Сегодня светодиоды доминируют в сфере освещения. Они отличаются высокой эффективностью, и производители знают, как использовать их для решения различных задач. В то время как вопрос энергоэффективности светодиодов хорошо изучен, темпы их внедрения обсуждаются редко. В этой статье Бенуа Батайу, специалист из компании Pi Lighting, занимающейся разработкой светодиодных решений, оценивает последствия полного перехода на светодиодное освещение для окружающей среды с учетом того, что такой переход приведет к значительной экономии энергии. Батайу рассматривает гипотетический сценарий мгновенного перехода и традиционный сценарий, согласно которому полный переход на светодиодное освещение должен завершиться к 2025 году.
Вид на Землю из космоса после перехода на светодиодное освещение (источник: «Викисклад»)
В этой статье не обсуждаются какие-либо технические тонкости. Она, скорее, носит популярный характер и посвящена вопросу о том, что произойдет, если вдруг все источники света в мире мгновенно станут светодиодными.
Общеизвестно, что применение светодиодов помогает экономить энергию, но также утверждается и об их влиянии на производство. Концепция экономики замкнутого цикла приобретает всё большую популярность, а по поводу влияния производственного сектора на окружающую среду ведутся ожесточенные споры, причем результаты соответствующих исследований могут сильно различаться в зависимости от того, кто их проводил.
Однако вопрос заключается вот в чем: во что обойдется замена всех осветительных приборов в мире используемыми сегодня светодиодными светильниками? Как производить все эти светильники и что получится в результате? И если есть что-то, что можно сделать с индустрией освещения, то насколько это важно?
В опубликованной в прошлом году статье [1] уже проводился краткий анализ на эту тему. Здесь мы продолжим ее обсуждение с использованием того же самого подхода. Приблизительный ответ можно получить на основе информации и различных гипотез из нескольких доступных источников. Прежде всего необходимо понять, что нас ждет впереди. Во многих таких случаях метод оценки Ферми и концепция «сферического коня в вакууме» [2] используются для определения порядка величины [3].
О цели
Наша задача — оценить возможные последствия условного сценария: что изменится, если перевести весь мир на светодиодные светильники с такой же эффективностью, как у используемых сегодня? Какие на этот счет есть идеи?
С какими трудностями мы столкнемся? Что нужно для изготовления светодиодного светильника? Что делать со старыми осветительными приборами? Давайте попробуем оценить, насколько будут различаться последствия одномоментной замены и постепенного нарастания доли светодиодных светильников, которое имеет место в настоящее время.
Следует отметить, что, поскольку значительная часть общедоступных данных относится к США, мы будем считать, что все объемы, величины расхода энергии и затраты пропорциональны вкладу США в мировой ВВП (25,89% [4]). США дает примерно четверть необходимых для понимания общей картины данных. В каждом случае они сопоставлялись с данными по ЕС и Китаю (при наличии таковых).
Мировая статистика
В этом разделе оценивается общее число светильников, которые необходимо заменить, а также приводятся некоторые другие интересные цифры.
Как показывает тщательный подсчет, на освещение тратится всего 14% энергии, потребляемой в жилых домах, 22% энергии, потребляемой на коммерческих объектах, и 7% энергии, потребляемой на производственных предприятиях. С учетом данных по общему количеству израсходованной энергии, средняя доля энергии, потраченной на освещение в 2016 году, составила 14%.
Согласно разным источникам [5, 6], в том же году на выработку электричества ушла энергия в объеме 22 тыс. ТВт×ч. Это означает, что на освещение в 2016 году была потрачена электроэнергия в объеме 3080 ТВт×ч, то есть почти такое же ее количество, какое производит весь Европейский Союз [7].
Пересчет 3080 ТВт×ч в джоули по формуле (1) дает 11 эксаджоулей (106 ТДж). Преобразуя эту величину в ватты по формуле (2), получаем, что в 2016 году средняя мощность потребления энергии на освещение достигла 300 ГВт.
![Рисунок 2. Количество используемых в мире светильников разных типов (данные за 2016 год, прогноз на 2017 год взят из работы [8])](/upload/medialibrary/54b/2.jpg "Рисунок 2. Количество используемых в мире светильников разных типов (данные за 2016 год, прогноз на 2017 год взят из работы [8])")
Рисунок 2. Количество используемых в мире светильников разных типов (данные за 2016 год, прогноз на 2017 год взят из работы [8])
Уравнения:
3080 ТВт×ч [ТДж×ч/с]×3600 с [3600 с/ч] = 11 эксаджоулей (1 ЭДж = 106 ТДж) (1)
P = 11 ЭДж/(0,5p×107) = 0,3 ТВт, (2)
где 0,5p×107 — приблизительное количество секунд в году.
300 ГВт×38 = 11 тералюменов (3)
Об эффективности используемых в наши дни светильников
Источники освещения, используемые во всех секторах экономики на данный момент [8], можно классифицировать по принципу работы.
Измеренные значения эффективности позволяют рассчитать средневзвешенную эффективность для группы соответствующих технологий освещения в лм/Вт. Воспользовавшись данными от Caliper [9] для светодиодных светильников и спецификациями на осветительные приборы различных производителей, мы получили, что средневзвешенная эффективность всех применяемых в настоящий момент в мире технологий освещения составляет 38 лм/Вт. При этом наибольший вклад в ее величину вносят светодиодные лампы, газоразрядные лампы высокой интенсивности и люминесцентные лампы, а лампы накаливания и галогенные лампы, наоборот, снижают средневзвешенную эффективность.
Согласно тому же отчету, в мире, по грубым оценкам, введено в эксплуатацию около 30 млрд осветительных приборов. Умножение количества ламп на эффективность в соответствии с формулой (3) дает невероятную цифру в 11 тералюменов.
Как показывают вышеприведенные расчеты, каждый осветительный прибор в среднем потребляет мощность 10 Вт и генерирует световой поток 380 лм. Мощность получилась довольно низкой, однако порядок величины огромен, а значение светового потока выглядит правдоподобным с учетом широкого распространения галогенных ламп/компактных люминесцентных ламп/ламп накаливания.
Производство светодиодных светильников
Если в мире, по статистике, эксплуатируется 30 млрд светильников, то к чему приведет их замена?
В 2013 году NEMA опубликовала отчет, в котором анализировался углеродный след нескольких светильников. Интересно, что, как показало исследование, основной вклад в величину углеродного следа вносят следующие четыре компонента: балласт (пусковое устройство), радиатор (алюминиевый), компаунд в цоколе лампы и сами светодиоды.
Полупроводниковая и электронная промышленность потребляют большое количество воды и энергии, и, как видно из отчета NEMA, светодиодные осветительные приборы примерно вдвое превосходят обычные по общему углеродному следу и затратам энергии на изготовление.
Производство 30 млрд светильников требует соответствующих затрат энергии, и в данный момент немалое ее количество приходится тратить на изготовление недостающих 86% «несветодиодных» светильников.
Сколько энергии уходит на изготовление светодиодного светильника? К сожалению, точные данные на этот счет отсутствуют. Поэтому теоретические расчеты были с некоторыми допущениями произведены на основе опубликованных данных по производству ноутбуков, однако мы будет рады, если производители светодиодных светильников укажут нам более точные цифры.
Светодиодные светильники, как правило, не имеют ни батареи, ни светофильтров, ни чего бы то ни было подобного, и их электроника в целом проще, однако для подключения датчиков, интеллектуального управления освещением, обеспечения связи и реализации новых функций постоянно требуется всё больше и больше печатных плат.
Авторы исследовательской работы «Economic-balance hybrid LCA extended with uncertainty analysis: case study of a laptop computer» [11] утверждают, что «на изготовление компьютера требуется 3010‒4340 МДж первичной энергии». Поскольку светодиодные светильники обычно не имеют ни светофильтров, ни батареи и снабжаются куда более простой электроникой, было сделано предположение, что на производство одного такого светильника необходимо в 10 раз меньше энергии. В результате расчетов, для проведения которых использовалась более низкая величина расхода энергии, указанная в вышеупомянутой работе, было получено значение в 300 МДж.
Для наглядности отметим, что 300 МДж равны 83 кВт×ч. С учетом стоимости электроэнергии в США эта величина эквивалентна 10 долларам. Чтобы заменить все светильники, потребовалось бы 172 ГВт энергии, а это очень много для одного года!
Экономика замкнутого цикла — утилизация светильников
Для оценки всей картины в целом не следует упускать из внимания и старые светильники. Согласно выбранному сценарию, весь мир должен освещаться светодиодами. Поэтому придется менять все осветительные приборы, за исключением светодиодных светильников, которые допускают замену светодиодов. Необходимость в сменных компонентах вызывает серьезные споры среди специалистов по светодиодному освещению, однако соответствующих решений разработано крайне мало. Этот факт упрощает расчеты, поскольку позволяет не учитывать срок службы любого уже установленного устройства.
Если рассматривать ту же самую концепцию «сферического коня в вакууме», то в мире на данный момент имеется 30 млрд источников света.
Что касается масштабной переработки, в литературе приведены сильно различающиеся данные. Мы предлагаем просто ввести в рассмотрение «коэффициент повторного использования», выражающий процентную долю элементов новой базы, изготовленных из переработанных старых материалов. Согласно результатам исследования, в настоящее время перерабатывается от 20 до 40% электронных отходов [12].
Даже при эффективной переработке с коэффициентом повторного использования в 40% по-прежнему остается много отходов. Хотя по вопросу отходов между авторами данной статьи возникло множество споров, поскольку они сравнивали сценарии «заменить все светильники прямо сейчас» и «предоставить событиям развиваться своим чередом», количество отходов в обоих случаях будет одинаковым, все различия ограничатся лишь новыми способами переработки отходов, которые начнут появляться в дальнейшем. Тогда, возможно, изменится и второй сценарий.
Экономия энергии
Световая отдача последнего поколения светильников 2017 года уже превышает 100 лм/Вт по всему спектру областей применения и продолжает увеличиваться. Следует отметить, что это крайне выверенная оценка. На рисунке 3 проиллюстрировано сравнение сценариев «заменить все светильники прямо сейчас» и «предоставить событиям развиваться своим чередом». С учетом того что во второй сценарий заложен прирост на 10% в год, полный переход на светодиодное освещение должен завершиться самое позднее к 2025 году.
Обсуждение
Как видно из рисунка 3, первоначальные производственные затраты делают сценарий «заменить все светильники прямо сейчас» хуже в плане энергетического баланса в первый год. Однако ситуация очень быстро меняется.
Больше всего впечатляет разница между показателями за год. Сценарий «заменить все светильники прямо сейчас» выглядит крайне проигрышным с точки затрат энергии в первый год. Тем не менее уже в следующем году он позволяет покрыть все эти затраты, сэкономив мощность в объеме 200 ГВт. При этом сценарий «предоставить событиям развиваться своим чередом» постепенно приближается к нему по расходам энергии на всем рассматриваемом временном отрезке. Количество сэкономленной энергии в любом случае значительно увеличивается с годами.
Рисунок 3. Сравнение гипотетического сценария, предполагающего одномоментную замену всех светильников на светодиодные, с постепенным переходом на светодиодные светильники. Обратите внимание, что абсолютные значения очень велики, но, если исключить из рассмотрения срок службы, синяя кривая становится горизонтальной, когда потребляемая мощность снижается примерно до 13 ГВт
Насколько существенна экономия в 200 ГВт?
Величина в 200 ГВт в четыре раза превышает выработку самой крупной угольной электростанции в мире [13] и примерно равна мощности 200 ядерных реакторов. Проведение подобных параллелей должно помочь осознать всю пользу такого шага. Чем раньше внедряются энергоэффективные источники, тем существеннее выгода даже при высоких производственных затратах.
Цена ожидания
«Цена ожидания» еще важнее, поскольку она отражает накапливающиеся различия между сценарием «заменить все светильники прямо сейчас» и «предоставить событиям развиваться своим чередом». В реальности, вне всякого сомнения, реализуется какой-то промежуточный сценарий. Но если бы замена всех светильников светодиодными решениями проходила согласно этой радикальной теоретической модели, то в результате накопительного эффекта величина сэкономленной мощности вплотную приблизилась бы к одному тераватту, что составляет около четверти всей — не только электрической — потребляемой США мощности, в том числе вырабатываемой автомобилями и угольными электростанциями. Если рассматривать очень крупные масштабы, то ожидание есть не что иное, как растрачивание энергии впустую.
Как приблизиться к невозможному
Улучшений главным образом помогает добиться снижение затрат на производство. Согласно приближенной гипотезе, описанной выше, примерно 60% энергии, сэкономленной за счет использования светодиодов, тратится на их производство. Новые процессы окажут непосредственное влияние на это соотношение. Ценность переработки отходов очевидна — повторное использование старых компонентов обеспечивает непосредственный рост прибыли, так как снижает количество светильников, производство которых «оплачивается» энергией.
О гипотезе
В прошлом году Министерство энергетики США опубликовало интересный отчет [14], где говорится:
«Сокращение количества расходуемой на освещение энергии на 75% к 2035 году открывает куда более грандиозные перспективы по накопительной экономии энергии. Если цели учрежденной Министерством энергетики США программы по внедрению светодиодного освещения, касающиеся эффективности светодиодов и соответствующих светильников, будут достигнуты, то величина мощности, которую удастся сэкономить вследствие накопительного эффекта за период с 2015 по 2035 год, может составить 62 квадриллиона ватт, что эквивалентно экономии почти 630 млрд долларов».
Таким образом, обсуждаемая гипотеза в действительности выглядит вполне консервативной.
Соображения относительно срока службы светодиодов
Расчетный срок службы светодиодов в заданный период между 2017 и 2025 годами при работе по 12 часов в сутки составляет 35 тыс. часов. Уже появились осветительные приборы со сроком службы в 50 тыс. часов и более, так что теперь они способны служить достаточно долго, чтобы о длительности их эксплуатации можно было не беспокоиться. В любом случае при моделировании сценария «заменить все светильники прямо сейчас» (синяя кривая) анализ проводился с учетом того, что каждый год происходит как минимум 1% «аварий». Включение вышеупомянутых соображений относительно срока службы в общую картину делает результаты еще более красноречивыми.
Заключение
Оказывает ли планомерная замена всех осветительных приборов светодиодными светильниками благотворное влияние на ситуацию в целом? Да, но какие еще выводы отсюда можно сделать? Если развивающиеся страны пока продолжают наращивать свою энергосистему, то им, по всей видимости, не помешало бы в первую очередь вкладывать серьезные средства в светодиоды. Проще говоря, если промышленность предлагает какое-нибудь решение, то не лучше ли будет использовать его как можно скорее? Весьма вероятно, что и на этот вопрос также стоит ответить утвердительно.