IZM-Projekt cycLED untersuchte LED-Resourcenverbrauch und Recycelbarkeit

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Für das Recycling der LEDs selbst ist es wichtig, diese möglichst unzerstört zu sammeln. (Foto: © Fraunhofer ISC / IWKS)

Berlin – Leuchtdioden (LEDs) sind energieeffizient und quecksilberfrei, beanspruchen jedoch kritische Ressourcen. Im Verbundprojekt cycLED arbeiteten Wissenschaft und Wirtschaft daran, den Ressourcenverbrauch zu reduzieren, die Lebensdauer von LED-Produkten zu erhöhen und ein besseres Recycling zu fördern. CycLED gehört zu den Projekten am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und wurde im letzten Jahr abgeschlossen.

Sensorbetriebene Straßenlaternen reagieren sie auf Bewegung und strahlen erst dann, wenn beispielsweise ein Auto oder Fußgänger erkannt werden – und dann auch nur in die Richtung, in der das Licht benötigt wird. Ob die Leuchte in der Zwischenzeit in den Schlafmodus fällt oder lediglich schimmert, kann individuell eingestellt werden. Dieser Typus einer Straßenlampe gehört zu den vier Demonstratoren, die im Projekt cycLED (Cycling of Resources Embedded in Systems Containing Light Emitting Diodes) entwickelt wurden. Im Fokus des Projekts standen dabei LED-Produkte, genauer gesagt: Produkte, die Leuchtdioden, kurz LEDs (Light Ermittlung Diode) enthalten. Energieeffizient und schadstoffarm haben sie die verbannte Glühlampe zum großen Teil ersetzt.

Das Leuchtpotenzial ausschöpfen

Initiiert von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM arbeiteten die Projektpartner daran, die Lebensdauer von LED-Produkten zu optimieren und das Recycling zu verbessern. Design, Konstruktion, Material und Recyclingtechnologie spielten dabei die wesentlichen Rollen. So besteht die Leuchte des spanischen Projektpartners ONA aus recyceltem Kunststoff und ist modular aufgebaut. So kann sie schnell zerlegt werden, für die Reparatur oder das Recycling.

Die Lampe der schwäbischen Firma RIVA Lighting bringt gleich ein neues Geschäftsmodell mit sich: die Licht-Vermietung für Industriehallen. Die Lampe bleibt dabei weiterhin Eigentum der Firma, der Kunde bezahlt nur für das Licht, das sie spendet. Fällt die Lampe aus, wird sie auf Kosten des Herstellers repariert oder ersetzt. „Das führt zu einem radikalen Wandel der Produktpolitik. Denn der Hersteller verdient nun an der Haltbarkeit und Energieeffizienz des Produkts“, erklärt Otmar Deubzer, Forscher am Fraunhofer IZM und Projektleiter von cycLED. Zu der angestrebten langen Lebenserwartung trägt der massige Kühlkörper aus Aluminium bei. Er hält die Temperatur im Inneren der Lampe niedrig, um so einer Überhitzung vorzubeugen. Damit, so schätzt Deubzer, besteht eine gute Chance, dass die Lampe ihr Leuchtpotenzial von rund 60.000 Stunden auch erreicht. Da der Kühlkörper in mehreren Lebenszyklen wiederverwendet werden kann, reduziert sich die Umweltbelastung, die mit seiner Herstellung verbunden ist, enorm.

Zielmetalle wiedergewinnen

„Für das Recycling war uns bei allen Demonstratoren wichtig, dass die LED-Chips von den Aluminiumkörpern und dem Rest der Lampe zu trennen sind“, sagt Deubzer. Denn die LED-Chips enthalten Edelmetalle. Und auf der Chipfläche liegen sogenannte Konverter – Stoffgemische, die das blaue Licht in weißes Licht umwandeln-, in denenwertvolle Ressourcen wie Lutetium und Yttrium stecken, die zu den Seltenerdelementen zählen. Falls LED-Chips und Aluminiumkörper nicht zu trennen sind, gehen entweder die Edelmetalle und Seltenerdelemente verloren oder das Aluminium.

Diese Zielmetalle wiederzugewinnen, stand auf der Agenda des Projekts. Die Frage, die sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dabei stellten: Wie können die Seltenerdelemente so konzentriert werden, dass ein Recyceln danach möglich werden könnte? Und zwar ohne die etablierten Recyclingwege für die ökologisch und ökonomisch wichtigen Edelmetalle zu stören. Ein Patent des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV unterstützte die cycLED-Projektpartner. Mit dem sogenannten CreaSolv-Prozess, einem Lösungsmittelverfahren, gelang es, die Konverter mit den Seltenerdelementen von den LED-Chips abzutrennen und so zu konzentrieren. Es fehlt jedoch noch der Beweis, dass daraus die Seltenerdelemente recycelt werden können.

Die LED-Chips sauber von den Resten der LED-Produkte zu trennen, ist die Voraussetzung, dass der CreaSolv-Prozess wirksam angewendet werden kann. Ökonomisch sinnvoll ist diese Prozessroute jedoch nur für Produkte, deren manuelle Zerlegung wirtschaftlich ist und die sehr teure Seltenerdelemente wie Lutetium enthalten. Weitere Forschung muss daran ansetzen, LED-Chips mechanisch abzutrennen und das Recycling der Seltenerdelemente aus den abgetrennten Konvertern zu ermöglichen.

Die Ressourcenmenge reduziert

Die wohl effizienteste Art Ressourcen zu schonen, ist es allerdings, sie erst gar nicht zu gebrauchen. Dem Projektpartner Braun ist mit seinem Straßenbeleuchtungs-Demonstrator dabei ein Durchbruch gelungen. Mit lediglich sechs High-Power-LED-Chips benötigt die Leuchte bis zu 50fach weniger der Seltenerdelemente als Konkurrenzprodukte – und das bei mindestens gleicher Lichtleistung. „Die beste verfügbare Technik hat dazu geführt, dass wir die Menge an Ressourcen reduzieren konnten, ohne dass die Produktperformance abnimmt“, sagt Janis Winzer, Mitarbeiter der Abteilung Environmental & Reliablity Engineering am Fraunhofer IZM. Diese Form Ressourcen zu schonen, ist wahrlich effektiv.

Autorin: Eva Baumgärtner

Quelle: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM