2012/10/05
經濟部能源局
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▓撰文：商育滿、王根樹、程金保
充足的照明成了人類通往文明的基石，打造這如晝的場景，交付的成本如何計算？值得我們以科學的方式加以檢視。
人工光源的世代更迭
在今（2012）年的《能源報導》2月號，筆者曾報導過2012年是許多國家開始全面禁止生產及進口白熾燈泡的起點，希望藉由減少使用高耗能的白熾燈泡，達成節能減碳的目標；取而代之的螢光燈（高效能日光燈管或是省電燈泡）及近年來最夯的LED燈，便順勢成了光源的理想接班選項。
有鑑於此，美國能源部（DOE）在一項大型的固態照明研究計畫中，針對LED照明光源，展開了生命週期中對能源與環境的影響評估，仔細比較市場上3種主流光源（白熾燈泡、省電燈泡、LED燈泡），它們在原料取得、製造、包裝、運送、使用與廢棄處理的環節中，各耗能多少，以及生命週期不同階段對環境的衝擊多寡，並具體解析量化數據。
此計畫繼今年2月發表對白熾燈泡、省電燈泡及LED燈泡的生命週期耗能評估之後，更於6月公布其生產及效能的深度分析，個別計算細部製程的耗能及環境影響。針對這兩份報告，筆者於彙整後，摘要描述並稍加補充如下。
3種主流光源的特質與耗能分布
由於白熾燈泡、省電燈泡、LED燈泡的發光原理與表現不同（白熾燈為轉化熱能的物理性發光，省電燈泡為螢光激發的氣態發光，LED則為晶體固態發光），為便於比較，假設每種光源提供相同照度的情形下，整個生命週期（含原料取得、生產、運送、安裝使用、廢棄處理等） 所需的能耗進行比較；好比3家公司各運送等量的物品到對岸，3組人馬雖都同時間到達，但派出的人力與付出的成本則不盡相同，每家選手的體力、時薪、配備需求也不同，因此要算出總帳，比較何者花最少的力氣與支出便能完成使命；也比較同樣完成使命，各需要多少成本。
如圖1所示，單以開燈使用階段的能源消耗而言，1個12.5瓦的LED燈泡約可提供800流明，乘以25,000小時的壽命，共產出2千萬流明小時（20 million lumen-hours）的照明；而1個15瓦的省電燈泡約可提供800流明，乘以8,500小時的壽命，共產出765萬流明小時的照明，若欲追平LED燈泡的照明產出量，期間約使用3個省電燈泡；同理，60瓦白熾燈泡則需要22個方能追齊1個12.5瓦LED燈泡的效能。
因此，若以產出2千萬流明小時的照明為計算基準，檢視整個生命週期的能耗狀況，LED及省電燈泡約需耗用39億焦耳（3,900MJ）的能源；而傳統的白熾燈泡則明顯高出許多，約151億焦耳（15,100MJ），亦即接近4倍的能源消耗。根據此計畫彙整得出，這些能耗在生命週期的不同階段，分布情形如圖2所示，這幾種人工光源的耗能結構相近，幾乎全用在真正點燈使用時，很少的比重來自生產階段（數據不一，分布於0.1～27％，於下個段落說明），運輸則占不到1％的能源耗用。
值得一提的是，現階段（2011年）的LED光源卻多了一項封裝製程的顯著耗能因子，該技術的耗能需求預估於2015年獲得改善。再者，目前的LED光源耗能估算存在較大的標準誤差 （如長條圖上方細長黑線表示），亦即目前LED照明光源仍處於市場導入期，生產技術與耗能表現仍未統一，預期在2015年的穩定度將略為成熟，近似省電燈泡的水平。
環境影響評估
如前段提及，生產過程的耗能計算尚存疑義，在此進一步對其細節製程進行精算，除了能耗之外，同時延伸到整體環境影響進行分析，以凸顯其客觀價值。然而在正式解讀此分析報告之前，必須清楚定義所選用的產品及分析的前提如下：
一、此計畫所設定的LED光源，是指用來做為室內照明光源的白光LED；而白光LED的發光模組中，又以目前最普及的藍寶石基板上磊晶氮化鎵藍光LED，燈罩塗布黃磷螢光粉的類型為分析目標。
二、所有的統計分析，皆未計入回收的考量，亦即假設所有產品都來自於全新的原物料。
三、運輸及產品壽命估算，並非來自於實際的量測，乃參考現有文獻或市場資訊而得到的。
四、晶圓尺寸採用的是3英吋為計算基準，然而隨著科技不斷發展，晶圓尺寸不斷增大，LED燈泡的整體環境危害將可預期再降。
如圖3所示，在空氣、土地、水、自然資源等4大類的環境影響評估項下，細分為15個子項，針對白熾燈泡、省電燈泡、LED燈泡（分為2012年水平及2017年水平）進行環境影響評估分析，在標準化各項資料後，以雷達圖表示，最外圍的影響最大，越靠近圓心影響越小。整體而言，白熾燈泡顯然影響最大，省電燈泡及LED燈泡（2012年）相去不遠，LED燈泡（2017年）則產生最小的影響。必須強調的是，白熾燈泡之所以帶來最大的環境影響，並非3種燈泡各拿1個進行比較；在此指的是，為了產出等量的照明，22個60瓦的白熾燈泡加總起來，對比3個15瓦的省電燈泡，或1個12.5瓦LED燈泡的整體影響。
另一個值得關注的重點是，省電燈泡及LED燈泡（2012年）的環境影響程度相近，前者在14個項目中都微幅高於後者，唯獨有害廢棄物這項相反，肇因於LED燈泡所用的鋁散熱座產生的環境危害。慶幸的是，在製程、效能及驅動電子技術逐步改善的預期中，2017年的LED燈泡將不再受限於此。
LED照明光源具未來性
若非聚焦LED照明相關的視力健康議題，綜觀能源耗用分析與整體的環境影響評估，LED燈泡極具未來性，預期2017年將可大幅拉開距離，透過效能的提升及散熱座的縮小，將輸入的電力更有效率的轉換成光能而降低熱能的產生，同時減少鋁的原料使用，LED燈泡可望較省電燈泡少70％的環境衝擊，也較2012年的LED燈泡少一半的環境衝擊。現階段而言，除了期待未來LED照明光源有更完美的整體表現，置換高效能的光源產品（除LED燈，也含省電燈泡或螢光燈管）也是減少環境衝擊的作法。我們期許在LED照明技術起飛的同時，兼顧性能表現與健康的考量，往更健全的方向發展。（作者分別為：就讀於國立臺灣大學環境衛生研究所、任教於國立臺灣大學環境衛生研究所、任教於國立臺灣師範大學機電科技學系）
關鍵字：LED照明,白熾燈泡,省電燈泡,節能照明,能源消耗