Was beim Einsatz von LED-Leuchten im Ex-Bereich zu beachten ist

Die EU hat sich ehrgeizige Energiesparziele gesetzt. Mit der Verordnung 2019/2020/EU „Ökodesign-Anforderungen an Lichtquellen“ sind die Anforderungen an Leuchtmittel deutlich gestiegen – mit der Folge, dass klassische T8-Leuchtstofflampen in den Längen 600, 1.200 und 1.500 mm ab 1. September 2023 nicht mehr in Verkehr gebracht werden dürfen. Händler in der EU können dann nur noch Restbestände verkaufen. Doch wie so häufig im Leben gibt es auch hier keine Regel ohne Ausnahmen. Diese definiert die neue EU-Verordnung im Anhang III. Für Industrieunternehmen und insbesondere die Prozessindustrie ausgenommen sind beispielsweise Lichtquellen und separate Betriebsgeräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen oder für den Betrieb im Notfall eingesetzt werden. Einen umfassenden Freifahrtschein bedeutet das allerdings nicht. Denn die dort eingesetzten Leuchtstofflampen müssen auch nach der neuen Richtlinie „im Einklang mit den genannten Rechtsvorschriften sein“, darunter der Richtlinie 2014/34/EU (ATEX), sowie „nach relevanten Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten speziell für die genannte Betriebsbedingung oder Anwendung geprüft“ sein.

Während die definierten Ausnahmeregelungen darauf zielen, dass gerade in den sensiblen Anwendungen keine qualitativ unzureichenden oder ungeprüften Leuchtmittel zum Einsatz kommen, sollten Betreiber allerdings auch Marktmechanismen in ihrer Ersatzteilplanung berücksichtigen: Für die Industrie ist zu erwarten, dass aufgrund der deutlich sinkenden Herstellmengen die Preise für die wenigen, noch offiziell verkaufbaren Lichtquellen stark ansteigen werden. Gut, wer dann einen Vorrat an Leuchtmitteln besitzt. Besser, wer bereits die Umrüstung auf moderne Lichtquellen geplant oder in Angriff genommen hat.

Ein schneller Umstieg auf LED-Leuchten als vollwertige Alternative zu Leuchtstofflampen wird vor diesem Hintergrund immer attraktiver. So lässt sich der Ersatz von Leuchtstofflampen auf LED gleich auf mehrere Weisen rechnen: Die niedrigeren Stromkosten – eine LED-Lösung benötigt gegenüber einer Leuchtstoffröhre bei vergleichbarer Lichtleistung nur etwa halb so viel elektrischen Energie – sind dabei nur ein, wenn auch immer wichtigerer Aspekt. Hat sich ein Unternehmen Nachhaltigkeitsziele gesetzt, so lassen sich sehr schnell Erfolge beim Strombedarf für die Beleuchtung erzielen, wenn Leuchten durch LED-Leuchten ersetzt werden.

Was bei der Beschaffung von Leuchten oft übersehen wird: Höhere Investitionskosten, wie sie beim Einsatz von LED-Leuchten anfallen, haben in der Regel den kleinsten Anteil an den Kosten über deren gesamten Lebenszyklus. Viel entscheidender sind auf Dauer die Wartungskosten. Leuchtstofflampen erreichen lediglich ein Viertel bis ein Fünftel der Lebensdauer von entsprechenden LED-Leuchten und verlieren in dieser Zeit auch deutlich wahrnehmbar an Lichtstrom.

In den meisten Industrieanlagen ist der Austausch von Leuchtmitteln im Zuge der Anlagenwartung, insbesondere in explosionsgefährdeten Bereichen, mit einem hohen Aufwand verbunden. Weniger Wartungszyklen bei LED-Leuchten, die eine Lebensdauer von 50.000 bis 80.000 Stunden erreichen, bedeuten für den Betreiber massive Kosteneinsparungen. Denn jeder Instandhaltungsarbeit im Ex-Bereich muss eine Gefährdungsbeurteilung vorausgehen und es müssen entsprechende Schutzmaßnahmen getroffen werden. Zudem dürfen Arbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen nur von besonders qualifizierten Mitarbeitern geplant und ausgeführt werden – sonst drohen haftungsrechtliche Konsequenzen. Doch auch beim Einsatz von LED-Leuchten in explosionsgefährdeten Bereichen sind eine Reihe an Besonderheiten zu beachten – deshalb an dieser Stelle einige Grundlagen.

Auch LED-Leuchten stellen eine mögliche Zündquelle dar: elektrische Funken, heiße Oberflächen oder die optische Strahlung können die Energie liefern, die Gas- oder Staubatmosphären zündet. Generell können Explosionen dann ablaufen, wenn drei Faktoren zusammenkommen: Brennbarer Stoff, Sauerstoff (Luft) und eine Zündquelle. Wenn explosionsfähige Atmosphären nicht ausgeschlossen werden können, muss deren Zündung verhindert werden (sekundärer Ex-Schutz). Falls auch eine Zündung nicht verhindert werden kann, ist es wichtig, die Auswirkungen der Explosion auf ein ungefährliches Maß zu beschränken.

Die Anforderungen an elektrische Betriebsmittel für Ex-Bereiche sind in zahlreichen nationalen und internationalen Regelwerken niedergelegt. Bis vor wenigen Jahren wurden Vorschriften für gasexplosionsgefährdete Bereiche in der Normenreihe 60079 und für Bereiche mit brennbarem Staub in der Reihe 61241 festgelegt. Da viele Anforderungen für beide Bereiche gleich sind, wurden beide Normenreihen unter der IEC 60079 zusammengefasst. Die verschiedenen Methoden, den Zündschutz bei Geräten zu gewährleisten, werden als Zündschutzarten bezeichnet. Diese sind in den verschiedenen Teilen der IEC 60079 beschrieben.

Um das notwendige Schutzniveau in einer Anlage festzulegen, müssen Betreiber die Arbeitsbereiche in einer Anlage nach dem Grad der Explosionsgefahr in Zonen einteilen. In der Regel wird dazu die Wahrscheinlichkeit, Häufigkeit und Dauer möglicher Explosionsgefahren bewertet. Demnach werden die drei Zonen 0, 1 und 2 (brennbare Gase und Dämpfe) sowie die Zonen 20, 21 und 22 (brennbare Stäube) unterschieden, wobei 0 bzw. 20 die jeweils höchste Explosionsgefahr kennzeichnen. Aus der Ex-Zone resultiert dann die erforderliche Gerätekategorie der Leuchte. Gerätekategorien definieren das Maß an Sicherheit, das von dem Gerät erreicht wird (1: sehr hoch, 2: hoch, 3: normal). Die in der Gerätekennzeichnung folgenden Buchstaben G oder D stehen für Gas oder Staub (dust).

Bei der Auswahl von Geräten für den Einsatz in explosionsfähigen Gasatmosphären werden die Temperaturklasse und die Geräteuntergruppe (IIA, IIB, IIC), für explosionsfähige Staubatmosphären die maximal zulässige Oberflächentemperatur und die Geräteuntergruppe (IIIA, IIIB, IIIC) benötigt. Durch die Einhaltung der Temperaturklasse (T) bzw. der max. zulässigen Oberflächentemperatur wird sichergestellt, dass die Oberflächentemperatur der Leuchte unter der Zündtemperatur der Ex-Atmosphäre liegt.

Im Vergleich zu Leuchtstofflampen, bei denen die Luft im Gehäuse als thermischer Isolator fungiert, kommt hier ein wesentlicher Unterschied der LED-Leuchten zu Tragen: Bei diesen muss die entstehende Wärme möglichst schnell nach außen abtransportiert werden, um die Oberflächentemperatur am Gehäuse zu begrenzen. Dies hat u.a. zur Entwicklung der kompakten LED-Rohrleuchten geführt.

Die Temperatur der LED-Leuchten ist jedoch nicht nur im Hinblick auf den Explosionsschutz bedeutend, sondern auch für deren Lebensdauer. LED-Chips und Vorschaltelektronik sind thermosensibel, d.h. sie altern mit steigender Temperatur immer schneller. Eine Faustregel besagt, dass sich die Lebensdauer halbiert, wenn die Temperatur sich um 10K erhöht. Weil die kompakte LED-Technik den Bau immer kleinerer Leuchten ermöglicht, wird der thermische Pfad zur Elektronik verkürzt. Deshalb kommt es bei der Konstruktion von LED-Leuchten auf ein effektives Temperaturmanagement an, das durch die Konstruktion und eine ausgeklügelte Steuerungselektronik erreicht wird.

Unproblematisch sind in der Regel Betriebstemperaturen bis +60 °C. Jüngste Entwicklungen, wie beispielsweise die LED-Rohrleuchte 6036 von R. STAHL, können sogar bis +70 °C betrieben werden und erreichen trotzdem eine Lebensdauer von 100.000 Betriebsstunden. Wichtig ist das nicht nur in Anlagen, in denen die Leuchten betriebsbedingten Wärmequellen ausgesetzt sind, sondern auch in klimatisch anspruchsvollen Regionen wie zum Beispiel im mittleren Osten.

Wie bereits oben erwähnt, sind die langen Wartungszyklen ein wesentliches Argument für den Umstieg auf LED-Leuchten. Doch nicht nur die lange Lebensdauer spricht für den Einsatz der LED, sondern auch die Möglichkeit, Überwachungsaufgaben zu automatisieren. Weil Licht in Anlagen der Prozessindustrie sicherheitsrelevant ist, muss die Beleuchtung regelmäßig inspiziert werden – im Fall von selbstversorgten Sicherheitsleuchten sogar jede Woche. Die manuelle Inspektion lässt sich dabei durch Digitalisierung über das nach IEC 62386 standardisierte Digital Adressable Lighting Interface, kurz „DALI“ ersetzen. Dieses macht es möglich, Leuchten nicht nur individuell zu steuern, sondern diese auch permanent zu überwachen. Das ersetzt nicht nur den Rundgang, sondern ermöglicht es, für jede Leuchte individuelle Wartungszyklen zu definieren und Wartungstermine zu planen. Die aktuelle Rohrleuchte 6036 von R. STAHL verfügt nicht nur über die Option der digitalen DALI-Schnittstelle, sie kann über eine optionale zweite Schaltphase auch auf 50 % gedimmt werden. Außerdem lassen sich mit einem Adressmodul an der Rohrleuchte mit einem Zentralbatteriesystem auch verschiedene Notlichtszenarien sehr einfach erstellen.