Der Beginn der LED-Beleuchtungsära hat eine Reihe von Vorteilen mit sich gebracht, verglichen mit herkömmlichen Lichtquellen: geringerer Energieverbrauch und niedrigere Wartungskosten in zahlreichen Branchen und Anwendungen.
Energieeinsparungen sind in der Praxis leicht zu beobachten und lassen sich durch einen einfachen Vergleich der Leistung oder Wattzahl zwischen Beleuchtungslösungen gegenüberstellen.
Wartungseinsparungen werden jedoch oft als selbstverständlich hingenommen. Natürlich wissen wir, dass LEDs eine lebenslange Haltbarkeit haben können; aber was gibt es noch zu wissen? Gibt es Unterschiede zwischen den Marktangeboten? Und wenn ja, was ist der beste Weg, Lösungen zu vergleichen, um die Lebenszykluskosten zu minimieren?
Diese Fragen werden besonders wichtig, wo Wartungskosten erheblich sind, beispielsweise im Netz der Londoner U-Bahn, wo berichtet wurde, dass ein einziger Lampenwechsel über einer Rolltreppe über 1.000 £ kosten kann[1]. In diesen Fällen lohnt es sich offensichtlich, einigen Aufwand zu betreiben, um Ausfälle zu vermeiden. Straßenbeleuchtung, Autobahnen und Parkanwendungen sind weitere Beispiele, bei denen die Wartungsvorteile von LEDs wahrscheinlich von größerem Interesse sind als die Energieeinsparungen, für die sie vielleicht am bekanntesten sind.
Um diese Fragen zu beantworten, sollten wir zunächst die übergeordneten Kategorien von Ausfällen betrachten, die durch die Badewannenkurve zusammengefasst werden.
Badewannenkurve
Die Badewannenkurve ist eine grafische Darstellung der Ausfallrate eines Systems über seine Lebensdauer. Sie zeigt drei verschiedene Ausfallphasen, die häufig durch physikalische Phänomene des betreffenden Systems erklärt werden können. Aus statistischer Sicht ist die Kurve eine Summe verschiedener Weibull-Verteilungen, und die allgemeine Form fasst die Systemausfallrate über die Zeit von vielen Dingen zusammen: von elektrischen Schaltkreisen über mechanische Systeme (wie Autos) bis hin zu biologischen Systemen und sogar Menschen. Die Form der Kurve ähnelt dem Profil einer Badewanne und zeigt, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit zu Beginn relativ hoch ist, sich dann auf einem Plateau stabilisiert und gegen Ende der Lebensdauer wieder ansteigt.
Frühausfälle
Die erste Phase zeigt eine anfänglich hohe, aber abnehmende Ausfallrate und befasst sich mit frühen Ausfällen oder Frühausfällen. Diese hängen häufig mit inhärenten Problemen oder Fehlern im System zusammen, die dazu führen, dass es in den frühen Stadien der erwarteten Lebensdauer ausfällt. Es gibt zahlreiche Faktoren, die Frühausfälle verursachen können: von genetischen Faktoren in einem biologischen System bis hin zu fehlerhaften Bauteilen oder Fertigungsfehlern bei vom Menschen hergestellten Produkten. Im Allgemeinen kann nach dem Ende der Frühausfallphase ein höheres Vertrauen in das System gesetzt werden. Werkserprobungen werden häufig unmittelbar nach der Herstellung durchgeführt, um Einheiten, die Frühausfälle zeigen, zu identifizieren und aus der Lieferkette zu entfernen, damit sie den Kunden gar nicht erst erreichen.
Zufällige Ausfälle
Die zweite Phase der Systemlebensdauer ist die normale Betriebsphase. Die Ausfallrate erreicht ein Plateau, und die Wahrscheinlichkeit, dass eine Einheit ausfällt, ist nun zeitunabhängig. Dies ist der stabilste Teil der Systemlebensdauer, und die Ausfallrate an diesem Punkt definiert die „Zuverlässigkeit“ des Produkts. Zuverlässigkeit ist ein statistischer Begriff, der sich auf die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Ausfalls bezieht (d. h. ein Ausfall, der von allen anderen Faktoren, wie der Lebensdauer, unabhängig ist). Es ist ein Maß, das sich nicht auf die Lebensdauer bezieht und daher bei der Bewertung eines Produkts getrennt betrachtet werden sollte. Die Zuverlässigkeit gibt an, mit wie vielen Austauschereignissen innerhalb der normalen Betriebsphase zu rechnen ist. Diese Arten von Ausfällen sind unvermeidlich und sollten in jedem Lebenszykluskosten-Modell berücksichtigt werden. Dennoch werden sie häufig übersehen, sodass das Auftreten von Ausfällen überraschend kommt. Die Zuverlässigkeit wird durch die Ausfallrate gemessen und gibt an, wie viele zufällige Ausfälle pro Million Betriebsstunden zu erwarten sind. Da sich die Zuverlässigkeit mit zufälligen Ausfällen befasst, gilt die Ausfallrate, solange sich ein System in seiner normalen Betriebsphase befindet, unabhängig davon, ob wir die Anzahl der Ausfälle bei 100 Produkten mit 10.000 Betriebsstunden oder bei 10.000 Produkten mit 100 Betriebsstunden verstehen wollen. Zuverlässigkeitstechnik ist eine eigene Disziplin und umfasst eine Reihe komplexer Berechnungen und Modelle zur Bestimmung der Systemzuverlässigkeit auf Basis etablierter Systeme wie MIL-HDBK-217F.
Lebensende-Ausfälle
Die letzte Phase der Systemlebensdauer ist die Lebensende-Phase. Hier beginnt die Ausfallrate aufgrund von Verschleißeffekten zu steigen, und sie wird häufig als erwartete Lebensdauer oder Nennlebensdauer des Produkts bezeichnet. Die Verschleißeffekte werden oft durch bestimmte Systemteile eingeführt, die aufgrund ihrer Beschaffenheit oder Position zum Verschleiß neigen; viele Bauteile zeigen jedoch überhaupt keine Verschleißeffekte. In der Elektronik gibt es mehrere wichtige Bauteile, die für Lebensende-Effekte zu beachten sind; eines davon ist der Elektrolytkondensator. Diese Bauteile haben eine Nennlebensdauer und verschleißen im Laufe der Zeit. In der Mechanik ist ein leicht vorstellbares Beispiel die Zähne eines Zahnrads, die sich durch den Betrieb abnutzen und schließlich nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren.
Die erwartete Lebensdauer eines Systems wird häufig anhand der Herstellerangaben für Verschleißbauteile berechnet oder kann durch beschleunigte Lebensdauertests ermittelt werden. Bei solchen Tests wird das System extremen Bedingungen ausgesetzt; anschließend wird ein mathematischer Zusammenhang verwendet, um die erwartete Lebensdauer unter normalen Bedingungen aus der unter extremen Bedingungen beobachteten Lebensdauer zu berechnen.
Wie dies in ein Kostenmodell einfließt
Bei Beleuchtung und in Fällen, wo Austauschkosten mittel bis hoch sind, ist es in der Regel sinnvoll, reaktive Wartung (also den Austausch zufälliger Ausfälle) innerhalb der normalen Betriebsphase durchzuführen und Massenmodernisierungen nahe der „erwarteten Lebensdauer“ des Produkts vorzunehmen, zu welchem Zeitpunkt die Ad-hoc-Austausche unhandhabbar werden.
Die Gesamtlebenszykluskosten eines Produkts oder einer Installation bestehen typischerweise aus folgenden Elementen:
- Anfängliche Stückkosten
- Anfängliche Installationskosten
- Jährliche Energiekosten x Lebensdauer
- Jährliche CRC-Kosten x Lebensdauer
- Reaktiver Wartungsanteil
- Reinigungskosten
- Prüfkosten
- Entsorgungskosten
Dieser Gesamtbetrag sollte dann durch die Lebensdauer der Einheit geteilt werden, um jährliche Kosten zu ermitteln, die als vergleichbares Maß zwischen Beleuchtungslösungen herangezogen werden können.
Auswirkungen bei der Beleuchtung
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass eine wirksame Methode zur Minimierung der jährlichen Kosten einer Installation darin besteht, die Lebensdauer des Produkts zu verlängern. Dadurch werden die Fixkosten auf eine größere Anzahl von Betriebsjahren verteilt. Wie bereits erwähnt, wird die Lebensdauer der Einheit durch die Verschleißbauteile bestimmt, die bei herkömmlichen LED-Treibern häufig Elektrolytkondensatoren sind. Die Systemlebensdauer kann durch Konstruktionen, die auf diese Bauteile gänzlich verzichten, erheblich verlängert werden; mehrere Beleuchtungshersteller machen in diesem Bereich Fortschritte, darunter INDO Lightings Direct Drive®-Technologie.
Produkte mit hoher Zuverlässigkeit weisen einen geringeren reaktiven Wartungsanteil auf als Produkte mit geringer Zuverlässigkeit. Die Zuverlässigkeit wird durch die Ausfallrate definiert, und es ist wichtig zu verstehen, dass diese unabhängig von der Lebensdauer ist.
Schlussfolgerungen
Es ist unerlässlich, sowohl Lebensdauer als auch Zuverlässigkeit zu berücksichtigen, um die tatsächlichen Lebenszykluskosten einer Beleuchtungsinstallation zu verstehen. Erst wenn man mit diesen Informationen ausgestattet ist, kann man zwei Lösungen wirklich auf vergleichbarer Basis gegenüberstellen und damit bestimmen, in welchem Umfang die „Einbauen und vergessen„-Philosophie tatsächlich zutrifft.
[1] „The one factor driving the adoption of LED lighting on the Tube“, http://luxreview.com/article/2015/06/the-one-factor-driving-the-adoption-of-led-lighting-on-the-tube, 26th June 2015
