Планета светодиодов: цена промедления
Автор сравнивает прогнозируемое развитие, предусматривающее полный переход на светодиодное освещение в 2025 году, с гипотетическим сценарием, при котором переход произойдет прямо сейчас.
Сегодня в освещении доминируют светодиоды. Они эффективны, и производители понимают, как их применять в различных системах освещения. Хотя эффективность использования энергии достаточно хорошо изучена, влияние интенсивности внедрения обсуждается редко.
Автор настоящей статьи не будет углубляться в технические детали, а скорее даст представление о важности предмета, используя гипотетический сценарий: что если по мановению руки мы заменим все имеющееся освещение светодиодным?
Общеизвестно, что светодиоды помогают экономить энергию, и сегодня продолжается дискуссия об их влиянии на отрасль. Проблемы экономики замкнутого цикла становятся все более актуальными, и в настоящее время специалисты обсуждают проблемы потребления ресурсов всей отраслью.
Но вопрос заключается в том, что же нужно для замены всех светильников, имеющихся в мире, современными светодиодами? Как изготовить такие светодиоды и каков будет результат? Можно ли что-то сделать в светотехнической отрасли и есть ли в этом смысл?
Продолжая краткий анализ, начатый в статье прошлого года, данная публикация рассматривает эти вопросы несколько шире, используя аналогичный подход. Собирая информацию и гипотезы из разных доступных источников, можно дать первый, весьма схематичный ответ. Цель состоит в том, чтобы понять, какие возможности дает нам будущее. Во многих случаях для получения порядка величин используются оценка Ферми и приближение «сферического коня в вакууме».
О цели
Цель состоит в том, чтобы оценить влияние условного сценария: если бы мы «переключили» весь мир на современные энергоэффективные светодиоды, это бы изменило ситуацию (рис. 1)?
Рис. 1. Прогнозируемый вид земли при полном переходе на светодиодное освещение
Какие трудности нас ждут впереди? Что нужно для изготовления светодиодного светильника? И что следует делать со всеми замененными осветительными приборами? Если вы задумаетесь об этом, то сильно удивитесь, сравнив ситуацию с обычным ростом доли светодиодного освещения, происходящим в настоящее время.
Кстати, по США есть большое количество общедоступных данных, поэтому «модельный мир» здесь - мир, в котором расходы на освещение относительно величины ВВП такие же, как в США (25,89%) . Весь мир соответствует примерно четырехкратному размеру сведений по США. (Во всех случаях данные были дважды сопоставлены с данными ЕС и Китая.)
Мировая статистика
Здесь и далее показана оценка общего количества светильников, требующих замены, и приводятся интересные цифры.
По имеющимся тщательно изученным данным, энергозатраты на освещение составляют лишь 14% от потребления электроэнергии в домах, 22% — в коммерческих и 7% — в производственных помещениях. В среднем же в 2016 году на освещение ушло 14% электроэнергии.
Различные источники отмечают, что в 2016 году в мире на электричество израсходовано 22 000 ТВт∗ч энергии. На долю освещения, составившую 14%, пришлось 3080 ТВт∗ч, что примерно соответствует электроэнергии, произведенной всем Европейским союзом.
Если с помощью уравнения (1) вычислить в джоулях энергию, потраченную за 2016 год, то из 3080 ТВт∗ч получим 11 ЭДж. Преобразовав это значение с помощью уравнения (2), получим, что в 2016 году средняя мощность, выделяемая на освещение, составляла 300 ГВт.
Уравнения:3080 ТВт∗ч [ТДж∗ч/с] х 3600 с [3600 с/ч] = 11 ЭДж (1)
1 ЭДж (эксаджоулей)= 11∗1018 Дж
Р= 11ЭДж / (π∗107) = 0,ЗТВт, (2)
где π∗107 — это приблизительное число секунд в году.
О сегодняшней эффективности наших светильников
Действующие сегодня источники света классифицируются по типам используемых технологий.
На основе измеренных значений можно рассчитать средневзвешенную эффективность таких осветительных приборов в единицах лм/Вт. Используя данные Caliper для светодиодных светильников и техническую информацию различных изготовителей, мы получаем в качестве среднемирового показателя средневзвешенное значение 38 лм/Вт. Светодиоды, газоразрядные и люминесцентные лампы в основном превышают этот показатель, а лампы накаливания и галогенные лампы имеют более низкую светоотдачу (рис. 2).
Рис. 2. Доли разных типов технологий в освещении всего мира (данные за 2016 год, прогнозируемые до 2017 года)
В том же отчете общее количество светильников в мире оценивается приблизительно в 30 млрд штук. Умножив количество ламп на эффективность и сделав вычисления по формуле (3), получим впечатляющее число - 11 Тлюмен.
300 ГВт∗38 = 11 Тлм . (3)
1 Тлюмен = 1012 Люмен
Расчеты показывают, что средний осветительный прибор потребляет 10 Вт и производит 380 лм. Мощность кажется небольшой, но порядок величин огромен, и световой поток представляется верным, учитывая значительную долю галогенных ламп, КЛЛ и ламп накаливания.
Производство светодиодных светильников
Если принять во внимание мировую статистику имеющихся осветительных приборов, а это 30 млрд единиц, возникает вопрос: если бы мы заменили их все, каков был бы результат?
В 2013 году NEMA опубликовала отчет, в котором проанализирован объем выброса углерода нескольких световых приборов. Любопытный вывод этого исследования заключен в том, что загрязнение углеродом происходит в основном из-за четырех компонентов: балласта (драйвера), радиатора (А1), материала для заливки цоколя и самих светодиодов.
В полупроводниковой и электронной промышленности используется большое количество энергии и воды, и, как показывает отчет NEMA, общий объем выброса углерода и стоимость энергии для производства светодиодных устройств примерно в два раза выше, чем у обычных светильников.
Если для всех 30 млрд светильников рассчитать относительную долю энергии, необходимую для их изготовления, окажется, что для производства 86% заменяемых «не светодиодных» светильников понадобятся довольно приличные энергозатраты.
Сколько энергии требуется для производства светодиодного светильника? К сожалению, точных данных нет. Поэтому был сделан теоретический расчет, основанный на некоторых предположениях и опубликованных данных о производстве ноутбуков, но будет гораздо лучше, если компании-изготовители предоставят более точные цифры.
Светодиодный светильник не имеет аккумуляторной батареи, экрана и т. д., его электроника проще, при этом в ноутбуке больше печатных плат, датчиков, контроллеров, средств связи и других компонентов.
В научной статье «Economic-balance hybrid LCA extended with uncertainty analysis: case study of a laptop computer» («Экономически сбалансированная гибридная оценка жизненного цикла, расширенная с помощью анализа неопределенности: разбор на примере ноутбука») авторы пришли к следующему выводу: «Результаты показывают, что для производства компьютера требуется 3010-4340 МДж первичной энергии». И с учетом того, что в светодиодных светильниках нет экрана и батареи, электроника довольно простая, было сделано предположение о том, что для производства светильника требуется 1/10 от этого значения. Кроме того, для расчета использовалось самое низкое значение потребления энергии из приведенных в исследовании, что привело к результату 300 МДж.
Чтобы представить порядок величин, поясним, что 300 МДж равно 83 кВт, или эквивалентно $10 за электроэнергию в США. Для замены всех светильников потребуется 172 ГВт энергии; это много для одного года!
Экономика замкнутого цикла: утилизация светильников
Для того чтобы увидеть полную картину, важно обратить внимание и на старые светильники. В выбранном сценарии весь мир освещается светодиодами. Поэтому все светильники, исключая светодиодные с возможностью замены светодиодов, должны быть заменены. Дискуссия о проблеме замены элементов светодиодных светильников ведется, но эффективных решений пока еще мало.
Впрочем, это упрощает расчет, поскольку срок службы любого светильника можно проигнорировать.
Применив тот же принцип «сферического коня в вакууме», можно подсчитать: в мире имеется около 30 млрд «светоточек».
Если обратиться к специальной литературе, то данные о масштабах утилизации сильно различаются. Наша гипотеза состоит в том, чтобы просто использовать «коэффициент рециркуляции» - долю нашей новой установленной базы, - который показывает количество перерабатываемых старых материалов. Исследование показывает, что в настоящее время перерабатывается 20-40% электронных отходов.
Даже если предположить, что надлежащая переработка проходит с коэффициентом рециркуляции 40%, все же остается значительное количество отходов. Хотя данный вопрос вызвал много споров между специалистами, поскольку сравниваются сценарии «одномоментного изменения» и «сохранения текущего тренда», в обоих случаях итог будет одинаковым, за исключением того, что появятся новые способы борьбы с отходами, произведенными в будущем. Тогда, возможно, второй сценарий может измениться.
Экономия энергии
Последнее поколение светильников 2017 года превышает 100 лм/Вт для всего спектра применений, при этом эффективность продолжает увеличиваться. Стоит упомянуть, что это весьма осторожная оценка. На рис. 3 приведено сравнение двух сценариев: «одномоментное изменение» и «сохранение текущего тренда» с предположением об изменении +10% в год, что во втором сценарии приводит к полной замене светильников в 2025-м.
Обсуждение
Как видно на рис. 3, первоначальная себестоимость делает сценарий «одномоментного изменения» более затратным с точки зрения энергии в первый год. Однако эта ситуация очень быстро меняется.
Рис. 3. Сравнение гипотетического сценария «одномоментного изменения» и «сохранения текущего тренда». Обратите внимание, что цифры большие, но плато синей кривой составляет примерно 13 ГВт, а срок службы игнорируется
Самое поразительное значение - ежегодная разница в мощности. В первый год из-за замены всех светильников первый сценарий показывает отрицательную энергетическую выгоду. Однако расходы полностью покрываются на следующий год, когда согласно данному сценарию уже можно сберечь 200 ГВт энергии. С этого момента сценарий «сохранение текущего тренда» по показателям постепенно догоняет первый вариант. Во всяком случае, с годами экономия электроэнергии резко возрастает.
С чем можно сравнить сэкономленные 200 ГВт?
Величина 200 ГВт в 40 раз превышает производство энергии крупнейшей угольной электростанции в мире и примерно равно мощности 200 ядерных реакторов. Это должно дать некоторое представление о полезности такого шага. Ранний переход на энергоэффективные источники света, даже учитывая важные издержки производства, приносит пользу.
Цена промедления
«Цена промедления» еще важнее, по-скольку это совокупная разница между «одномоментным изменением» и «сохранением текущего тренда». Реальность, безусловно, будет находиться где-то между обоими сценариями. Однако этот экстремальный теоретический случай привел бы к кумулятивной экономии примерно в 1 ТВт, что составляет около четверти общего потребления энергии (и не только электроэнергии) в США, включая автомобили и уголь. Промедление - просто пустая трата энергии в очень больших масштабах.
Как приблизиться к невозможному
Самые большие затраты, которые бы потребовались, - это расходы на производство. Если принять очень грубую гипотезу, описанную выше, то можно подсчитать, что около 60% сэкономленной светодиодным светильником энергии расходуется на его производство. Новые процессы будут оказывать непосредственное влияние на этот процесс. Стоимость утилизации известна, переработка старых деталей приводит к прямому изменению прибыли, поскольку расходы энергии, приходящиеся на один светильник, снижаются.
О гипотезе
В докладе, опубликованном в прошлом году, Министерство энергетики США заявляет: «Снижение потребления энергии на освещение на 75% в 2035 году представляет собой еще больший потенциал, когда рассматривается суммарное сбережение. С 2015 по 2035 год общая экономия энергии на 62 квад(1 квад=293 071 ГВт∗ч) возможна, если будет достигнута цель программы DOE SSL в области эффективности светодиодов и связанного с ними освещения, что эквивалентно экономии почти $630 млрд на электроэнергию». Таким образом, похоже, что обсуждаемая гипотеза была на самом деле довольно консервативной.
О сроке службы светодиодов
Расчет срока службы для заданного периода между 2017 и 2025 годами с режимом эксплуатации 12/24 ч составляет 35 000 ч. Уже существуют светильники с более длительным сроком службы, составляющим 50 000 ч и выше, поэтому можно достаточно долго не беспокоиться о них. В любом случае, в сценарии «одномоментного изменения» (синяя кривая) расчеты учитывают 1% отказов в год. С учетом столь продолжительного срока службы результаты становятся еще более определенными.
Заключение
Внесет ли агрессивная замена всех источников освещения на светодиоды позитивный вклад в общую картину? Да, но что еще? Если развивающиеся страны все еще наращивают свою энергосистему, они, вероятно, должны первыми вкладывать средства в светодиоды. В более общем плане, если отрасль дает решение, не было бы лучше применить его как можно скорее? Очень вероятно, что да.
ИсточникЖурнал «Полупроводниковая светотехника» 2018
- Комментарии
