O caso de estudo aqui exposto serviu para ilustrar a potencialidade do uso da iluminação de estado sólido - Led em iluminação pública de estradas. Mais uma vez se salienta a falta da validação adequada das normas através do cálculo luminotécnico que permitissem validar esta redução de potência.
De um ponto de vista energético e ambiental as vantagens são óbvias já que há uma redução de aproximadamente 57 % da potência eléctrica necessária diminuindo assim directamente o custo energético e as consequentes emissões de dióxido de carbono.
A nível do indicador de investimento inicial, como seria de esperar a tecnologia Led apresenta valores consideravelmente mais elevados. Esse acréscimo é recuperável tendo em conta o seu custo de funcionamento mas os tempos de retorno do investimento serão naturalmente o que determina do ponto de vista económico a utilidade deste investimento.
No cenário 1, é testada a substituição das luminárias de vapor de sódio de alta pressão pelas luminárias Led. Refira-se que, de um ponto de vista prático, este cenário é o mais provável uma vez que serão naturalmente mais os casos de substituição de tecnologias mais antigas do que implementações de raiz em que se possa optar por duas ou mais alternativas.
Embora o investimento seja recuperado praticamente a meio do horizonte temporal considerado para o projecto, esta situação merece alguma análise. O tempo de retorno do investimento é de oito anos, o que, de um ponto de vista meramente económico, significa que este investimento pode não ser atractivo. De facto, considerando que a alternativa de vapor de sódio a alta pressão apresenta uma duração de vida média de 25000 horas, verifica-se que, a uma taxa de utilização de 4200 horas por ano, haverá necessidade de substituição de equipamentos com uma frequência aproximada de 6 anos o que é inferior ao tempo de retorno do investimento5. Isso significa que, na óptica do cliente, poderá haver vantagem em explorar mais a sua actual infra-estrutura de iluminação pública uma vez que terá de proceder à substituição de equipamentos antes do tempo de retorno financeiro que ocorreria se optasse pela troca imediata.
No cenário 2, ou seja o caso de novas instalações de iluminação pública, o retorno do investimento em luminárias Led é reduzido para apenas 4 anos face à alternativa aqui testada. Isto indicia que esta tecnologia deve ser encarada como uma alternativa a considerar no planeamento de novos projectos.
Por outro lado, tendo em conta que uma porção apreciável das instalações de iluminação pública de estradas é feita com recurso a meios menos eficientes como as lâmpadas de vapor de mercúrio, ou na iluminação de jardins, monumentos, fachadas de edifícios, etc., em que é frequente a tecnologia de iodetos metálicos, percebe-se que há um conjunto alargado de aplicações em que é potencialmente vantajoso o uso de iluminação Led. Nestes casos o ganho medido em termos do indicador de custo de funcionamento deverá ainda ser mais elevado.
5
De igual forma, pensando em outras vertentes da iluminação pública como os túneis, onde a taxa de utilização é mais elevada, os tempos de retorno do investimento podem ser consideravelmente reduzidos. Também em projectos antigos e já amortizados poderá haver grande vantagem com a sua substituição por esta tecnologia em forte desenvolvimento.
Outro aspecto interessante é considerar-se uma taxa de aumento da electricidade anual maior, por exemplo devido à necessidade de se reflectir nas tarifas os custos adicionais pela progressiva introdução de meios de produção renováveis. Assim, simularam-se cenários adicionais com uma subida anual do preço de electricidade diferente dos 3% admitidos para os casos base. Admitindo uma taxa de 6 % e 10 % anuais o tempo de retorno é diminuído respectivamente em 1 e 2 anos no cenário de substituição.
6.5 Comentários
Este capítulo focou-se numa das mais promissoras áreas de aplicação dos díodos emissores de luz, a iluminação pública. Foram apresentadas as características essenciais da luz por eles emitida que a tornam particularmente apelativa para esta aplicação, e também foram vistas algumas limitações nas grandezas luminotécnicas que condicionam a adequada avaliação da iluminação nocturna.
O caso prático apresenta fortes limitações pois foi baseado num contacto com câmaras municipais que implementaram esta tecnologia. Como os casos de aplicação prática dos Led são ainda muito escassos teve de se recorrer a esta situação para poder-se ilustrar o seu potencial neste trabalho.
Pôde-se aplicar os indicadores definidos no capítulo cinco que constituem parâmetros de ajuda à decisão para uma escolha mais racional do tipo de tecnologia a implementar nas aplicações práticas. Ficou patente que, como o custo de funcionamento ultrapassa grandemente o investimento inicial, deve-se dar uma maior importância a esse indicador, pois ao fim de alguns anos é perfeitamente recuperável o excedente no investimento.
Os resultados merecem uma análise crítica na medida em que se baseiam num caso não implementado na realidade, e ainda pelo facto de os valores que foram usados serem em grande parte estimativas. Assim, os resultados devem ser interpretados meramente como indicativos do potencial de poupança que pode ser atingido pelo uso de melhores práticas na área da iluminação.
83
Capítulo 7
Conclusões
Os desafios impostos para uma gestão mais eficiente da energia são uma questão importante e transversal a todo o sector energético, pois daí resultam vantagens a nível económico e ambiental. A iluminação, pelo facto de ter um grande peso no consumo final da energia eléctrica em todo o mundo, cerca de 20 %, é uma das áreas em que mais poupança pode ser conseguida se forem adoptas medidas adequadas. Foi neste contexto que se realizou esta dissertação.
Não havendo um objectivo definido para este trabalho, em termos de um produto final a apresentar, procurou-se ser o mais abrangente possível na exploração dos principais desafios associados à luminotecnia actual.
Em termos da evolução tecnológica é de realçar os enormes progressos registados na iluminação de estado sólido em pouco mais de uma década. Com efeito, aquilo que há pouco tempo serviria principalmente para uso em pequenas aplicações como telemóveis ou outros objectos electrónicos é capaz actualmente de oferecer uma alternativa viável às tradicionais fontes de iluminação. Os Led apresentam dimensões reduzidas, potencial para uma elevada eficácia luminosa e uma grande duração. Como desvantagens há que assinalar as limitações no seu desempenho quando são sujeitos a correntes de funcionamento elevadas, e a sua grande sensibilidade às temperaturas altas que provocam uma depreciação acentuada do fluxo luminoso emitido. Estes dois importantes inconvenientes técnicos têm consequências ao nível das aplicações práticas da tecnologia, já que os fluxos luminosos provenientes dos Led são muito pequenos, o que significa que para níveis de luminosidade adequados às tarefas humanas são necessários muitos destes semicondutores com elevados preços de fabrico, o que constitui o maior entrave ao seu uso. De facto, considerando as alternativas constata-se que os níveis de performance energética e de qualidade da luz são os mesmos desde há muito tempo a esta parte, o que indicia que é altura de investir cada vez mais em alternativas. Por exemplo, no caso da lâmpada de incandescência apenas 10 % da energia consumida é transformada em energia útil pelo que se justificam as legislações em curso para banirem o uso futuro deste tipo de equipamentos. Finalmente é de referir as dificuldades encontradas na obtenção de informação útil e independente no que concerne a esta nova tecnologia Led. Este facto é compreensível
atendendo à novidade e à rapidez com que novos desenvolvimentos técnicos são conseguidos. Nesse sentido, para conseguir retratar o mais fielmente possível o estado da arte desta tecnologia foi necessário recorrer às informações dos fabricantes líderes mundiais, onde se encontram frequentemente informações contraditórias e restrições no acesso à informação, o que se explica tendo em conta a elevada concorrência no sector.
Também por isso, uma das contribuições que se pretende dar com este trabalho é o de identificar métodos que avaliem de uma forma independente a adequação da tecnologia às novas exigências económicas, técnicas e ambientais.
Um destes métodos é a avaliação de ciclo de vida ou life cycle assessment (LCA). É um método de avaliação de impactes ambientais associadas com o ciclo de vida de um produto, serviço ou processo. Isto significa que deve ser feita uma análise de todas as etapas desde o fabrico e aquisição de matérias-primas até à sua destruição. A avaliação de ciclo de vida tem a vantagem ser um método estandardizado cuja execução requer o cumprimento de um conjunto de procedimentos que não só garantem a validade da avaliação, como permitem a comparação entre estudos do mesmo tipo e que podem eventualmente resultar em conclusões divergentes.
No contexto da iluminação a aplicação do LCA é útil para permitir conhecer os impactes associados com a tecnologia Led que estão em grande medida por determinar. Foi visto que no contexto deste trabalho a execução de um LCA não é possível, não só pelo tempo que demoraria como principalmente, pela falta de dados reais que permitissem a execução da fase dois de inventariação, tal como definido no standard da ISO. Atendendo a estas limitações o que se fez foi definir o objectivo e âmbito de um projecto deste tipo, que possa ser realizado mais tarde, bem como referir os principais aspectos que se pretende ver avaliados. Igualmente foram referidas algumas conclusões de um LCA realizado recentemente por uma empresa da área da iluminação que servem para ilustrar alguns dos impactes que devem ser avaliados num estudo deste tipo.
Para a realização completa de uma análise de ciclo de vida, nomeadamente o life cycle
assesement definido pelas normas ISO, seria necessário a escolha de produtos concretos a
avaliar, do tipo Led mas também das principais alternativas (descarga em gases e incandescência) para se poder efectuar um estudo comparativo e acessível ao público em geral. Também indispensável seria ter acesso através das bases de dados públicas, ou de informação dos fabricantes aos processos unitários que compõem o ciclo de vida dos produtos de forma a levar em consideração todas as matérias-primas, materiais auxiliares e gastos energéticos envolvidos.
O capítulo cinco deste trabalho foi dedicado à aplicação das tecnologias de iluminação em situações concretas. Para isso fez-se uma distinção entre iluminação interior e exterior para verificar quais os requerimentos técnicos adequados a cada aplicação, e de que forma as várias alternativas do mercado, e em particular os Led, correspondem a isso. Este estudo tinha o intuito de funcionar como introdução a dois casos práticos de aplicação de Leds, um em iluminação interior e outro exterior. Infelizmente não foi possível encontrar em tempo útil um caso de aplicação de interiores, e mesmo no caso de exteriores para iluminação pública é de salientar a falta do cálculo luminotécnico, pelo que esta é uma das principais limitações do trabalho.
Do que se consegui apurar, quer pelo contacto com empresas, quer pela análise de aplicações práticas reais conclui-se que, pese embora os méritos técnicos dos Led, o seu uso é condicionado por um conjunto de factores dos quais se destacam a menor qualidade da luz
emitida em iluminação interior face às lâmpadas fluorescentes, e a menor eficácia luminosa relativamente às alternativas de descarga de alta intensidade para iluminação exterior. Não obstante, foi possível identificar sectores do mercado onde é pertinente desde já o uso de Leds, como a iluminação decorativa de lugares públicos, ou em zonas de circulação em interiores de edifícios, onde uma efectiva poupança económica, energética e ambiental é possível.
Numa fase seguinte do trabalho procurou-se eleger os indicadores que permitam a escolha criteriosa dos equipamentos. Após uma pesquisa bibliográfica sobre este assunto determinou-se que aquilo que influencia a adesão generalizada por parte dos utilizadores a um produto que é percepcionado como uma comodidade essencial, e tida como garantida por todos é o aspecto económico. Significa isto que só haverá incentivo à mudança se esta implicar um efectivo benefício económico para o utilizador final. Por outro lado, o que se verifica frequentemente é ser dada uma importância grande ao preço inicial da compra dos equipamentos não contemplando os encargos, ou parte deles, decorrentes da sua utilização. Assim, os indicadores de custo definidos servem para avaliar adequadamente o preço total do custo de luz e relacionarem-se com as características técnicas dos equipamentos que determinam o valor desses mesmos custos.
Foi isso que se fez no capítulo seis com estudo da viabilidade da implementação de iluminação pública com recurso aos Led. São várias as vantagens que esta tecnologia tem para esta aplicação, como uma melhor restituição de cores, temperatura de cor ou um maior aproveitamento do fluxo luminoso de forma útil para as estradas e passeios. Particularmente interessante no decorrer desse estudo foi notar que um dos pressupostos usados para justificar a adequação dos Led à iluminação pública vem em desencontro ao que até aqui era consensual, ou seja a própria definição da grandeza lúmen. Assim, visto que em situações de baixa luminosidade o olho humano funciona na região de visão mesópica em que estão activos os bastonetes oculares, e como a grandeza lúmen está definida com base no funcionamento exclusivo dos cones, há uma dificuldade em medir verdadeiramente o efeito que as fontes de iluminação têm no ser humano quando sujeito a estas condições, através das actuais grandezas fotométricas. Foi com base nestes pressupostos que se admitiu como válida a redução de potência conseguida para o caso prático a executar. Como, não houve acesso a ficheiros fotométricos de luminárias Led não se pode validar com o cálculo luminotécnico esta redução de potência, a fim de verificar se eram cumpridas as normas.
Da análise dos cenários de substituição e projecto de raiz que compara o despenho das luminárias Led e vapor de sódio a alta pressão, resultaram tempos de retornos financeiros respectivamente de oito e quatro anos. De um ponto de vista estritamente económico não é absolutamente evidente a execução deste investimento já que os tempos de retorno são elevados especialmente no caso de substituição. No entanto, com este exemplo dá para ter uma ideia dos níveis de poupança que se podem obter considerando que há projectos de iluminação pública a funcionar com tecnologias bem menos eficientes do que a de vapor de sódio de alta pressão aqui considerada. Por outro lado viu-se que, num horizonte temporal de catorze anos, a redução no custo energético, e por consequência económico e ambiental, são consideráveis para que pelo menos valerá a pena o estudo da introdução desta e de outras práticas semelhantes em casos reais.
Como comentário final à execução deste trabalho deve-se referir a grande pertinência e actualidade que este tema tem no contexto actual em que muita importância está a ser dada á
eficiência energética, à gestão dos recursos naturais, e aos cuidados ambientais. Ficou bem patente que a área da iluminação pode dar um valioso contributo em todos estes objectivos com base no nível de performance que os aparelhos de iluminação hoje em dia já apresentam.
Uma das principais conclusões a reter é a de que entre o aparecimento de um recurso ou de uma tecnologia promissora, como é o caso da iluminação de estado sólido, e a sua aplicabilidade ao mundo real pode decorrer um elevado período de tempo. Por um lado tem que ser feita a sensibilização para as vantagens do uso de fontes de iluminação eficientes, mas também deve ser avaliado o mérito em situações concretas que decorrem da sua aplicação.
Deve-se também ter em atenção a colocação de novos desafios, quando aparece uma nova tecnologia, que podem por vezes por em causa conceitos que se davam como garantidos.
Não se deverão cometer erros pela procura de oportunidades de negócio que comprometam, em nome de interesses económicos, o desenvolvimento sustentável da tecnologia. Há pois que ver o aparecimento em força destes novos produtos com o adequado espírito crítico, para que se possa fazer uma boa aplicação dos recursos. Cabe por isso aos estudiosos desta área a função de empregar os melhores métodos de avaliação e as melhores práticas para garantir que isso aconteça. Assim, conclui-se que tão ou mais importante como o desenvolvimento das novas tecnologias, é o uso que se faz delas.
87
Referências
[1] International Energy Agency, “Key World Energy Statistics”. (2009). Disponível em http://www.iea.org.
[2] International Energy Agency, “Light’s labour’s lost Policies for Energy-efficient Lighting”.(2006). Disponível em http://www.iea.org.
[3] Europe’s Energy Portal, http://www.energy.eu/#saving. Acesso em 20/Janeiro/2010. [4] Mills E., “Why we're here: The $230-billion global lighting energy bill”, 5th Right Light
conference (May 2005).
[5] D. José Ramírez Vázquez, Carlos Buigas Sans, Ignacio Munilla Morales, “Luminotecnia
Enciclopedia Ceac de Electricidad” pp 37 a 61, pp 89 a 290, Ediciones Ceac, Barcelona, 1972.
[6] Philips, “Lighting Handbook Correspondence Course ”.
[7] International Comission on Illumination, http://www.cie.co.at/. Acesso em 20/Janeiro/2010.
[8] Rogério P. Cardoso, “ Luminotecnia Fundamental “ pp 29 a 52, pp 85 a 125, Dina Livro, Lisboa, 1979.
[9] George Zissis, lead author; Stuart Mucklejohn, co-autor; “Standardizing Mesopic vision conditions and incidence on light source science and technology”,IEC, Geneve Switzerland, 2006.
[10] Philips Lighting Company, Lamp Specification and Application Guide 2008-2009. Disponível em www.lighting.philips.com. Acesso em 25/Janeiro/2010.
[12] Takeda Award, “Achievement Facts Sheet Techno-Entrepreneurial Achievements for Social/Economic Well-Being”, 2002.
[13] Richard Stevenson, “The Leds Dark Secret”, Agosto 2009. Disponível em http://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/the-leds-dark-secret
[14] Fördergemeinschaft Gutes Licht, “ Light from the Light emitting diode”. Disponível em www.all-about-light.org.
[15] Subramanian Muthu, Frank J. P. Schuurmans, and Michael. D. Pashley, “Red, Green, and Blue LEDs for White Light Illumination”, IEEE Journal On Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 8, No. 2, March/April 2002.
[16] K. H. LEE1 and S. W. Ricky LEE, “Process Development for Yellow Phosphor Coating on Blue Light Emitting Diodes (LEDs) for White Light Illumination”, IEEE, 2006.
[17] Michael R. Krames, Hiroshi Amano, Julie J. Brown, Paul L. Heremans, Introduction to the Issue on High-Efficiency Light-Emitting Diodes, IEEE Journal On Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 8, No. 2, March/April 2002.
[18] Nadarajah Narendran and Yimin Gu, “Life of LED-Based White Light Sources”, IEEE/OSA Journal of Display Technology, Vol. 1, NO. 1, September 2005.
[19] Philips, Technology White Paper, “Understanding power LED lifetime analysis”, Disponível em: http://www.philipslumileds.com/docs/docs.cfm?docType=16. Acesso em 20/Janeiro/2010.
[20] Lighting research center, Dísponivel em http://lighting.lrc.rpi.edu/, acesso em 20/Dezembro/2009.
[21] Gestão ambiental Avaliação de ciclo de vida Principios e enquadramentos Norma Portuguesa NP EN ISO 14040, 2008.
[22] International Standard Environmental Management-Life Cycle Assessment – Principles and Framework.
[23] Opto Semiconductors, “Life Cycle Assessment of Illuminants A Comparison of Light Bulbs, Compact Fluorescent Lamps and LED Lamps – Executive Summary” – November 2009. [24] Conversa pessoal com Dr. Paulo Partidário, Chefe de departamento de Desenvolvimento Sustentável do Laboratório Nacional de Energia e Geologia.
[24] CIE - Comissão Internacional de Iluminação, “Níveis de iluminância recomendados para iluminação interior”, 2001
[25] http://www.futurelightingsolutions.com/media_center/case_studies.asp. Acesso em 29/Janeiro/2010.
[26] IES Lighting Handbook, 9th Edition. Lighting Economics, Section 25-1.
[27] Nordhaus, William D, “Do real-output and real-wage measures capture reality? The history of light suggests not”. The Economics of New Goods. P40-60, 1998.
[28] Peter Morante, Lighting research Center, “Mesopic Street Lighting Demonstration and Evaluation Final Report”, January 2008.
[29] JIN Peng, WANG Yi-feng, ZHOU Qi-feng, John Rooymans, YU Chun-yu, “Luminous efficacy of white LED in the mesopic vision state”, Optoelectronics letters, Vol.5 No.4, 1 July