Żarówka czy LED? - Handel emisjami CO2

Żarówka czy LED?
Autor: Piotr Tomczyk
(„Energetyka Cieplna i Zawodowa“ - 10/2011)
Przez ostatnie stulecie wynalazek Edisona był najbardziej popularnym źródłem światła
używanym przez człowieka. Czy nadchodzi kres jego użytkowania? W ostatnim czasie w
wielu krajach na całym świecie toczy się debata na temat konieczności zastąpienia
tradycyjnej żarówki energooszczędnymi źródłami światła.
Mając na uwadze toczącą się obecnie dyskusję na temat negatywnego wpływu działalności
człowieka na środowisko naturalne, a w szczególności zmian klimatycznych związanych z
ocieplaniem się klimatu wskutek zwiększonej emisji gazów cieplarnianych, specjaliści
zwrócili uwagę na fakt, że oświetlenie odpowiada za 19% zużycia energii elektrycznej na
świecie. Sztuczne oświetlenie pojawiło się we wszystkich dziedzinach życia człowieka i jest
nieodłącznym elementem rozwoju cywilizacji.
Bez wątpienia najbardziej popularnym źródłem światła używanym do oświetlenia wnętrz jest
tradycyjna żarówka, która jest powszechnie stosowana w oświetleniu gospodarstw
domowych. Mimo faktu, że jest ona systematycznie wypierana przez inne, bardziej
energooszczędne źródła światła to w dalszym ciągu, co roku, w krajach europejskich
sprzedaje się ich ponad 2 mld. Skumulowana wartość energii zużywanej przez żarówki jest
znaczna. Szacuje się, że ich wymiana na bardziej efektywne źródła światła, tylko w
przypadku państw starego kontynentu, przyniosłaby oszczędności wynoszące ponad 3 mld
EUR rocznie oraz redukcję emisji CO2 o 20 milionów ton.
Żarówka tradycyjna
Mimo że od czasu, kiedy w roku 1879 Edison wynalazł żarówkę ze skrętką ze zwęglonego
włókna bambusowego, jej parametry znacznie się poprawiły, to z uwagi na zasadę jej
działania jest bardzo nieefektywnym źródłem światła. Żarówka w swojej podstawowej części
jest szczelną bańką szklaną zawierającą drut wolframowy, zwany potocznie żarnikiem lub
skrętką, który jest podgrzewany przez przepływający przez niego prąd elektryczny do
wysokiej temperatury. Im wyższa jest temperatura skrętki, tym więcej zostaje wyemitowanej
energii elektromagnetycznej, z której część stanowi promieniowanie widzialne, czyli światło.
Taki sposób emisji światła nazywamy temperaturowym wytwarzaniem światła
(inkadescencją). Niestety, jest to jednak sposób bardzo niedoskonały, bowiem jedynie kilka
procent energii elektrycznej jest zamieniona na światło. Pozostałe dziewięćdziesiąt kilka
procent jest zamienione na promieniowanie cieplne i straty przewodzenia. Równocześnie przy
temperaturze powyżej 33000C wolfram zaczyna parować. Skrętka staje się coraz cieńsza, aż
do momentu jej przepalenia. W konsekwencji trwałość tradycyjnej żarówki szacuje się na
około 1000 h świecenia.
Aspekty prawne
27 stycznia 1998 roku weszła w życie Dyrektywa Komisji 98/11/WE wykonująca dyrektywę
Rady 92/75/EWG w zakresie etykietowania energii lamp gospodarstwa domowego. Zgodnie z
ustawodawstwem Unii Europejskiej wszystkie źródła światła zasilane napięciem sieciowym i
przeznaczone do stosowania w gospodarstwie domowym podlegają obowiązkowej
kwalifikacji z uwagi na efektywność energetyczną.
Klasy energetyczne (klasy efektywności energetycznej) oznacza się literami od A do G.
Etykieta jest nadrukowana lub załączona do pojedynczego opakowania lampy. Klasy
energetyczne wyznacza się ze stosunku rocznego zużycia energii przez dane urządzenie do
standardowego zużycia energii przez tego typu urządzenia określonego odpowiednimi
przepisami. Klasą A oznacza się urządzenia najbardziej efektywne, a klasą G najmniej
efektywne.
Najpopularniejsza w Polsce żarówka 100 W emitująca 1360 lumenów światła posiada klasę
energetyczną E. Dla porównania - energooszczędna świetlówka kompaktowa świecąca tak
samo jasno i posiadająca klasę A może zużywać nie więcej niż 22,86 watów.
Rysunek nr 1 przedstawia wygląd etykiety energetycznej dla źródła światła. Oprócz klasy
efektywności energetycznej na etykiecie znajduje się informacja o strumieniu świetlnym
lampy, jej mocy i trwałości.
Przykładem nowoczesnych lamp żarowych są żarówki halogenowe, które dzięki
zastosowaniu regeneracyjnego cyklu halogenowego osiągają do 25% wyższą skuteczność
świetlną oraz 2-4 razy większą trwałość niż tradycyjne żarówki.
XY00 Lumen
XYZ Watt
XY00 h
Rys. 1. Etykieta energetyczna dla źródła światła
Postęp w dziedzinie technologii otworzył drzwi nowym koncepcjom oświetleniowym
podyktowanym między innymi przez trend idący w kierunku miniaturyzacji dłuższego okresu
użytkowania, efektywności i wytrzymałości. Tak powstały źródła LED. Znaczny wzrost
jakości diod świecących oraz wprowadzenie nowej optyki równoległej (kolimatory)
umożliwiło podniesienie efektywności całego systemu. Dotychczas oprawy LED były
stosowane przede wszystkim przy oświetleniu dekoracyjnym i orientacyjnym
(prowadzącym).Wraz z pojawieniem się zaawansowanej optyki równoległej oraz technologii
LED High Power Luxeon™, oprawy produkowane w nowej technologii umożliwiają
projektantom wypełnienie luki oświetlenia w przemyśle
Rozporządzenie Komisji (WE) nr 245/2009 z dnia 18 marca 2009 r. w sprawie wykonania
dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady odnosi się do wymogów
dotyczących ekoprojektu dla lamp fluorescencyjnych bez wbudowanego statecznika, dla lamp
wyładowczych dużej intensywności, a także dla stateczników i opraw oświetleniowych
służących do zasilania takich lamp. Uchyla ono dyrektywę 2000/55/WE Parlamentu
Europejskiego i Rady. Na potrzeby niniejszego rozporządzenia za istotne uważa się
następujące aspekty ekologiczne objętych nim produktów wykorzystujących energię:
a) pobór energii w stanie użytkowania;
b) zawartość rtęci w lampach.
Szacuje się, że w 2005 r. w całej wspólnocie roczne zużycie energii elektrycznej związane z
produktami, których dotyczy niniejsze rozporządzenie, wyniosło 200 TWh, co odpowiada
emisji 80 mln ton CO2, a jeżeli nie zostaną podjęte konkretne działania, wzrośnie ono do 260
TWh w 2020 r. Można jednak tego uniknąć, jak wynika z przeprowadzonych badań przygotowawczych, których dotyczy powyższe rozporządzenie.
Rys. 2. Harmonogram wycofywania żarówek przez firmę PHILIPS.
Perfekcyjne oświetlenie
LED są z natury “jasnym” źródłem światła tworzącym wiązkę o stosunkowo niewielkim
kącie bryłowym. Różnica pomiędzy oświetleniem standardowym i oświetleniem typu LED
została pokazana na rysunku poniżej.
Rys. 3. Zasada działania oświetlenia tradycyjnego i typu LED.
Wiadomo, że na całym świecie szuka się alternatywnych rozwiązań energetycznych.
Wywołane to jest przede wszystkim przez chęć redukcji zużycia energii, obniżenia kosztów
eksploatacji oraz poprawę efektywności. Przykładem jest tutaj wytwarzanie elektryczności za
pomocą odnawialnych źródeł energii, takich jak: wiatr, energia słoneczna, geotermiczna i
pływowa.
Zgodnie z Rozporządzeniem 245/2009 zaczęto sukcesywnie wycofywać nieefektywne
oświetlenie - to typu LED daje możliwość zmiany relacji między oświetleniem i jego
udziałem w kosztach eksploatacji, zużyciu energii i zmianami klimatycznymi. Ten optymizm
w przypadku diod LED związany jest z wysoką wydajnością zamiany energii elektrycznej w
światło, która nazywana jest skutecznością mierzoną w ilości lumenów na wat poboru mocy
elektrycznej.
Jedną z głównych przeszkód przy wdrażaniu oświetlenia LED są wysokie koszty początkowe
(jest to koszt pozorny) w porównaniu do początkowych kosztów oświetlenia innego typu
(nawet czterokrotne różnice). Chociaż nowoczesna teoria inwestowania mówi, że projekty
inwestycyjne o dodatniej wartości bieżącej netto (NPV) zwrotu powinny być podejmowane.
Klucz do polepszenia ekonomii lamp LED, a tym samym do przyspieszenia ich zastosowania
możemy zobaczyć na rysunku 4.
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Swietlówka
LED
Swietlówka
1.
rok
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
300
250
200
Świetlówka LED
150
Świetlówka zwykła
100
50
0
8.rok
Rys. 4. Różnica kosztów po 8 latach eksploatacji
Świetlówka
•
LED
•
Żywotność 50 tys. h
•
Koszt:
•
Świetlówka
•
Oprawa (bez dławika)
•
Energia
(50 tys. h x 8,3W x 0,33 PLN)
PLN
•
RAZEM:
Żywotność 10 tys. h (max)
150 PLN
20 PLN
Świetlówki (5 szt.)
40 PLN
Oprawy (2 szt.) 200 PLN
137 PLN
307 PLN
(50 tys. h x 25W x 0,33 PLN)
412
652 PLN
Pokazuje on krzywą kosztów cyklu życia LED w porównaniu do zwykłej oprawy, co
prowadzi do bardziej zdecydowanych przyjęć i wymiany starych lamp na nowe. Radykalna
poprawa efektywności zmniejsza zużycie energii. Zwiększając skuteczność można obniżyć
liczbę diod potrzebnych do wytworzenia wymaganego poziomu fotometrycznego na
powierzchnię docelową, a tym samym obniżyć koszty początkowe. Wreszcie zwiększenie
efektywności może znacznie wydłużyć żywotność lampy poprzez zmniejszenie wymaganego
natężenia, a zatem obniżenie temperatury złącza, która jest głównym czynnikiem
warunkującym czas życia lampy LED. Pojawienie się na rynku tak wielu produktów pseudo
LED (większość produktów znajduje się w supermarketach) nie ma nic wspólnego z
odpowiednim wykonaniem źródła LED i w bardzo znacznym stopniu psuje jego renomę z
uwagi na brak podstawowych zasad technicznych, które mają znaczący wpływ na żywotność
źródła. Aby obniżyć koszty produkcji, stosowane są amatorskie rozwiązania (np. spoty 48, 68
diod). Żywotność takiego źródła niekiedy nie jest nawet na poziomie zwykłej żarówki.
Należy zdać sobie sprawę z tego, że efektywność lamp LED w rzeczywistości składa się z
trzech odrębnych elementów:
1. Efektywności, z jaką elektrony są konwertowane na fotony i na fotometryczną jasność
źródła LED.
2. Efektywności, z jaką generowane światło jest kierowane z oprawy.
3. Efektywności, z jaką światło kierowane jest na obszar docelowy.
Oświetlenie typu HID nie jest z natury jasnym źródłem, ponieważ światło jest rozproszone i
skierowane w różnych kierunkach. Aby uzyskać jakąkolwiek kierunkowość, złożony układ
lustra musi być wykorzystany do pokierowania światła. Wytworzenie światła LED odbywa
się w niewielkim półprzewodnikowym złączu pn, z którego światło wydobywa się w jednym
kierunku. W ten sposób bardziej możliwe jest skupienie i skierowanie światła przez proces
kolimacji, czyli przetworzenia wiązki rozbieżnej w równoległą. Oświetlenia typu HID
stwarza problem z niedoświetleniem krawędzi jezdni oraz z nadmiernym oświetleniem
obszarów ulicy tuż pod lampą.
Technologia Aimed Optics™ dla wysokiej wydajności oświetlenia opiera się na zasadach
kolimacji. Wysoka jasność wykorzystywana jest przy użyciu kolimacji optyki do tworzenia
wąskich wiązek promieni. Przykład realizacji projektu zawierającego technologię Aimed
Optics™ pokazany jest na rysunku 5. Każda dioda LED wyposażona jest w optykę
kolimacyjną (a) w celu uzyskania pożądanych właściwości rozbieżności wiązki. Następnie
tworzona jest specjalna powierzchnia (b) mająca na celu określenie kierunku każdej z wiązek
światła lub grup wiązek.
(a)
(b)
(c)
(d)
Rys. 5. Realizacja technologii Aimed Optics™ z udziałem kolimacji (a), stworzenie
specjalnej kierującej powierzchni (b), budowa optycznego zespołu (c), końcowy efekt –
oprawa Cobra Head (d).
Wyższa skuteczność oznacza, że mniejsza ilość LED jest potrzebna do uzyskania
wydajności fotometrycznej, pozwala na uruchomienie diod LED przy użyciu prądu o niższym
napięciu: niższe natężenie prądu oznacza niższą temperaturę, co wiąże się z wydłużeniem
żywotności produktu i zmniejszeniem kosztów eksploatacji, takich jak koszty konserwacji
oraz generuje niższe koszty energii przez cały okres użytkowania lampy.
Istotą technologii Aimed Optics™ jest wykorzystanie precyzyjnego sterowania do kierowania
strumienia światła w dokładnie określone miejsce i nigdzie indziej. Ta precyzja znacznie
zmniejsza rozproszenie światła na boki (znane jako zakłócanie snu w nocy poprzez wpadanie
światła z lamp ulicznych przez okna). Rysunek 6 przedstawia konkretne rozwiązanie lampy
ulicznej. Inteligentne oświetlenie wprowadzi erę „właściwego oświetlenia”, gdzie światło
będzie mogło być dopasowane do warunków drogowych i atmosferycznych. Oprawy
EvoLucia pozwalają uzyskać wymagane oświetlenie, oszczędzić koszty energii i przedłużyć
żywotność lampy.
Rys. 6 Lampa uliczna.
“Właściwe oświetlenie” może być również stosowane czasowo. W trakcie zmierzchu lub o
świcie (od 20% do 30% przypadków) światło mogłoby być wyłączane. Poziom oświetlenia
mógłby być również obniżany podczas późnej nocy i wczesnym rankiem, szczególnie w
takich miejscach jak parkingi i garaże. Ponadto, takie urządzenia, jak kamery, czujniki i inne
urządzenia służące do pomiaru, mogą być dołączone.
Technologia LED CHIP SOLLS – najnowszym rozwiązaniem w lampach z zastosowaniem
źródeł światła LED jest CHIP. Najnowsze trendy w oświetleniu pokazują coraz więcej firm,
które stosują chipy.
Marka oświetlenia SOLLS jako jedna z pierwszych w Polsce zastosowała tego typu
rozwiązania w lampach ulicznych oraz w oświetleniu przemysłowym, które z szerokim
powodzeniem wdraża do wielu zakładów oraz fabryk.
Zdjęcie1. LED CHIP 100 W
Bezpośrednią przewagą tego typu rozwiązania jest przede wszystkim:
prosta konstrukcja obudowy,
minimalna liczba elementów konstrukcyjnych,
ilość połączeń lutowanych, która ogranicza się do kilku, co eliminuje ryzyko zimnych
lutów,
szybki i łatwy montaż każdego z elementów lampy – co nie czyni z takiej lampy
produktu jednorazowego użytku (często w lampach kilkudziesięcio - a nawet
kilkusetdiodowej naprawa przerasta koszt zakupu nowej),
kierunkowy rozsył strumienia ograniczany dobrze dobranym odbłyśnikiem,
doskonała optyka,
duża żywotność,
bardzo dobrze rozwiązany problem radiacji,
łatwość sterowania,
duża oszczędność energii ze względu na wysoką sprawność układu,
szeroki zakres temperatur barwowych.
Korzyści wynikające z zastosowania nowych technologii oświetlenia w przemyśle:
Zużycie energii niższe o 50-70%,
Ekologiczne – bez kosztów utylizacji odpadów niebezpiecznych (rtęci),
Bezpieczne – nietłukące, chłodne, bez efektu stroboskopowego (wzrok),
Mniejsze wymagania dla instalacji elektrycznej,
Żywotność 50 000 h (5-7 razy dłużej niż zwykłe świetlówki), a dla źródeł spot 20 000
h (10 razy dłużej),
Bardzo niska emisja ciepła,
Tanie w eksploatacji,
Obniżona emisja CO2.
Niestety, żeby nie było tak pięknie, są też i wady:
wyższa cena zakupu produktu,
zyski z zastosowania zależą od średniego czasu włączonego oświetlenia (im więcej
godzin na dobę, tym szybciej zwraca się inwestycja).
W Zakładach Azotowych „Puławy” SA występuje duże zróżnicowanie rodzajów i
zainstalowanych mocy źródeł światła. Łączna moc zainstalowanych opraw w obiektach
produkcyjnych (budynkach) wynosi 17 MW, natomiast sumaryczny koszt energii elektrycznej
wykorzystywanej do oświetlania miejsc pracy (bez kosztów eksploatacyjnych przeglądów,
wymiany opraw, elementów oraz źródeł światła) wynosi 1419840,00 PLN miesięcznie.
Szacuję, że po zastosowaniu źródeł LED oszczędności za energię rocznie będziemy mieli na
poziomie 8000000 zł. Jest to znaczna kwota i wynosi ok. 15% całego zużycia energii
elektrycznej ZAP. Musimy radykalnie zmienić podejście do energooszczędności, zwłaszcza z
uwagi na lawinowy wzrost cen energii elektrycznej i kar, które w niedługim czasie będziemy
płacić za emisję CO2.