Jak nowe technologie oszczędzają energię
"19 procent energii, którą dziś zużywamy na świecie, pochłaniane jest przez oświetlenie. W mieście oświetlenie konsumuje nawet 50 procent energii. Jeśli uda nam się obniżyć te wskaźniki, zredukujemy znacząco zużycie energii w ogóle", mówił cytowany przez agencję informacyjną Newseria Biznes, Joost Leeflang, dyrektor generalny Philipsa na Europę Środkowo-Wschodnią.
Według innych ocen tej firmy, zawartych w raporcie "The LED Lighting Revolution" z 2012 r., światowe zużycie energii na oświetlenie spadnie o ok. jedną trzecią do 2020 r. w porównaniu z 2006 r. Dzięki temu emisja CO2 do atmosfery obniży się o 515 mln ton.
Gdyby zastosować energooszczędną technologię LED (1) we wszystkich instalacjach oświetleniowych na całym świecie, zużycie energii spadłoby o 40 procent. Amerykańskie gospodarstwa domowe zużywają dziś tyle energii elektrycznej, ile w 2001 r.
Tak wynika z danych tamtejszych agencji rządowych odpowiedzialnych za gospodarkę energetyczną - podała na przełomie lat 2013 i 2014 agencja Associated Press.
Zdaniem ekspertów cytowanych przez agencję, jest to głównie zasługa oszczędności i wzrostu energetycznej wydajności urządzeń będących w domowym użyciu. Przeciętne zużycie energii przez powszechne w USA urządzenia klimatyzacyjne spadło od 2001 r. o 20 procent - podało z kolei Stowarzyszenie Producentów Sprzętu Domowego.
W podobnej skali zmniejszyła się energochłonność całego AGD, w tym telewizorów, których ciekłokrystaliczne lub LED-owe wyświetlacze zużywają nawet 80 procent energii mniej niż stary sprzęt. Jedna z amerykańskich agend rządowych sporządziła analizę, w której porównała różne scenariusze energooszczędności.
Z tego, który przewidywał wysokie nasycenie gospodarki technologiami IT, wynikało, że do 2030 r. można by tylko w Stanach Zjednoczonych zredukować zużycie energii w ilości równej produkcji prądu przez trzydzieści 600-megawatowych elektrowni!
LED-y biją rekordy, co pobije
LED-y Innowacje w tej dziedzinie, a więc i szanse na dalsze oszczędności, przyspieszają. Ostatnio firma Cree, Inc. zadziwiła świat kolejnym rekordem wydajności LEDowego źródła światła białego. Udało się jej uzyskać 303 lumeny z wata mocy elektrycznej (2).
To znaczny postęp w porównaniu z poprzednim osiągnięciem tej samej firmy sprzed roku, wynoszącym 276 lumenów z wata. Rekord sprawności LED-owej lampy osiągnięto w temperaturze pokojowej, przy temperaturze barwnej 5150 K i prądzie 350 mA.
Skuteczność świetlna (wydajność świetlna) to stosunek strumienia świetlnego emitowanego przez określone źródło światła do pobieranej przez nie energii w jednostce czasu.
Oto przykładowe skuteczności świetlne różnych źródeł światła: żarówka: 8-10 lm/W, lampa halogenowa: 16 lm/W, świetlówka: 45-104 lm/W, lampa metalohalogenkowa: 85-115 lm/W, wysokoprężna lampa sodowa: 150 lm/W, niskoprężna lampa sodowa: 200 lm/W.
Zgodnie z prognozami, w ciągu najbliższych 10 lat wydajność LED-ów użytkowych ma wzrosnąć 20-krotnie, a ich cena spaść 10-krotnie. Na przewidywany wzrost popularności oświetlenia LED wpłynąć może coraz gorsza opinia o świetlówkach kompaktowych, które migają i przepalają się częściej, niż wynika to z zapewnień producenta.
Zawierają też rtęć, co jest niezgodne z pro-ekologicznymi tendencjami rozwoju technologii.
Coraz więcej profesjonalnych i zaawansowanych technologicznie rozwiązań oświetleniowych z wykorzystaniem LED można spotkać na ulicach miast, w miejscach pracy, na kadłubach samolotów, a nawet na scenach teatralnych.
Laptopy czy telewizory korzystają dziś z tej technologii powszechnie.
Dzięki temu są cieńsze, lżejsze i bardziej energooszczędne niż urządzenia z epoki lamp fluorescencyjnych z zimną katodą (CCFL). W czasie gdy trwa ogólnoświatowa ekspansja lamp LED, w naukowych laboratoriach już pracuje się nad technologiami, które będą jeszcze wydajniejsze i tańsze.
Badacze z japońskiego Uniwersytetu Tohoku skonstruowali np. kilka miesięcy temu panel pokryty węglowymi nanorurkami, który emituje światło, wykorzystując sto razy mniej energii niż LED o porównywalnej jasności (3). Skonstruowane przez profesora Norihiro Shimoi i jego zespół źródło światła przypomina zewnętrznie lampę LED.
Jednak emisja fotonów oparta jest tu na innych fizycznych zasadach. Bardziej przypomina lampy katodowe, wykorzystywane w starych telewizorach. W tym przypadku każda węglowa nanorurka jest taką nanolampą emitującą elektrony, które, padając na luminofor, powodują świecenie.
Prototyp wymaga wysokiego napięcia początkowego (5 tys. woltów), które tworzy silne pole elektryczne i wzbudza emisję elektronów. Jednak łączna moc takiego panelu świetlnego to zaledwie 0,1 wata. Nanorurki prawie pozbawione są oporności elektrycznej, a cały proces jest niezwykle wydajny.
Nie tylko energia elektryczna
Korzystanie z energooszczędnego sprzętu AGD i RTV pozwala znacząco obniżyć rachunki za energię elektryczną - to wiemy już dobrze. Wybór optymalnego i jednocześnie energooszczędnego sprzętu AGD/ RTV ułatwiają etykiety efektywności energetycznej.
System etykietowania został wprowadzony na podstawie dyrektywy Parlamentu Europejskiego.
Polska wprowadziła zapisy powyższego aktu prawnego Ustawą z 14 września 2012 r. o obowiązkach w zakresie informowania o zużyciu energii przez wyroby wykorzystujące energię.
Lista urządzeń objętych obowiązkiem etykietowania cały czas uzupełniana jest o kolejne pozycje. Aby móc korzystać z tego udogodnienia, niezbędna jest znajomość symboli znajdujących się na etykietach. Podstawową informację stanowi klasa efektywności energetycznej.
Oznacza się ją literowo, w przedziale 10 klas od A+++ do G. W miarę rozwoju technologicznego na etykietach produktów obecnie oznaczanych w skali od A do G będą pojawiać się klasy A+, A++ i A+++, a znikać klasy najniższe: E, F, G.
Oznaczenia znajdują się na etykietach, na różnokolorowych strzałkach z zachowaniem zasady, że najwyższa klasa ma kolor zielony, a najniższa - czerwony (4).
Przy skalowaniu efektywności energetycznej nie chodzi tylko o zużycie prądu przez urządzenie. W przypadku np. pralki jest to zużycie energii elektrycznej i wody w skali roku, przy 220 standardowych cyklach prania.
Z etykiety znajdującej się na pralce konsument dowie się również o poziomie hałasu wytwarzanego przez dany model, zarówno podczas prania, jak i wirowania. Podobnie ma się rzecz ze zmywarkami do naczyń. Z kolei wybierając lodówkę, oprócz klasy energetycznej użytkownik powinien wziąć pod uwagę swoje realne potrzeby.
O pojemności urządzeń chłodniczych decydujemy, kierując się liczbą użytkowników. Zbyt duża lodówka powoduje niepotrzebne zużycie energii. Przyjmuje się, że na jednego użytkownika wystarczy 60 l pojemności; zatem dla rodziny 4-osobowej powinniśmy wybrać urządzenie o pojemności do 240 l.
W opisanych powyżej przypadkach etykieta to najczęściej naklejka umieszczona z przodu bądź na górnej części każdego egzemplarza produktu wystawionego w punktach sprzedaży. W przypadku lamp, etykieta jest nadrukowana na opakowaniu i informuje nie tylko o klasie efektywności energetycznej, ale również o ważonym rocznym zużyciu energii w kWh na 1 tys. godzin świecenia.
Sieć oszczędza lepiej
Obecnie technologie oszczędzania energii wykraczają poza wymianę starych żarówek na energooszczędne źródła światła czy kupowanie coraz nowocześniejszych sprzętów AGD.
Specjaliści mówią już o całościowych Inteligentnych Sieciach Domowych. Na rozwiązania ISD składającą się: urządzenia automatyzacji domu, komunikacja i liczniki zaawansowanej struktury pomiarowej (AMI).
Urządzenia automatyzacji domu to np. jeden pilot obsługujący wiele urządzeń, zdalne zarządzanie przez Internet lub aplikacje, kompleksowa ochrona i monitoring, centralne zarządzanie zużyciem energii w domu.
Kolejnym ważnym elementem ISD jest zapewnienie komunikacji urządzeniom zainstalowanym w ramach automatyzacji domu.
Inteligentny licznik pozwala zaś na dwustronną komunikację pomiędzy konsumentem a firmami energetycznymi. W architekturze ISD "bez zdalnego zarządzania" niezbędnym elementem ISD jest brama domowa, umożliwiająca komunikację między inteligentnym licznikiem a urządzeniami w ramach ISD.
Poza podstawowymi funkcjonalnościami bramy domowej, proponowane jest zainstalowanie w niej narzędzi służących bezpieczeństwu domowemu oraz kontroli urządzeń multimedialnych. ISD opierać się może o bezprzewodowe rozwiązania komunikacyjne (np. Wi-Fi lub ZigBee) albo protokoły przewodowe (np. Ethernet, Homeplug).
Architektura ta nie przewiduje możliwości zarządzania siecią przez Interfejs WWW lub aplikację mobilną. Znane są też inne warianty ISD. Np. ten określany jako "brak inteligentnych urządzeń" zakłada w zamian zastosowanie inteligentnych przełączników.
"Brak inteligentnego licznika" zakłada z kolei centralną pozycję bramy domowej, która dostarcza konsumentowi oraz dostawcy energii informacji o zużyciu energii w czasie rzeczywistym. W architekturze "w pełni zintegrowana ISD" (5) również centralną rolę odgrywa brama domowa.
Gromadzi ona informacje na temat rzeczywistego zużycia energii z inteligentnego licznika oraz szacowanych (lub rzeczywistych) wartości zużycia z poszczególnych urządzeń. Wysyła następnie bezprzewodowo zebrane i przetworzone informacje do komputera stacjonarnego, przenośnego lub tabletów.
Informacje są co pewien czas uaktualniane (np. co 15 sekund). W przyszłości w ramach architektury mają zostać opracowane sposoby reakcji inteligentnych urządzeń na fluktuacje cen energii, o których informacje pochodzą od dostawcy energii. Inteligentne urządzenia w sposób automatyczny będą więc opóźniać cykle lub zawieszać niektóre funkcjonalności, do czasu obniżenia ceny energii elektrycznej.
Brama domowa służy do komunikacji między urządzeniami działającymi w ramach ISD oraz siecią WAN lub Ethernet w danej lokalizacji. Pozwala ograniczyć dostęp do konkretnej ISD tylko do urządzeń danego konsumenta.
Zapewnia też autoryzowany dostęp do ISD przez kanał internetowy lub telefon komórkowy, zdalne zarządzanie urządzeniami w ramach ISD za pośrednictwem platformy internetowej. Inteligentny licznik jest elementem pośredniczącym pomiędzy siecią dystrybucyjną a ISD.
Pozwala na scentralizowany i zdalny odczyt informacji o parametrach konsumpcji oraz przesyłanie sygnałów kosztowych i technicznych za pomocą infrastruktury AMI. Podstawową funkcjonalnością inteligentnych liczników jest także umożliwienie konsumentom dostępu do informacji o zużyciu energii elektrycznej w czasie rzeczywistym oraz do danych archiwalnych.
Licznik AMI powinien być wyposażony w standardowy interfejs komunikacyjny pozwalający na dwukierunkową komunikację z ISD lub na dołączenie konwertera sygnału.
Inteligentny, a jakże, termostat (6) z wbudowaną możliwością komunikacji dostosowuje w ISD poziom wykorzystywanej energii elektrycznej do potrzeb na podstawie otrzymanego sygnału od konsumenta lub dostawcy energii, wyświetla bieżącą cenę, rzeczywiste zużycie energii elektrycznej oraz historyczne zużycie energii, umożliwia zdalną aktualizację oprogramowania.
Odbiór informacji o aktualnej cenie energii elektrycznej umożliwia inteligentnym urządzeniom dostosowanie profilu zużycia do cen. Tym samym energochłonne czynności mogą być wykonywane w okresach o niższej cenie za 1 kWh (np. w nocy).
Inteligentne przełączniki kontrolują dostęp danego urządzenia do energii elektrycznej przez gniazdko elektryczne. Umożliwiają dwustronną komunikację z ISD. Pozwalają na zdalne wyłączenie/włączenie danego urządzenia (zarówno przez konsumenta jak i przedsiębiorstwo energetyczne, np. w ramach programu).
Panel infrastruktury sieci domowej, In-Home Display (7), to urządzenie służące do odbioru oraz wyświetlania informacji dotyczących cen oraz zużycia energii elektrycznej w czasie rzeczywistym oraz informacji archiwalnych. Wyświetlacz może być urządzeniem przenośnym.
Obecnie oferowane są również znacznie bardziej zaawansowane urządzenia łączące funkcje wyświetlania informacji, zarządzania energią oraz automatyzacji procesów. Wyświetlaczem domowym mogą być także telewizory coraz częściej wyposażane w interfejs LAN.
Ponadto podstawowe funkcjonalności wyświetlacza domowego mogą zostać wbudowane w inne urządzenie, np. inteligentny termostat. Według badań organizacji VaasaETT (8), specjalizującej się w problematyce energetycznej, zainstalowanie wyświetlaczy domowych pozwala na redukcję zużycia energii elektrycznej średnio o 10 procent.
Najwyższą efektywność osiągnięto w Kanadzie. W USA, gdzie konsumpcja energii elektrycznej przypadająca na jednego mieszkańca jest bardzo wysoka, instalacja domowych wyświetlaczy przynosi najniższe efekty (7 procent). Wynik dla Europy wyniósł 10 procent przy obserwowanej dużej zmienności w zależności od kraju.
Funkcjonalności wyświetlacza domowego mogą być realizowane również poprzez interfejs WWW lub aplikację mobilną. W porównaniu z wyświetlaczem domowym interfejs WWW umożliwia zdalny dostęp do informacji, większą funkcjonalność oraz łatwiejszy proces aktualizacji oprogramowania.
Platforma internetowa służyć może także do zdalnej konfiguracji ISD przez Dostawcę Usług ISD, działającego na zlecenie odbiorcy. W serwisie BBC efektami wprowadzenia podobnych systemów inteligentnej infrastruktury energetycznej pochwalił się sam Microsoft.
Na terenie swojego 88-akrowego kampusu w Redmond w Kalifornii (9) firma zainstalowała podobne rozwiązania w 125 budynkach, rozmieszczając 30 tys. urządzeń przeprowadzających 500 mln operacji dziennie. Pozwoliło jej to na oszczędności ok. 10 procent z kosztów energii, a to w praktyce miliony dolarów, które pozostały w kasie firmy.
Inny przykład to duża amerykańska sieć sklepów Walgreens, która wydała 20 mln dolarów na system tego rodzaju, opracowany przez firmę Riptide IO z Kalifornii. Już w pierwszym roku funkcjonowania zmniejszył on rachunki za energię o 14 mln dolarów.
Walgreens znany jest też z pierwszego sklepu (w okolicach Chicago) o "zerowym" bilansie energetycznym (10). Instalacje paneli fotowoltaicznych, turbin wiatrowych i LED-owego oświetlenia sprawiają, że nie potrzebuje on energii z zewnątrz, czyli z sieci energetycznej.
