LED-Leuchten könnten zu einer massiven CO2-Reduzierung beitragen

Sep 04, 2023

Im letzten Jahrzehnt kam es zu einem Paradigmenwechsel in der Art und Weise, wie die Welt die Beleuchtung betrachtet. Häuser, Büros und Straßen haben verschwenderische Glüh- und Leuchtstofflampen ausgeschaltet, wodurch Benutzer und Umwelt giftigen Verunreinigungen ausgesetzt wurden.

Stattdessen haben Klimaforscher und Regierungen Leuchtdioden (LED)-Lampen gefördert, um den explodierenden Stromverbrauch zu bekämpfen, der etwa 20 % auf die Beleuchtung entfällt und 6 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen ausmacht. Ohne den Einsatz von LEDs könnte der weltweite Energieverbrauch für Beleuchtung bis 2030 um 60 % ansteigen.

Dank der Verwendung des Materials Galliumnitrid, das blaues Licht erzeugt und seinen Erfindern den Nobelpreis für Physik einbrachte, verbrauchen LEDs rund 75 % weniger Strom und halten 25-mal länger als bisherige Beleuchtungsformen.

„Blaue LEDs sind fantastisch effizient“, sagt Rachel Oliver, Professorin für Materialwissenschaften an der Universität Cambridge. Im Jahr 2017 sagten Analysten von IHS Markit, einem Klimainformationsdienst, dass die Umstellung auf LEDs in diesem Jahr für eine Reduzierung der Emissionen um eine halbe Milliarde Tonnen CO2 verantwortlich war – das entspricht der Abschaltung von 162 Kohlekraftwerken.

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur machen LEDs mehr als die Hälfte des weltweiten Lichtabsatzes aus. Die Beleuchtung ist damit auf dem besten Weg, bis 2030 ihr Netto-Null-Szenario zu erreichen. Das lässt auch viel Raum für Wachstum. Darüber hinaus nutzen Menschen und Unternehmen mehr Beleuchtung als je zuvor, sodass die zur Beleuchtung der Gesellschaft gewählte Technologie wahrscheinlich in viel größerer Zahl als derzeit eingeführt werden muss. Geschwindigkeit ist ebenfalls wichtig, da die IEA schätzt, dass ein Netto-Null-Szenario davon abhängt, dass LEDs bis 2025 den gesamten Beleuchtungsumsatz ausmachen.

Obwohl die Technologie weit verbreitet ist, werden weltweit praktisch keine LEDs recycelt oder als Einzelteile wiederverwendet. Der Großteil der Entwicklung von LED-Leuchten findet hinter verschlossenen Türen statt und Forscher waren überrascht, als sie herausfanden, welche Materialien in den von ihnen gekauften Leuchten enden.

Der zukünftige Weg der LEDs wird von der Fähigkeit geprägt sein, Leuchten zu entwickeln, die für das Recycling geeignet sind, sie so langlebig wie möglich zu machen und die schädlichen Auswirkungen der Lichtverschmutzung auf die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme zu reduzieren. Das Auffinden der für ihre Herstellung erforderlichen Materialien könnte Unternehmen dazu veranlassen, sowohl Bergbauabfälle als auch Post-Consumer-Abfälle neu zu überdenken.

„Galliumnitrid ist ein sehr gutes Material für die Herstellung sehr effizienter Leuchten, und wir wollen sehr effiziente Leuchten, weil dies eine gute Möglichkeit ist, die Kohlenstoffkosten zu senken“, sagt Oliver, der auch das Cambridge Centre for Gallium Nitride leitet. „Wie sorgen wir also dafür, dass sie länger leben, damit wir nicht so viele verbrauchen müssen? Und wie stellen wir sie so her, dass sie von Anfang an auf Recyclingfähigkeit ausgelegt sind?“

Der Erfolg von LEDs hängt nicht nur von Gallium und Stickstoff ab, die in LED-Leuchten nur als Flecken vorhanden sind. Glühbirnen, Röhren und Lichtbänder, die LEDs verwenden, vereinen ein Dutzend Metalle, die aus der ganzen Welt beschafft und verschifft werden, typischerweise zur Herstellung in Länder in Asien. Viele dieser Materialien fallen in winzigen Mengen als Nebenprodukte des Bergbaus an. Alles in allem sind LED-Leuchten, die in Ihre Handfläche passen, filigrane Kreationen aus mehr als einem Dutzend Elementen.

Über Kupferdrähte gelangt Strom in eine LED-Glühbirne, erreicht eine Seite der Diode und zieht die andere Seite an, um Elektronen zu teilen. Die Kombination der beiden Materialien erzeugt Licht, und mit zusätzlichem Indium und Aluminium ist es wahrscheinlicher, dass sich die Dioden verbinden und helleres Licht erzeugen. Mit Gold, Kobalt, Antimon, Magnesium, Arsen und Cadmium und noch mehr Gallium auf eine Leiterplatte gelötet.

Die Diode selbst erzeugt nur blaues Licht, in Innenräumen sind jedoch häufig gelbe und orange Farbtöne vorzuziehen. Ein zusätzlicher Leuchtstoff oder eine transparente Schicht, die Yttrium, Aluminium, Granat und etwas Cer enthält, filtert blaues Licht heraus und lässt Farben näher an Weiß zurück. Kombinationen aus Barium, Strontium, Cadmium und Europium können rote Farbtöne erzeugen, während Cer und Lutetium eher gelbgrüne Farbtöne erzeugen können.

Wissenschaftler konzentrieren ihre Bemühungen auf die Erforschung von Leuchtstoffen, die gesunde Formen von Licht erzeugen könnten. Zu viel blaues Licht kann die Produktion von Melatonin verringern und den menschlichen Schlafzyklus stören. Blaues Licht dringt auch tiefer ins Wasser ein als andere Lichtwellenlängen, was nachweislich die Fortpflanzung an Korallenriffen verhindert und biologische Uhren verzerrt.

Die Materialien werden dann von einer Karkasse aus Kunststoff, Aluminium und Glas umhüllt, die gewichtsmäßig den größten Teil des Materials ausmachen. Als ein Ingenieurteam in Brasilien LED-Lampen zerlegte, um ihren Wert für Recyclingunternehmen abzuschätzen, waren sie überrascht, hohe Konzentrationen an Edelmetallen und kritischen Metallen zu finden. Die Goldkonzentration pro Tonne Zwiebeln war 16-mal höher als in typischen natürlichen Erzen. Dieses Jahr schätzten Forscher in Indien, dass eine Tonne allein der Dioden Materialien enthält, die 7,8 Tonnen Galliumerz, 3,2 Tonnen Indiumerz und 42 Tonnen Golderz entsprechen.

Die große Belastung, die LEDs für den Bergbau darstellen, entsteht dadurch, dass viele der Elemente in LEDs als Nebenprodukte aus Erzen gewonnen werden, die nur sehr geringe Konzentrationen jedes Elements enthalten. Bis vor Kurzem war kaum bekannt, woher einige der wichtigsten Komponenten dieser Leuchten stammen. Es gibt reichlich Ressourcen, sagen Experten, und es geht nur darum, sie zu finden.

Gallium stammt hauptsächlich aus Bauxiterz, das zur Herstellung von Aluminium verwendet wird. Nachdem Bauxit zur Herstellung von Aluminiumoxid geschmolzen wurde, kann sich ein Unternehmen für einen zusätzlichen Schritt entscheiden, um seine Galliumbestandteile zu extrahieren, bevor sie bei der Raffinierung zu Aluminium als Abfall verloren gehen. Dennoch können nur 10 % des Galliums im Erz zurückgewonnen werden.

Gallium wird auch in den Leiterplatten von LEDs und vielen anderen elektronischen Geräten verwendet. Mit zunehmender Sättigung des Smartphone-Marktes dürfte jedoch der LED-Marktanteil das größte Wachstum verzeichnen, sagt Brian Jaskula, Galliumspezialist beim US Geological Survey.

Wie bei Gallium überschreitet auch die Indiumproduktion nicht die 1.000-Tonnen-Marke pro Jahr. Wenn eine Raffinerie es nicht aus Zinkerz gewinnt, landet es als Abfall, der typischerweise auf einer Müll- oder Rückstandshalde deponiert wird. Oft ist es im Erz so unsichtbar, dass Unternehmen es ignorieren. Sowohl Gallium als auch Indium stehen in den USA, Kanada, Australien und der EU auf der Liste der kritischen Materialien.

„Wenn wir es bewegen und bereits abbauen, dann ist es aus Sicht der Nachhaltigkeit sicherlich besser, es zu fördern, als es einfach auf einen Müllhaufen zu werfen und es später erneut zu untersuchen“, sagt Simon Jowitt, Geologe an der University of Nevada Las Vegas. Jowitt hat daran gearbeitet, Methoden zu entwickeln, um Orte auf der Welt zu identifizieren, an denen solche „Nebenproduktmetalle“ aus Abfällen oder aus derzeit betriebenen Minen gewonnen werden könnten.

Nebenprodukte lassen sich nur schwer zurückverfolgen, bevor sie vollständig als marktfähiges Produkt gewonnen werden. Aufgrund seiner starken Aluminium- und Zinkindustrie dominiert China die Produktion von Indium und Gallium, importiert die Elemente jedoch in Konzentraten aus der ganzen Welt. Sein Bauxit stammt hauptsächlich aus Guinea, Australien und Indonesien, eine Lieferkette, die aufgebaut wurde, nachdem inländische Umweltvorschriften den Abbau von Bauxit zu kostspielig machten. In Guinea, Chinas größtem Bauxitlieferanten, vertrieben Unternehmen Einheimische, um Minen zu bauen, und nach einer militärischen Machtübernahme übte die Regierung Druck auf China aus, höhere Lizenzgebühren für den Bergbau zu zahlen.

Die Indiumversorgung ist unklarer, und Experten müssen die Indiumquelle aus den Zinkquellen und den Indiumproduzenten ableiten, bei denen es sich hauptsächlich um China und Südkorea handelt.

Mit der allgegenwärtigen Einführung von LED-Leuchten besteht ein großes Potenzial für effizientes Recycling und Rückgewinnung von Materialien. Die Verlängerung der Lebensdauer der Materialien einer LED kann auch die Vorteile der mit der LED verbundenen Umwelt- und Sozialkosten erhöhen. Während die Ablösung von Glüh- und Leuchtstofflampen durch LEDs auch giftige Metalle wie Blei und Quecksilber weitgehend aus den Häusern entfernt hat, verlassen sich viele immer noch auf Arsen und Cadmium, und einige verwenden immer noch Blei. Wenn LED-Leuchten auf Mülldeponien entsorgt werden, können diese Metalle in Gewässer gelangen oder der Tierwelt schaden.

Das wertvollste Teil einer LED-Glühbirne ist der Goldschaltkreis, dessen Gewinnung jedoch im Vergleich zu den Kosten des Abbaus teuer ist. Während die anderen Materialien einen monetären Wert haben, konkurriert dieser nicht mit den Marktpreisen für frisch geförderte Materialien. Gallium beispielsweise sei schon lange günstig, da Chinas boomende Aluminiumindustrie für ein Überangebot an Gallium gesorgt habe, sagt Jaskula.

„Der Galliumnitrid-Chip kann recycelt werden, aber sobald dieser Chip in eine LED eingebaut ist und die LED zum Verbraucher geht, wird dieses Gallium nie recycelt“, sagt Jaskula von der USGS. „Wenn die Leute denken, dass sie mit dem Recycling Gewinn machen können, werden sie einen Weg finden. Wenn sich Geld verdienen lässt, ist es das, was die Dinge erledigt.“

Oliver von der Universität Cambridge untersuchte die Ursachen für den Ausfall von LED-Lampen und stellte fest, dass in fast allen Fällen nicht die Diode das Problem war. „Grundsätzlich stellten wir fest, dass die LEDs immer noch perfekt funktionierten, aber Dinge, die sie umgaben, wie die Drähte, die sie mit der Außenwelt verbanden, hatten sich gelöst“, sagt sie. Entsorgte LEDs verfügen möglicherweise noch über eine funktionsfähige Diode, die wiederverwendet werden kann. Die Verlängerung der Lebensdauer einer LED hängt von der Mechanik des Kunststoff- und Aluminiumrahmens ab, aber die IEA weist darauf hin, dass dies auch das Geschäftsmodell von Unternehmen beeinträchtigen könnte, ständig Leuchten zu verkaufen.

In Indien, einem der größten Märkte für LED-Beleuchtung, übernahmen die Bürger die Technologie in einem Tempo, das selbst die hoffnungsvollsten Befürworter überraschte. Allerdings kamen die meisten LED-Leuchten aus China, wo der Druck zur Kostensenkung auch zu Qualitätseinbußen führte. Die Lebensdauer von Glühbirnen sank von 8 auf 3 Jahre, während sich gleichzeitig LEDs im ganzen Land verbreiteten.

Aufgrund der Konstruktion von LEDs mit winzigen Bauteilen ist es mit aktuellen Recyclingverfahren nicht möglich, sie in einem für Unternehmen akzeptablen Umfang in wiederverwertbare Materialien umzuwandeln. Eine Simulation der Materialrückgewinnung mit verfügbaren Technologien im Jahr 2020 ergab, dass es wirtschaftlich nur möglich war, 55 % der Materialien zurückzugewinnen. Die Methoden verbessern sich und Forscher stellen fest, dass das öffentliche Bewusstsein für Rückbau- und Recyclingsysteme Probleme lindern kann.

Laut einer Überprüfung von LED-Designs und Recyclingtechnologien sollte Recycling jedoch das letzte Mittel aller Techniken der Kreislaufwirtschaft sein. Unternehmen, Verbraucher und Regierungen konzentrieren sich möglicherweise auf die Reparatur und Wiederverwendung der Materialien in ihrer aktuellen Form, da die Dioden einige Jahrzehnte halten können und die Rahmen schneller abbauen. Forscher haben beispielsweise vorgeschlagen, dass Benutzer Rahmen eintauschen und ihre Dioden so aufsparen könnten, dass sie um ein Vielfaches länger halten. Leicht lösbare Leiterplatten oder elektrochemisch trennbare Dioden sind weitere mögliche Gestaltungsmöglichkeiten, um Leuchtmittel leichter recycelbar zu machen.

„Ich freue mich, sagen zu können, dass die gesamte Forschung in diesem Bereich sehr deutlich zeigt, dass die dramatischen Energieverbesserungen von LEDs die Umweltbedenken bei weitem überwiegen, und ich ermutige die Menschen, auf LEDs umzusteigen, auch wenn diese noch nicht vollständig recycelbar sind“, sagt Heather Dillon, Professor für Maschinenbau an der University of Washington Tacoma, der die Leistung von Beleuchtungsprodukten untersucht hat.

Bannerbild: Verschiedene Arten von LED-Glühlampen. Bild von Federica Giusti über Unsplash (Public Domain).

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