Dalla scoperta dell’efficacia germicida dei raggi UV nel 1901, la disinfezione tramite raggi ultravioletti è stata effettuata principalmente utilizzando lampade al mercurio a bassa pressione.
Il mercurio è presente nelle lampade al mercurio a bassa pressione, il che solleva preoccupazioni sulla contaminazione dell'ambiente. Come la sostituzione delle lampadine fluorescenti con i LED, si prevede che i LED costituiranno una tecnologia alternativa ecologicamente benigna. L’efficienza dei LED UV è oggi inferiore a quella delle lampade al mercurio a bassa pressione, nonostante il loro rapido miglioramento annuale. Poiché non è stata sviluppata alcuna tecnologia sostitutiva, le lampade al mercurio a bassa pressione sono quindi escluse dalla Direttiva RoHS per usi particolari fino al 24 febbraio 2027 (Articolo 4(a)). Se sarà dimostrato che non sarà disponibile alcuna tecnologia sostitutiva oltre il 2027, tale esenzione potrà essere prorogata. È davvero necessaria una proroga? Alcune applicazioni potrebbero adottare i LED proprio adesso, secondo Nichia, e quasi tutte le applicazioni potranno farlo entro febbraio 2027.
Qui, Nichia presenta un esempio reale in cui i LED UV vengono esplorati come alternativa di disinfezione alle lampade al mercurio a bassa pressione.
Disinfezione delle superfici mediante lampade al mercurio a bassa pressione → Casi di studio sull'adozione del LED
Nell'ambito della disinfezione UV con lampade al mercurio a bassa pressione rientrano la disinfezione delle superfici, la disinfezione dell'aria tramite depuratori e la disinfezione dei sistemi idrici e fognari. La pulizia delle attrezzature e dei contenitori dell'industria alimentare è un esempio comune di disinfezione delle superfici. Negli impianti di lavorazione alimentare, i contenitori vengono riempiti con gli alimenti dopo essere stati esposti ai raggi UV per disinfettare l'interno e impedire la crescita di germi e la contaminazione degli alimenti.
Un'illustrazione di contenitori per alimenti esposti ai raggi UV:
Le lampade al mercurio a bassa pressione emettono luce ultravioletta dall'alto dei contenitori per disinfettare l'interno di più contenitori alimentari contemporaneamente. Il quarzo fuso deve quindi essere utilizzato per coprire le lampade al mercurio a bassa pressione per prevenire la contaminazione da mercurio e la rottura del vetro nel caso in cui la lampada si guasti.
Un'illustrazione della radiazione vista dall'alto:
A differenza delle lampade al mercurio a bassa pressione, i LED possono essere utilizzati per irradiare solo l'oggetto target con luce UV poiché le loro configurazioni e posizioni possono essere scelte e modificate con precisione, come mostrato nell'immagine di irradiazione sopra. D'altro canto, le lampade al mercurio a bassa pressione emettono luce in tutte le direzioni, esponendo gli spazi tra i singoli contenitori e il retro delle lampade a ulteriore luce UV.
Inoltre, poiché le lampade al mercurio a bassa pressione impiegano molto tempo per accendersi e spegnersi, devono essere mantenute sempre "accese". I LED, invece, forniscono accensione/spegnimento istantaneo, il che significa che possono essere accesi solo quando necessario, riducendo potenzialmente il consumo di energia e le emissioni di CO2.
Alla luce delle suddette informazioni, i risultati di un confronto tra LED e lampade al mercurio a bassa pressione sono riportati nella tabella seguente.
Risultato dello studio
La potenza in ingresso necessaria per ottenere lo stesso effetto di disinfezione nei valori reali in questo esempio di ricerca è 600 W e 312 W.
Il LED UV 434C di Nichia è stato utilizzato per testare l'irradianza e l'efficienza del LED.
Secondo Shikoku Electric Power CO., Inc., il fattore di emissione di CO2 per l'anno fiscale 2021 è 0,527 t/MWh.
Rispetto ai LED, che hanno un'efficienza del 5,4%, le lampade al mercurio a bassa pressione hanno un'efficienza maggiore del 22%. Tuttavia, i LED possono utilizzare fino al 90% dell'irradiazione UV che generano, mentre le lampade al mercurio a bassa pressione ne utilizzano solo il 9%. Pertanto, rispetto alle lampade al mercurio a bassa pressione, che necessitano di 600 W di elettricità per fornire lo stesso effetto disinfettante, i LED richiedono 312 W. Inoltre i LED possono essere attivati solo quando necessario. Ad esempio, se le lampade al mercurio a bassa pressione vengono lasciate accese per 18 ore al giorno, i LED possono essere accesi per 14 ore. Supponendo che ciascuna lampada venga utilizzata per 300 giorni, il consumo energetico delle lampade al mercurio a bassa pressione con 600 W di potenza in ingresso è di 3,2 MWh all’anno, mentre i LED con 312 W di potenza in ingresso consumano 1,3 MWh all’anno, una riduzione del 60%. Inoltre, le emissioni di CO2 vengono calcolate utilizzando le emissioni di CO2 di 0,527 tonnellate per 1 MWh di energia. I LED producono 0,69 tonnellate di CO2 all’anno rispetto alle 1,7 tonnellate delle lampade al mercurio a bassa pressione, ovvero una diminuzione del 60%.
Tabella di marcia
Riepilogo
Le caratteristiche dei LED, come l'elevato utilizzo del flusso radiante tramite l'illuminazione selettiva delle sole regioni richieste e le loro capacità di accensione/spegnimento istantanee, sono state utilizzate in questo caso di studio per ottenere notevoli vantaggi. Nichia può quindi dimostrare inequivocabilmente che i LED possono servire come tecnologia sostitutiva delle lampade al mercurio a bassa pressione.
Oltre all’esempio sopra citato, Nichia collaborerà con i suoi clienti e partner per creare progetti che utilizzino le caratteristiche dei LED in altre applicazioni di disinfezione, come la disinfezione dell’aria e dell’acqua. Nichia farà ogni sforzo per garantire che la tecnologia LED sostituisca le lampade al mercurio a bassa pressione.
Inoltre, come afferma la tabella di marcia, le prestazioni dei LED UV sono migliorate significativamente negli ultimi anni. Il progresso tecnologico è rapido grazie all’impatto sinergico delle aspettative di sviluppo dei LED derivanti dalle restrizioni ambientali e dalla necessità di combattere le malattie infettive. In alcuni casi, l’uso dei LED al posto delle lampade al mercurio a bassa pressione è già stato realizzato attraverso lo sviluppo di un progetto che sfrutta le capacità dei LED. Secondo Nichia, questo, insieme all’impressionante miglioramento delle prestazioni fondamentali dei LED UV, causerà una tendenza ancora più grande e i LED UV saranno ampiamente accettati come sostituti delle lampade al mercurio a bassa pressione in tutte le applicazioni e i domini di disinfezione. Di conseguenza, non sarà necessario estendere l’esenzione RoHS oltre il 2027.
Oltre a lavorare per affrontare le preoccupazioni della società, inclusa la creazione di una società senza mercurio e a zero emissioni di carbonio, Nichia continuerà a migliorare le prestazioni dei LED.
