Vergelijking milieuaspecten LEDlichtbakken

Vergelijking milieuaspecten LEDlichtbakken Nulmeting Datum: 22 november 2012 Versie: Eindrapport Project nummer: C423 In opdracht van: Uitgevoerd door: Vakgroep Lichtreclame, Uneto-VNI Jorrit Leijting, PRé Consultants bv

Dit rapport is geschreven door PRé Consultants bv. PRé Consultants helpt bedrijven en overheden bij het ontwikkelen van duurzame producten en diensten. PRé Consultants heeft meer dan 20 jaar ervaring in het uitvoeren van Life Cycle Assesment (LCA) studies; van ISO conforme studies tot screening LCA s. De op LCA gebaseerde oplossingen zijn zowel praktisch als wetenschappelijk onderbouwd. PRé Consultants is marktleider op het gebied van de ontwikkeling van LCA software. Onze professionele LCA tool, SimaPro wordt in meer dan 80 landen gebruikt door bedrijven, adviesbureau s, universiteiten en onderzoeksinstituten. PRé Consultants uit Amersfoort heeft een kantoor in de Verenigde Staten en werkt samen met een wereldwijd partnernetwerk. Dit ervaren netwerk biedt advies, oplossingen en ondersteuning aan grote internationale bedrijven en projecten. PRé Consultants bv Printerweg 18 3821 AD Amersfoort Telefoon: 033 455 50 22 www.pre-sustainability.com ii

Inhoudsopgave 1 Inleiding... 1 2 Doel en uitgangspunten... 1 2.1 Doel van het onderzoek... 1 2.2 Uitgangspunten... 1 2.2.1. Functionele eenheid... 1 2.2.2. Systeemgrenzen... 1 2.3 Methodiek... 3 2.3.1. Milieubelasting... 3 2.3.2. Indicator voor klimaatverandering... 4 3 Resultaten... 4 3.1 Resultaten van de metingen... 4 3.2 Milieueffecten... 4 3.3 Indicator voor klimaatverandering... 6 4 Discussie... 6 4.1 Kwaliteitseisen... 6 5 Conclusies... 7 Bronnen... 9 iii

iv

1 Inleiding De vakgroep Lichtreclame van Uneto-VNI is geïnteresseerd in de milieubelasting van LED reclameverlichting die door verschillende leveranciers op de markt gebracht worden. In 2010 is een onderzoek gestart waarbij een analyse is gemaakt van de milieubelasting die optreedt bij de productie en transport alsmede de gebruiksfase van LED reclameletters. Uit dit onderzoek (nulmeting) blijkt dat vooral de gebruiksfase relevant is voor de milieuprestatie van LED verlichting. De milieuprestatie wordt dus voornamelijk bepaald door factoren die belangrijk zijn in de gebruiksfase en die direct gemeten kunnen worden zoals het werkelijk vermogen, power factor en de luminantie. Vervolgens is er een nieuwe proef opgestart met LED lichtbakken waarbij de ervaringen van het lopende onderzoek toegepast kunnen worden. Uit de nulmeting van de LED reclameverlichting is naar voren gekomen dat het stellen van kwaliteitseisen wenselijk is waardoor de producten correcter met elkaar vergeleken kunnen worden. Door de vakgroep lichtreclame is voor gekozen om een eis te stellen aan de kleurtemperatuur. 2 Doel en uitgangspunten 2.1 Doel van het onderzoek Het doel van dit onderzoek is het vergelijken van verschillende LED lichtbakken op milieubelasting, levensduur, het energieverbruik en de lichtopbrengst. Het betreft hier een nulmeting. Doel is om vervolgens ieder jaar gedurende vijf jaar de metingen te herhalen en vergelijken. 2.2 Uitgangspunten 2.2.1 Functionele eenheid De functionele eenheid is de vergelijkingsbasis die gebruikt wordt in dit onderzoek. De functionele eenheid van een LED lichtbak wordt als volgt omschreven: een LED systeem dat in een lichtbak van 800 mm hoog en 800 mm breed is ingebouwd, continue gebruikt wordt voor de duur van 5 jaar (43800 branduren), een kleurtemperatuur heeft van 4000 Kelvin ± 5% en een luminantie van 479 cd/m 2. In de functionele eenheid is de gemiddelde luminantie van de LED systemen opgenomen die voldoen aan de kleurtemperatuur van 4000 Kelvin ± 5%. Indien een LED systeem bijvoorbeeld een luminantie heeft die twee keer zo laag is dan het gemiddelde, dan wordt er vanuit gegaan dat het systeem twee keer zo groot moet zijn om dezelfde kwaliteit licht te geven waardoor de hoeveelheid verbruikte energie ook twee keer zo groot wordt. 2.2.2 Systeemgrenzen Uit de nulmeting van LED reclameletters die in 2010 is uitgevoerd is gebleken dat de gebruiksfase een grote milieu-impact heeft in de levenscyclus van de verlichting (Uneto-VNI, 2011). Omdat alle andere fasen (waaronder productie en transport) minder dan 2,5% van de milieu-impact veroorzaken is toen besloten om alleen de gebruiksfase mee te nemen in het onderzoek. Deze nulmeting van de LED lichtbakken zal op dezelfde voet worden voortgezet. Gebruiksfase Er wordt aangenomen dat de LED verlichting 5 jaar lang continue aan staat. Tijdens de gebruiksfase zijn de volgende factoren belangrijk voor de milieuperformance van een LED systeem: 1

1. Werkelijk of opgenomen vermogen (Watt) 2. Luminantie (cd/m 2 ) 3. Power factor 4. Kleurtemperatuur Ad 1) Werkelijk vermogen De hoeveelheid werkelijk vermogen is samen met de power factor bepalend voor het energieverbruik van een LED systeem tijdens de gebruiksfase. In dit onderzoek wordt de hoeveelheid werkelijk vermogen uitgedrukt in Watt gekoppeld aan een levensduur van vijf jaar (43800 branduren) wat het elektriciteitsverbruik in (k)wh oplevert. Ad 2) Luminantie De luminantie, die ook wel wordt aangeduid als lichtintensiteit of oppervlaktehelderheid, is de hoeveelheid licht die per oppervlakte-eenheid wordt uitgestraald en wordt uitgedrukt in candela (cd) per vierkante meter. De grootheid luminantie wordt in dit onderzoek meegenomen als kwaliteitsmaat (zie 2.2.1). Ad 3) Power factor De power factor geeft de fase verschuiving aan tussen alle harmonische stroom en spanningcomponenten. Met de power factor kan het werkelijke vermogen, in Watt, en het schijnbare vermogen, in Volt Ampère (VA) worden bepaald. Voor de energie die wordt verbruikt in het LED systeem, het werkelijke vermogen, moet het energiebedrijf extra energie leveren, het schijnbare vermogen. De prijs die de consument betaalt aan het energiebedrijf is voor het afnemen van het werkelijk vermogen per tijdseenheid (Wh) waarin naar alle waarschijnlijkheid de kosten van de extra geleverde energie verdisconteerd is. De verhouding tussen het werkelijk en schijnbaar vermogen wordt aangeduid met de power factor. Bij een power factor van 1 is er geen fase verschuiving en geen harmonische (netvervuiling). De voedingen van LED systemen veroorzaken de fase verschuiving en hogere harmonische. Hoe kleiner het getal hoe ongunstiger de werking van de voeding (Veer, H. de, 2011). In onderstaande tabel is dit weergegeven. Tabel 1 Power factor in relatie met de kwaliteit PF = 1 optimale energieoverdracht tussen het net en het LED systeem PF tussen 1 en 0,8 acceptabel PF < 0,8 onacceptabel Een PF kleiner dan 0,8 veroorzaakt meer milieu belasting omdat er meer energie moet worden opgewekt dan er gebruikt wordt. De frequentiespectra waarin de fase verschuiving van de geteste LED systemen wordt weergegeven zijn opgenomen in bijlage 2. Ad 4) Kleurtemperatuur Er is gekozen om de kleurtemperatuur als kwaliteitseis op te nemen. Klanten hebben namelijk voorkeur voor een bepaalde kleurtemperatuur omdat licht met een lage kleurtemperatuur als warmer wordt ervaren dan licht met een hoge kleurtemperatuur. Voor bepaalde kleuren verbetert een lage kleurtemperatuur de weergave of is een lage kleurtemperatuur zeer wenselijk, een gele kleur moet bijvoorbeeld warm zijn. De luminantie is echter verweven met de kleurtemperatuur. In het algemeen geldt dat een hogere kleurtemperatuur een hogere luminantie geeft. Omdat een hogere luminantie een hogere energie-efficientie met zich mee kan brengen is besloten om de 2

kleurtemperatuur op 4000 Kelvin te stellen. In onderstaande tabel zijn drie klasses onderscheiden op basis van de procentuele afwijking van de basiseis van 4000 Kelvin. In dit onderzoek wordt de milieubelasting alleen berekend van vergelijkbare systemen die qua lichttemperatuur een waarde vertegenwoordigen van 4000 Kelvin waarbij een afwijking van 5% mogelijk is. Tabel 2 Klasse-indeling LED systemen bij basiseis van 4000 Kelvin Klasse Afwijking 1 ± 5% 2 > 5% en 20% 3 > 20% en 50% 2.3 Methodiek 2.3.1 Milieubelasting In dit onderzoek is een Impact Assessment uitgevoerd met behulp van de ReCiPe methodiek (Goedkoop et al. 2009). Deze methode is door RIVM, CML, Radboud Universiteit Nijmegen en PRé Consultants ontwikkeld en wordt internationaal erkend als een betrouwbare en volledige methode. Met ReCiPe kunnen de milieueffecten uitgedrukt worden op het niveau van milieuthema s en als één milieuscore. Dit maakt een vergelijking tussen de verschillende systemen goed begrijpelijk en interpreteerbaar. Om tot één score te komen zijn drie verschillende milieueffecten met elkaar gewogen: 40% humane gezondheid 40% ecosystemen 20% grondstoffen Deze drie milieuthema s of damage categorieën bestaan ieder afzonderlijk ook weer uit milieuthema s of impact categorieën zoals in onderstaande tabel wordt weergegeven. Tabel 3 Milieuthema s een eenheden in ReCiPe Damage categorie Impact categorie eenheid Humane gezondheid klimaatverandering DALY (Disability Adjusted humane gezondheid Life Years). ozonlaag aantasting humane toxiciteit Nadelen/belemmeringen door ziekten veroorzaakt. vorming fotochemische oxidanten vorming fijnstof ioniserende straling Ecosystemen Klimaatverandering ecosystemen Terrestische Verzuring Zoetwater eutrofiering Marine ecotoxiciteit Landgebruik landbouw Stedelijk landgebruik Transformatie natuur Grondstoffen Uitputting metalen Uitputting fossiele hulpbronnen Afname van het aantal soorten per jaar Amerikaanse dollar 3

In dit rapport zal de milieubelasting uitgedrukt worden als één milieuscore. De eenheid voor de score is punten (Pt). Één punt komt overeen met een duizendste van de totale jaarlijkse milieubelasting van een gemiddelde Europeaan. 2.3.2 Indicator voor klimaatverandering Naast de totale mileuscore worden de resultaten ook uitgedrukt in CO 2 equivalenten wat een indicator is voor klimaatverandering. Deze wordt bepaald door de IPCC 2007 methode (IPPC, 2007). Deze methode is opgezet door het International Panel on Climate Change (IPCC) en is een veel gebruikte indicator voor klimaatverandering. De scores worden uitgedrukt in massa eenheden CO 2 equivalenten. 3 Resultaten 3.1 Resultaten van de metingen In tabel 4 zijn de gegevens opgenomen die zijn gemeten in mei 2012. Voor de gebruiksfase wordt gebruik gemaakt van de luminantie, de hoeveelheid werkelijk vermogen, de power factor en de kleurtemperatuur van de LED systemen. Op basis van de hoeveelheid werkelijk vermogen en de power factor wordt het schijnbaar vermogen berekend. Het schijnbaar vermogen per tijdseenheid vertegenwoordigd de hoeveelheid energie die van het net afgenomen wordt. De luminantie is gemeten door het onafhankelijke adviesbureau MLD. Het werkelijk vermogen en de power factor van de LED systemen zijn gemeten door het onafhankelijke adviesbureau HV Advies. Zoals in paragraaf 2.2.2 aangegeven wordt de milieubelasting berekend van de systemen met een kleurtemperatuur van 4000 ± 5% Kelvin. In tabel 4 zijn de lichtbakken die voldoen aan deze eis groen gekleurd. De gemiddelde luminantie van deze vier lichtbakken is 479 cd/m 2. Deze luminantie is opgenomen in de functionele eenheid (zie paragraaf 2.2). Tabel 4 De luminantie, Werkelijk vermogen, schijnbaar vermogen, power factor en de kleurtemperatuur van de negen verschillende LED systemen (meting mei 2012 door MLD (Luminantie) en HV Advies) Merknaam Luminantie (cd/m 2 ) Werkelijk vermogen Schijnbaar vermogen Power factor Kleurtemperatuur Beoordeling kleurtemperatuur (W) (VA) (Kelvin) IP LED 870 27,00 28,42 0,95 6970 Klasse 3 Koledo 447 27,75 35,58 0,78 3920 Klasse 1 Lumitext 726 26,50 28,49 0,93 6654 Klasse 3 Osram 637 36,50 39,25 0,93 4189 Klasse 1 GE/Tetra 374 22,75 24,73 0,92 3912 Klasse 1 Signlandia 1270 42,00 43,75 0,96 6489 Klasse 3 Tridonic 468 37,25 38,80 0,96 4287 Klasse 1 SloanLED 575 19,25 35,65 0,54 4836 Klasse 2 Hansen 686 27,50 32,35 0,85 5063 Klasse 3 3.2 Milieueffecten De milieubelasting van de vier LED lichtbakken met een kleurtemperatuur van 4000 ± 5% Kelvin is afgebeeld in grafiek 1. De milieubelasting bedraagt tussen de 89 en 111 punten. Omdat hier, net als bij LED reclameverlichting, alleen het electriciteitsverbruik is meegenomen zijn de verhoudingen tussen de verschillende impactcategorien gelijk. 4

Milieubelasting (Pt) 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 GE/Tetra Osram Tridonic Koledo Fossil depletion Metal depletion Natural land transformation Urban land occupation Agricultural land occupation Ionising radiation Marine ecotoxicity Freshwater ecotoxicity Terrestrial ecotoxicity Particulate matter formation Photochemical oxidant formation Human toxicity Freshwater eutrophication Terrestrial acidification Ozone depletion Climate change Ecosystems Climate change Human Health Grafiek 1 Milieubelasting per LED lichtbak systeem van GE/Tetra, Osram, Tridonic en Koledo, uitgedrukt in punten (alle 17 impact categoriën in ReCiPe). Impact Assessment methode ReCiPe endpont (H) V1.07/Europe H/A In grafiek 2 zijn de 17 impact categorieën geaggregeerd naar de drie damage categorieën grondstoffen, ecosystemen en humane gezondheid. Hieruit komt duidelijk naar voren dat de milieubelasting voornamelijk ligt bij grondstoffen (door uitputting van fossiele hulpbronnen) en humane gezondheid (voornamelijk klimaatverandering en in mindere mate het vrijkomen van giftige stoffen en fijn stof). Milieubelasting (Pt) 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 GE/Tetra Osram Tridonic Koledo Grondstoffen Ecosystemen Humane gezondheid Grafiek 2 Milieubelasting per LED lichtbak systeem van GE/Tetra, Osram, Tridonic en Koledo, uitgedrukt in punten (3 damage categoriën). Impact Assessment methode ReCiPe endpont (H) V1.07/Europe H/A 5

3.3 Indicator voor klimaatverandering Grafiek 3 laat het de bijdrage aan klimaatverandering zien van de verschillende LED lichtbakken. Bij de analyse van de milieubelasting is al geconstateerd dat de bijdrage aan klimaatverandering erg belangrijk is. De indicator voor klimaatverandering van de LED lichtbakken ligt tussen 948 en 1258 kg CO 2 equivalenten. Ter vergelijking, een gemiddelde European heeft een uitstoot van 1120 kg CO 2 equivalenten per jaar. De hoeveelheid CO 2 equivalenten die vrijkomt bij een LED systeem in vijf jaar is dus vergelijkbaar met ongeveer de volledige uitstoot van een gemiddelde Europeaan per jaar. 1400 1200 1.258 1.210 1000 1.006 948 kg CO2 equivalenten 800 600 400 200 0 GE/Tetra Osram Tridonic Koledo Grafiek 3 Effect op klimaatverandering per LED lichtbak systeem uitgedrukt in kg CO 2 equivalenten 4 Discussie 4.1 Kwaliteitseisen Na de nulmeting van LED reclameletters is door de Vakgroep Reclameverlichting besloten om een kwaliteitseis in te stellen waardoor rekening gehouden wordt met de wensen van de gebruiker. De functionele eenheid die gebruikt is in het onderzoek van de LED reclameletters is namelijk gebaseerd op een gemiddelde luminantie van de LED systemen waarbij dit gemiddelde niet verbonden is met het voldoen van bepaalde kwaliteitscriteria. Een belangrijke eis van klanten is dat de gewenste kleurtemperatuur rond 4000 Kelvin ligt. Door een eis te stellen aan de kleurtemperatuur wordt indirect ook een eis gesteld aan de luminantie. Een hogere kleurtemperatuur geeft namelijk een grotere luminantie. Bij de lichtbakken is aan de hand van deze kwaliteitseis bepaald welke systemen meegenomen worden in de milieuanalyse. Van deze systemen is tenslotte de gemiddelde luminantie berekend en verwerkt in de functionele eenheid. 6

5 Conclusies Van de negen geteste lichtbakken zijn er vier met een kleurtemperatuur van 4000 Kelvin waarbij een afwijking van 5% is toegestaan. De milieubelasting van de vier lichtbakken met een kleurtemperatuur van 4000 ± 5% Kelvin bedraagt tussen de 89 en 111 punten. De meeste milieubelasting wordt veroorzaakt door uitputting van fossiele hulpbronnen en het effect van klimaatverandering op humane gezondheid en ecosystemen. Het effect op klimaatverandering van de LED lichtbakken met een kleurtemperatuur van 4000 ± 5% Kelvin ligt tussen 948 kg en 1258 kg CO 2 equivalenten. De resultaten en de conclusies in dit onderzoek zijn alleen gebaseerd op de gebruiksfase van de lichtbakken van vijf jaar. De milieubelasting van de lichtbakken wordt bepaald door enerzijds het energieverbruik dat gekoppeld is aan het Werkelijk vermogen en de Power factor en anderzijds de luminantie. 7

8

Bronnen Boer, L.E. den, F.P.E. Brouwer en H.P. van Essen (2008). STREAM, Studie naar Transport Emissies van Alle Modaliteiten, Versie 2.0, CE Delft. Dogterom, F. (2010). Slechte led vervuilt het net, Allicht, 3de jaargang, no 7, september 2010, blz 10-13. Ecoinvent Centre (2010). Ecoinvent data v2.2. Swiss Centre for Life Cycle Inventories, Dübendorf, http://www.ecoinvent.org/ Goedkoop, M., R. Heijungs, M. Huijbregts, A. De Schryver, J. Struijs en R. van Zelm (2009). ReCiPe 2008, A life cycle impact assessment method which comprises harmonised category indicators at the midpoint and the endpoint level, First edition, Report I: Characterisation. Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer. IPCC (2007). IPCC Fourth Assessment Report. The physical science basis. http://www.ipcc.ch/ Uneto-VNI (2011). Vergelijking milieuaspecten LED-reclameverlichting, eindrapport onderzoek 2010-2011, Vakgroep Lichtreclame Uneto-VNI, Zoetermeer, www.uneto-vni.nl/stream/ledrapport Veer, H. de. (2011). HV Advies Elektrotechnisch Advies- en Opleidingsbureau, Persoonlijke mededeling 26 mei 2011. 9

10

Bijlage 1 Gemeten frequentiespectra van de LED lichtbakken De frequentie die van het net komt is 50 Hz. Grafisch gezien levert dit een golvend, sinusvormig patroon op. Elektronische apparatuur kan extra frequenties veroorzaken die een veelvoud zijn van deze grondfrequentie, bijvoorbeeld 150 en 250 Hz. Die extra frequenties heten harmonischen en verstoren het sinusvormige frequentiepatroon (Dogterom, 2010). In de grafieken geven de linkerbalkjes de grondfrequenties (50 Hz) weer. Alle overige balken zijn afwijkende frequenties die een nadelige invloed hebben op het elektriciteitsgebruik en op de kwaliteit van de elektronische componenten in het net. Signlandia IP-LED 11

Hansen SLOAN LED Lumitext 12

GE/Tetra Tridonic Koledo 13

Osram 14