Stadt- und Parkleuchten: Energieeffizient erhellt

Beim Verlassen eines Raums wird das Licht gelöscht. Computer werden nach dem Arbeiten ausgeschaltet oder zumindest in den Energiesparmodus versetzt. Das ist kosteneffizient und ökologisch sinnvoll. Die Frage ist nur: Warum ist es bei der Beleuchtung in der Stadt anders? Warum müssen Straßenlaternen und Parkbeleuchtungen den Bereich auch dann ausleuchten, wenn sie nicht gebraucht werden? Zwei Gründe sind ausschlaggebend dafür: Zum einen vermittelt eine Beleuchtung des öffentlichen Raums den Bürgern Sicherheit, sowohl gefühlt als auch faktisch. Zum anderen unterstützt sie Fußgänger, Jogger, Skater, Roller- und Radfahrer dabei, sich zu orientieren und Hindernisse zu erkennen. Die Beleuchtung soll „für den Verkehrsteilnehmer, besonders für den Fußgänger, die Möglichkeit schaffen den Verlauf und die Begrenzung der Straßen, der Wege, von Plätzen und Zugängen sowie Gefahrenstellen und Hindernisse leicht und rechtzeitig zu erkennen“, heißt es in Art. 51 Abs. 1 Bayerisches Straßen- und Wegegesetz. In anderen Bundesländern gibt es vergleichbare Vorschriften. Für die Beleuchtung der öffentlichen Wege zu sorgen ist für die Kommunen verpflichtend. Die Fragen sind nur: Welches Licht soll es sein? Wie viel Energie wird verbraucht? Und muss es tatsächlich immer brennen?

Kostenfaktor Straßenbeleuchtung

Welche Bedeutung das Thema hat, zeigt der Blick auf die Zahlen. So kommt die im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) erstellte Studie „Potenziale für Energieeinsparung und Energieeffizienz im Lichte aktueller Preisentwicklungen“ zu dem Schluss, dass über 30 % des gesamten Energieverbrauchs einer Kommune durch die Straßenbeleuchttung verursacht werden. Henry Otto, Partner bei PricewaterhouseCoopers (PwC), bestätigt, dass ein wesentlicher Teil der kommunalen Energiekosten durch die Beleuchtung verursacht wird. „Unsere Beratungspraxis zeigt: Städte und Gemeinden, die in den vergangenen Jahren in die Modernisierung ihrer Straßenbeleuchtung investiert haben, konnten dadurch ihre Energiekosten spürbar senken“, betont der Experte. Dazu passt eine Studie der Deutschen Energie-Agentur (dena), zum Zustand der Straßenbeleuchtung deutscher Kommunen und zu Hemmnissen bei der Modernisierung. Das Ergebnis: Die Hälfte aller kommunalen Straßenbeleuchtungsanlagen ist modernisierungsbedürftig. Auch der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. (ZVEI) warnt, dass ein Drittel der Straßenleuchten in Deutschland mit Technik arbeitet, die seit den 1960er-Jahren nicht mehr erneuert wurde.

Fast zehn Millionen Straßenleuchten

In Deutschland betreiben die rund 14.000 Kommunen laut dem Deutschen Städte- und Gemeindebund (DStGB) zwischen neun und neuneinhalb Millionen Straßenleuchten. Der jährliche Energieverbrauch dieser Straßenbeleuchtungsanlagen beträgt rund vier Milliarden Kilowattstunden – auch, weil immer noch zu oft veraltete Technik im Einsatz ist. Das sind rund 0,7 % des Gesamtverbrauchs an elektrischer Energie in der gesamten Bundesrepublik. Dabei wäre das Einsparpotenzial durch eine Modernisierung immens: Rund zwei Milliarden Kilowattstunden ließen sich somit vermeiden, vermutet der DStGB. Das entspricht nicht nur einem verringerten CO²-Ausstoß von rund 1,3 Millionen Tonnen, sondern rund 350 Million Euro weniger Energiekosten für die Gemeinden (bei Annahme eines Strompreises von günstigen 0,16 €/kWh).

Positive Effekte kombinieren

Die verschiedenen Studien lassen einen Schluss zu: Veraltete Beleuchtungsanlagen an Straßen und Parks in den Kommunen sind zu einem kritischen Kostenfaktor geworden. Zumal es praktikable und kosteneffiziente Alternativen gibt. Vor allem, wenn eine Kommune auf die Kombination verschiedener Maßnahmen setzt: „Die besten Ergebnisse für die Straßen- und Parkbeleuchtung erzielen Kommunen durch den Einsatz stromsparender Leuchtmitteln in Verbindung mit einer intelligenten Steuerung ihrer Helligkeit“, sagt Christian Mayr, LED-Spezialist bei der LEW-Verteilnetz GmbH (LVN), dem Netzbetreiber der LEW-Gruppe aus Augsburg. Konkret bedeutet das den Einsatz von LED-Lampen und eine Reduzierung der Helligkeit auf das jeweils Notwendige. Durch ein Gesamtpaket wie dieses sei der Einspareffekt mit bis zu 70 % am größten – ohne Beleuchtung und Sicherheitsgefühl der Bürger zu vernachlässigen.

Deutliches Einsparpotenzial

Grundlegend beim Nutzen des Einsparpotenzials durch Modernisierung ist aber vor allem das Ersetzen veralteter Beleuchtungstechnik durch moderne LED-Lampen. Während eine Glühbirne je Watt etwa 10 Lumen (lm) erzeugt, liegt die Ausbeute bei einer Energiesparlampe bereits bei 70 – 80 lm. Eine Leuchtstoffröhre im Außenbereich erreicht etwa die gleiche Lichtausbeute, im Innenbereich ist sie etwas höher. Eine Natriumdampf-Hochdrucklampe, wie sie das Bild beleuchteter Straßen bis heute prägt, erzeugt immerhin bis zu 100 lm. Im Gegensatz dazu ist die Lichtausbeute einer LED nochmals um rund ein Drittel höher. Sie bringt aktuell bis zu 140 lm auf die Straße. Tendenz steigend, denn die Entwicklung dürfte in den kommenden Jahren längst noch nicht abgeschlossen sein. Hinzu kommt eine Reihe weiterer Vorteile einer LED. So liegt die Lebensdauer mit bis zu 60.000 Stunden um mindestens ein Dreifaches höher als bei anderen Leuchtmitteln. Zudem ist eine LED vollumfänglich, also von 10 bis 100 % der Lichtproduktion dimmbar. Natriumdampf-Hochdrucklampe können maximal um bis zu 30 % gedimmt werden. Und: LEDs haben ein sogenanntes „sofortiges Einschaltverhalten“, müssen also nicht „vorglühen“. Auch das ist eine Voraussetzung für eine intelligente Lichtsteuerung. Den Kritikern des (ursprünglich) von LED-Leuchten erzeugten „kalten“ Lichts hat die Entwicklung mittlerweile den Wind aus den Segeln genommen. Moderne LEDs produzieren heute Licht in jeder beliebigen Farbtemperatur. Und das bei deutlich geringerem Streuverlust: Während er bei einer Natriumdampf-Hochdrucklampe bei bis zu 25 % liegt, bewegt er sich bei LEDs nur noch bei bis zu 5 %.

Naturschutz

Gerade die Aspekte Farbtemperatur und gezielte Lichtabgabe sind grundlegend, um so wenig wie möglich in die natürliche Lebensweise von Pflanzen und Tieren einzugreifen. Vor allem Insekten Gehorientieren sich an der jeweiligen natürlichen Umgebungsbeleuchtung. Veränderungen  der naturgegebenen Lichtverhältnissedurch künstliches Licht können sie stark beeinflussen. Das hängt unter anderem aber von der Lichtstärke und den Wellenlängen ab, die Straßenlaternen abstrahlen. Da die spektrale Empfindlichkeit der meisten Insekten im blauen und ultravioletten Bereich liegt, wird Licht mit hohen Anteilen dieser Lichtspektren von ihnen als viel heller wahrgenommen als von Menschen. Im gelben, orangefarbenen und roten Wellenlängenbereich hingegen sind Insektenaugen generell unempfindlicher. LED-Lampen strahlen kaum in jenen Frequenzbereichen, für die Insektenaugen besonders empfänglich sind. Deshalb gilt LED-erzeugtes Licht als vergleichsweise insektenfreundlich, da sie nicht in dem Maß angelockt werden, wie es bei früheren Lichtquellen der Fall war. Auch der deutlich geringere Anteil an Streulicht ist ein Vorteil. Und das nicht nur für Tiere. Auch Menschen leiden zunehmend unter Lichtverschmutzung. Rund zwei Drittel aller EU-Bürger nehmen aufgrund der hereinstrahlenden Straßenbeleuchtung keine richtig dunkle Nacht mehr wahr. LED-Technik kann hier einen Beitrag leisten. Da die LED-Leuchten gerichtetes Licht ausstrahlen, kommt die Helligkeit nur dort an, wo sie auch gebraucht wird.

Leuchtenausstellung im LEW-Technologiezentrum

Neben dem Einsatz von LED-Lampen ermöglicht auch die gezielte Steuerung der Lampen das Einsparen beträchtlicher Mengen an Energie. LED-Technik lässt sich hervorragend mit intelligenter Steuerung kombinieren. Dafür hatte die LEW Verteilnetz GmbH (LVN) bereits vor sieben Jahren in Königsbrunn bei Augsburg das „Konzept des bewegten Lichts“ getestet und dabei sowohl gute Erfahrungen gesammelt, als auch eine positive Resonanz aus der Bevölkerung verzeichnet, bestätigt Bürgermeister Franz Feigl: „Die innovative und energieeffiziente Technologie leuchtet bedarfsgerecht aus und erhöht so die Sicherheit unserer Bürgerinnen und Bürger.“ Um Wirkungsweise und Möglichkeiten der Ausleuchtung durch LED-Licht zu demonstrieren, haben die Lechwerke in ihrem Technologiezentrum eine umfangreiche Leuchtenausstellung eingerichtet. Auf einem 13.000 m² großen Areal werden seit 2011 verschiedene LED-Straßen- und Parkbeleuchtungsanlagen im Praxisbetrieb gezeigt. Dabei sollen nicht nur Bürgermeister, Stadt- und Gemeinderäte, Bauamtsleiter, Architekten oder Mitarbeiter von Planungsbüros bei der Auswahl der optimalen Beleuchtungslösung unterstützt werden, sondern es soll auch die Entwicklung einer innovativen Straßenbeleuchtung durch den Dialog mit Kommunen vorangebracht werden.

Das Konzept

Die Kombination von LED und einer intelligenten Lichtsteuerung stößt bei immer mehr Kommunen auf Interesse. Denn LEDs sind wegen ihrer guten Dimmbarkeit auch für die gezielte Helligkeitssteuerung ideal. Dabei wird die Leuchtkraft der LED-Straßenbeleuchtung deutlich reduziert, wenn der Geh- und Radweg nach Einbruch der Dämmerung nicht genutzt wird. In der Regel sind das 10 % der normalen Helligkeit. Zur Vermittlung eines Sicherheitsgefühls und zur Orientierung ist das vollkommen ausreichend. Sobald sich ein Fußgänger oder ein Radfahrer nähert, erfasst ihn ein Bewegungssensor. Die jeweilige Leuchte fährt zum vollen Beleuchtungsniveau hoch. Gleichzeitig gibt sie ein Signal an die nächste Leuchte weiter, die ebenfalls hochfährt. So begleitet das Licht den Verkehrsteilnehmer entlang seines Wegs. Nach einer programmierten Haltezeit (bei diesem Konzept wurden dafür zwei Minuten festgelegt) fahren die Leuchten wieder in den festgelegten, energiesparenden Dimmzustand zurück. Durch die nutzungsabhängige Beleuchtung lassen sich gegenüber einer durchgehend mit gleicher Leistung betriebenen Beleuchtung sogar bis zu 50 % der benötigten Energie einsparen. Beispielsweise wurden an einem 200 m langen Weg zehn „Leipziger Leuchten“ mit LEDs von je 20 Watt aufgestellt. Wenn sich kein Fußgänger oder Radfahrer im  Bereich entlang dieses Wegs bewegt, beträgt die Leistung der zehn Leuchten statt der regulären 200 Watt dann nur noch 20 Watt. Trotz höherer Anschaffungskosten leistet die Lichtsteuerung mit LED damit einen Beitrag zur Kosteneinsparung bei den Kommunen und zum Klimaschutz. Dank des reduzierten Wartungsaufwands und der Energiekosteneinsparungen haben sich LED-Leuchten heute in fünf bis acht Jahren amortisiert.

Intelligente Steuerung

Das Dimmen, Registrieren eines Fußgängers oder Fahrradfahrers und das Vorwarnen der nächsten Leuchte können unterschiedlich gesteuert werden. In der Regel sind die Laternen mit einem klassischen Bewegungsmelder oder einem Infrarotsensor ausgestattet, der auf die Wärme des menschlichen Körpers reagiert. Der Bewegungssensor kann dabei direkt am Mast montiert werden. Somit ist der Erfassungswinkel groß genug und das Nachjustieren ist problemlos möglich. Da die Größe des Sensors keine Rolle spielt und er nur über eine einfache Schaltung mit der Leuchte verbunden werden muss, sind Kommunalverantwortliche freier bei der Wahl der Produzenten und Lieferanten. Soll der Sensor aber in die Lampe integriert werden, wird ein Infrarotsensor genutzt. Er arbeitet nach dem Funktionsprinzip des Näherungsschalters PIR, wie er auch in Privathaushalten zu finden ist: Wird Wärmestrahlung im Erfassungsbereich von bis zu 15 m registriert, reagiert der Sensor. Die integrierte Lösung wird von der Bevölkerung als deutlich ästhetischer empfunden. Vor allem aber ist das System günstiger. Zentral gesteuert und untereinander vor Ort verbunden werden können die Laternen über eingebaute Antennen und ein Wireless-Netzwerk. Die Steuerung des Dimmens – auf Wunsch können auch andere Lichteffekte erzeugt werden – erfolgt über ein stationäres Telemanagement-System. Durch die zentrale Anbindung und Steuerung lässt sich bei vielen Systemen der Leistungsverbrauch pro Leuchte oder einzelner Straßen anzeigen und die Beleuchtungsvorgaben per Fernsteuerung ändern. Ergänzt werden kann das System durch sogenannte „Lichtfänger“, also Sensoren, die die Witterungs- beziehungsweise Lichtverhältnisse messen. So kann die Kommune gewährleisten, dass kein zu frühes oder zu spätes Einschalten der Beleuchtungsanlage erfolgt.

Wegbereiter für Smart City

Wie gut eine digitale Fernsteuerung der Straßenlaternen funktioniert, testet die Lechwerke AG noch bis Ende des Sommers gemeinsam mit dem Leuchtenhersteller Schréder in Stadtbergen bei Augsburg im Rahmen des Pilotversuchs Inno. Live. 19 Straßenleuchten werden dabei über ein sogenanntes LoRa-Netz gesteuert. Diese Technologie kann auch für ein weiträumiges, intelligentes und kommunales Koordinationsnetz eingesetzt werden.

Die Beleuchtung einzelner Straßenzüge oder Plätze sollte auf lange Sicht nicht als Stand-Alone-Lösung begriffen werden. LoRa-Gateways könnten ein Meilenstein auf dem Weg zur Kommune der Zukunft werden. Deshalb testen die Lechwerke im Rahmen von Inno-Live zusätzlich Sensoren, die an öffentlichen Objekten angebracht und über die LoRa-Gateways miteinander gekoppelt werden, um kommunale Aufgaben zu erleichtern und den Bürgerservice zu verbessern. Sie melden der Zentrale beispielsweise, wenn Rettungswege blockiert, Hundetoiletten voll sind oder Mülleimer geleert und öffentliche Blumenbeete gegossen werden müssen. Die Technik ist ausgereift, flexibel und kostengünstig. Nun muss vor allem eruiert werden, welche weiteren Objekte in das System integriert werden sollen und wie das Zusammenspiel zwischen Technik und Versorgung am besten koordiniert werden kann. Bislang sind die Lechwerke mit den Möglichkeiten und Ergebnissen des Pilotversuchs sehr zufrieden. Die Steuerung energieeffizienter LEDs könnte also zukünftig ein Baustein von zahlreichen Anwendungen sein, die über LoRa-Netze in der smarten Kommune von morgen koordiniert werden.

Der Autor

Dr. Thomas Renz
Leiter Kommunikation

Dr. Thomas Renz ist Leiter Kommunikation bei den Lechwerken (LEW). Der promovierte Politikwissenschaftler verantwortet dort die externe und interne Kommunikation, die Social Media-Aktivitäten der LEW-Gruppe sowie das Sponsoring.

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