Chemie Magazine presenteert 8 klimaatinnovaties. De chemische industrie reduceert de CO₂-uitstoot niet alleen door de eigen processen te verduurzamen, maar zorgt via haar producten ook voor minder uitstoot in andere sectoren. Deel 8: energiesector - verlichting.

Texel verving in 2016 in één keer alle openbare verlichting en verlaagde het stroomgebruik van 530 naar 190 megawattuur. Foto: Texelstock

De ledlamp, een combinatie van natuurkunde en chemie, is een quick win in de strijd tegen klimaatverandering: tienmaal zuiniger dan een gloei- of halogeenlamp en zeker tweemaal zo zuinig als klassieke straat- of kasverlichting. Toch is de omslag naar ledverlichting nog zeker niet compleet.

In deze donkere dagen knippen we de lampen vroeg aan. Zit daar nog een gloei- of halogeenlamp bij? Meteen vervangen, luidt het advies van consumentenvoorlichtingsorganisatie MilieuCentraal. Nu omwisselen is én beter voor het klimaat én voor de portemonnee. Toch blijkt uit steekproeven dat nog slechts een kwart van alle lampen binnenshuis een led is. Een gemiddeld huishouden kan nog jaarlijks 10 procent op de elektriciteitsrekening uitsparen en zo’n 90 tot 120 kilo CO₂, aldus berekeningen van onderzoeks- en adviesbureau Ecofys en MilieuCentraal.

In ‘warmte en gezelligheid’ doen leds niet meer onder voor het klassieke peertje."

“Ik denk dat het imago van ‘duur’ nog erg kleeft aan leds”, zegt Marjan Minnesma van Urgenda. “De eerste generatie haalde ook niet de beloofde levensduur van 10 of 20 jaar en je kon ze niet dimmen.” Ze wijst ook op het “wat halfslachtige” Europese gloeilampverbod. Ze liggen niet bij de supermarkt, maar via internet koop je snel en legaal een set. Een nieuwe marketingcampagne zou helpen, denkt Minnesma. “Reken de besparing eens helder voor in een spotje met de huidige betaalbare en dimbare ledlampen in vele soorten en maten.”

Ledverlichting mag geen ‘klimaatklapper’ heten, want op verwarming is bijvoorbeeld nog het veertigvoudige te winnen, maar wanneer álle lampen in woningen en gebouwen, álle 3,5 miljoen Nederlandse lantaarnpalen en álle kasverlichting terstond worden vervangen, dan scheelt dat 3,4 miljard kilo CO₂-uitstoot, het equivalent van het huidige elektriciteitsgebruik van álle drie miljoen huishoudens in Noord- en Zuid-Holland. De Europese Commissie becijferde dat wanneer alle Europese huishoudens uitsluitend leds gebruiken dat 15 miljard kilo CO₂ bespaart, vergelijkbaar met het energieverbruik van alle Nederlandse en Belgische huishoudens samen.

Sterrenhemel

Op kantoor en op straat is de besparing door leds minder spectaculair dan binnenshuis, omdat tl-lampen en straatverlichting (meestal natriumlampen) al beduidend zuiniger zijn dan de gloeilamp of halogeenverlichting. Maar ook daar bespaart een volledige omschakeling naar leds zeker een derde aan CO₂-uitstoot. Volgens het Energieakkoord uit 2013 moet dit jaar 20 procent van de openbare verlichting ‘verled’ zijn, in 2030 de helft. In hoeverre die plannen op schema liggen is niet duidelijk. Amsterdam heeft inmiddels ruim 40 procent van de 150.000 lichtpunten vervangen door leds, binnen 2 jaar is dat 100 procent, heeft de stad beloofd. Rotterdam zit nog op 15 procent en gaat in de komende 6 jaar alle 100.000 lantaarnpalen ‘ombouwen’. Dat levert de stad jaarlijks 400.000 euro op en spaart 4,4 miljoen kilo CO₂, oftewel het stroomverbruik van ruim tweeduizend huishoudens. Sommige gemeentes moeten nog beginnen. Dat is complexer dan “lamp eruit draaien, ledlamp erin”, vertelt Arthur Noordhoek van het Kenniscentrum NSVV, want ook de schakeling moet worden vervangen. In de eerste helft van de afschrijvingsperiode van de lantaarnpaal is dat nog steeds financieel gunstig. Daarna kan complete vervanging verstandiger zijn.

Texel was in 2016 een pionier. Projectleider verlichting Stephan Kikkert: “Wij hebben in één keer alle openbare verlichting vervangen en zijn zo in stroomgebruik van 530 megawattuur naar 190 gegaan. We vermijden zo dus twee derde aan CO₂-uitstoot. Eigenlijk 100 procent, want de stroom komt inmiddels van zonnepanelen. Texel wil energieneutraal worden.” Led biedt ook de mogelijkheid openbare verlichting te dimmen in rustige uren. Noordhoek: “Nederland is op een nachtfoto van Europa één grote lichtvlek. Met goed lichtmanagement – alleen licht wanneer het nodig is – kun je tot 70 procent elektriciteit en CO₂ besparen.” Dat gebeurde dan ook op Texel. Lantaarnpalen in het buitengebied doven nu om 11 uur ’s avonds, in woonwijken dimt het licht tot 50 procent. Voor de veiligheid zijn er op drukkere (kruis)punten in het buitengebied ‘kattenogen’ met leds op het wegdek aangebracht. En op de drukste plekken in de dorpen en havens zorgen bewegingssensoren dat lantaarns ‘opvlammen’ wanneer er mensen in de buurt zijn. Kikkert: “Je kunt hier op Texel nu ’s nachts de sterrenhemel weer zien.”

Doorontwikkeling

Leds zijn nog steeds in ontwikkeling, zegt Reinder Coehoorn, hoogleraar fysica en applicatie van nanostructuren aan de TU Eindhoven. In de winkel koop je nu lampen die zo’n 150 lumen per watt geven, een gloeilamp komt in lichtopbrengst niet verder dan 15. En in laboratoria gaat de nieuwe generatie al richting 200.” Daarvoor wordt de ledlamp wat complexer. Een witte huis-tuin-en-keuken-ledlamp bestaat nu uit een blauwe led. Een deel van het blauwe licht wordt omgezet in (energie-armer) groen en rood licht door een dunne laag op de led. In de toekomst bestaan alle witte ledlampen uit drie leds vlak naast elkaar: rood-, groen- en blauwstralend. Samen leveren ze wit licht op zonder dat er energie verloren gaat bij kleurconversie.

Dit type leds zorgt ervoor dat het Westland ‘s avonds steeds meer roze kleurt in plaats van oranje. Planten benutten niet al het zonlicht; bladeren zijn groen omdat ze al het groene licht reflecteren. Ledlampen voor kassen zijn daarom een combinatie van blauwe en rode leds. Zo krijgen paprika’s en tomaten precies het licht wat ze nodig hebben om te groeien en bloeien, en gaat er geen lichtenergie verloren. Een ander voordeel is dat ledlampen dicht boven de planten kunnen hangen. Een led wordt niet warmer dan 30 graden, een natriumlamp is al snel 300 graden.

Ledlampen voor kassen zijn een combinatie van blauwe en rode leds. Foto: Hollandse Hoogte

Het led-onderzoek van Coehoorn in Eindhoven draait om de ontwikkeling van oleds, organische leds. Ze waren lange tijd de gedoodverfde opvolger van de ‘gewone’ led, maar in de afgelopen jaren staakten vrijwel alle bedrijven het onderzoek naar oleds voor verlichting. Toch sluit Coehoorn een toekomstige doorbraak niet uit. Oleds zijn namelijk licht en flexibel. De chiquere automerken gebruiken ze al voor fraai gevormde achterlichten. Oled-koplampen bestaan echter niet, omdat je minder stroom door de kwetsbare organische oled kunt sturen dan door een led.

Oleds vind je al wel in schermen die niet zoveel licht hoeven uit te stralen als lampen, zoals de haarscherpe oled-tv’s en de afgeronde of opvouwbare schermen van de nieuwste telefoons. Ook zijn oleds geschikt voor geavanceerde 3D-displays die diepte tonen zonder dat je er een speciale bril voor op hoeft te zetten. Chirurgen zouden ze bijvoorbeeld kunnen gebruiken om zich voor te bereiden op complexe operaties. Coehoorn: “Ik sluit niet uit dat er een doorbraak komt die ook verlichting met oleds in de toekomst commercieel aantrekkelijk maakt.”

Zo werkt een led

Een led, een light emitting diode, is een elektronische schakeling, een ‘chip’. In zeer dunne lagen halfgeleidermateriaal wordt stroom direct omgezet in licht: elektroluminescentie. In tegenstelling tot de gloei- of halogeenlamp komt er nauwelijks hitte bij vrij. De meest gebruikte halfgeleidermaterialen in leds zijn InGaN, AlInGaP en AlGaAs. Elke led telt in ieder geval drie lagen halfgeleidermaterialen, elk enkele honderden nanometers dun. Ze worden met grote precisie op elkaar gedampt, net als bij computerchips. De eerste halfgeleiderlaag (n-type) is rijk aan ‘losse’ elektronen. Dat komt omdat de stof ‘gedoopt’ is. Er zijn kleine hoeveelheden silicium of germanium aan de laag toegevoegd: elementen met net één elektron meer in de buitenste schil dan het bulkmateriaal. Om in het kristalrooster te passen, zal het extra elektron gaan ‘rondzwerven’. De derde laag (p-type) is ‘tegengesteld’ aan de eerste. Deze laag is gedoopt met atomen die juist een elektron minder bezitten. Zo ontstaan daar positieve ‘gaten’. Wanneer er stroom door de schakeling loopt, combineren gaten en elektronen in de tussenliggende, ongedoopte laag. Dat levert energie op die heel efficiënt vrijkomt als licht. Door slim te spelen met de hoeveelheid doping, combinaties van elementen en lagen lukt het om alle kleuren licht te produceren, van rood tot violet, en helder wit of warm, sfeervol ‘gloeilamp-wit’.

Chemelot over op led

In 2018 maakte Chemelot de omslag naar ledverlichting door meer dan 20.000 ‘peertjes’ te vervangen. Op een industrieel complex gelden uiteraard speciale veiligheidseisen. De verlichting moet extra robuust zijn, vonkvrij, zuurresistent en betrouwbaar. Er is gekozen voor ‘slimme’ verlichting: elke lamp bevat draadloze sensoren die ‘zien’ of lampen in de buurt branden, of het omhulsel schoon is en de lamp zelf de juiste hoeveelheid licht levert. Chemelot baadt nu ’s nachts niet langer standaard in een zee van licht. Lampen zijn aan waar en wanneer nodig. Bij een alarmmelding gaan ze automatisch aan. De omslag naar led spaart energie uit, maar voorkomt ook lichtvervuiling.