Phantome, die unser Wissen beherrschen XIII

Die Geschichte dieses Phantoms ist vermutlich so alt wie das menschliche Bestreben, künstliches Licht sparsamer zu machen. Tüftler, Erfinder, Macher wie Argand, Jablotschkow oder Minckeleers, deren Namen man in den Annalen der Frühzeit der Lichttechnik lesen kann, strebten danach, das Lichtmachen von seinen Lasten zu befreien. So auch die Steigerung des erzeugten Lichts gemessen an dem Energieeinsatz.

Das Ziel ist in einem unglaublichen Maße erreicht worden. Hatte die erste Glühlampe von Edison eine Lichtausbeute von ca. 1,4 bis 2 lm/W (Lumen pro Watt), können moderne  LED heute oft über 100 bis 150 lm/W. Firmen wie Cree haben im Labor bereits Werte von über 300 lm/W für eine einzelne LED-Komponente erreicht.

Wie fragwürdig solche Daten sein können, sieht man an einer “klassischen” Lampe, der Natriumdampf-Niederdrucklampe. Die erreicht lässig 200 lm/W und hatte bereits in ihrem ersten Lebensjahr 1932 als Serienprodukt 50 lm/W überschritten. Doch ihr Licht ist nicht viel wert, weil es keine Farben anregen kann.

Wenn man die theoretisch beste Lichtumwandlung der Energie erreicht, kann man 683 lm/W erreichen. Das ist monochromatisches grünes Licht. Mit dem kann jeder glücklich werden, wer ein solches Licht braucht. Beleuchten tut man indes meist mit weißem Licht.

Bei früheren Leuchtsmitteln wie der Leuchtstofflampe war die Farbwiedergabe recht eng an die Lichtausbeute gekoppelt. War man mit der Dreibandenlampe und ihrem mageren Spektrum zufrieden, konnte man bei gleicher Beleuchtungsstärke bis zu 60% Energie sparen. Die sog. Vollspektrumlampen waren immer rechnerisch ineffizienter als die Standardlampen.

Wann die Lichtausbeute ein schlechtes Maß ist

Lichttechniker haben sich bereits in ihren ersten Normen zur Beleuchtung der “Wirtschaftlichkeit” verschrieben. Auch wenn deren Wirtschaftlichkeit eher eine Kostenrechnung gewesen ist, wird deren Handeln stets durch die Lichtausbeute erheblich mitbestimmt. So waren Wohnraumleuchten für die Lichttötungsmaschinen. Aber auch die Vollspektrumlampe wurde häufig abgelehnt, weil ihre Lichtausbeute geringer ausfiel.

Wie dieses Maß einen in die Irre führen kann, lässt sich am Beispiel der Linestra-Lampe von Osram darstellen. Sie wurde in den 1930ern eingeführt und genoss noch in den 1970ern eine große Beliebtheit. Aber Osram drohte ständig damit, diese Lampe aus dem Sortiment zu nehmen, weil sie als eine Energievergeudung angesehen wurde. Ihre Lichtausbeute war unterirdisch. Sie lag typischerweise zwischen 5 und 9 Lumen pro Watt (lm/W).

Zum Betrieb brauchte diese Lampe aber nur einen Sockel, der an zwei Drähten angeschlossen war. Ihr besonderes Merkmal war das warme, blendfreie Licht, das durch einen langen Glühfaden in einer opalen (milchigen) Glasröhre erzeugt wurde. Sie hing meistens in Badezimmern und wurde minutenweise betrieben.

Die etwa zur gleichen Zeit entstandene Natriumdampf-Niederdrucklampe hatte nicht nur das Problem des unbrauchbaren Spektrums. Die Lampen waren im Vergleich zu modernen Leuchtmitteln riesig. Die Leuchtengehäuse mussten entsprechend groß und stabil sein, was sie teuer und anfällig für Wind machte. Da die Lampe eine große, röhrenförmige Fläche ist, lässt sich das Licht kaum präzise bündeln. Es streut unkontrolliert in den Himmel und in die Umgebung. Nach dem Einschalten leuchtet die Lampe zuerst schwach rötlich (durch das enthaltene Neon-Startgas). Es dauert 10-15 Minuten, bis das Natrium verdampft ist und die volle Helligkeit sowie die gelbe Farbe erreicht werden. In Zeiten von Smart Cities möchte man Licht dimmen, wenn niemand auf der Straße ist. SOX-Lampen lassen sich jedoch kaum stabil dimmen und verlieren dabei sofort ihre Effizienz.

Ohne ein Vorschaltgerät lässt sich eine solche Lampe nicht betreiben. Ohne eine Leuchte auch nicht. Daher war der Vergleich mit anderen Leuchtmitteln auf der Basis der Lichtausbeute bestenfalls von akademischem Wert. Linestra gegen SOX-Lampe aufzustellen, war absurder als Kartoffeln mit Kaviar zu vergleichen.

Der Betriebsaufwand (Leuchte, Vorschaltgerät u.Ä.) ist der eine Faktor, der die Lichtausbeute als Maß schlecht aussehen lässt. Es gibt aber einen anderen Faktor, der auch bei den heutigen LEDs die Lichtausbeute relativ bedeutungslos macht: die Leuchtdichte. Die Leuchtdichten, die hocheffiziente LEDs erreichen, liegen eine Größenordnung unter der der Sonne. Solche Elemente können ohne Abdeckung nicht in Innenräumen betrieben werden. So müssen Linsen oder Abdeckungen vorgesehen werden, die das Licht lenken oder weicher machen. Sie schlucken ebenfalls Lichtstrom, und zwar nicht zu knapp. Je stärker das Licht einer LED gestreut oder geformt werden muss (z. B. bei einem sehr engen Spot oder einer sehr weichen Flächenleuchte), desto höher sind die optischen Verluste. Um die einzelnen LED-Punkte unsichtbar zu machen, wird das Licht gestreut. Dies kostet oft 20 % bis 40 % der Lichtleistung.

Hinzu kommen Totalreflexion und Gehäuse: icht, das flach auf eine Grenzfläche trifft, wird zurück ins Innere der Leuchte reflektiert (Totalreflexion). Wenn das Gehäuse innen nicht perfekt weiß oder spiegelnd ist, wird dieses Licht in Wärme umgewandelt. Dies macht oft weitere 3 % bis 7 % aus.

Vollends obsolet scheint die Lichtausbeute als Maß, wenn man “smarte” Leuchtmittel benutzt. Diese halten die LED dauerhaft bereit und steuern und regeln das Licht bei Bedarf. Es kann sein, dass eine solche “smarte” Beleuchtung mehr Energie zum Warten verbraucht als zum Leuchten.

Was können irreführende Maße bewirken?

Auf dem Gebiet der Beleuchtungstechnik ist mein bestes Beispiel die Indirektbeleuchtung. Sie wurde seit den 1920ern als unwirtschaftlich angesehen. Das Thema will ich nicht hier weiter vertiefen. (Bei Interesse hier lesen.) Unbelastet von der Vergangenheit ist eine andere Beleuchtungsart, deren Wirkung (Blendfreiheit), ähnlich funktioniert wie bei der Indirektbeleuchtung. Sie wird von einer großen Firma als “mildes” Licht vermarktet. Mild wirkt sie deswegen, weil man durch eine geeignete Einrichtung die von den Nutzern sichtbare Leuchtdichte reduziert. Aber dies ist mit einem Verlust an Lichtstrom verbunden. Achtet man lediglich auf das Licht, das in der Arbeitsebene ankommt, und lässt die Leuchtdichten unbeachtet, ist sowohl das milde Licht als auch das indirekte wenig “effizient” i.S. der Lichttechnik.

Wenn heute die Rede ist von gutem Bürodesign, denken viele Menschen daran, die “Deckenbeleuchtung” abzuschaffen. Was in führenden Designzeitschriften als modernes Design abgebildet wird, sind Leuchten, die eher Wohnraumleuchten sind und nicht die “effizienten” Büroleuchten. (mehr s. Licht für New Work).

Ein anschauliches Beispiel für die Irreführung durch ein falsches Mass lieferte die Autotechnik. Die einst führenden US-Hersteller maßen die Leistung ihrer Motoren ohne die Aggregate, ohne die die Motoren nicht funktionieren können. Die Europäer maßen sie an der Welle. So fiel der führenden Autonation nicht auf, dass der Lüfter des Motors zu mehr als 90% der Betriebszeit wirkungslos war, aber bei Höchstgeschwindigkeit etwa 5% des Energieverbrauchs, bzw. einen Verlust von 3-5 PS verursachte. Das bewirkte einen hohen Lärmpegel und unnötigen Spritverbrauch. Der zum Antrieb benötigte Keilriemen war zudem ein Sicherheitsrisiko.

Fazit: Eine Maßzahl führt immer dann in die Irre, wenn sie eine mehrdimensionale Realität (Gesundheit, Bildqualität, Lichtqualität) in einer eindimensionalen Zahl zusammenfassen will. Am deutlichsten lässt sich das Problem am Beispiel der Lichtqualität darstellen. Die LiTG-Studie, die einst begonnen wurde, um eine Maßzahl oder einen Faktor zu ermitteln, trägt den Titel: Lichtqualität - ein Prozess statt einer Kennzahl.

Zur Zukunft des Phantoms

Die Lichtausbeute ist vermutlich die älteste Kennzahl in der Beleuchtungstechnik. Für sie gibt es keinen Ersatz, weil sie ein Maß für die Energieeffizienz von Leuchtmitteln liefert. Dass die Energieeffizienz einer Lampe keinen Maßstab für Lichtqualität ergibt, lernt man langsam aber sicher durch leidvolle Erfahrungen. So hat die CIE 2021 nach 108 Jahren zum ersten Mal in ihrer Historie Lichtqualität definiert. (s. z.B. hier: CIE definiert Lichtqualität - Was verstehen die Leute unter Qualität?)

Eine praktischere Bedeutung hat das Vorgehen von LightingEurope. Im Kontext der aktuellen EU-Gesetzgebung (Ecodesign- und Energielabel-Verordnungen) hat LightingEurope insbesondere folgende Punkte beantragt bzw. vorgeschlagen:

1. Fokus auf das Gesamtsystem (Smart Lighting): Anstatt nur die Effizienz der einzelnen Lichtquelle (lm/W) zu betrachten, fordert der Verband, die Effizienz des gesamten Beleuchtungssystems zu bewerten. Dazu gehört auch die Einbeziehung von Sensorik und Steuerung in die Bewertung.
2. Praxistaugliche Lebensdauer-Metriken: Klare Regeln für die Angabe der Nutzlebensdauer (Useful Lifetime), um unrealistisch hohe Marketingversprechen einzudämmen und die Vergleichbarkeit für professionelle Planer zu erhöhen.