Seit der Entdeckung der keimtötenden UV-Wirksamkeit im Jahr 1901 wird die UV-Desinfektion meist mit Niederdruck-Quecksilberlampen durchgeführt.
Quecksilber ist in Niederdruck-Quecksilberlampen enthalten, was Anlass zur Besorgnis über eine Kontamination der Umwelt gibt. Wie der LED-Ersatz von Leuchtstofflampen gelten auch LEDs als umweltfreundliche Alternativtechnologie. Die Effizienz von UV-LEDs ist heute trotz ihrer raschen jährlichen Verbesserung geringer als die von Niederdruck-Quecksilberlampen. Da keine Ersatztechnologie entwickelt wurde, sind Niederdruck-Quecksilberlampen daher bis zum 24. Februar 2027 für bestimmte Verwendungszwecke von der RoHS-Richtlinie ausgenommen (Punkt 4(a)). Sollte sich zeigen, dass über das Jahr 2027 hinaus keine Ersatztechnologie verfügbar ist, kann diese Ausnahme verlängert werden. Ist eine Verlängerung wirklich erforderlich? Einige Anwendungen könnten laut Nichia bereits jetzt LEDs einführen, und fast alle Anwendungen werden dies bis Februar 2027 tun können.
Hier präsentiert Nichia ein Beispiel aus der Praxis, in dem UV-LEDs als Desinfektionsalternative zu Niederdruck-Quecksilberlampen untersucht werden.
Oberflächendesinfektion mit Niederdruck-Quecksilberlampen → Fallstudien zur LED-Einführung
Zum Bereich der UV-Desinfektion mittels Quecksilber-Niederdrucklampen zählen die Flächendesinfektion, die Luftdesinfektion mittels Luftreiniger sowie die Wasser- und Abwasserdesinfektion. Die Reinigung von Geräten und Behältern in der Lebensmittelindustrie ist ein häufiger Anwendungsfall der Oberflächendesinfektion. In Lebensmittelverarbeitungsbetrieben werden Behälter mit Lebensmitteln gefüllt, nachdem sie UV-Licht ausgesetzt wurden, um das Innere zu desinfizieren und zu verhindern, dass Keime wachsen und die Lebensmittel kontaminieren.
Eine Illustration von Lebensmittelbehältern, die UV-Strahlung ausgesetzt sind:
Niederdruck-Quecksilberlampen emittieren ultraviolettes Licht über den Behältern, um das Innere vieler Lebensmittelbehälter gleichzeitig zu desinfizieren. Daher muss zur Abdeckung von Niederdruck-Quecksilberlampen Quarzglas verwendet werden, um Quecksilberkontamination und Glasbruch im Falle eines Lampenausfalls zu verhindern.
Eine Illustration der Strahlung von oben gesehen:
Im Gegensatz zu Niederdruck-Quecksilberlampen können LEDs verwendet werden, um nur das Zielobjekt mit UV-Licht zu bestrahlen, da ihre Konfigurationen und Positionen genau ausgewählt und geändert werden können, wie im Bestrahlungsbild oben gezeigt. Andererseits strahlen Niederdruck-Quecksilberlampen Licht in alle Richtungen aus, wodurch die Räume zwischen den einzelnen Behältern und die Rückseite der Lampen zusätzlich UV-Licht ausgesetzt werden.
Da das Ein- und Ausschalten von Niederdruck-Quecksilberlampen außerdem lange dauert, müssen sie immer eingeschaltet bleiben. LEDs hingegen ermöglichen ein sofortiges Ein-/Ausschalten, was bedeutet, dass sie nur bei Bedarf eingeschaltet werden dürfen, was möglicherweise den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen senkt.
Vor dem Hintergrund der oben genannten Informationen sind die Ergebnisse eines Vergleichs zwischen LEDs und Niederdruck-Quecksilberlampen in der folgenden Tabelle dargestellt.
Studienergebnis
Die erforderliche Eingangsleistung, um die gleiche Desinfektionswirkung zu erzielen, beträgt in diesem Forschungsbeispiel in den realen Werten 600 W und 312 W.
Die UV-LED 434C von Nichia wurde verwendet, um die Bestrahlungsstärke und Effizienz der LED zu testen.
Laut Shikoku Electric Power CO., Inc. beträgt der CO2-Emissionsfaktor für das Geschäftsjahr 2021 0,527 t/MWh.
Im Vergleich zu LEDs, die einen Wirkungsgrad von 5,4 % haben, haben Niederdruck-Quecksilberlampen einen höheren Wirkungsgrad von 22 %. Allerdings können LEDs bis zu 90 % der von ihnen erzeugten UV-Strahlung verbrauchen, während Niederdruck-Quecksilberlampen nur 9 % verbrauchen. Im Vergleich zu Niederdruck-Quecksilberlampen, die 600 W Strom benötigen, um die gleiche desinfizierende Wirkung zu erzielen, benötigen LEDs also 312 W. Darüber hinaus können LEDs nur bei Bedarf aktiviert werden. Wenn beispielsweise Niederdruck-Quecksilberlampen 18 Stunden am Tag eingeschaltet bleiben, können LEDs 14 Stunden lang eingeschaltet bleiben. Unter der Annahme, dass jede Lampe 300 Tage lang verwendet wird, beträgt der Stromverbrauch von Niederdruck-Quecksilberlampen mit 600 W Eingangsleistung 3,2 MWh pro Jahr, während LEDs mit 312 W Eingangsleistung jährlich 1,3 MWh verbrauchen, was einer Reduzierung um 60 % entspricht. Zusätzlich werden die CO2-Emissionen anhand der CO2-Emissionen von 0,527 Tonnen pro 1 MWh Strom berechnet. LEDs produzieren jährlich 0,69 Tonnen CO2 im Vergleich zu 1,7 Tonnen bei Niederdruck-Quecksilberlampen, was einer Reduzierung um 60 % entspricht.
Fahrplan
Zusammenfassung
In dieser Fallstudie wurden die Eigenschaften von LEDs genutzt, wie z. B. ihre hohe Strahlungsflussausnutzung durch selektive Beleuchtung nur der benötigten Bereiche und ihre Fähigkeit zum sofortigen Ein- und Ausschalten, um bemerkenswerte Vorteile zu erzielen. Nichia kann daher eindeutig zeigen, dass LEDs als Ersatztechnologie für Quecksilberlampen mit Niederdruck dienen können.
Abgesehen von dem oben genannten Beispiel wird Nichia mit seinen Kunden und Partnern zusammenarbeiten, um Designs zu entwickeln, die LED-Eigenschaften in anderen Desinfektionsanwendungen wie der Luft- und Wasserdesinfektion nutzen. Nichia wird alle Anstrengungen unternehmen, um sicherzustellen, dass die LED-Technologie Niederdruck-Quecksilberlampen ersetzt.
Darüber hinaus hat sich die Leistung von UV-LEDs in den letzten Jahren deutlich verbessert, heißt es in der Roadmap. Der technologische Fortschritt schreitet schnell voran, da sich die Entwicklungserwartungen für LEDs aufgrund von Umweltauflagen und der Notwendigkeit, Infektionskrankheiten zu bekämpfen, synergetisch auswirken. In einigen Fällen wird der Einsatz von LEDs anstelle von Niederdruck-Quecksilberlampen bereits durch die Entwicklung eines Designs erreicht, das die Fähigkeiten von LEDs nutzt. Laut Nichia wird dies zusammen mit der beeindruckenden Verbesserung der grundlegenden Leistung von UV-LEDs einen noch größeren Trend auslösen und UV-LEDs als Ersatz für Niederdruck-Quecksilberlampen in allen Desinfektionsanwendungen und -bereichen weithin akzeptiert werden. Folglich besteht keine Notwendigkeit, die RoHS-Ausnahme über 2027 hinaus zu verlängern.
Nichia arbeitet nicht nur daran, gesellschaftliche Anliegen anzugehen, einschließlich der Schaffung einer quecksilberfreien und CO2-neutralen Gesellschaft, sondern wird auch weiterhin die Leistung von LEDs verbessern.
