ТЕХНОЛОГИИ В ОСВЕЩЕНИИ И ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ

II. ТЕХНОЛОГИИ В ОСВЕЩЕНИИ И ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Сегодня искусственное освещение является важной услугой в современном мире, обеспечивающей свет, необходимый людям для выполнения самых разных зрительных задач. Твердотельное освещение (SSL) имеет огромный потенциал стать революционной технологией освещения, открывая совершенно новую парадигму освещения. Одним из основных преимуществ, способствующих этому переходу, является потенциал значительной экономии энергии за счет разработки и внедрения высокоэффективного SSL. Однако, помимо потенциала энергоэффективности SSL, существует ряд других характеристик технологий освещения, которые являются важными определяющими факторами для широкого внедрения на рынке. К ним относятся эстетика (конструкция лампы, а также цвет излучаемого света), удобство покупки и каналы распространения, простота использования, соображения безопасности, требования к утилизации, требования к техническому обслуживанию и первоначальные капитальные затраты.

Чтобы оценить потенциал энергоэффективности SSL, важно понять структуру текущего рынка освещения и ключевые характеристики, которые влияют на решения о покупке технологий освещения. Это ни в коем случае не простая задача; рынок освещения представляет собой сложную и разнообразную структуру (DOE, 2002) <1>. Более того, количество энергии, потребляемой освещением (и, следовательно, потенциал большей экономии энергии), также зависит от множества других факторов, помимо используемой технологии. Например, уровень интенсивности освещения, количество часов, в течение которых оборудование используется в определенный период времени, а также конструкция системы освещения также являются важными факторами, определяющими конечное энергопотребление освещения (Аткинсон и др., 1995).

<1> В этом отчете ограниченность ресурсов не позволяет дать исчерпывающий обзор рынка освещения, однако в «Справочнике по рынку освещения» (1997) представлен гораздо более глубокий взгляд на технологии освещения, потребление энергии, структуру рынка, каналы распределения и политические вопросы (Vorsatz et др., 1997).

Следующий раздел сначала будет включать краткий обзор трех основных категорий технологий освещения, которые используются в настоящее время: лампы накаливания, флуоресцентные лампы и газоразрядные лампы высокой интенсивности (HID). Далее будет обсуждаться энергопотребление освещения и его значение как конечного потребителя энергии в США.

ТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОСВЕЩЕНИЯ

Сегодня для предоставления услуг освещения используется большой и разнообразный портфель технологий. Эти технологии освещения можно в общих чертах разделить на четыре основные группы источников света: лампы накаливания, флуоресцентные, газоразрядные лампы высокой интенсивности (HID) и, в последнее время, SSL. Ниже приведены краткие обзоры четырех групп технологий освещения.<2> Полупроводниковое освещение обсуждается более подробно в Разделе III настоящего отчета. Определения терминологии освещения, используемой в этом отчете, можно найти в Приложении 2.

<2> Все эти четыре классификации технологий освещения включают ряд различных подклассификаций типов ламп. Эти подклассификации приведены в Приложении 1.

1. Лампа накаливания

Изобретенные в конце 1800-х годов Томасом Эдисоном в Америке и одновременно Джозефом Суоном в Англии, сегодня эти лампы обеспечивают большую часть света, используемого в домашних хозяйствах. Они также широко используются в коммерческих зданиях (Vorsatz et al., 1997). Лампы накаливания очень неэффективны, поскольку 90-95% излучений приходится на инфракрасный (тепловой), а не на видимый диапазон электромагнитного спектра. Сегодняшние лампы накаливания имеют эффективность или «эффективность» в пределах 13-25 люмен на ватт (лм/Вт) (DOE, 2003b).<3> Эти лампы работают за счет пропускания электрического тока через металлическую нить, которая нагревает нить до точки накаливания. Сегодня эти металлические нити чаще всего изготавливаются из вольфрама. Недавние технологические достижения показали, что при дальнейших исследованиях нанотрубок, состоящих из углеродных нанотрубок, однажды может быть использована в качестве более энергоэффективной нити для ламп накаливания (Wei, Zhu & Wu, 2004). Автор исследования Бингкик Вэй отметил, что в этой области необходимо провести дополнительную работу, но считает, что такие лампочки могут стать доступными в течение трех-пяти лет.

<3> «Эффективность» — это термин, используемый для обозначения энергоэффективности освещения, и рассчитывается путем деления количества света, излучаемого лампой (в люменах), на потребляемую лампой мощность (в ваттах).

Несмотря на современную неэффективность ламп накаливания, они обладают рядом важных преимуществ перед другими источниками света. К этим преимуществам относятся: отличный индекс цветопередачи (CRI)<4> и теплый цвет, возможность легкого затемнения, дешевизна, небольшой размер и легкий вес, возможность использования с недорогими светильниками, а также простота приобретения, установки и обслуживания. и утилизация (Аткинсон и др., 1995). Эти лампы наиболее распространены в жилом секторе: на их долю приходится около 86% ламп, используемых в домашних хозяйствах, и они потребляют 90% электроэнергии, используемой для бытового освещения (DOE, 2002). Они также широко используются в коммерческом секторе, составляя примерно 22% установленных ламп и потребляя 32% электроэнергии, используемой для освещения в коммерческом секторе (DOE, 2002).

<4> Индекс цветопередачи (CRI) лампы является мерой того, как цвета поверхности выглядят при освещении лампой по сравнению с тем же цветом поверхности, когда она освещается эталонным источником света той же температуры.

2. Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы были впервые произведены в США в конце 1930-х годов и получили широкое распространение к 1950-м годам (Аткинсон и др., 1995). Люминесцентные лампы излучают свет, подавая высокое напряжение на два электрода, инициируя электрический дуговой разряд, который ионизирует испаряемую ртуть в лампе. Ионизированная ртуть излучает в основном УФ-излучение, которое воздействует на фосфорное покрытие трубки и возбуждает его, вызывая флуоресценцию и производя видимый свет. Эти лампы должны работать совместно с балластом. Назначение балласта – ограничить входящий ток до определенной величины и обеспечить необходимое пусковое и рабочее напряжение лампы. Наиболее распространенные люминесцентные лампы имеют трубчатую форму и имеют длину четыре фута. Эффективность люминесцентных ламп, включая потери балласта, колеблется в пределах 60–90 лм/Вт (Аткинсон и др., 1995). Эффективность люминесцентного освещения также зависит от типа используемого балласта: эффективность электронных балластов выше, чем магнитных балластов. Значительно уменьшенная версия люминесцентной лампы – компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) – была представлена в начале 1980-х годов как более энергоэффективная и долговечная альтернатива лампам накаливания. Эти КЛЛ имеют эффективность около 55 лм/Вт.

Люминесцентные лампы чаще всего используются в коммерческом и промышленном секторах. В коммерческом секторе на их долю приходится 77% установленных светильников и они потребляют 56% всей электроэнергии для освещения, используемой в коммерческом секторе. В промышленном секторе на их долю приходится 93% установленных ламп и потребляют 67% электроэнергии, идущей на освещение (DOE, 2002). С другой стороны, в жилом секторе использование флуоресцентного освещения ограничено, а когда оно применяется, то обычно ограничивается кухнями, ванными комнатами и подсобными помещениями (Vorsatz et al., 1997). Компактные люминесцентные лампы появились на рынке с 1980-х годов, но поначалу их распространение было очень медленным. В последние годы КЛЛ начали завоевывать большую долю рынка розничных винтовых ламп, при этом к концу 2001 года национальные продажи достигли 2,1% этого рынка (Calwell, & Zugel, 2003).

3. Газоразрядные лампы высокой интенсивности.

Газоразрядные лампы высокой интенсивности (High-intensity discharge - HID) работают аналогично люминесцентным лампам в том, что они инициируют дуговой разряд через смесь газов и требуют балласта для регулирования напряжения и тока. Однако лампы HID отличаются от люминесцентных источников света тем, что они работают при очень высоких температурах и давлениях. Тремя основными типами HID-ламп являются ртутные лампы (MV), металлогалогенные (MH) и натриевые лампы высокого давления (HPS). Эти лампы наиболее эффективны при использовании в приложениях с ограниченным количеством запусков и остановок, поскольку для запуска им требуется время, которое может варьироваться от 2 до 15 минут в зависимости от типа лампы и способа ее запуска (холодный запуск) или повторный запуск (горячий старт). С учетом потерь балласта эффективность этих трех HID-технологий такова: ртутные лампы (25–50 лм/Вт), металлогалогенные лампы (46–100 лм/Вт) и натриевые лампы высокого давления (50–124 лм/Вт). (Аткинсон и др., 1995). Обычно лампы HID используются там, где цвет света не имеет большого приоритета.

HID-лампы наиболее широко используются в секторе наружных стационарных светильников, а также в коммерческом и промышленном секторах.<5> В секторе наружных стационарных светильников на их долю приходится 75% осветительных установок и потребляется 87% электроэнергии, используемой для освещения в этом секторе. (МЭ, 2002). В коммерческом и промышленном секторах лампы HID составляют 2% и 5% ламповых установок. Они потребляют соответственно 11% и 30% электроэнергии, используемой для освещения в коммерческом и промышленном секторах (DOE, 2002).

<5> Этот сектор «стационарного наружного освещения» использовался в отчете «Охарактеризация рынка освещения США» за 2002 год, подготовленном по заказу Министерства энергетики. Этот сектор включает в себя осветительные установки, такие как уличное освещение, системы взлетно-посадочных полос аэропортов, светофоры и освещение рекламных щитов. Наружное освещение от мобильных источников, таких как автомобили, не включено.

4. Твердотельные излучатели

Твердотельное освещение — это относительно новая и чрезвычайно многообещающая технология освещения, в которой в качестве источника света используются либо светодиоды (LED), либо органические светоизлучающие диоды (OLED). На сегодняшний день светодиодная технология более продвинута, чем технология OLED, и, таким образом, ожидается, что она станет первой, которая выйдет на рынок обычных
освещение (Tsao, 2004). Однако ожидается, что оба в конечном итоге сыграют свою роль на рынке освещения. Преимущества LED-SSL перед более традиционными технологиями освещения включают низкое энергопотребление, более длительный срок службы, прочность и долговечность, компактность, безопасность от низкого рабочего тока, быстрое время включения, работоспособность при низких температурах, возможность регулирования яркости, простоту установки, и направленность.

Многие из этих присущих светодиодам преимуществ перед обычными источниками освещения уже позволили им проникнуть на рынок нишевого освещения. Например, светодиоды по своей природе излучают монохроматический свет и, следовательно, являются естественным выбором для таких устройств индикации, как светофоры и указатели выхода, где требуется цветной свет. В этих случаях отпадает необходимость использования лампы накаливания в сочетании с фильтром для преобразования белого света в цветной (неэффективный процесс). Светодиоды также нашли применение в нишевых осветительных приложениях, в которых компактность, прочность и долговечность светодиодов обеспечивают сравнительные преимущества. Создание действительно белого светодиода LEDSSL для использования в качестве общего освещения — величайшая задача из всех, но эксперты надеются, что со временем она будет решена. В настоящее время эффективность большинства коммерчески доступных белых LED-SSL составляет от 25 до 40 лм/Вт, тогда как лабораторные прототипы демонстрируют эффективность от 70 до 80 лм/Вт (Karlicek, Steele & Walker, 2004). Тем не менее, белые светодиоды-SSL имеют технический потенциал, позволяющий значительно повысить эффективность, достигая эффективности 150-200 лм/Вт.

Эффективность четырех групп технологий освещения показана для сравнения в Таблице II-1.

Таблица II-1. Эффективность светотехнических технологий

Технология	Эффективность (лм/Вт)
Лампа накаливания	13-25
Флуоресцентные	55-90
HID	25-124
SSL текущее состояние	25-40
SSL перспектива	150-200

В Таблице II-2 представлена краткая информация об этих четырех классификациях технологий освещения и о том, как они распределены в жилом, коммерческом, промышленном и уличном стационарном секторах экономики. Освещение, потребляемое в этих секторах, называется освещением для целей общего освещения.

Лампы накаливания составляют примерно 63% установленных ламп в США и потребляют 42% электроэнергии для освещения. Однако они производят лишь около 12% световой мощности.<6> Во многом это связано с тем, что, хотя лампы накаливания доминируют по количеству установок, в жилом секторе, где они наиболее широко используются, лампы используются в среднем только 2 часа в день. Между тем, среднее время работы ламп в коммерческом, промышленном и уличном стационарном секторах намного больше и составляет, по оценкам, 9,9, 13,5 и 10,5 часов в день соответственно (DOE, 2002). Кроме того, лампы накаливания сравнительно неэффективны, обеспечивая наименьшее количество люменов на единицу энергии по сравнению с любой из технологий освещения.

<6> Все представленные здесь данные взяты из «Описания рынка освещения США» (2002 г.).

Таблица II-2. Распределение ламп, потребляемой электроэнергии для освещения и мощности ламп – по секторам по типам ламп¹

	Жилой	Коммерческий	Промышленный	Наружный Стационарный	Все
Распределение ламп по секторам по типам ламп
Лампы накаливания	86%	22%	2%	22%	63%
Флуоресцентные	14%	77%	93%	3%	35%
HID	-	2%	5%	75%	2%
SSL	-	-	-	-	-
Распределение осветительной электроэнергии Потребление на сектор в зависимости от типа лампы
Лампы накаливания	90%	32%	2%	11%	42%
Флуоресцентные	10%	56%	67%	2%	41%
HID	0,3%	12%	31%	87%	17%
SSL	-	0,02%	-	0,01%	0,01%
Распределение мощности лампы (Tlm ч) в год, на сектор по типу лампы
Лампы накаливания	2693	1777	36	111	4614
Флуоресцентные	1188	16733	5744	68	23732
HID	31	3068	2320	4677	10097
SSL	-	-	-	-	2

¹ Не для всех категорий сумма может составлять 100 % из-за округления.
Источник: Министерство энергетики (2002 г.): Таблицы 5-3, 5-7 и 5-8.

ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ОСВЕЩЕНИЯ

Недавний отчет, подготовленный по заказу Министерства энергетики (DOE), включал многолетнее исследование по оценке освещения в США и выявлению возможностей экономии энергии (DOE, 2002). Этот отчет Министерства энергетики содержит самые актуальные данные о схемах освещения и потреблении в США. Первый этап исследования «Характеристика рынка освещения США: Том 1 – Национальная инвентаризация освещения и оценка потребления» показал, что освещение для общего освещения в США (с учетом потерь при выработке и передаче) потребляло в общей сложности 8,2 квартера первичной энергии в 2001 году. , что эквивалентно 765 тераватт-часам (ТВтч) в здании или на площадке конечного использования.
(DOE, 2002).<7>

<7> Коэффициент преобразования (включая потери при выработке, передаче и преобразовании), использованный для энергии, используемой на объекте, в первичную энергию, потребляемую на электростанции, составил 10 768 БТЕ/кВтч в 2000 году. Список используемых коэффициентов перевода см. в Приложении 3. в этом отчете.

Чтобы понять значение освещения как конечного потребителя электроэнергии и определить возможности повышения энергоэффективности, полезно поместить эту цифру в более широкий контекст. В 2001 году общий объем энергии, потребляемой в США, составлял примерно 98,3 квада энергии, более трети из которых, 37 квадров, было использовано для выработки электроэнергии. Из этой произведенной электроэнергии на освещение как конечное использование приходилось примерно 22% потребления электроэнергии.<8> Это
означает, что в 2001 году освещение потребляло примерно 8,3% национального потребления первичной энергии.

<8> Кроме того, избыточное тепло, выделяемое системами освещения, приводит к дополнительному потреблению электроэнергии. Исследователи подсчитали, что 3-4% национальной электроэнергии можно косвенно отнести на системы освещения из-за потребления электроэнергии кондиционированием воздуха, которая необходима для охлаждения зданий от тепла, выделяемого при освещении. См.: (Аткинсон и др., 1995).

Рисунок II-1 показывает, что коммерческий сектор на сегодняшний день является крупнейшим потребителем электроэнергии для освещения, причем значительное потребление энергии приходится на лампы накаливания, люминесцентные лампы и газоразрядные лампы. На долю коммерческого сектора, производящего 391 тераватт-час в год (ТВтч/год), приходится чуть более 50% от общего объема электроэнергии, потребляемой для освещения в США<9>. Жилой сектор является вторым по величине потребителем энергии освещения, потребляя 27% или 208 ТВтч/год. . Промышленный сектор и сектор наружного стационарного оборудования потребляют соответственно 14% и 8% электроэнергии, используемой для освещения. Министерство энергетики (2002) обнаружило, что источники света накаливания являются наиболее распространенными с точки зрения количества установок (63%), а также крупнейшим потребителем электроэнергии (42%). Однако они обеспечивают лишь 12% света страны из-за своей сравнительно низкой эффективности. Это делает их важной целью для замены более энергоэффективной технологией.

<9> Приставка «тера» обозначает 10^12, и, следовательно, 1 ТВтч = 1 000 000 000 кВтч.

Рисунок II-1. Потребление энергии для освещения в США в 2001 г.
(По секторам в зависимости от типа лампы)

Источник: (Министерство энергетики, 2002 г.).

Данные о потреблении энергии для освещения являются важным компонентом для планирования эффективных исследований и разработок в области освещения. Существует высокий потенциал экономии электроэнергии за счет использования более энергоэффективных технологий освещения, а также более совершенных конструкций освещения и стратегий управления (Аткинсон и др., 1995). Несмотря на быстрые темпы развития технологии LED-SSL, эта технология сегодня слишком незрела для использования в приложениях общего освещения. Однако недавно была создана модель Министерства энергетики для оценки будущего проникновения SSL на рынок в период с 2005 по 2025 год, а также экономии энергии, полученной за счет проникновения на рынок SSL (DOE, 2003b). Было обнаружено, что в рамках сценария ускоренных инвестиций SSL к 2025 году можно сэкономить 3,51 кварта первичной энергии (DOE, 2003b). Это будет означать сокращение на 33% по сравнению с 10,47 квадроциклами, прогнозируемым базовым уровнем энергии, необходимой для освещения в 2025 году. Экономия энергии приведет к совокупной экономии потребителей на затратах на электроэнергию в размере 130 миллиардов долларов США в период с 2005 по 2025 год<10>. Эти результаты также поскольку некоторые предположения, сделанные при создании этой модели, будут более подробно рассмотрены в следующем разделе.

<10> Обратите внимание, что эта экономия электроэнергии не дисконтирована и была получена путем умножения экономии электроэнергии на прогнозируемые цены на электроэнергию, опубликованные Управлением энергетической информации Annual Energy Outlook (AEO) 2003.

Несмотря на весьма многообещающий потенциал энергосбережения SSL, важно помнить, что в настоящее время на рынке доступен ряд эффективных и экономичных технологий освещения, а также энергосберегающих конструкций освещения и средств управления. Если они будут приняты, это также может привести к значительной экономии энергии. Аткинсон и др. (1992) определили, что если бы были установлены экономически эффективные технологии освещения, уже имеющиеся на рынке, потребление электроэнергии для коммерческого внутреннего освещения можно было бы сократить на 50-60%, а потребление электроэнергии внутри и снаружи жилых помещений можно было бы сократить на целых 20%. -35%. Таким образом, хотя эффективность SSL, равная 200 лм/Вт, технически потенциально может быть в два раза эффективнее люминесцентного освещения и до десяти раз эффективнее ламп накаливания, есть основания с осторожностью относиться к весьма оптимистичным оценкам национальной экономии энергии. Чтобы понять потенциал энергоэффективности SSL, необходимо принять во внимание такие вещи, как: постепенное распространение всех новых технологий, барьеры, которые часто являются общими для энергоэффективных технологий, а также движущие силы и проблемы, которые будут формировать развитие и проникновение на рынок LED-SSL.

<< Раздел I

Раздел III >>