Сравнительная оценка жизненного цикла источников света


PDF версия

Исследование предоставлено официальным представительством OSRAM в России и является авторизованным переводом с английского.

В марте 2007 года страны Европейского Союза приняли решение о сокращении на 20% выброса парниковых газов. В среднем, в мире до 20% потребления электричества приходится на освещение, а до сих пор 70% потребляемой мощности осветительных приборов приходится на неэффективные лампы накаливания. В связи с этим европейские законодатели приняли программу, рассчитанную на вывод из эксплуатации неэкономичных источников света до конца 2016 года. Но для этого лампам накаливания нужна экономичная альтернатива.

Фактически в этом амплуа могут выступать осветительные приборы двух типов — люминесцентные лампы и лампы на основе светоизлучающих диодов. Первые известны достаточно давно и получили широкое распространение, вторые перешли из области экспериментальных образцов в коммерческую сферу не более 10 лет назад. У каждого из типов осветительных приборов есть свои достоинства и недостатки; например, люминесцентные лампы практически не допускают регулировки яркости, дают свет не совсем естественного для глаза спектра и содержат вредные для здоровья вещества (например, ртуть), что серьёзно затрудняет их утилизацию. Кроме того, они требуют использования дополнительных по сравнению с лампами накаливания компонентов для обеспечения нормальной работы (пускорегулирующей аппаратуры — ПРА), а принцип действия люминесцентных ламп не позволяет создавать миниатюрные конструкции. При этом они обладают высоким (в 5—10 раз большим, чем у ламп накаливания) КПД и вдесятеро большим сроком службы. Светодиодные лампы, со своей стороны, ещё более долговечны, позволяют регулировать спектральный состав и яркость свечения и малочувствительны к процессам включения/выключения в отличие от всех остальных типов светильников. Кроме того, они не содержат ртути. В настоящее время КПД светодиодных светильников практически сравнялся с КПД люминесцентных ламп.

Однако для того, чтобы назвать какую-то технологию «зелёной», недостаточно того, что она обеспечивает малое энергопотребление во время работы. Необходимо исследовать весь жизненный цикл устройства на её основе — от изготовления до утилизации.

Целью данной работы было исследование и сравнительная оценка всех составляющих жизненного цикла трех типов источников света — ламп накаливания, компактных люминесцентных и светодиодных ламп.

Методика оценки

В данном исследовании была использована комбинация методов CML, разработанного Институтом наук об окружающей среде (Centrum voor Milieuwetenschappen), LCIA (Life Cycle Impact Assessment), разработанного в Лейденском университете, и некоторого количества ключевых параметров. В основе этой комбинации лежат принципы оценки жизненного цикла продукции, описанные в стандартах ISO 13040 и 14044. При этом сравнение производилось по ключевому параметру, в качестве которого было избрано потребление первичной энергии, а также по шести категориям вредных выбросов, влияющих на окружающую среду. Далее в работе описаны эти категории для сравнения.

Потребление первичной энергии

Потребление первичной энергии включает в себя энергию, потребляемую на всех стадиях жизненного цикла — производства, эксплуатации и утилизации.

Категории выбросов вредных веществ

В данном исследовании оценивались следующие шесть категорий загрязнений.

1. Загрязнения, способствующие глобальному потеплению

Суммарный показатель вклада в глобальное потепление, связанный с выбросом в атмосферу парниковых газов. Приводится в виде эквивалентного объёма выбросов CO2.

2. Кислотные загрязнения

Вызывают потери питательных веществ в экосистеме за счёт воздействия кислот, образующихся в атмосфере при взаимодействии водяного пара, оксидов серы (SO2) и азота (NO2). Приводятся к эквивалентному объёму выбросов SO2.

3. Загрязнения, вызывающие зарастание водоёмов

Вызывают бурный рост обычных и сине-зелёных водорослей, препятствующий нормальному размножению и развитию рыб и других обитателей воды. В основном эти загрязнения вызываются накоплением в природе растворимых соединений фосфора и азота (в частности, избыточным использованием удобрений или выбросами неочищенных сточных вод). Приводятся в виде эквивалентного количества фосфатов (PO43-).

4. Озоновое загрязнение

Если в верхних слоях атмосферы озон играет положительную роль, экранируя земную поверхность от вредного ультрафиолетового излучения, то в приземных слоях в высокой концентрации он ядовит для большинства живых организмов. Озон образуется при воздействии солнечного света на некоторые химические соединения, например, окиси углерода и азота, двуокись серы и некоторые органические соединения. Приводится в виде эквивалентного количества этилена.

5. Ядовитые для человека выбросы

Для человека ядами являются многочисленные органические и неорганические соединения, используемые в процессе производства, а также могущие возникать в процессе химических реакций при утилизации вышедшей из строя продукции. Для унификации здесь такие выбросы учитываются в пересчёте на эквивалентное количество 1,4-дихлорбензола.

6. Потребление невозобновляемых ресурсов

При производстве и эксплуатации потребляется некоторое количество невозобновляемых ресурсов, например, каменного или бурого угля и т.п. Для каждого типа ресурса степень важности его потребления зависит как от его распространённости в природе, так и от трудоёмкости извлечения. Оценивается в пересчёте на эквивалентное количество сурьмы.

Этапы жизненного цикла и условия сравнения

Любое изделие на протяжении жизненного цикла проходит через несколько стадий — производства исходных материалов, производства самого изделия, транспортировки до потребителя, использования и утилизации после выхода из строя, и на каждом из этих этапов происходит потребление энергии и образование вредных выбросов. Для сравнения было взято три основных типа источников света: лампа накаливания мощностью 40 Вт, компактная люминесцентная лампа DULUX Superstar мощностью 8 Вт и светодиодная лампа Parathom LED мощностью 8 Вт. Общей платформой для сравнения было значение светового потока, которое для этих ламп лежит в диапазоне 345—420 лм, цветовая температура 2700…3300К (тепло-белый свет), индекс цветопередачи ≥80% и стандартный цоколь Е27. За основу для оценки энергопотребления был взят временной период в 25 тыс. ч использования, что соответствует сроку службы светодиодных ламп Parathom Classic A и является наибольшим среди исследуемых типов светильников. Для обеспечения такого времени работы потребуется 2,5 люминесцентные лампы типа Dulux Superstar или 25 ламп накаливания Classic A, что будет учтено при расчёте общего энергопотребления и вредных выбросов.

Все исследуемые лампы состоят из трёх основных частей — цоколя, колбы и элементов заполнения колбы (которые, собственно, и обеспечивают свечение). Материалы и детали, используемые в этих узлах во всех типах ламп, приведены в таблице 1.

На рисунках 1, 2 и 3 показаны конструкции этих ламп. Стоит отметить, что светодиоды сами по себе являются сложными устройствами, требующими нескольких отдельных заводов для их изготовления. Процесс производства светодиодов можно разделить на два этапа — собственно производство полупроводниковых устройств и монтаж их в корпус. Первое осуществляется на заводе OSRAM Opto Semiconductors в Регенсбурге, а второе — на предприятии в Малайзии.

Производство п/п кристаллов размерами примерно 1×1 мм ведётся в чистых помещениях с концентрацией посторонних частиц размерами более 5 мкм не более 100 на кубический фут (для ориентира — в куб. футе обычного городского воздуха содержится порядка миллиона таких частиц). Формирование отдельных элементов структуры светодиода осуществляется осаждением вещества из паров органических соединений на специальную подложку в щели маски, образованной травлением засвеченного через шаблон светочувствительного покрытия. Пластина со сформированными полупроводниковыми устройствами затем доставляется в Малайзию, где производится её разделение на отдельные светодиоды и монтаж их в соответствующие корпуса, сопровождаемый контролем работоспособности и параметров, а также монтаж необходимых оптических компонентов (линз и светорассеивателей).

Что касается исходных данных о производстве других типов ламп, то данные об этом получены из оригинальных материалов, предоставленных OSRAM, а также (в части сведений о производстве исходных материалов и компонентов) из баз данных GaB (Data Set PE International), Ecoinvent (Swiss Centre for Life Cycle Inventories) и другой специальной литературы.

Стоит отметить, что, несмотря на то, что европейскими законами (и законами других стран) предусматривается обязательная переработка вышедших из строя люминесцентных и светодиодных ламп, многие частные владельцы просто выбрасывают такие лампы на свалку, что учитывалось при оценке.

Рис. 1. Традиционная лампа накаливания

 

Рис. 2. Компактная люминесцентная лампа OSRAM Dulux Superstar
Рис. 3. Светодиодная лампа Parathorm Classic A производства OSRAM

Табл. 1. Компоненты и материалы светильников

Тип лампы

Накаливания

Люминесцентная

Светодиодная

Цоколь

– Припой

– Металлическая оболочка с резьбой

– Изолятор

– Связующее вещество

– Электрический контакт

– Связующее вещество

– Держатели (верхний и нижний)

– Клей

– Изолятор

– Металлическая оболочка с резьбой

– Припой

– Электронный балласт

– Изолятор

– Контактная плата

– Пластиковая втулка

– Алюминиевая пластина

– Электронный балласт

Колба

Стекло

Стекло

– Материал для колб

– Радиатор

Элементы заполнения

– Газопоглотитель

– Нить накала

– Проволока (поддерживающая нить и подводящая ток к нити)

– Стеклянная стойка для фиксации др. элементов

– Горючий материал для удаления кислорода

– Заполняющий газ

– Люминесцентное покрытие

– Электродная система (спиральные электроды, держатели из пористого стекла, провода, эмиссионный материал, ртутные накопители и т.п.)

– Стеклянная трубка

– 6 светодиодов Golden Dragon Plus

Результаты оценки

Суммарные затраты энергии на производство трёх типов ламп (в пересчёте на суммарный срок службы в 25 тыс. ч) показаны на рисунке 4. Здесь стоит отметить интересный факт, что для светодиодных ламп доля энергозатрат на производство собственно светодиодов составляет примерно 30%, причём полупроводниковый компонент требует примерно половины этой доли, а остаток приходится на материалы и процессы корпусирования. На диаграмме, показанной на рисунке 5 и отображающей потребление энергии на обоих этапах жизненного цикла, используются две шкалы, десятикратно отличающиеся масштабами. Фактически, как видно из представленных цифр, энергозатраты на производство не превышают 2% от общих энергозатрат.

Рис. 4. Энергозатраты на производство ламп различных типов

Рис. 5. Общее энергопотребление на производство и эксплуатацию

На рисунке не отображены энергозатраты на утилизацию, так как их доля не превышает 0,2%.

Рассмотрим теперь оценки для вредных выбросов в соответствии с описанной ранее классификацией.

1. Выброс парниковых газов

Результирующая диаграмма представлена на рисунке 6. В наибольшей степени образование парниковых газов вызывается процессами получения электроэнергии, а наиболее затратными в этом плане для ламп накаливания является получение алюминия для цоколей и стекла для колб, для люминесцентных — стеклянных элементов конструкции компонентов электронного балласта, а для светодиодных ламп — получение алюминия для радиатора и компонентов электронного балласта.

Рис. 6. Выбросы, способствующие глобальному потеплению

2. Кислотные загрязнения

Представлены на рисунке 7. При производстве светодиодных ламп образуется существенно больше кислотных загрязнений, чем для двух других, что связано с широким использованием кислот в процессе их производства. Однако в любом случае эти выбросы составляют мизерную долю от загрязнений этого типа, возникающих при производстве энергии для этапа эксплуатации светиль-
ников.

Рис. 7. Кислотные загрязнения

3. Загрязнения, вызывающие зарастание водоёмов

Этот тип загрязнений представлен на диаграмме на рисунке 8. Химические процессы, используемые в процессе производства, а также процессы транспортировки являются источником большого количества таких загрязнений, что стало причиной того, что лампы накаливания имеют наихудшие характеристики по этому показателю. А так как производство энергии также даёт определённое количество такого рода загрязнений, то наименее экономичные лампы накаливания оказались на первом месте и на этом этапе жизненного цикла.

Рис. 8. Выбросы, способствующие зарастанию водоёмов

4. Озоновое загрязнение

Количество таких загрязнений показано на рисунке 9. Здесь наибольшее количество отходов даёт производство светодиодных ламп, хотя и здесь доля загрязнений при производстве не превышает 2,5% от загрязнений за весь жизненный цикл.

Рис. 9. Выбросы, способствующие образованию озона

5. Токсичные для человека отходы

Представлены на диаграмме на рисунке 10. На этапе производства наихудшие показатели здесь у светодиодных ламп, так как полупроводниковое производство даёт довольно большое количество таких отходов. Кроме того, только для этого типа загрязнений доля отходов, вырабатываемых в процессе производства, может составлять до 10% от общего их количества за весь жизненный цикл ламп.

Рис. 10. Выбросы ядовитых веществ

6. И, наконец, потребление невозобновимых минеральных ресурсов

Так как производство и эксплуатация ламп накаливания требует наибольшего количества энергии, то и по этому показателю они являются наихудшими, что отражено на рисунке 11.

Рис. 11. Расход минеральных ресурсов

Этап утилизации

Простейшим способом утилизации мусора (если не считать захоронения на свалках, что для ламп неприемлемо ввиду большого содержания ядовитых веществ) является его сжигание. При этом получается заметное количество тепла, которое может быть преобразовано в энергию. Однако для ламп такой метод утилизации даёт не более 0,1% от потреблённой на предыдущих этапах энергии, а из-за наличия в люминесцентных и светодиодных лампах большого числа электронных компонентов, а в люминесцентных — ещё и ртути, их сжигание ведёт к образованию большого количества вредных летучих или растворимых химических соединений, что заставляет использовать дорогостоящие системы очистки. Мало того, при таком способе утилизации теряется большое количество ценных материалов, использованных в их конструкции, например, алюминия из радиаторов, меди и латуни из контактов, стекла колб. Поэтому директивы ЕС требуют переработки вышедших из строя люминесцентных и светодиодных ламп отдельно от обычного бытового мусора, при которой производится извлечение этих материалов и сжигание остатков после такой переработки. Эта работа может быть выполнена только на специализированных предприятиях и является довольно энергозатратной, хотя и позволяет снизить как количество токсичных для человека отходов, так и потери минеральных ресурсов.

Стоит отметить, что до сих пор энергозатраты на производство рассчитывались без учёта отбраковки при производстве, что в принципе невозможно. Практика показывает, что выход годных компонентов при производстве светодиодов может составлять около 40%, а при корпусировании годных светодиодов — 80%. Это увеличивает реальное энергопотребление примерно на 2,7 кВт·ч, а полные энергозатраты на производство — до 12,6 кВт·ч.

Стоит отметить ещё один момент. Высокое тепловыделение ламп накаливания позволяет добиться некоторой экономии на отоплении. Однако даже если считать, что лампа накаливания горит в те дни, когда требуется дополнительное отопление, её нагрев позволяет за 25 тыс. ч использования сэкономить всего 17 кг выбросов двуокиси углерода, что пренебрежимо мало по сравнению с тем количеством CO2, которое будет выработано при получении необходимой электроэнергии. Мало того, при высокой температуре воздуха может потребоваться дополнительная энергия на его охлаждение.

Заключение и выводы

Современные светодиодные лампы практически сравнялись с люминесцентными как по эффективности использования электроэнергии, так и по величине загрязнений окружающей среды. При этом на процесс производства приходится менее 2% от общего энергопотребления за весь период жизненного цикла светильников. Более того, последние исследования в области создания светодиодов показывают, что в ближайшее время светоотдача их может быть увеличена примерно в два раза, что при сохранении величины светового потока позволит не только уменьшить потребляемую мощность, но и сократить количество вредных выбросов за счёт упрощения теплоотводящей системы и конструкции светодиодной лампы. Таким образом, рассеивается широко распространённое заблуждение о крайне высокой энергоёмкости производства светодиодов, что якобы делает их неконкурентоспособными по сравнению с люминесцентными лампами.

Что же до сравнения с лампами накаливания, то замена их люминесцентными или светодиодными лампами позволяет сэкономить более 2 500 кВт·ч первичной энергии за оцениваемый период, что составляет более 80% от потребления ламп накаливания. Мало того, экономичные лампы оказываются ещё и более эффективными и с точки зрения уменьшения загрязнения окружающей среды. А развитие технологии светодиодных ламп делает именно их наиболее перспективными источниками света.

Эрмин Машурян

С отличием закончил МИРЭА по специальности «Радиотехника», во время учёбы участвовал в НИР, в т.ч. базовой кафедры при НИИ Приборостроения. Затем работал в СКБ «Темп»
Московского радиозавода; был директором филиала при НПО «Химавтоматика» в Центре НТТМ «Москворечье»; руководил компьютерной службой в ООО «Компания Новенка»; с 2000 по 2003 гг. — сотрудник отдела закупок ООО «Формоза»; постоянный автор, менеджер по информационным технологиям и научный редактор медиагруппы «Электроника»; занимается переводом книг по радиоэлектронике и физике.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *