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Tecnologia LED, attualità e prospettive

Durata, luminosità, consumo. Ma anche mercato, normative e funzionamento. Un viaggio approfondito dentro i LED, per scoprire tutto su questa tecnologia rivoluzionaria

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(Rinnovabili.it) – La tecnologia LED comincia ad affermarsi sul mercato e i suoi prodotti presto diventeranno di largo consumo.

La consapevolezza dell’innovazione  scientifica è stata definitivamente conclamata con l’assegnazione del Premio Nobel per la Fisica 2014 ai tre scienziati giapponesi, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura, per la loro invenzione dei LED (diodo a emissione luminosa) a luce blu, che hanno permesso di realizzare sistemi di illuminazione a basso consumo energetico.

Un aspetto poco evidenziato della tecnologia LED è sicuramente la sua alta eco-compatibilità rispetto ad altre tecnologie che presentano costi ambientali non trascurabili. Con queste caratteristiche, i LED possono dare un serio contributo alla riduzione dei consumi elettrici e delle emissioni inquinanti.

 

 1. I LED in Italia e all’estero

Allo stato attuale si può definire la diffusione della tecnologia a LED in una fase di start-up. Questo per una serie di motivi:

  1. Norme di valorizzazione della tecnologia ancora troppo giovani e poco  incisive
  2. Mancanza di una vera industria italiana ed europea di larga produzione di lampade. Oggi il 90% della produzione è di origine cinese.
  3. Forti interessi delle grandi lobby del lighting tradizionale a rallentare la diffusione di nuove tecnologie.

Le previsioni  di incremento della tecnologia sono comunque incoraggianti. Tutto dipenderà dal modificarsi delle condizioni descritte, in particolare dalla nascita di una industria europea dell’illuminazione a LED.

Le domande sono tante: l’Italia e l’Europa saranno capaci di creare una propria industria di produzione, magari basata su alta innovazione di processo? Abbiamo in Europa sufficiente know-how per combattere lo strapotere del mercati cinesi, forti di un bassissimo costo della manodopera?

 

2. Ruolo e potenzialità nell’ambito della green economy

La tecnologia a LED può avere un ruolo importante nello scenario  energetico ed ambientale. Basti considerare che l’illuminazione incide per il 20% circa sulla bilancia elettrica europea. Se volessimo soltanto stimare un possibile risparmio rispetto alle tradizionali lampade CFL (Basso consumo), possiamo valutare una riduzione della bolletta elettrica del 10%. In termini numerici, tale dato equivale, per l’Italia, a 4 Terawatt, per l’Europa a 40 Tw.

La tecnologia LED ha poi una caratteristica unica: il suo investimento si ripaga in un tempo ridotto (dai 3 ai 5 anni), mentre la vita utile del prodotto è di 15 anni. Ciò significa che un investimento in questo settore avrebbe una profittabilità di oltre il 70% rispetto al capitale investito. Questo dato dovrebbe indurre i governi europei a investire molto di più, senza necessariamente prevedere incentivi pubblici, ma semplicemente mettendo a disposizione del mercato risorse finanziarie sotto forma di prestiti onerosi “autofinanziati”. Gli Stati Uniti hanno creato circa 1 milione di posti di lavoro nel settore della green economy ed in particolare nel settore dell’efficienza energetica, immettendo sul mercato oltre 20 miliardi di dollari in prestiti al tasso del 4 – 5%.

Una politica incentivante in tal senso potrebbe creare nuova occupazione (circa 200 mila posti annui), dare un forte impulso agli obiettivi di riduzione delle emissioni inquinanti, alleviare la bolletta energetica nazionale e, indirettamente, effettuare una spending review di circa 1  miliardo l’anno solo per  la Pubblica Amministrazione.

 

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3. Come funzionano i LED 

La tecnologia LED ha un funzionamento molto semplice. L’emissione del flusso luminoso avviene attraverso l’alimentazione di un filamento di semiconduttore, opportunamente trattato, con una corrente bassissima (mediamente 350 mA) e ad un voltaggio di 2 – 3,5 volt. A differenza di altre fonti luminose, non produce gas o altre sostanze inquinanti. I led di nuova generazione, se ben alimentati, possono avere una vita utile di oltre 100.000 ore.

 

Cos’è un LED

Il LED è un componente elettronico che, al passaggio di una bassissima corrente, emette una luce priva di infrarossi ed ultravioletti, accendendosi immediatamente.

La tecnologia LED, acronimo di Light-Emitting Diodes, rappresenta l’evoluzione dell’illuminazione allo stato solido, con cui la generazione della luce è ottenuta mediante semiconduttori anziché utilizzando un filamento o un gas. L’illuminazione LED è più efficiente dal punto di vista energetico, ha una durata molto maggiore ed è più sostenibile. Inoltre, consente innovative e creative soluzioni di utilizzo, che integrano la luce nelle nostre case, nelle automobili, nei negozi e nelle città.

 

Risparmio energetico

Grazie alla grande intensità delle lampadine a LED, è possibile sostituire con esse anche le lampade fluorescenti (compatte o al neon), consumando mediamente il 50% in meno.

Ad esempio, è possibile sostituire una normale lampada al neon da 40W (del tipo T8 da 26 mm di diametro e 120 cm di lunghezza) con un “tubo a LED” (composto da quasi 300 piccoli led) che consuma non più di 17W.

In tal caso, ipotizzando un costo dell’energia elettrica di 0,22 €/kWh e un uso medio di 6 ore al giorno, il consumo annuo con le due diverse lampade sarebbe, rispettivamente, di 87,6 kWh e di 37,2 kWh. Pertanto, il risparmio annuo nell’usare la lampada a LED al posto di quella fluorescente al neon sarebbe di 50,4 kWh, che significa 12,60 euro in meno.

 

Durata

I LED conservano oltre l’80% del flusso luminoso iniziale anche dopo 50.000 ore di funzionamento, secondo gli standard EN50107. La completa perdita di luminosità è stimata in 100.000 ore.

Confrontando la durata dei LED rispetto alle lampade tradizionali, e ipotizzando un funzionamento medio di 6 ore al giorno, notiamo che:

  • la vita media di una lampadina a filamento è di circa 1000/1500 ore (250 giorni)
  • la vita media di una lampada a scarica è di 4.000 ore circa (666 giorni)
  • la vita media di una lampada fluorescente è di 6.000 ore (1.000 giorni)
  • la vita media di una lampada a led è di 50.000 ore  (8.333 giorni)

 

Efficienza luminosa

L’efficienza luminosa di una sorgente di luce è il rapporto tra il flusso luminoso e la corrente consumata. Il metro di misura dell’efficienza è espresso in lumen/watt. Il flusso luminoso è definito in base alla percezione soggettiva dell’occhio umano medio e corrisponde ad una particolare curva all’interno dello spettro della luce visibile. Una lampadina emette radiazioni anche al di fuori della banda visibile, in genere nell’infrarosso e nell’ultravioletto, che però non contribuiscono alla sensazione di luminosità. La maggiore efficienza luminosa si ha quanto più una lampada è in grado di emettere uno spettro adatto alla percezione umana.

Attualmente i LED hanno un efficienza luminosa fino a 140 lm/W, rispetto ai 13 lm/W  lampade ad incandescenza, i 16 lm/W  delle alogene e i 50 lm/W  fluorescenti.

 

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4. Tutte le potenzialità della tecnologia LED

Ambientali

La tecnologia LED dà vita a un prodotto totalmente riciclabile, come tutti quelli elettrici. Non necessita di particolari forme di smaltimento. A differenza delle altre tipologie di lampade (sodio, mercurio, fluorescenti), inoltre, i LED non contengono sostanze pesantemente inquinanti.

Un aspetto di non poco conto è anche la frequenza lunghissima di ricambio, vista la sua lunga vita. Insomma, lo smaltimento sarebbe non solo a bassissimo impatto ambientale, ma anche ben più raro: la frequenza di ricambio dei LED è infatti 10 volte più bassa rispetto alle comuni lampade fluorescenti.

 

Economiche e sociali

Ridurre la spesa elettrica è sicuramente possibile con l’utilizzo della tecnologia LED. Essa può contribuire a migliorare un bilancio economico familiare, ma anche quello di un’azienda o di una Pubblica Amministrazione. Il servizio luce è un servizio primario, senza il quale è difficile poter svolgere le proprie attività. Risparmiare su un servizio indispensabile rappresenta un doppio vantaggio.

>>Leggi anche: Lampade LED, quanto risparmiamo<<

 

5. Normativa di riferimento

Non esistono normative speciali a sostegno dei LED, né incentivi pubblici. Tuttavia ci sono una serie di regolamenti che danno importanza a questa nuova tecnologia.

Il documento principe è “Illuminare il futuro: accelerare la diffusione di tecnologie di illuminazione innovative” della Commissione europea. Esso  sgombra da ogni dubbio le discussioni improvvisate sulla validità e sostenibilità della tecnologia, nonché sui benefici ambientali che può portare.

Poi vi sono i decreti del Ministero dell’Ambiente (22.02.2011 ed aggiornamento 23.01.2014),  relativi agli acquisti verdi della P.A., in particolare quelli relativi all’acquisto di apparecchi per  pubblica illuminazione.

 

6. Prospettive di sviluppo

La validità intrinseca alla tecnologia LED è tale che gli interessi di lobby non potranno interferire per lungo tempo con la sua esplosione. Basti pensare che una lampada a LED si ripaga in 10.000 ore, e le restanti 40-90.000 sono tutte di guadagno. Nessuna tecnologia ha un ritorno economico paragonabile.

 

7. Casi studio

Per visionare i dati relativi ad alcuni casi studio che hanno visto l’applicazione della tecnologia LED, scarica il PDF a questo link.

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Rinnovabili • Turbine eoliche ad asse verticale

Turbine eoliche ad asse verticale, efficienza migliorata del 200%

Dall'EPFL svizzero il primo studio che applica un algoritmo di apprendimento automatico alla progettazione della pale delle turbine VAWT

Turbine eoliche ad asse verticale
via depositphotos

Nuovi progressi per le turbine eoliche ad asse verticale

Un aumento dell’efficienza del 200% e una riduzione delle vibrazioni del 70%. Questi due dei grandi risultati raggiunti nel campo delle turbine eoliche ad asse verticale,  presso l’UNFoLD, il laboratorio di diagnostica del flusso instabile della Scuola Politecnica Federale di Losanna (EPFL). Il merito va a Sébastien Le Fouest e Karen Mulleners che, in un’anteprima mondiale hanno migliorato questa specifica tecnologia impiegando un algoritmo di apprendimento automatico.

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Turbine eoliche VAWT, vantaggi e svantaggi

Si tratta di un progresso a lungo atteso dal comparto. Le turbine eoliche ad asse verticale o VAWT per usare l’acronimo inglese di “Vertical-axis wind turbines” offrono sulla carta diversi vantaggi rispetto ai classici aerogeneratori ad asse orizzontale. Ruotando attorno ad un asse ortogonale al flusso in entrata, il loro lavoro risulta indipendente dalla direzione del vento, permettendogli di funzionare bene anche nei flussi d’aria urbani. Inoltre offrono un design più compatto e operano a frequenze di rotazione più basse, il che riduce significativamente il rumore e il rischio di collisione con uccelli e altri animali volanti. E ancora: le parti meccaniche della trasmissione possono essere posizionate vicino al suolo, facilitando la manutenzione e riducendo i carichi strutturali.

Perché allora non sono la scelta dominante sul mercato eolico? Come spiega lo stesso Le Fouest, si tratta di un problema ingegneristico: le VAWT funzionano bene solo con un flusso d’aria moderato e continuo. “Una forte raffica aumenta l’angolo tra il flusso d’aria e la pala, formando un vortice in un fenomeno chiamato stallo dinamico. Questi vortici creano carichi strutturali transitori che le pale non possono sopportare“, scrive Celia Luterbacher sul sito dell’EPFL.

Energia eolica e algoritmi genetici

Per aumentare la resistenza, i ricercatori hanno cercato di individuare profili di inclinazione ottimali.  Il lavoro è iniziato montando dei sensori, direttamente su una turbina in scala ridotta, a sua volta accoppiata ad un ottimizzatore funzionante con algoritmi genetici di apprendimento. Di cosa si tratta? Di una particolare tipologia di algoritmi euristici basati sul principio della selezione naturale.

Quindi muovendo la pala avanti e indietro con angoli, velocità e ampiezze diverse, hanno generato una serie di profili di inclinazione. “Come in un processo evolutivo, l’algoritmo ha selezionato i profili più efficienti e robusti e ha ricombinato i loro tratti per generare una ‘progenie’ nuova e migliorata”. Questo approccio ha permesso a Le Fouest e Mulleners non solo di identificare due serie di profili di passo che contribuiscono a migliorare significativamente l’efficienza e la robustezza della macchina, ma anche di trasformare la più grande debolezza delle turbine eoliche ad asse verticale in un punto di forza. I risultati sono riportati su un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications.

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About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.