Title: An analysis of the historical development of the energy efficiency for various lighting technologies
Other Titles: Eine Analyse der historischen Entwicklung der Energieeffizienz verschiedener Beleuchtungstechnologien
Language: English
Authors: Szwedek, Daniel 
Qualification level: Diploma
Advisor: Haas, Reinhard 
Issue Date: 2020
Number of Pages: 119
Qualification level: Diploma
Abstract: 
While energy statistics report data from a “supply side perspective,” the demand for energy services (incl. “illumination”) drives the need to convert “primary energy” to “useful energy” with the application of “conversion technologies” (Grubler et al., 2014). The availability of detailed reports containing luminous and radiant energy figures would enable a better assessment of the demand and provide incentives to address inefficiencies, for example, due to excessive use of artificial lighting with no or negligible gains in benefit. For demand focused reporting, technological and methodological challenges need to be overcome. The lack of data concerning, for instance, average end-use conversion efficiencies, is often expressed within the literature (Paoli et al., 2018). After synthesizing fundamentals on technical energy efficiency from a body of literature related to lighting technologies, and addressing the challenges in linking photometric quantities to derive “electrical to light” conversion efficiencies, a historical overview of efficiencies is presented for “Best Available White-light Technologies,” including estimations for conversion efficiencies. Subsequently, a useful energy analysis is performed for the domestic sector in the UK with modelled data available from the “Department for Business, Energy & Industrial Strategy” and the application of a calculated time series of conversion efficiencies for incandescent, halogen, compact fluorescent and LED lamps for 12 years (2006-2018). The resulting average efficiencies stayed way below the state-of-the-art conversion efficiencies of commercially available lighting technologies and evolved from 8.9% (2006) to 13.5% (2018) for a “base case” scenario. Finally, a more holistic view of illumination, covering influences on energy efficiency beyond product-based conversion efficiencies and efficacies, concludes this work. In closing, an overview of sales volumes and indications for technological diffusion is provided for selected regions and countries. Although the replacement of kerosene-based, incandescent, and fluorescent lamps with solid-state-lighting products should be treated with high priority, increasing demand and population growth together with rebound effects may significantly diminish the achievable efficiency gains. In the end, only a faster transition to low-carbon technologies within the whole energy system (away from fossil fuels), together with appropriate service levels, can mitigate environmental impacts due to CO2 emissions on a global scale.

Die Nutzung von Energiedienstleistungen (inkl. „Beleuchtung“) wird in Statistiken in erster Linie nicht direkt, sondern angebotsorientiert erfasst (Primär-, Sekundär- und Endenergie), wobei die Nachfrage der treibende Faktor ist, der den Einsatz von Umwandlungstechnologien notwendig macht (Grubler et al., 2014). Detaillierte Daten zur Nutzenergie (Lichtmenge und Strahlungsenergie) würden es einerseits ermöglichen Entwicklungstrends die Nachfrage betreffend zu verfolgen, und andererseits mehr Anreize für einen gezielteren Einsatz von künstlicher Beleuchtung liefern. Es gilt hier Herausforderungen betreffend Methodik und Technik zu bewältigen. Der Mangel an Daten, z.B. durchschnittlicher Wirkungsrade (Technologiemix nach Sektor), wird in der Literatur häufig erwähnt (Paoli et al., 2018). In der vorliegenden Arbeit werden zunächst wesentliche technische Größen diskutiert und die damit verbundenen Bezeichnungen kritisch beleuchtet, um darauffolgend Wirkungsgrade technologieabhängig mit Hilfe photometrischer Größen zu berechnen. Dies bildet die Grundlage für eine Darstellung der historischen Entwicklung der Effizienz ausgewählter Beleuchtungstechnologien. Mit Hilfe einer berechneten Zeitreihe technologiebasierter Wirkungsgrade, wird eine Nutzenergieanalyse für den Haushaltssektor im Vereinigten Königreich (UK) für einen Zeitraum von 12 Jahren (2006-2018) durchgeführt (mit Daten des „Department for Business, Energy & Industrial Strategy“). Die durchschnittlichen Wirkungsgrade entwickelten sich von 8,9% (2006) bis 13,5% (2018) für ein „base case“ Szenario und blieben damit weit unterhalb der technologisch erreichbaren Werte. Ein weiterer Abschnitt erörtert „Energieeffizienz“ der Energiedienstleistung Beleuchtung mit einer ganzheitlicheren Sichtweise. Abgerundet wird diese Arbeit mit ausgewählten länder- bzw. regionsbezogenen Daten zur historischen Entwicklung von Verkaufszahlen und des technologischen Bestands. Obwohl die weitere Verbreitung von LED-Technik oberste Priorität haben sollte, zeigt die Geschichte, dass eine stetig wachsende Nachfrage und Bevölkerungswachstum, zusammen mit Rebound-Effekten, die damit ansonsten erreichbaren Energieeffizienzsteigerungen drastisch schmälern können. Schlussendlich kann nur eine schnellere Umgestaltung des ganzen Energiesystems (weg von fossilen Brennstoffen), zusammen mit angemessenen Servicelevels, die Auswirkungen des Klimawandels auf globaler Ebene begrenzen.
Keywords: Energiedienstleistung; Nutzenergie; Energieeffizienz; Beleuchtungstechnik; Wirkungsgrade
illumination; energy service; energy efficiency; lighting technologies; useful energy; conversion efficiency
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2020.62685
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16124
DOI: 10.34726/hss.2020.62685
Library ID: AC16069700
Organisation: E370 - Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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