世界的な省エネ化・地球温暖化防止に貢献! 新常識になるLED照明の基本を理解しておこう

世界的な省エネ化・地球温暖化防止に貢献!  新常識になるLED照明の基本を理解しておこう

「20世紀中の実現は不可能」といわれていた青色ダイオードの開発。それを成し遂げたのは日本の科学者でした。
この開発がLED照明の実用化につながり、世界的な省エネを実現しつつあります。それは地球環境保護に貢献しているということ。

日本では2030年までにほぼ100%の普及が見込まれているLED照明。
今のうちに、その基本を理解しておきましょう。

LED照明とは
~実用化までの道のり~

2014年のノーベル物理学賞は、青色発光ダイオード(以下、青色LED)を発明・実用化した、日本の3人の科学者が受賞しました *1。

LED(ダイオード:Light Emitting Diode)は1960年代に赤色と黄緑色が既に開発されていましたが、1993年に明るく点灯する青色と緑のLEDが開発され、これによって、「光の3原色」である、青、緑、赤が揃いました。1996年には黄色の蛍光体と組み合わせて白色に光るLEDが完成し、照明用として開発されました *2:p.i。

~LED照明の仕組み~

光が発生する一般的な原理は、「燃焼」、「白熱」、「放電」の3つです *2:p.1。
このうち、白熱や放電の原理はこれまで照明用ランプに応用され、様々なランプが商品化されてきました。
一方、LEDは半導体の一種で、電気エネルギーを光に変換することで発光します(図1)。

図1 光を発生させる主な原理
出典:*2:JLMA 一般社団法人 日本照明工業会(2020)「LED LAMP 電球型LEDランプガイドブック」 p.1
https://www.jlma.or.jp/led/guide/pdf/guide_led.pdf

半導体とは、「電気を良く通す金属などの『導体』と、電気をほとんど通さないゴムなどの『絶縁体』との中間の性質を持つシリコンなどの物質や材料のこと」です *3。
つまり、LEDは従来の原理とは異なる、新しい発光原理を備えているのです。

このLEDを応用し商品化した電球形LEDランプは、発光部にLEDを用いたランプです(図2)。

図2 一般的な電球形LEDランプの構造例
出典:*2:JLMA 一般社団法人 日本照明工業会(2020)「LED LAMP 電球型LEDランプガイドブック」 p.1
https://www.jlma.or.jp/led/guide/pdf/guide_led.pdf

LEDは直流電源で点灯します。図2の「点灯回路」は、一般の交流電源を直流に変換する役割を担っています。

~LED照明の種類~

LED照明にはさまざまな種類のものがあり、用途に応じて使い分けることができます(図3)。

図3 LED照明の種類
出典:*4 経済産業省 商務情報政策局 情報通信機器課(2012)「LED照明産業を取り巻く現状」 p.5
https://www.meti.go.jp/committee/summary/0004296/pdf/001_05_00.pdf

~LED照明の主なメリット~

LED照明には、従来の蛍光ランプなどに比べて、以下のようなメリットがあります *2:p.i、*4:p.4。

  1. 半導体のため、寿命が長い
  2. 少ない電力で明るく点灯するので効率が高い
  3. 発熱量が少なく、熱くならない
  4. 人に見えない紫外放射や赤外放射をほとんど含まない
    1. 可視光が効率よく得られる
    2. 紫外放射による商品の退色や赤外放射による熱的ダメージを軽減することができる
  5. 低温でも瞬時に点灯し、すぐに明るくなる

上のメリットのうち、まず、1と2について詳しくみてみましょう(図4)。

図4 ほぼ同じ明るさになる一般電球と電球型LEDランプの消費電力・寿命の比較例
出典:*5 経済産業省資源エネルギー庁「照明器具 LEDランプの消費電力は、一般の電球と比べて約85%も省エネ! しかも一般の電球より約40倍も長持ちします。」
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saving/general/replacement/lighting/

この図のように、LEDランプの消費電力は、一般の電球と比べて約85%も省エネで、しかも約40倍も長持ちします。
このことは、CO2排出量の低下とコスト低減という大きなメリットをもたらします。

~CO2排出量とコストの低減~

まず、CO2排出量の低減についてみていきます(図5)。

図5 LED照明の省エネ効果
出典:*4 経済産業省 商務情報政策局 情報通信機器課(2012)「LED照明産業を取り巻く現状」 p.4
https://www.meti.go.jp/committee/summary/0004296/pdf/001_05_00.pdf

図5の左図にように、家庭のエネルギー消費量のうち、照明によるものは、13.4%に上ります。次に真ん中の図のように、LEDは発光効率が高く、理論的には、200~300lm/wも可能です。最後に右図は、白熱電球とLED電球の発熱を比較したものですが、LEDは発熱量が少ないことから、室温が上がりにくく、エアコンを使う際のエネルギー消費量も抑えることができます。

このように、LED照明を使えば、省エネ効果が期待できるため、CO2の排出量を低減させることに貢献します。

次に、省エネと長寿は低コストにもつながります(図6)。

図6 白熱電球と電球型LEDランプのコスト比較例(年間2,000時間≒1日5.5時間使用の場合)
出典:*6 経済産業省資源エネルギー庁「家庭向け省エネ関連情報 無理のない省エネ節約」https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saving/general/howto/lighting/index.html

図6のように、初期費用はLEDランプの方が高いものの、約9か月(1,500時間)でコストが逆転し、その差が開いていきます。この図は、電球型LEDランプ2,000円で試算していますが、現在は価格が低下しているため、コストはますます低下しつつあります。

低コストというメリットは、個人消費に反映するため、LEDの普及を促進する大きな要素といっていいでしょう。

~購入・使用する際の留意点~

さまざまなメリットがあるLEDライトですが、適切に購入・使用するためには、基礎知識をマスターしておく必要があります。例えば、明るさの単位、光の広がり方、取付位置、光の色などに関する基礎知識や安全に使うためのノウハウです。

例えば、以下のような観点が必要です *7。

  • LED電球購入の際にはW(ワット)だけでなく、必ず明るさの数字・lm(ルーメン)の確認が必要であること
  • LED電球には、下方向のみが明るいタイプ、全方向が明るいタイプがあること
  • 取り付け位置に注意してLED電球を選ぶ必要があること
  • LED電球は形や大きさがさまざまなので、今までの照明器具に入らない場合もあること
  • LED電球には、大きく分けて3色の光があり、同じ光の色でもメーカーによって微妙に色が違うこと

より詳しい情報を得るためには、経済産業省 資源エネルギー庁の以下のサイトが参考になります。

LEDライトを購入・使用するときのヒント集 *7

LED照明の用途

以上みてきたように、LED照明にはメリットが多く、現在では一般家庭や施設の照明だけでなく、用途が大幅に広がっています。ここでは、その一部をご紹介します *8。

~交通信号機~

ご存じのように、交通信号機には、車両用と歩行用があります。
2006年の少し古いデータですが、日本全国の交通信号機を全てLEDのものに交換すると、従来に比べて、年間9.35億kWhの節電となり、原油に換算すると約22.8万kl(タンカー1隻弱)に相当するという試算があります。
これは、約2,500万本の樹木を植林したのと同じCO2削減効果です。

そうした環境面でのメリットに加えて、LED式信号機は見やすく、西日でも色の誤認が起こりにくいなど、安全面でもメリットがあります。毎年多数の人身事故が起きていた交差点にLED式信号機を導入した結果、人身事故が0になったという事例もみられます。

さらに、寿命が長いために整備や廃棄物処理などにかかるコストが大幅に削減できます。

図7 LED方式の信号機
出典:*8 JLDS LED照明推進協議会「製品事例」
http://www.led.or.jp/led/application.htm

警視庁によると、2019年3月末現在で、全国の車両用信号器は約127万灯、歩行者用信号器は約102万灯で、合計約229万灯です *9。このうち、LED式信号器が信号器全体に占める割合は、約58.0%(車両用約60.5%、歩行者用約54.9%)で、今後も引き続きLED式の信号機に代替していくとしています。

ちなみに、シンガポールは交通信号機はすべてLED方式です。

~点字ブロック(視覚障がい者用視線誘導灯)~

点字ブロックは視覚障がい者の歩行を補助する大切な役割を担っています。
視力が弱い視覚障がい者は、夜間に十分な照明がないと、点字ブロックが見えなくなり、夜間の外出が難しくなります。

そこで、点字ブロック自体を光らせることが有益です。点字ブロックを光らせる方法はいくつかありますが、多くのメリットをもつLEDが採用されるケースが増えています。

図8 LED点ブロック
出典:*8 JLDS LED照明推進協議会「製品事例」
http://www.led.or.jp/led/application.htm

~街路灯~

LEDは改良が進んで高出力化が可能になりました。
そこで、夜間、十分な明るさが必要な場所にLED式の街路灯が採用されています。例えば、下の図9の街路灯(右側)を中央分離帯に設置すれば、最大6車線を明るく照らすことが可能です。

図9 LED式の街路灯
出典:*8 JLDS LED照明推進協議会「製品事例」
http://www.led.or.jp/led/application.htm

~鉄道車両・航空機機内灯~

鉄道車輌、航空機、船舶などの乗り物にはLED照明が非常に適しています。
なぜなら、LED照明には、先に挙げたメリットの他に、振動に対して強いという特徴があるからです。

また、小形のため、荷棚のような狭いスペースにも組み込むことが可能ですし、軽量なので車体の重量を軽減させ、エネルギー消費量の低減にもつながります。

図10 LED照明+蛍光灯間接照明を備えた電車室内
出典:*8 JLDS LED照明推進協議会「製品事例」
http://www.led.or.jp/led/application.htm

~病院用べッドライト~

病院用ベッドライトは、手元に十分な明かりを確保することはもちろんですが、同時に隣のベッドに明かりを漏らさないことも大切です。

そこで、集光性の高いレンズ付きのLEDを使ったベッドライトが商品化されました。
LEDライトは小さくて軽いため、操作が楽なのに加えて、先ほどみたように、光の照射方向に熱がほとんど出ないため、顔が近づいても、白熱灯のような熱さを感じません。

図11 病院LEDヘッドライト
出典:*8 JLDS LED照明推進協議会「製品事例」
http://www.led.or.jp/led/application.htm

~その他の用途~

以上のような用途の他に、LEDディスプレイ、ネオンサイン、漁業の集魚用など、さまざまな分野でLED照明が用いられています。

LED照明の普及状況と今後の展望

では、現在、LED照明はどの程度、普及しているのでしょうか。
また、今後はどの程度の普及が見込まれているのでしょうか。

~需要の推移とストック台数~

まず、現状からみていきましょう。
以下の図12は、LEDランプ出荷数量の推移を表しています。

図12  LEDランプ出荷数量の推移
出典:*2 JLMA 一般社団法人 日本照明工業会(2020)「LED LAMP 電球型LEDランプガイドブック」 p.i
https://www.jlma.or.jp/led/guide/pdf/guide_led.pdf

大きな変化があったのは、2011年。2010年から2011年には出荷数量が約2.5倍と急激に需要を伸ばしているのがわかります。その背景として、LED照明の価格が急激に低下したことが挙げられます(図13)。

図13 LED照明の価格低下(2009年4月~2011年10月)
出典:*4 経済産業省 商務情報政策局 情報通信機器課(2012)「LED照明産業を取り巻く現状」 p.11
https://www.meti.go.jp/committee/summary/0004296/pdf/001_05_00.pdf

LEDランプは、2011年以降も、毎年3千万個前後の需要が継続しています。

次に、LED照明のストック台数を把握しましょう(図14)。

図14  2017年のLED照明のストック台数推計
出典:*13 JLMA 一般社団法人 日本照明工業会「照明成長戦略 Ligfting Vison 2030~あかり文化の向上と地球環境への貢献~」 p.4
https://www.jlma.or.jp/about/vision/pdf/LV2030_webP.pdf

ストックというのは、存在している総量のことです。左図から、住宅市場が半数以上を占めていることがわかります。

次に右図ですが、図中の「SSL」とは、次世代半導体照明、つまりLED照明を指します。右図のように、LED照明のストック台数は2017年、全体の34%だったと推計されています。

~今後の展望:2030年までにストック100%を実現へ

次に今後の展望をみてみましょう。

日本はLED照明の推進を明言しています。
まず、「新成長戦略」(2010年)において、2020年までにLEDなどの次世代照明を(フロー)100%実現することが掲げられました *10:p.17。次に、「エネルギー基本計画」(2018年)において、LED照明を2020年までにフローで100%、2030年までにストックで100%の普及を目指す、としています *11:p.34。
なお、フローでは、2017年に90%超、2018年に95%超と、2018年には既に2020年までの目標値をほぼ達成しています *12。

この場合のフローとは流通する量ですが、フローが100%になっても、以前からある従来の照明が残っていますから、すべての照明が100%LEDに置き換わっているわけではありません。
一方、ストックとは、先ほどもふれたように、存在している総量を指しますから、ストック100%とは、すべての照明がLEDに置き換わるということを示します。

以下の図15は、2030年にストック100%になるまでの推移を予測したものです。

図15 2030年にLED照明ストック100%になるまでの推移予測
出典:*13 JLMA 一般社団法人 日本照明工業会「照明成長戦略 Ligfting Vison 2030~あかり文化の向上と地球環境への貢献~」 p.3
https://www.jlma.or.jp/about/vision/pdf/LV2030_webP.pdf

~2030年にストック100%に達した場合の消費電力量の大幅低下~

次に、2030年にストック100%に達した場合の消費電力量シミュレーションをみましょう(図16)。

図16 2030年にストック100%に達した場合の消費電力量シミュレーション
出典:*13 JLMA 一般社団法人 日本照明工業会「照明成長戦略 Ligfting Vison 2030~あかり文化の向上と地球環境への貢献~」 p.3
https://www.jlma.or.jp/about/vision/pdf/LV2030_webP.pdf

図16のように、LED照明がストック100%になれば、照明に使われる消費電力量が半減し、さらに照明制御システムを導入した場合には60%削減するとシミュレーションされています。

照明制御システムにはいくつかのタイプがあります *14。
まず、人感センサによる点・消灯制御、あかりセンサによる調光制御、タイムスケジュール制御などです。LEDはこうした照明制御に優れているため、このシステムを導入すれば、さらに消費電力量が削減できるのです。

このように、LED照明が普及すれば、消費電力量を大幅に削減することができ、それはCO2排出量の削減、ひいては環境保護に貢献することにつながります。

~今後の市場動向:海外への参入~

では、今後、LED照明の市場は拡大していくのでしょうか。
実は、2019年度以降、主に住宅照明器具を中心に、国内の照明器具出荷台数が減少すると予測されています(図17)。

それは、住宅着工件数や人口の減少によるものです。

図17 照明器具の国内市場出荷実績と目標
出典:*13 JLMA 一般社団法人 日本照明工業会「照明成長戦略 Ligfting Vison 2030~あかり文化の向上と地球環境への貢献~」 p.5
https://www.jlma.or.jp/about/vision/pdf/LV2030_webP.pdf

こうした状況から、今後は、海外市場への参入が見込まれています。
現在、世界の照明市場は中国・インド・東南アジアなどの新興国を中心に拡大すると予測されています(図18) *13:p.5。

図18 世界の照明器具とランプの出荷金額予想
出典:*13 JLMA 一般社団法人 日本照明工業会「照明成長戦略 Ligfting Vison 2030~あかり文化の向上と地球環境への貢献~」 p.5
https://www.jlma.or.jp/about/vision/pdf/LV2030_webP.pdf

照明器具出荷金額は、2030年は2018年に比べて36%増加、SSL化率も64%から96%に増加することが予想されています。このように、今後、世界的な普及にともなって、LED製品がボーダーレス化、グローバル化することが見込まれています。

~LED照明のリサイクル~

最後に、今後LED照明が普及した場合の大きな課題、リサイクルの問題について考えます。

実は、2015年秋に、大手スーパー、コンビニが旧式のLED照明を新しい製品に替えるため、大量にLED照明が廃棄されるという状況が生じました。

そこで、大学とメーカーが連携して、2016年にリサイクル・スキームを構築し、事業化しました。
これは、廃LED素子から有価金属を分離するという技術を活用したものです(図19) *15:p.2。

図19 廃LED素子からの有価金属リサイクルイメージ
出典:*15 国際研究開発法人 科学技術振興機構(2018)法政大学 生命科学部 環境応用化学科
教授 明石孝也「廃LED素子からの有価金属の 噴流層式リサイクル装置の開発」 p.1
https://shingi.jst.go.jp/var/rev0/0000/8373/2018_hosei_1.pdf

今後、このようなリサイクル技術やシステムをさらに充実させ、循環型社会に寄与することが望まれます。

~おわりに~

以上みてきたように、LED照明は省エネで長寿であることから、CO2排出量の低減に役立ち、地球温暖化防止に貢献します。また、その優れた特徴によってさまざまな用途があり、すでに社会のあちこちで使われています。
今はまさにすべての照明がLED照明に置き換わっていこうとするタイミングにあたります。

今後はその廃棄、リサイクルまでもを見据えた取組みをより充実させ、LED照明を利用しながら、循環型社会を構築していくことが求められます。

 

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参照・引用を見る

*1
国立研究開発法人 科学技術振興機構「発光ダイオードを実用化」
https://www.jst.go.jp/seika/bt47-48.html

*2
JLMA 一般社団法人 日本照明工業会(2020)「LED LAMP 電球型LEDランプガイドブック」
https://www.jlma.or.jp/led/guide/pdf/guide_led.pdf

*3
SEA一般社団法人 日本半導体製造装置協会「半導体」
https://www.seaj.or.jp/semi/about_semi.html

*4
経済産業省 商務情報政策局 情報通信機器課(2012)「LED照明産業を取り巻く現状」
https://www.meti.go.jp/committee/summary/0004296/pdf/001_05_00.pdf

*5
経済産業省資源エネルギー庁「照明器具 LEDランプの消費電力は、一般の電球と比べて約85%も省エネ! しかも一般の電球より約40倍も長持ちします。」
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saving/general/replacement/lighting/

*6
経済産業省資源エネルギー庁「家庭向け省エネ関連情報 無理のない省エネ節約」
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saving/general/howto/lighting/index.html

*7
経済産業省資源エネルギー庁「灯りのヒント集 ヒント1」
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saving/general/hint/vol1/index.html

*8
JLDS LED照明推進協議会「製品事例」
http://www.led.or.jp/led/application.htm

*9
警視庁「LED式信号灯器に関するQ&A」
https://www.npa.go.jp/bureau/traffic/seibi2/annzen-shisetu/hyoushiki-shingouki/led/led.html

*10
内閣府(2010)「『新成長戦略』について」p.17
https://www5.cao.go.jp/keizai2/keizai-syakai/pdf/seityou-senryaku.pdf

*11
経済産業省 資源エネルギー庁(2018)「エネルギー基本計画」
https://www.enecho.meti.go.jp/category/others/basic_plan/pdf/180703.pdf

*12
矢野経済研究所(2019)「照明市場に関する調査を実施(2018年)」
https://www.yano.co.jp/press-release/show/press_id/2091

*13
JLMA 一般社団法人 日本照明工業会「照明成長戦略 Ligfting Vison 2030~あかり文化の向上と地球環境への貢献~」
https://www.jlma.or.jp/about/vision/pdf/LV2030_webP.pdf

*14
J-Net21「照明制御について教えてください。」
https://j-net21.smrj.go.jp/development/energyeff/Q1294.html

*15
国際研究開発法人 科学技術振興機構(2018)法政大学 生命科学部 環境応用化学科
教授 明石孝也「廃LED素子からの有価金属の 噴流層式リサイクル装置の開発」
https://shingi.jst.go.jp/var/rev0/0000/8373/2018_hosei_1.pdf