LED照明は大幅な二酸化炭素削減に貢献できる可能性がある

Sep 04, 2023

過去 10 年間で、照明に対する世界の見方にパラダイム シフトが見られました。 家庭、オフィス、街路では、ユーザーや環境を有毒汚染にさらす無駄な白熱灯や蛍光灯が消灯されました。

その代わりに、気候科学者や政府は、膨れ上がる電力消費に対処するために発光ダイオード（LED）電球の普及を推進しており、その約20%は照明によるもので、世界の炭素排出量の6%を占めています。 LED の導入がなければ、世界の照明のエネルギー消費量は 2030 年までに 60% 増加する可能性があります。

青色光を発生し、発明者らにノーベル物理学賞を受賞した窒化ガリウムという材料を使用しているため、LED は従来の照明に比べて消費電力が約 75% 削減され、寿命が 25 倍長くなります。

「青色 LED は驚くほど効率的です」とケンブリッジ大学の材料科学教授、レイチェル・オリバー氏は言います。 2017年、気候情報サービス会社IHSマークイットのアナリストらは、LEDへの切り替えにより同年のCO2排出量が5億トン削減されたと発表した。これは石炭火力発電所162基の停止に相当する。

国際エネルギー機関によると、世界中の照明販売の半分以上を LED が占めており、2030 年までに照明がネットゼロになるシナリオに向けて軌道に乗っています。これには、成長の余地も多く残されています。 それに加えて、人々や企業はこれまで以上に多くの照明を使用しているため、社会を照らすために選択されたテクノロジーは、現在存在しているものよりもはるかに多く導入される必要がある可能性があります。 IEA は、ネットゼロシナリオは 2025 年までにすべての照明売上高を LED が占めるかどうかに依存すると推定しているため、速度も重要です。

この技術は世界中で広く採用されているにもかかわらず、部品としてリサイクルまたは再利用されている LED は事実上ありません。 LED ライトの開発のほとんどは密室で行われており、研究者たちは、購入したライトにどの材料が使われているかを知って驚いています。

LED の今後の道は、リサイクルに適した照明を設計し、できるだけ長持ちさせ、光害が人間の健康や生態系に与える悪影響を軽減できるかどうかによって形作られるでしょう。 製造に必要な材料が見つかると、企業は鉱山廃棄物と消費者による廃棄物の両方を再考するようになる可能性がある。

ケンブリッジ窒化ガリウムセンターの所長でもあるオリバー氏は、「窒化ガリウムは非常に効率的な照明を作るのに非常に優れた材料であり、炭素コストを削減する良い方法であるため、私たちは非常に効率的な照明を望んでいます」と述べています。 「では、あまり使わずに済むように、どのようにして寿命を延ばすことができるのでしょうか? また、最初からリサイクルできるように設計されるようにするにはどうすればよいでしょうか?」

LED の成功は、LED ライトの中に単なる斑点として存在するガリウムと窒素だけではありません。 LED を使用する電球、チューブ、ストリップ ライトには、世界中から調達され、通常は製造のためにアジア諸国に輸送される十数種類の金属が集められます。 これらの物質の多くは、鉱山の副産物として少量生産されます。 手のひらに収まる LED ライトは、十数もの要素からなる繊細な作品です。

電気は銅線を通って LED 電球に入り、ダイオードの一方の側に到達し、もう一方の側を引き付けて電子を共有します。 2 つの材料の組み合わせにより光が生成され、インジウムとアルミニウムを追加すると、ダイオードが結合してより明るい光を生成する可能性が高くなります。 金、コバルト、アンチモン、マグネシウム、ヒ素、カドミウム、さらにガリウムをプリント基板にはんだ付けします。

ダイオード自体は青色光のみを生成しますが、屋内では黄色とオレンジの色合いがより好ましいことがよくあります。 追加の蛍光体、つまりイットリウム、アルミニウム、ガーネット、および一部のセリウムを含む透明層が青色光を遮断し、色を白に近づけます。 バリウム、ストロンチウム、カドミウム、ユウロピウムを組み合わせると赤色が生成され、セリウムとルテチウムはより黄緑色の色合いが生成されます。

科学者たちは、健全な形態の光を生成できる蛍光体の研究に注力しています。 ブルーライトが多すぎると、メラトニンの生成が減少し、人間の睡眠サイクルが混乱する可能性があります。 また、青色光は他の波長の光よりも深く水に浸透するため、サンゴ礁での繁殖を妨げ、体内時計を歪めることがわかっています。

次に、材料は、重量で材料の大部分を占めるプラスチック、アルミニウム、ガラスのカーカスに包まれます。 ブラジルのエンジニアリングチームが、リサイクル業者にその価値を見積もるために LED 電球を分解したところ、高濃度の貴金属と重要な金属が検出されたことに驚きました。 球根1トン当たりの金の濃度は、典型的な天然鉱石よりも16倍高かった。 今年、インドの研究者らは、ダイオードだけでも1トンにガリウム鉱石7.8トン、インジウム鉱石3.2トン、金鉱石42トンに相当する物質が含まれていると推定した。

LED が採掘に与える大きな負担は、LED に含まれる元素の多くが、各元素の濃度が非常に低い鉱石から副産物として抽出されるためです。 最近まで、これらの照明の最も重要なコンポーネントの一部がどこから来たのかについてはほとんど理解されていませんでした。 専門家によれば、リソースは豊富に存在しており、それを見つけるのは簡単だという。

ガリウムは主にアルミニウムの製造に使用されるボーキサイト鉱石から得られます。 ボーキサイトを製錬してアルミナを製造した後、企業は、ガリウム成分がアルミニウムに精製される際に廃棄物として失われる前に、追加の手順を踏んでガリウム成分を抽出することを選択できます。 それでも、鉱石中のガリウムを回収できるのはわずか 10% です。

ガリウムは、LED や他の多くの電子機器のプリント基板にも使用されます。 しかし、スマートフォン市場が飽和するにつれ、市場におけるLEDシェアが最大の成長を示す可能性が高いと米国地質調査所のガリウム専門家ブライアン・ジャスクラ氏は言う。

ガリウムと同様に、インジウムの生産量は年間 1,000 トンを超えません。 製油所が亜鉛鉱石から亜鉛を抽出しない場合、亜鉛は最終的に廃棄物となり、通常は廃棄物または尾鉱の山に捨てられます。 多くの場合、それは鉱石の中では非常に目に見えないため、企業はそれを無視します。 ガリウムとインジウムは両方とも、米国、カナダ、オーストラリア、EU の重要物質リストに載っています。

ネバダ大学の地質学者サイモン・ジョウィット氏は、「すでに移動させて採掘しているのであれば、持続可能性の観点からすれば、単に廃棄物の山に捨てて後で再調査するよりも、抽出したほうが良いのは確かだ」と語る。ラスベガス。 ジョウィット氏は、そのような「副産物金属」が廃棄物や現在稼働している鉱山から抽出できる世界の場所を特定する方法の開発に取り組んできた。

副産物材料は、市場性のある製品として完全に抽出される前に追跡することが困難です。 中国はアルミニウムと亜鉛産業が強いため、インジウムとガリウムの生産を独占しているが、世界中から調達した濃縮元素を輸入している。 同社のボーキサイトは主にギニア、オーストラリア、インドネシアから来ており、国内の環境規制によりボーキサイトの採掘コストが高くなりすぎた後に構築されたサプライチェーンである。 中国最大のボーキサイト供給国であるギニアでは、企業が地元住民を立ち退かせて鉱山を建設し、軍事占領後、政府は中国に対し、採掘に対してより高い使用料を支払うよう圧力をかけた。

インジウムの供給はさらに不透明で、専門家は亜鉛の供給源と、主に中国と韓国のインジウム生産国からインジウムの供給源を推測するしかない。

LED 照明の普及により、材料の効率的なリサイクルと回収が可能になる大きな可能性があります。 LED の材料の寿命を延ばすことは、LED に組み込まれた環境的および社会的コストからの利益も拡大することができます。 LED によって白熱電球や蛍光灯が廃止されたことで、鉛や水銀などの有毒金属も家庭から大幅に除去されましたが、多くの家庭では依然としてヒ素やカドミウムに依存しており、一部では依然として鉛を使用しています。 LED ライトが埋め立て地に送られると、これらの金属が水路に流れ込んだり、野生生物に害を与えたりする可能性があります。

LED 電球の最も価値のある部分は金の回路ですが、これを抽出するのは採掘のコストに比べて高価です。 他の素材には金銭的価値がありますが、採掘されたばかりの素材の市場価格と競合することはありません。 例えば、中国のアルミニウム産業の急成長によりガリウムの供給過剰が可能になったため、ガリウムは長い間安価であったとジャスクラ氏は言う。

「窒化ガリウムチップはリサイクルできますが、そのチップがLEDに組み込まれ、LEDが消費者に渡った後は、そのガリウムは決してリサイクルされません」とUSGSのJaskula氏は述べています。 「リサイクルで利益が得られると人々が考えれば、その方法が見つかるでしょう。お金が儲かれば、それで物事が完了します。」

ケンブリッジ大学のオリバー氏は、LED 電球の故障の原因を調査しましたが、ほとんどの場合、ダイオードが問題ではありませんでした。 「基本的に、LED は依然として完全に機能していることがわかりましたが、LED を外界に接続するワイヤーなど、LED を囲んでいたものが剥がれていました」と彼女は言います。 廃棄された LED には、再利用できる機能的なダイオードがまだ残っている可能性があります。 LEDの寿命延長はプラスチックとアルミニウムのフレームの仕組みに依存するが、照明を継続的に販売する企業のビジネスモデルを破壊する可能性もあるとIEAは指摘している。

LED 照明の最大の市場の 1 つであるインドでは、最も希望に満ちた推進者さえ驚くほどの速度で国民がこの技術を採用しました。 しかし、ほとんどの LED 照明は中国から輸入されており、コスト削減の圧力も品質の低下につながりました。 LED が全国に普及すると同時に、電球の寿命は 8 年から 3 年に短縮されました。

LED は非常に小さなコンポーネントで設計されているため、現在のリサイクル プロセスでは、LED をビジネスに受け入れられるレベルで再利用可能な材料に変換することができません。 2020 年に利用可能な技術を使用した材料回収のシミュレーションでは、材料の 55% しか回収できないことが経済的に実現可能であることが判明しました。 方法は改善されており、研究者らは、解体とリサイクルのシステムについての国民の認識が問題を改善できる可能性があると指摘しています。

しかし、LEDの設計とリサイクル技術のレビューによると、リサイクルはすべての循環経済技術の最後の手段であるべきです。 企業、消費者、政府は、ダイオードの寿命が数十年であり、フレームの劣化がより早いことを考慮して、材料を現在の形で修理して再利用することに重点を置くかもしれません。 たとえば、研究者らは、ユーザーがフレームを交換してダイオードを数倍長く使えるように節約できることを提案しています。 クリップを簡単に外せる回路基板や電気化学的に分離できるダイオードも、電球をより簡単にリサイクルできるようにするための設計オプションとして考えられます。

「この分野のすべての研究により、LED の劇的なエネルギー改善が環境への懸念をはるかに上回っていることが非常に明確になったことをうれしく思います。たとえまだ完全にリサイクル可能ではないとしても、LED にアップグレードすることをお勧めします」とヘザー氏は述べています。ディロン氏はワシントン大学タコマ校の機械工学教授で、照明製品の性能を研究している。

バナー画像:さまざまな種類のLEDフィラメント電球。 Unsplash 経由の Federica Giusti による画像 (パブリック ドメイン)。

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