Emisiones y coste económico del ciclado de lámparas fluorescentes compactas con balasto integrado

Se ha elegido el caso de las CFLi  en su aplicación doméstica por su interés social y educativo. Además, la selección de una CFLi en vez de una lámpara compacta sin balasto integrado o de una lámpara tubular, permite acotar el problema tratado, debido a que las CFLi incluyen de modo inseparable la lámpara fluorescente propiamente dicha y su balasto. Las emisiones evaluadas (CO₂ equivalente y Hg) han sido elegidas por su carácter paradigmático, el CO₂ equivalente como emisión indicadora del cambio climático y de la eficiencia energética y el mercurio por estar específicamente asociado a las lámparas fluorescentes. Se define un modelo idealizado de lámpara fluorescente compacta con balasto integrado que reúne varías características declaradas por diferentes fabricantes. Adicionalmente se analizan dos modelos de CFLi que representan productos de mala calidad.

Se ha propuesto un modelo de tiempo de vida para la CFL dado por la ecuación

Donde lton es el tiempo de vida de la lámpara (incluyendo solamente el tiempo que permanece encendida), a es el intervalo de tiempo entre un encendido y el siguiente apagado de la lámpara, f es el daño sufrido por la CFLi cuando permanece encendida por unidad de tiempo y e es el daño sufrido por la CFLi en cada encendido.

Las emisiones de CO₂ asociadas al uso de un CFLi son producidas esencialmente por el consumo de energía eléctrica durante la producción de la lámpara (fuera de España) y durante su funcionamiento (en España). Se considera un tiempo de referencia correspondiente al tiempo que un usuario va a mantener en uso la CFLi y que incluye tanto el tiempo que la lámpara permanece encendida como el tiempo que la lámpara permanece apagada. Este tiempo puede ser equiparado al tiempo de vida en años que los fabricantes asignan a sus CFLi en la documentación técnica básica, dirigida al usuario final con carácter orientativo. La lámpara es sometida a un ciclado durante el cual permanece encendida un tiempo a y apagada un tiempo b.

Se ha elegido el caso de las CFLi (lámparas ahorradoras de energía) en su aplicación doméstica por su interés social y educativo

Se ha evaluado la relación entre las emisiones de CO₂ equivalentes debidas a la fabricación de la lámpara y a su funcionamiento. En la contabilidad de las emisiones de Mercurio por fabricación se ha incluido tanto el mercurio emitido por consumo de electricidad de la lámpara y durante su fabricación, procedente de los combustibles usados para la generación de electricidad, como el mercurio que entra en la composición del gas de la lámpara fluorescente y que finalmente no vuelve a las cadenas de reciclaje. Se considera que una porción de las CFLi que son utilizadas retornan a la cadena de reciclaje y se recupera su contenido en Mercurio, mientras que el contenido en mercurio del resto es vertido al medio ambiente.

Las ecuaciones y conceptos son análogos para el coste económico soportado por el usuario final, considerando el coste de adquisición de la lámpara y el coste de la energía eléctrica en el país en el cual se esté utilizando la lámpara. Se ha considerado asimismo la tasa de descuento en porcentaje anual y el tiempo durante el que se considera la tasa de descuento y que permite actualizar el valor del dinero al momento actual.

No existe un conjunto completo de datos relativos a una CFLi específica que permita realizar el presente trabajo. Se ha optado por definir un modelo ideal de lámpara fluorescente que reúne los datos declarados por los fabricantes para modelos similares de la gama media de calidades de CFLi. Es posible encontrar diversas estimaciones del contenido de mercurio de las CFLi, lo cual hace difícil seleccionar un valor concreto. Se ha optado por un valor que correspondería a una CFLi de la calidad considerada y con un contenido en Hg bajo pero algo por encima de los valores mínimos declarados para esa calidad de lámpara. Para la energía eléctrica invertida en la fabricación de la lámpara se toma un valor algo superior al de la referencia más parecida. Finalmente se adopta el precio redondeado de una CFLi del consumo y tiempo de vida descrita para España según los precios públicos de uno de los principales fabricantes. Se ha seleccionado un consumo de 18W por ser equivalente a la lámpara incandescente de 100W, comúnmente utilizada en España y que la normativa europea prohibió en 2009.

Además la CFLi que se corresponde con el estado del arte de buena calidad se definieron otros dos modelos de CFLi: Uno de mala calidad y otro de muy mala calidad. Las características son idénticas en todas las muestras, excepto en que los modelos tienen asignados precios y tiempos de vida menores, acordes a su calidad. Los precios de las CFLi de mala calidad corresponden a valores típicos que es posible encontrar en grandes superficies y comercios de productos de bajo precio y presumiblemente baja calidad en Madrid. Podría ocurrir que se encontraran modelos de bajo precio y buena calidad y a la inversa. Sin embargo la experiencia práctica de los autores como usuarios y de otros usuarios consultados sugiere que es más probable encontrar modelos de bajo precio y mala calidad que lo inverso. Es de suponer que para modelos de baja calidad tambien puedan empeorar tanto el gasto energético de fabricación como el contenido de Mercurio, mientras que el precio de la mano de obra sea muy reducido. Sin embargo no se dispone de esa información.

Se ha supuesto que las lámparas utilizadas en España pueden haber sido fabricadas en Alemania y en Eslovaquia. Esta suposición se base en la comprobación de este hecho en los comercios de la ciudad de Madrid y en la referencia de los fabricantes al lugar de fabricación de sus lámparas. El precio considerado para la electricidad en España corresponde al sector doméstico, y el año de referencia es 2008. Se han utilizado los valores de las emisiones de CO₂ equivalente y Mercurio debidas al consumo de electricidad en Alemania, Eslovaquia y España correspondiendo los datos al año 2007. En el caso de Alemania y Eslovaquia, las emisiones son debidas a la fabricación de la lámpara mientras que en el caso de España las emisiones son debidas al consumo eléctrico durante la utilización de la lámpara.

Los valores de emisiones de contaminantes en los tres países considerados, costes de adquisición y de la energía eléctrica en España, energía de fabricación, tasa de reciclado, contenido en mercurio de las CFLi y tasa de descuento que aparecen en el presente trabajo sin duda experimentan cambios temporales. Como ejemplo se puede citar que en los comercios de gran superficie, es posible encontrar ocasionalmente ofertas de embalajes con dos o tres lámparas de buena calidad que resultan tener un precio por unidad entre dos y tres veces menor que el utilizado para los cálculos económicos efectuados en el presente trabajo. Se ha de considerar por tanto que los cálculos realizados y las conclusiones que de ellos surgen suministran resultados que siendo aproximadamente válidos solamente en las condiciones expuestas, suministran criterios y métodos que permiten actualizar los valores concretos al momento que se pretenda considerar.

En el caso del CO₂ equivalente las emisiones en la etapa de operación predominan sobre la etapa de fabricación. Puesto que el mix eléctrico en Alemania es más intensivo en carbono que en Eslovaquia, una lámpara fabricada en Alemania emite más CO₂ en su fabricación que una lámpara fabricada en Eslovaquia. Sin embargo al ser en ambos casos mayor la emisión de CO₂ equivalente debida al funcionamiento en España, el conjunto de las emisiones de CO₂ son similares, independientemente del país de fabricación. En el caso de las emisiones de mercurio, la situación es la contraria: El contenido inicial de mercurio de la CFLi y su baja tasa de recuperación en España tiene como consecuencia que las emisiones de mercurio debidas a la fase de fabricación y posterior desecho del producto, dominen claramente sobre la fase de funcionamiento. Solo a valores altos de a las emisiones debidas al funcionamiento representan una porción apreciable de las emisiones totales.

El coste de adquisición de la lámpara representa una parte importante del coste total de la CFL. Ambos costes se equiparan para un valor de a cercano a 7 minutos. Por encima de este valor gana peso el coste de operación y por debajo de este valor gana peso el coste de adquisición.

Las emisiones y costes durante el ciclo de vida son proporcionales al número de encendidos (n) y al tiempo que la lámpara permanece encendida (a). No es por tanto posible encontrar una situación privilegiada en cuanto a la reducción de las emisiones y costes excepto que se sometan las CFLi al menor tiempo de funcionamiento posible con el mínimo número de encendidos posible. En el límite, esto corresponde al absurdo de no utilizar la lámpara. Sin embargo tampoco sería razonable suponer que dejar la lámpara encendida sea una buena opción. Para reducir las emisiones el criterio válido es utilizar la lámpara cuando se necesite, con los valores mínimos necesarios del número de encendidos y del tiempo de funcionamiento siempre que se ajuste a las necesidades de iluminación. Solamente en el caso de un comercio o industria con horarios formalizados de permanencia en una estancia o lugar de trabajo, sería posible establecer un criterio más específico de uso.

Estas consideraciones difícilmente pueden ser aprovechadas por el usuario final más allá de lo que dicta el sentido común en cuanto a hacer funcionar la lámpara el menor tiempo posible con el menor número de encendidos. Sin embargo, la representación de las emisiones y coste frente al tiempo que la lámpara permanece apagada (b) suministra información adicional. Se encuentra que para ciclados diferentes, las curvas de emisiones y coste tienen puntos de radiación en los cuales se cruzan. Si la CFLi es operada de manera que se respete el valor óptimo del tiempo de pagado, al menos se tiene la garantía de que se evitan las zonas más altas de emisiones y coste, cualquiera que sea el número de encendidos y el valor de a. Si además se tiene la precaución de aumentar el valor del tiempo de apagado b respecto al valor óptimo, las emisiones y costes se reducirán considerablemente.

Para cada modelo de CFLi hay por tanto tres valores óptimos de b, para las emisiones de CO₂ equivalente, de Mercurio y para el coste: Si el usuario está interesado en reducir el impacto ambiental y el coste de su CFLi, debe tener en cuenta que no es conveniente apagar la lámpara si prevé que va a encenderla antes de los tiempos óptimos de apagado.

Se analizaron las emisiones y costes y los valores óptimos del tiempo de apagado para una selección de ciclados entre los que mencionamos los de valores extremos: Ciclo A con 545 on /15 off y ciclo E con 5/5. El ciclado E corresponde a periodos muy cortos de encendido y apagado. En cuanto a las emisiones de CO2 equivalente y Hg durante la fabricación, se toman como referencia los valores en Alemania.

Para cualquier calidad de CFLi, utilizar un ciclado u otro tiene una gran influencia en las emisiones y costes. En el caso de las emisiones de CO₂, el factor más importante en su reducción es el uso de un ciclado correcto, que pueden suponer una reducción de las emisiones de hasta tres veces. El mayor peso de las emisiones de CO₂ durante el funcionamiento de la lámpara frente a su fabricación explica este comportamiento. La calidad de las lámparas juega un papel secundario pero en absoluto despreciable y la selección de una CFLi de mala calidad puede elevar las emisiones de CO₂ entre un 20% y un 90%. El tiempo mínimo de apagado para el cual las emisiones de CO₂ son idénticas independientemente del ciclado presenta valores relativamente bajos de hasta 5 minutos en la CFLi de peor calidad.

En el caso de las emisiones de mercurio la situación es más dramática, puesto que la selección del ciclo de funcionaiento puede multiplicar las emisiones de mercurio de 10 a 13 veces. En el caso de las emisiones de Hg, la calidad de la CFLi juega un importante papel en las emisiones de Hg, multiplicando las emisiones por un factor 5 para un mismo ciclado. En este caso, el contenido en mercurio del gas de la CFLi juega un papel determinante, pues la reducción el tiempo de vida asociada a ciclos cortos (muchos encendidos y apagados) dispara las emisiones, si se las compara con ciclos caracterizados por menos encendidos. El valor del tiempo mínimo de apagado para el cual en una lámpara concreta las emisiones de Hg son idénticas en cualquier ciclado alcanza valores de entre 30 y 43 minutos. Es importante tener en cuenta que se ha asignado un contenido de mercurio relativamente bajo. Algunos autores estiman que existen modelos de CFLi con un contenido de mercurio mucho mayor al que se ha utilizado en el presente trabajo. En estos supuestos las emisiones de Hg se disparan respecto a lo calculado en presente trabajo.

El coste de operación de las CFi se comporta de modo similar a las emisiones de CO₂. La selección del ciclado utilizado puede multiplicar el coste hasta 4 veces. La razón es que el coste de adquisición tiene un peso comparable al coste de operación, al menos en ciclos con valores de a menores que 7 minutos. La selección de una CFLi de mala calidad puede elevar los costes entre un 18% y un 35%. El tiempo mínimo de apagado para el cual los costes son idénticos independientemente del ciclado, presenta valores entre 6 m y 7 m dependiendo de la calidad de la CFLi. Si no se considera la tasa de descuento, el valor del tiempo óptimo de apagado es de 13 m.

Como conclusión, la reducción de emisiones contaminantes y costes de fabricación y uso de CFLi requiere la realización del mínimo número de encendidos posible y del mínimo número de horas de operación posible, subordinado a las satisfacción de la necesidad de iluminar. Esta conclusión es obvia y de sentido común, no existiendo una regla general básica que oriente al usuario en base al número de encendidos o al tiempo que la lámpara ha de permanecer encendida. Un criterio más especifico para decidir el mejor ciclado de una determinada CFLi viene dado por el tiempo de apagado óptimo, diferente para las dos emisiones contaminantes consideradas y para el coste de la lámpara. Si este valor es respetado, al menos se garantiza que el coste de generar luz es idéntico en cualquier ciclado. Si además el valor del tiempo de apagado es mayor que sus valores óptimos se puede garantizar que las emisiones y el coste disminuirán respecto al caso óptimo.

Como resumen del trabajo realizado, se recomienda que si un usuario está interesado en reducir las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al uso de la lámpara ahorradora de energía, en caso de que salga de la habitación en la que se encuentra y no prevea volver a la habitación antes de 5 minutos, es recomendable que apague la luz. Si el usuario está interesado en reducir las emisiones de Mercurio asociadas al uso de la lámpara, es recomendable que apague la luz al salir, si no prevé retornar a la habitación antes de 43 minutos. Finalmente, si el usuario esta interesado en reducir el coste económico de usar la lámpara ahorradora es recomendable que apague la luz si no prevé retornar antes de 7 minutos. Si se utiliza el criterio ambiental de minimizar las emisiones de mercurio tambien se alcanzará una eficiencia aceptable para el coste económico y las emisiones de CO₂. Hay que subrayar que cada tipo de emisión contaminante y el coste tienen diferentes valores para la misma CFLi. Encender y apagar frecuentemente la lámpara ahorradora de energía en cada entrada y salida de una habitación no es recomendable pues dispara tanto las emisiones como el coste económico.

El estudio completo se puede encontrar en http:/lrt.sagepub.com, FG Rosillo, F Castejón, MA Egido. Emissions and economic costs of cycling compact fluorescent lamps with integrated ballasts. Lighting Research and Technology. OnlineFirst Version of Record-Feb 8, 2012