein für Deutschland gehen seriöse Berechnungen von einer Reduzierung des Klimakillers CO₂ um 13 Millionen Tonnen aus.

Konfuzius sagte einst: „Auch der weiteste Weg beginnt mit dem ersten Schritt.“

Der Beitrag jedes einzelnen ist wichtig und kann helfen, die Klimakatastrophe noch zu verhindern.