Перспективы технологии светодиодного освещения

Amanda Slocum Май, 2005, Washington, D.C. USA

Мнения, выраженные в этой статье, принадлежат автору(ам) и не обязательно отражают точку зрения Агентства по охране окружающей среды США. Кроме того, хотя исследование, описанное в этой статье, возможно, полностью или частично финансировалось Агентством по охране окружающей среды США, оно не подвергалось необходимой экспертной и политической проверке Агентства. Никакого официального одобрения Агентства не следует делать.

Аннотация

Инновационные технологии могут сыграть важную роль в сокращении выбросов парниковых газов, которые способствуют глобальному изменению климата. Твердотельное освещение (SSL) — один из недавних примеров инновационной технологии, которая привлекла значительное внимание в последние несколько лет. Эта новая технология освещения имеет огромный потенциал, чтобы стать значительно более энергоэффективной, чем используемые в настоящее время технологии освещения, такие как лампы накаливания и люминесцентные лампы.

Цель этого отчета — предоставить обзор технологии SSL для Агентства по охране окружающей среды США (EPA) и служить ориентиром для будущей работы в этой технологической области. Данный отчет был подготовлен с использованием методологического подхода «оценки технологий». Представлен обзор SSL, а также обсуждаются факторы и препятствия для его использования для общего освещения. В отчете также освещаются как потенциальные экологические выгоды, так и негативные последствия, которые могут сопровождать разработку и использование этой новой технологии.

АКРОНИМЫ И СОКРАЩЕНИЯ

ATP Программа передовых технологий (NIST)
CCT Цветовая коррелирующая температура
CFL Компактная люминесцентная лампа
CIE Международная комиссия по еклеражу
CO2 Углекислый газ
CRI Индекс цветопередачи
DARPA Агентство передовых оборонных исследовательских проектов (DOD)
DOE Департамент энергетики Министерства энергетики
EERE Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии (DOE)
EIA Управление энергетической информации (DOE)
EH&S Экологическая безопасность и здоровье
EPA Агентство по охране окружающей среды
GaAs Галлий Мышьяк
GHG Парниковые газы
HB LED Светодиоды высокой яркости
HID Высокоинтенсивный разряд
HPS Натриевый высокого давления
IESNA Объединение светотехники Северной Америки
InAs Индий Мышьяк
InP Фосфид индия
IRIS Интегрированная система информации о рисках
LCA Оценка жизненного цикла
LED Светоизлучающие диоды
LED-SSL Светодиодное твердотельное освещение
LRC Исследовательский центр освещения
MBE Молекулярно-лучевая эпитаксия
MMTCE Миллионы метрических тонн углеродного эквивалента
MOCVD Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы
MSDS Паспорта безопасности материалов
NAICS Североамериканская система промышленной классификации
NEMS Национальная система энергетического моделирования
NIST Национальный институт стандартов и технологий
OEM-производство оригинального оборудования
OIDA Ассоциация развития оптоэлектронной промышленности
OLED Органические светодиоды
MV пары ртути
MH Металлогалогенные лампы
RGB Красный-зеленый-синий
SSL Полупроводниковое освещение
USGS Геологическая служба США
YAG Иттриевый алюминиевый гранат

I. ВВЕДЕНИЕ

Глобальное изменение климата является одной из самых серьезных экологических проблем, стоящих перед нынешним поколением. За последнее столетие средняя глобальная температура выросла примерно на 0,6°C (1,1°F), и ожидается, что эта тенденция продолжится и даже ускорится в XXI веке (IPCC, 2001). Поскольку потепление продолжается, последствия изменения климата, вероятно, окажут неблагоприятное воздействие на экологические и социально-экономические системы во всем мире, хотя степень этого воздействия очень чувствительна к темпам и масштабам изменения климата в следующем столетии. (IPCC, 2001).

В научном сообществе растет консенсус в отношении того, что тенденция потепления является результатом повышения концентрации парниковых газов (ПГ) в атмосфере (NRC, 2001). Эти парниковые газы накапливаются в атмосфере в результате человеческой или антропогенной деятельности, такой как сжигание ископаемого топлива. В настоящее время в Соединенных Штатах источники энергии ископаемого топлива (включая уголь, природный газ и нефть) используются для производства примерно 70% электроэнергии (EIA, 2004). Когда ископаемое топливо сжигается для получения энергии, в атмосферу выбрасывается углекислый газ (CO2), один из основных парниковых газов. Уровни концентрации CO2 в атмосфере были получены из проб ледяных кернов, взятых в Антарктиде и Гренландии. Эти образцы показывают, что уровни концентрации CO2 сегодня выше, чем в доиндустриальные времена, и имеют тенденцию к повышению в течение последних 43 лет. В докладе Национальной академии за 2001 год убедительно объясняется рост концентрации CO2 антропогенной деятельностью (NRC, 2001). Из этой антропогенной деятельности сжигание ископаемого топлива было и, по прогнозам, будет наиболее значительным источником выбросов CO2.

Инновационные технологии могут сыграть важную роль в сокращении выбросов парниковых газов, которые способствуют глобальному изменению климата. Твердотельное освещение (SSL) — один из недавних примеров инновационной технологии, которая привлекла значительное внимание в последние несколько лет. Эта новая технология освещения имеет огромный потенциал, чтобы стать значительно более энергоэффективной, чем используемые в настоящее время технологии освещения, такие как лампы накаливания и люминесцентные лампы.

В настоящее время в США примерно 22% вырабатываемой электроэнергии используется для освещения. В более широком контексте, по оценкам Министерства энергетики, 8,3% потребления первичной энергии в США уходит на освещение (DOE, 2002). Твердотельное освещение может значительно снизить потребление электроэнергии, необходимой для освещения. Оценки потенциала экономии энергии при освещении были столь же оптимистичны, как сокращение на 50% к 2025 году, что, в свою очередь, снизит общее потребление электроэнергии примерно на 10% (Цао, 2004). В США недавний анализ с использованием модели проникновения на рынок SSL показал, что к 2025 году SSL в приложениях общего освещения может сократить количество электроэнергии, необходимой для освещения, на 33% (DOE, 2003b).

Политика, способствующая технологическим инновациям, является важной стратегией сокращения выбросов парниковых газов. Хорошо продуманная политика по разработке и распространению новых экологически безопасных технологий может сыграть важную роль в сокращении выбросов парниковых газов и смягчении последствий изменения климата. Эти технологические достижения могут быть реализованы путем (1) повышения эффективности технологий с целью снижения потребности в энергии, (2) замены старых высокоуглеродных энергетических технологий технологиями с низким или нулевым выбросом углерода, (3) улавливания углерода либо до или после того, как он попадет в атмосферу, и (4) разработать технологию, которая снижает выбросы парниковых газов, кроме CO2 (Alic, Mowery & Rubin, 2003).

Твердотельное освещение — это новая энергоэффективная технология с высоким потенциалом для реализации первого из четырех технологических направлений, указанных выше. Во всем мире ведутся исследования и разработки по разработке SSL, подходящего для общего освещения. В США Министерство энергетики (DOE) и промышленность признали эту возможность и продвигают национальную инициативу по ускорению разработки этой многообещающей технологии (Хайц, Киш, Цао и Нельсон, 2000). Ожидается, что в конечном итоге твердотельное освещение станет примерно в два раза эффективнее флуоресцентного освещения и до десяти раз эффективнее ламп накаливания.

Цель этого отчета — предоставить обзор технологии SSL для Агентства по охране окружающей среды США (EPA) и служить ориентиром для будущей работы в этой технологической области. Следует отметить, что термин «твердотельное освещение» охватывает две разные, но обе многообещающие технологии: органические светодиоды (OLED) и неорганические светодиоды (LED). Именно последней из этих технологий в данном отчете уделяется особое внимание, хотя ожидается, что обе они будут играть важную роль в будущих приложениях освещения. Объем этого отчета в основном ограничивается только технологией LED-SSL; хотя некоторые оценки энергопотребления SSL от Министерства энергетики, которые будут обсуждаться, объединяют потенциал светодиодов и OLED.
технологии.

Этот отчет был подготовлен с использованием методологического подхода «оценки технологий», аналогичного тем, которые когда-то проводились ныне несуществующим Управлением по оценке технологий США. Несмотря на то, что были предприняты все усилия, чтобы обеспечить как можно более полную информацию, полная
оценки технологий охватывают обширную территорию, и для подготовки отчета было выделено лишь ограниченное время. По LED-SSL доступно значительное количество литературы, но ни одна из них не посвящена непосредственно воздействию на окружающую среду с точки зрения жизненного цикла продукта. Поэтому особое внимание было уделено выявлению как потенциальных экологических преимуществ, так и негативных последствий, которые могут сопровождать разработку и использование этой новой технологии. Объем отчета в основном ограничивается LED-SSL, используемым в США, хотя в разделе IV описывается работа, проводимая гуманитарной организацией Light Up the Work Foundation, которая внедряет технологию LED-SSL в развивающиеся страны. Остальная часть отчета структурирована следующим образом:

В разделе II представлен обзор технологий освещения, которые используются в настоящее время, включая некоторую базовую информацию о том, как они работают, их применение и конкретные характеристики. Представлены самые последние доступные данные об энергии, потребляемой освещением, с разбивкой по осветительным технологиям и секторам рынка (жилые, коммерческие, промышленные и уличные стационарные устройства).

Раздел III представляет собой обзор технологии LED-SSL, включая историю развития базовой технологии – светоизлучающих диодов (СИД), фундаментальную науку о светодиодах, а также материалы и процессы, используемые для их производства. Основное внимание будет уделено новейшему поколению светодиодов, так называемым светодиодам высокой яркости (HB LEDS). Они уже начали проникать и завоевывать значительную долю рынка в ряде нишевых приложений, а быстрые темпы развития технологий указывают на то, что эти нишевые приложения будут продолжать расти. В этом разделе будет представлено введение в захватывающую задачу разработки и внедрения белых светодиодов-SSL в приложениях общего освещения, задачу, которую в отрасли называют «Святым Граалем». Наконец, будут рассмотрены оценки энергосбережения потенциала LED-SSL как в нишевом, так и в общем освещении.

В разделе IV описаны основные движущие силы, способствующие развитию технологии LEDSSL для общего освещения. Эти движущие силы сгруппированы в следующие шесть категорий: окружающая среда, производительность и взаимодействие с людьми, безопасность, экономика, энергетика и потенциальные побочные эффекты технологий.

В разделе V будет представлен обзор технических, инфраструктурных и рыночных барьеров, которые могут помешать разработке и внедрению LED-SSL для общего освещения.

В разделе VI представлена общая обзорная оценка потенциального воздействия этой новой технологии на жизненный цикл. На сегодняшний день большая часть работы сосредоточена на экологических выгодах, которые можно получить от ожидаемого преимущества в области энергоэффективности от твердотельного освещения. Однако работы по комплексной оценке экологических проблем на протяжении всего жизненного цикла – от добычи природных ресурсов до окончательного захоронения – практически не проводилось.

Раздел VII посвящен взаимосвязи между SSL и государственной политикой. Рассмотрены текущие усилия США, а также инициативы других стран по развитию этой технологии. Роль Агентства по охране окружающей среды США в разработке и внедрении LED-SSL обсуждается в контексте (1) потенциала LED-SSL потенциально обеспечить значительную экономию энергии, тем самым помогая смягчить глобальное изменение климата и (2) жизни Последствия использования LED-SSL.

Раздел VIII содержит заключительные замечания и рекомендации для будущих исследований Агентства по охране окружающей среды.

Раздел II >>