Werden LEDs zum Tesla der UV-Branche?

Englische original Seite: Aquatech, veröffentlicht am 18.01.2019

UVC LED Tesla

Die Licht-emittierende Dioden-Technologie (LED) verspricht seit Jahren, den traditionellen ultravioletten (UV) Lampendesinfektionsmarkt zu stören im Sinne einer disruptiven Technologie. Wird 2019 das Jahr, in dem UV-LED auf Stückzahlen kommen werden? Tom Freyberg ermittelt.

Wutausbrüche auf Twitter oder einen Joint live im Radio rauchen, kaum etwas kann die Disruptiven Technologien des Serienunternehmers Elon Musk stören.
Von der Finanzindustrie mit PayPal, hin zu interplanetaren Reisen mit Space-X und dem unterirdischen Tunnelbau mit der Boring Company; Musk hat bereits in mehreren Industrien angegriffen und sogar eine Vision entworfen, den Planeten Mars zu bewohnen. Doch es ist die Störung, die die fossile Brennstoffindustrie durch die Marke Tesla für Elektrofahrzeuge verursacht hat, von der manche glauben, dass sie sich auf dem Markt für Wasseraufbereitung und UVC-Strahlung abspielen könnte. „Bestehende Unternehmen, die bereits im UV-Markt sind, müssen sich entscheiden, ob sie LED-Technologie in ihr Portfolio aufnehmen“, sagt Oliver Lawal, Präsident der International Ultraviolet Association (IUVA). „Ich denke immer ein bisschen wie bei Auto- Firmen die bereits Benzin und Diesel haben und dann auf einmal auch Strom als Antriebsquelle hinzufügen sollen? Ähnlich wie die Automobilindustrie werden einige der bestehenden Hersteller über ein eigenes Entwicklungsprogramm verfügen, und einige von ihnen werden Partner. Das ist bereits passiert.“

Wendepunkt

UVC LED Metawater

Die LED-Technologie mag den traditionellen Lichtmarktes bisher etwas gestört haben, aber die Relevanz für großflächige, kommunale UV-Behandlung wurden immer als „Jahre entfernt“ verworfen. In der Vergangenheit wurden UV-LED-Systeme auf Systeme mit niedrigen Durchflussraten oder für Individual Anwendungen beschränkt. Im Gegensatz dazu war die UV-Technologie der Quecksilberlampe die dominierende Kraft für die Behandlung von kommunalen Versorgungssystemen. Lawal, der auch CEO von AquiSense ist, glaubt jedoch, dass LED-Technologie im vergangenen Jahr kostenwettbewerbsfähig geworden ist. „Im Jahr 2018 hatten wir einen Wendepunkt, so dass die besten UV-LEDs jetzt eine höhere Leistungsdichte haben als Niderdruck-Quecksilber-Lampen und unser LED-Preis bei hohen Abnahmemengen entspricht nun  traditionellen Lampen in Bezug auf Kosten pro Photon, und das ist wirklich wichtig. Wir wussten, dass das passieren würde „, fügt er hinzu.

Japanische Innovation

UVC LED MetawaterUV

Das japanische Technologieunternehmen Metawater, das vor allem für seine Keramikmembrantechnologie bekannt ist, ist eines der Unternehmen, das die Verbreitung der LED-Technologie voranführt. Das Unternehmen startete mit einem 300 m3/-Tages-System UV-LED, bevor es auf ein 1.200 m3/-Tages-System springt. Für letzteres hat sie kürzlich die „Zertifizierung für UV-Bestrahlung“ vom Japan Water Research Center (JWRC) erworben. Darüber hinaus wurde mit dem Wasseraufbereitungstechnikhersteller Risui-Kagaku Co eine Vereinbarung über die „OEM-Lieferung von UV-Behandlungsanlagen mit UV-LED“ unterzeichnet.
Metawater hat sich zum Ziel gesetzt, das System in einer größeren Größe in Kläranlagen für 100.000 Menschen zu haben, sagt aber, dass es immer noch daran arbeitet, die Kosten für UV-Reaktoren und LED-Module zu senken. Dazu gehöre, die optische Leistung der LED zu verbessern und „eine längere Lebensdauer zu erreichen“.

Ein UV LED Typhon entsteht

Ein weiteres Unternehmen, diesmal aus Großbritannien, ist das Start-up Typhon Treatment Systems, das einen achtjährigen Rahmenvertrag mit dem britischen Wasserkonzern United Utilities (UU) unterzeichnet hat. Es folgten zwei Studien, eine über fortgeschrittene Oxidationsprozesse (AOP) zur Entfernung von Geschmack und Geruch und eine zweite auf Desinfektion, was dazu geführt hat, dass das Unternehmen eine Validierung im Einklang mit der UVDGM-Methodik der US-Umweltbehörde EPA erreicht hat. Die Basiseinheit von Typhon hat eine Kapazität von 250 m3/Stunde (6000 m3/Tag), mit einer Konfiguration, die es ermöglicht, mehrere Systeme zu kombinieren, um sich zu vergrößern. Für die erste große kommerzielle Installation, die derzeit mit der UU verhandelt wird, werden insgesamt sechs Einheiten installiert. Mit einer Kapazität von 36.000 m3/Tag wäre sie damit die weltweit größte, kommunale UV-LED-Installation, so Firmenmitgründer Dr. Matthew Simpson. Der Vertrag soll bis Mitte 2019 abgeschlossen sein. Das Unternehmen wurde 2014 mit Peter McNulty mitgegründet und legt die kühne Behauptung dar, dass das UV-LED-Design „bis zu 90 Prozent weniger Energie im Vergleich zur Quecksilberlampentechnologie“ verbraucht.
United Utilities plant, das System zur Behandlung von Mikroorganismen zu verwenden oder dabei zu helfen, Geschmack und Geruch aus dem Trinkwasser zu entfernen und in separaten Installationen Bakterien im Abwasser zu behandeln, bevor sie es in die Umwelt zurückgeben. Im folgenden Video sehen Sie die Testinstallation:

„Bisher war die einzige Möglichkeit die großen Mengen Wasser zu behandeln, die traditionelle Technologie, bei der Quecksilber-Lampen in Glaskolben verwendet werden. Aber mit dem Potenzial, bis zu 90 Prozent energieeffizienter, zuverlässiger, einfacher zu warten und sicherer zu sein, war es die neue LED-Version von Typhon eine brillante Idee, die wir entwickeln wollten. “
Kieran Brocklebank
Innovationsleiter bei United Utilities

Haitz wird Haitz

LED-phone_UVC LED

In Bezug auf die Energieeffizienz sagt Typhon, dass sich die Leistung der kommerziell erhältlichen Desinfektionsspanne UV-LEDs in weniger als drei Jahren mehr als vervierfacht hat. Das wirft die Frage auf, ob sich solche Erwartungen erfüllen können und auch Verbindungen zu Haitz ‚ Gesetz geknüpft werden können, was bei der Diskussion über UV-LED-Skala entscheidend ist. Benannt nach dem Wissenschaftler Roland Haitz (1935-2015), prognostiziert das Gesetz, dass sich alle zwei Jahre die Kosten zur Herstellung der LEDs halbieren und sich alle zwei Jahre die Leistung verdoppeln werden. Rückblickend ist Haitz Gesetz in den vergangenen 40 Jahren eingetreten. So wurden in den 1970er Jahren die ersten LEDs, die hergestellt wurden, rot. Dann, durch die Entwicklung in Wellenlänge im gesamten Regenbogen der Farben, wurde blaue LEDS in den 1990er Jahren kommerziell. Aus Blau kam die Entwicklung weißer LEDs, aus denen es auf dem Markt eine wahre Explosion für Autoscheinwerfer, Telefonbildschirme und Fernseher gab. Schließlich wurden aus den blauen LEDS die UV-Strahlung und die Anwendung für die Wasserdesinfektion entwickelt.

Perlen der Weisheit

Nach diesem Muster stellte AquiSense 2012 sein UVC-LED PearlAqua System zur Wasserdesinfektion vor. In diesem Jahr rechnet das Unternehmen mit über 40.000 Einheiten und das Unternehmen liefert auch sein LED-System für die von der Musk-Stiftung unterstützte Initiative Flint. Statt mit einem größeren System in die metaphorische Tiefe zu springen, sagt Lawal, das Unternehmen habe „klein angefangen und sich hochgearbeitet“ und die Entwicklung der LED-Technologie verfolgt.
„Wir wussten, wenn wir die Ingenieur-und Fertigungsaufgaben mit neuartigen kleinen Systemen lösen würden, könnten wir schon profitabel sein, wenn die großen bereit waren“, sagt er. „Es geht also nur darum, auf die Macht und den Preis zu warten, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen.“ Das Unternehmen hat gerade ein UV-LED-System an ein Öl-und Gasprojekt „mit mehreren hundert Gallonen Kapazität“ geliefert, so Lawal und wird noch in diesem Jahr einen größeren kommunalen Piloten in Kalifornien ausrollen.

„Rote Heringe“

Befürworter von UV-LED sprechen oft sowohl über Energie als auch über Wartungsvorteile. Eine der Behauptungen ist, dass LEDs, Licht statt Wärme ins Wasser abgeben, das Problem der Verunreinigung und des anschließenden Reinigungsbedarfs, wie es bei Quecksilberlampen erforderlich ist, vermeiden.
„Die Systeme sind so konstruiert, dass die Lichtfläche kühl ist und man nicht verschmutzt“, sagt Lawal. „Das ist ein massiver fundamentaler Unterschied. Deshalb machen wir diese Piloten – wir den Nutzen noch nicht beziffert haben. Man kann mit Fug und Recht sagen, dass es einen theoretischen Nutzen mit LEDS gibt, der sich in den nächsten ein oder zwei Jahren bewährt hat. “
Andere UV-Experten mahnen jedoch zu mehr Vorsicht, insbesondere wenn es um die Wartungsanfälligkeit im Zusammenhang mit LEDs geht. „Es ist ein bisschen wie bei einem roten Hering (ein Roter Hering ist eine Redewendung, die sinngemäß aus Nebelkerze oder Ablenkungsmanöver übersetzt werden kann), wenn es um Wartungsansprüche von LEDs geht“, sagt Mark Kustermans, Manager bei Trojan Technologies. „Alles, was sich unter Wasser befindet, wird Fouling auf der Oberfläche haben. Fouling wird auftreten, unabhängig davon, ob es sich um eine UV-LED handelt oder um eine Lampe. Ich denke, dass die Reinigung und Wartung der UV-Qualität weiterhin ein wichtiges Merkmal bleiben wird. “ TrojanUV wurde 1977 gegründet und gewann sein erstes kommunales Abwasserprojekt in Tillsonburg, Ontario. Heute verfügt das Unternehmen über 10.000 kommunale Anlagen mit Lampentechnik.
„Wir erkennen an, dass UV-LEDs Teil unserer Zukunft sein werden“, ergänzt Kustermans. „Wir haben ein Team zusammengestellt, um die nächste Generation von UV-Produkten mit LEDs zu bewerten und zu entwickeln. Wir sind an der Zusammenarbeit mit führenden UV-LED Playern interessiert und sprechen mit vielen. Wir werden UV-LEDS dort einsetzen, wo es für unsere Kunden sinnvoll ist. “
Der Manager hält den Einsatz von UV-LED-Systemen für kommunale Anwendungen derzeit für „verfrüht“ und sieht aktuelle Anwendungen im Point of Use oder Point of Entry Bereich. Er glaubt auch, dass der Wendepunkt im Hinblick auf den Preis für LED-Technologie noch mehrere Jahre entfernt ist für eine breitere Markteinführung.

LED-Schwachstellen

Andere glauben trotz ihrer Schwächen, es ist nicht die Frage ob, sondern wann die Anwendungen für UV-LED skalieren und angenommen werden. „Ihre Schwachstellen haben dazu geführt, dass LEDs zumindest in größeren Anlagen noch weit davon entfernt sind Quecksilberlampen zu verdrängen“ ergänzt Paul O ‚ Callaghan, CEO von BlueTech Research. „Dazu gehören relativ hohe Kosten und geringe Leistung, insbesondere innerhalb der UVC-Wellenlänge, die für die Wasserdesinfektion wichtig ist.“
Materialauswahl und Chip-Fertigung seien ein besonderer Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung gewesen, da Eigenschaften wie Substrat und Dislokationsdichte letztlich die Effizienz und Leistung der LED beeinflussen, sagt er.
Paul O ‚ Callaghan fügt hinzu: „Dennoch sind die Fortschritte bei der Kostensenkung und der Steigerung der Stromproduktion zu langsam, um ernsthafte wirtschaftliche Auswirkungen auf groß-oder industrieller Ebene zu erzielen. Zusammengenommen scheint es unvermeidlich, dass die UV-LEDs im großen Maßstab kommerziell tragfähig und weitgehend in großem Maßstab eingesetzt werden – es ist nur eine Frage wann das sein wird.“

Markt – Einfluss und Wirkung

ATG Wafer_UVC LED

Wie sehen andere UV-Unternehmen die LED-Technologie? Das britische Unternehmen atg UV verfolgt auch die Entwicklungen von UVC LED und sagte, dass es sich seit 10 Jahren regelmäßig mit LED-Herstellern trifft. Obwohl die „Gestaltungsflexibilität“ der Technologie in den engem Maße in den Anspruch genommen wird, ist das Unternehmen der Ansicht, dass die Großanwendungen noch einige Zeit entfernt sind.
„Die aktuellen Marktentwicklungen deuten darauf hin, dass eine Massenliquide Behandlung (> 50 m3/hr) mit LED-Technologie möglich ist, aber noch weit davon entfernt ist, kommerziell tragfähig zu sein,“ sagt Richard Joshi, technischer Direktor des britischen Unternehmens atg UV und Vorstandsmitglied der IUVA. „Sie sind unwirtschaftlich im Vergleich zu modernen, quecksilberbasierten Lampentechnologien, und das wird für die kommenden Jahre prognostiziert.“ Joshi weist auch auf die aktuellen Effizienzunterschiede zwischen LED und Lampentechnologie hin. Er fügt hinzu, dass die derzeit erhältlichen UVC-LEDs im Vergleich zu Amalgam-UV-Lampen, die etwa 40 Prozent effizient sind, bestenfalls um 5 Prozent effizient sind.
In Bezug auf die Skala, traditionelle UV-Systeme maximal bis zu 60 Lampen (für große Massenströme), aber auch kleine Strömungsanwendungen benötigen Hunderte oder sogar Tausende von UV-LED-Chips, um die erforderlichen UV-Dosen für die Desinfektion zu erreichen, so der technische Direktor. Insgesamt ist die UVC-LED für die UVC-LED eine spannende Entwicklung, die aber für die kommenden Jahre am besten in „kleinere Anwendungen, in denen Wasser sporadisch behandelt wird“ passen wird. Wirklich kostengünstige und effiziente Großkonstruktionen dürften viele Jahre in der Zukunft sein. Unterdessen meint das globale Technologieunternehmen Xylem, zu dem auch die Marke Wedeco gehört, zur Marktentwicklung „das starke Potenzial der UV-LED-Technologie im Bereich der Wasseraufbereitung erkennt und mit ihm zusammenarbeitet. Partner, um neue Innovationen in diesem Bereich voranzutreiben „.

Der Tesla der UV-Branche

Es besteht kein Zweifel daran, dass UV-LEDs eine spannende Technologie auf dem Markt sind. LED-Befürworter glauben, dass die Vorteile der sofortige Leistungsverfügbarkeit und die reduzierte Verschmutzung-Wartung auf lange Sicht die Oberhand behalten wird. Im Gegensatz dazu sind konventionelle Lampenunternehmen natürlich der Meinung, dass die Technologie einfach noch nicht bereit ist, in bezug auf Kosten, Effizienz und technischer Sicht zu skalieren. Die Entwicklungen der japanischen Firma Metawater und Typhon in Großbritannien zeigen jedoch, dass es Potenzial in der Technologie gibt. Wenn Typhon seine 36.000 m3/-Tagesentwicklung einsatzbereit ist, könnte er die LED-Kritiker da draußen im Alleingang beantworten.
Auf die Frage, ob LEDs Tesla der UV-Branche sein könnten, ist es noch früh zu antworten. Als Tesla zum ersten Mal auf die Bühne kam, galt es vielleicht als Gimmick oder als unerreichbares Spielzeug nur für die Reichen, die von einem finanzstarken Elon Musk nach seinem Verkauf von PayPal angeführt wurden. Einige Jahre später wurden Teslas zu einem häufigeren Anblick und die Marke ist einer der wertvollsten auf dem Planeten. Elektrofahrzeuge kommen zu Diesel-und Benzinangeboten hinzu, wobei einige Unternehmen versprechen, diese in wenigen Jahren ganz auslaufen zu lassen.
Obwohl die Tesla-Geschichte mit Produktionsengpässen und anderen Problemen konfrontiert ist, zeigt sie, dass die Auswirkungen einer disruptiven Technologie Jahre dauern können, bis sie wirksam werden, aber wenn sie es tut, haben diese Unternehmen enorme Auswirkungen auf den Markt. Kommerzielle, großangelegte Anwendungen sind für UV-LEDs vielleicht noch einige Jahre entfernt, aber es ist eine Technologie, die die Industrie und Investoren auch in Zukunft im Auge behalten sollten, wenn Partnerschaften, Akquisitionen und Marktkonsolidierung unvermeidlich sind.