Kalatz, Christopher

Windemut, Ivan

Institute of Transport Research:Publications

– 66 – Ingenieurspiegel  2 | 2016Im DLR-Projekt „Next Generati-on Train“ (NGT) werden Perso-nenzüge der Zukunft erforscht. Zur Erhöhung des Strecken-durchsatzes und Verringerung ihres speziﬁschen Energie-bedarfs sind die Wagen des Hochgeschwindigkeitszuges NGT HST1 und des Zubringer-zuges NGT LINK doppelstöckig ausgeführt [1]. Aufgrund des da-her begrenzten zur Verfügung stehenden Bauraums ergeben sich hohe Anforderungen spezi-ell für die platzsparende Gestal-tung der Innenraumbeleuch-tung.Die heutigen Personenzüge sind überwiegend mit Leuchtstoff-röhren-Leuchten ausgestat-tet. Neben dem Leuchtmittel selbst beinhaltet die Leuchte ein Vorschaltgerät, einen Re-ﬂektor und oft zusätzlich einen Diffusor.  Leuchtstoffröhren sind stabförmige Niederdruck-Gasentladungslampen. Wesent-liche Vorteile dieser über Jahr-zehnte bewährten Leuchtmittel-technologie (Massenproduktion seit 1938) liegen in der relativ hohen Lichtausbeute (typisch 90 lm/W) bei einer moderaten Lebensdauer von bis zu 20.000 Betriebsstunden und den nied-rigen Kosten. Nachteile sind dagegen eine hohe Umweltbe-lastung (Quecksilber), ein oft auftretendes Flimmern am Ende der Lebensdauer und vor allem der relativ große erforderliche Bauraum. Da dimmbare Vor-schaltgeräte für Leuchtstoffröh-ren im Transportbereich nicht üblich sind, ist die Beleuchtung zudem bis zu 22 Stunden pro Tag mit voller Leistung einge-schaltet, was in einem hohen Energiebedarf mündet.„Wirtschaftlichkeit von organischen LED-Leuchtmitteln für die Personenzüge der Zukunft“In neuen oder modernisierten Schienenfahrzeugen, wie z. B. im ICE 3 der Deutschen Bahn AG, werden zunehmend auch Leuchten mit LED-Leuchtmit-teln (Light-Emitting Diode) in-stalliert. Wesentliche Vorteile der LED-Leuchtmittel liegen in der höheren Lichtausbeute (von 120 lm/W bei Massenproduk-ten bis 300 lm/W bei Labormus-tern) und einer hohen Lebens-dauer (von ca. 50.000 Betriebs-stunden bei Massenprodukten, bis über 100.000 Betriebsstun-den bei Labormustern). Die grundsätzliche Dimmbarkeit von LEDs ermöglicht darüber hinaus eine tageszeitabhängi-ge Steuerung und würde den Energiebedarf weiter senken [2]. Nachteilig wirkt sich dagegen vor allem die technologisch bedingte Form der LED aus, da diese lediglich eine Punktlicht-quelle darstellt. Daher müssen LED-basierte Leuchten ausrei-chend viele Lichtpunkte und für eine gleichmäßige sowie blend-freie Beleuchtung zusätzliche Streuscheiben enthalten. In den Fahrgastbereichen und Gängen eines ICE 3 (8-Wagenzug) wer-den insgesamt 348 Leuchtstoff-röhren und bis zu 29 LED-Spots verbaut. Zusätzlich beﬁnden sich an den 1. Klasse-Sitzplät-zen 111 LED-Leselampen.Die aktuell noch überwiegend in Designer-Leuchten zu ﬁnde-nen organischen LEDs (OLED -Organic Light Emitting Diode) bestehen aus millimeterdün-nen Glasscheiben, auf denen mehrere rund 400 Nanometer dünne Schichten organischer Halbleitermaterialien sowie stromführende Elektroden auf-gebracht sind (vgl. Abbildung 1). OLEDs stellen bauartbedingt eine Flächenlichtquelle dar und erzeugen ein sanftes, diffuses, homogenes und blendfreies Licht. Sie benötigen gegenüber etablierten Leuchtmitteln sehr wenig Bauraum (weniger als 3 mm Tiefe) und sind stufenlos dimmbar. Die Lichtausbeute dieser Leuchtmittel liegt im ak-tuellen Entwicklungsstadium zwischen 50 lm/W bei kom-merziell verfügbaren OLEDs und 139 lm/W bei Labormus-tern. Die Lebensdauer beﬁndet sich im Bereich von 15.000 Be-triebsstunden bei kommerziell verfügbaren OLEDs und bis zu 55.000 Stunden bei Labormus-tern [3]. Die Form der OLED-Module ist bereits heute frei wählbar. Die theoretisch unbe-grenzte Flächengröße ist jedoch aktuell noch auf ca. 1.000 cm² limitiert [4]. Aufgrund ihres gro-ßen Weiterentwicklungspoten-tials werden die OLED-Leucht-mittel aktuell in Branchenkrei-sen auch als „die Lichtquelle der Zukunft“ bezeichnet [5].Bei der Ausarbeitung des Be-leuchtungskonzeptes für den NGT HST (vgl. Abbildung 2) konnte gezeigt werden, dass die OLED-Leuchtmittel bereits in ih-rem derzeitigen Entwicklungs-stadium genügend Licht für eine komfortable Beleuchtung von Fahrgasträumen bereitstel-len und den Energiebedarf im Vergleich zum Stand der Tech-nik um bis zu 50% senken kön-nen. Bei Pilotversuchen mit Pro-banden in einem 1:1-Wagen-modell konnte darüber hinaus die überdurchschnittliche Ak-zeptanz der OLED-Leuchtmittel belegt werden [7]. Dementspre-chend werden durch die OLEDs sowohl die beleuchtungstech-nischen als auch kontruktiven Anforderungen, die sich durch die doppelstöckige Wagenkas-tenausführung der NGT-Züge ergeben, erfüllt. Im Gegensatz zum ICE 3, in dem unterschied-liche Leuchtmittelarten einge-setzt werden, erfolgte die Mo-dellierung der Beleuchtungs-konzepte der NGT-Triebzüge ausschließlich mit den derzeit kommerziell am Markt verfüg-baren OLED-Modulen. Für eine regelkonforme Beleuchtung in Bezug auf die sicherzustellen-de Beleuchtungsstärke nach Abbildung 1: OLED-Modul Modell Lumiblade [6] und sein prinzipieller Aufbau1 NGT High Speed Train– 67 –Ingenieurspiegel  2 | 2016DIN EN 13272 werden für ei-nen NGT HST, bestehend aus 10 Triebwagen (2 End- und 8 Mittelwagen) insgesamt 5.208 OLED-Module benötigt. Nach der Modellierung des Beleuch-tungskonzeptes für einen 7-tei-ligen NGT LINK sind dagegen 3.027 Module notwendig.Für die Umsetzung von inno-vativen Technologien sind die Kosten eines Systems oder Produkts von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund wurde neben den beleuch-tungstechnischen und psy-chologischen Untersuchungen der OLED-Leuchtmittel für den Einsatz als Allgemeinbeleuch-tung in Personentriebzügen das besondere Augenmerk auf die wirtschaftliche Bewertung gelegt. Dabei erfolgte eine Be-rechnung der mit den innova-tiven Beleuchtungskonzepten der NGT-Triebzüge verbunde-nen Kosten bezogen auf den gesamten Lebenszyklus eines Zuges (Lebenszykluskosten-rechnung, life cycle costing – LCC). Wesentliche Bestandteile der LCC sind neben den Inves-titions- und Instandhaltungs-kosten auch die Energie- und Entsorgungskosten.Gegenüber den im Schienen-fahrzeugbereich etablierten Leuchtmitteln (Leuchtstoffröh-re, LED) basieren die OLED-Mo-dule auf einer noch sehr jungen Technologie. Aufgrund dessen und infolge der noch geringen Produktionskapazitäten sind die derzeit verfügbaren OLED-Module verglichen mit einer Leuchtstoffröhre bis zu 38-mal teurer. Im Vergleich zum LED-Leuchtmittel kostet ein OLED-Modul ungefähr das 5-fache. 2 Durch die hohen Investitions-kosten in Verbindung mit der geringen Lebensdauer derzeit verfügbarer OLEDs von nur 15.000 Stunden und der hohen benötigten Leuchtmittelanzahl Abbildung 2: Beleuchtungskonzept NGT HST mit OLED-Modulen2 Auf die Angabe von konkreten Werten muss aufgrund von zum Teil vertraulichen Daten an dieser Stelle verzichtet werden. www.eao.comEAO, der Leuchtdrucktasten-Pionier, präsentiert seine neue Baureihe 57 –die «all-in-one» Türöffnertaste mit vielen innovativen Eigenschaften:. Erste Wahl, um die EN 14752 vollständig zu erfüllen. Anwenderfreundliche, extra große Ø 74 mm Betätigungsﬂ äche. Zwei einzigartige, individuell ausleuchtbare Feedback-Ringe. Erhabene, ausleuchtbare Symbole erfüllen TSI PRM & ADA. Integrierter Aufﬁ ndeton hilft sehbehinderten Personen. Leuchtmelder mit sehr gut sichtbarer Beschriftung. Smarte, werkzeuglose Endmontage spart Zeit und GeldEAO Baureihe 57.Setzt den neuen Standard.– 68 – Ingenieurspiegel  2 | 2016Abbildung 3: Lebenszykluskosten kumuliert (oben) und nach Kostenpositionen (unten) je Sitzplatz für die NGT-Triebzüge und den ICE 3 im Betrachtungszeitraum 2015-2045ergeben sich über dem Lebenszyklus dem-entsprechend höhere Erstausrüstungs- und Austauschkosten bei den NGT-Triebzügen im Vergleich zum ICE 3 (vgl. Abbildung 3). Für die Vergleichbarkeit der Ergebnisse wur-den die Lebenszykluskosten aufgrund der unterschiedlichen Zugkonzepte, ICE 3-Wa-gen – einstöckig und NGT-Wagen – doppel-stöckig, jeweils auf den Sitzplatz bezogen. Durch die langen Betrachtungszeiträume wurden darüber hinaus sämtliche Kosten mit einem Realzinssatz von 6,38% auf das Bezugsjahr abgezinst.Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Le-benszykluskosten für die Beleuchtung sind deren Energiekosten. Während diese beim ICE 3 insgesamt 90% der Gesamtkosten aus-machen, beträgt der Energiekostenanteil bei den NGT-Zügen trotz der höheren Leucht-mittelanzahl aufgrund der efﬁzienteren Beleuchtungskonzepte lediglich 47%. Mit Hilfe einer bedarfsorientierten Ansteuerung ist eine weitere Verringerung der Energieko-sten möglich. Bei den Berechnungen wurde zudem berücksichtigt, dass der OLED-Preis mit der Zeit sinkt. Somit ergeben sich beim NGT LINK, sofern die Fahrzeuge bereits heu-te mit den OLED-Modulen ausgerüstet wer-den würden, geringere LCC-Gesamtkosten als beim ICE 3.Da sich die OLED-Technologie derzeit noch am Anfang ihrer Entwicklung beﬁndet, wurde auch untersucht, wie sich die Kos-ten verhalten, wenn die Fahrzeuge erst in 10 Jahren ausgerüstet werden würden (vgl. Abbildung 4). Bei diesen Berechnun-gen wurde angenommen, dass die OLED-Module in Bezug auf die Lebensdauer und Kosten eine ähnliche Entwicklung erfahren wie die LED-Leuchtmittel in der jüngeren Vergangenheit. Wie zu erkennen ist, erge-ben sich geringere Ausrüstungs- und Aus-tauschkosten im Vergleich zum vorherigen Betrachtungszeitraum. Insgesamt können die Kosten pro Sitzplatz für die Beleuchtung gegenüber dem ICE 3 im Falle des NGT HST um ca. 30% und beim NGT LINK um bis zu 55% reduziert werden.Die Ergebnisse zeigen demnach, dass sich insbesondere die Lebensdauer und der Marktpreis der OLED-Module auf die Höhe der Lebenszykluskosten auswirken. Zur Er-mittlung der Einﬂussstärke dieser und wei-terer Parameter auf die Lebenszykluskosten wurde zusätzlich eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt (vgl. Abbildung 5).Abbildung 4: Lebenszykluskosten kumuliert (oben) und nach Kostenpositionen (unten) je Sitzplatz für die NGT-Triebzüge und den ICE 3 im Betrachtungszeitraum 2025-2055– 69 –Ingenieurspiegel  2 | 2016Literatur[1] J. Winter, S. Ehrenberger, S. Kaimer, C. Kalatz, D. Krüger, J. Pagenkopf und S. Streit, „Ein ganzheitlicher Ansatz für den Hochgeschwindikeitsver-kehr,“ Deine Bahn, Nr. 9, pp. 6-12, 2014. [2] B. Heine, „Dynamische Zugbeleuchtung senkt Be-triebskosten und vermittelt Fahrgästen ein angenehmes Gefühl,“ ZEVrail, Nr. 139, pp. 348-353, September 2015. [3] R. Mertens, 06 2014. [On-line]. Available: http://www.oled-info.com/konica-mino-lta-break-their-own-record-worlds-most-efficient-oled-panel-139-lmw.[4] R. Mertens, 01 2015. [On-line]. Available: http://www.oled-info.com/lg-details-pri-ce-their-320x320-mm-and-truly-flexible-oled-lighting-panels.[5] Richard Pﬂaum Verlag GmbH & Co. KG, 01 2016. [Online]. Avai lable:  https://www.lichtnet.de/lichtquelle-der-zukunft/.[6] OLEDWorks GmbH, Febru-ar 2016. [Online]. Available: http://www.oledworks.com/products/lumiblade.php.[7] J. Maier, O. Zierke, H.-J. Hör-mann und I. Windemut, „Lighting preferences and ex-pectations inﬂuence lighting comfort – this inﬂuence is bigger than the inﬂuence of the objective lighting condi-tions,“ Lighting Research and Technology, in Vorbereitung 2016.unter den angenommenen Prognosen wirtschaftlichen Vorteile der OLED-Technologie aufgezeigt wurden, gilt es, in einem nächsten Schritt zulas-sungsfähige OLED-Module für den Einsatz im Schienenfahr-zeugbereich zu entwickeln und diese anhand von Prototypen zu demonstrieren.Christopher Kalatz Ivan WindemutInstitut für FahrzeugkonzepteDeutsches Zentrum für Luft- Raumfahrt e. V.Berlinwww.dlr.desinnvoll, die Efﬁzienz der OLED-Leuchtmittel weiter zu steigern.Insgesamt konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der in-novativen OLED-Technologie eine efﬁzientere, komfortable-re und in naher Zukunft auch wirtschaftlichere Beleuchtung von Personenzügen ermöglicht werden kann. Neben den hier untersuchten Triebzügen des DLR-Projektes NGT ergeben sich durchaus noch weitere Anwen-dungsbereiche der innovativen Beleuchtung, beispielsweise in Regionaltriebzügen oder in Stadt- und Straßenbahnen. Nachdem nun die beleuch-tungstechnischen und auch Die Parameter mit dem höchs-ten Einﬂuss auf die Lebenszyk-luskosten sind demnach:• die Anzahl der OLED-Module,• die jährliche Betriebsdauer der Beleuchtung,• die Lebensdauer der OLED-Module und• der Marktpreis der OLED-Mo-dule.In der Folge sollten diese Parameter in weiteren For-schungsarbeiten näher auf ihr Kostenreduzierungspotenzial untersucht werden. Darüber hi-naus werden die Gesamtkosten maßgeblich durch die Energie-kosten bestimmt. Somit ist es Abbildung 5: Sensitivität der Lebenszykluskosten bei Parametervariation für den NGT HST

Wirtschaftlichkeit von organischen LED-Leuchtmitteln für die Personenzüge der Zukunft

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