Par Serge MONTEIX, Consultant – Financement de l’Innovation

ACIES Consulting Group

Faites des lumières…

La flamme des lampes à huile, la bougie, les lampes à incandescence, les lampes fluorescentes, les LEDs, les lasers… et demain ?
L’éclairage représentait, en 2014, 20% de la consommation électrique mondiale [1] et selon un rapport de l’ADEME [2] 12% des consommations électriques d’un logement (hors chauffage et eau chaude).

Alors que la prochaine Fête des Lumières se tiendra à Lyon du 8 au 10 décembre 2016, cet article se propose d’apporter un éclairage de l’avènement des LED blanches.

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Figure 1 : Exemple de la diversité des sources lumineuses et des spectres d’émission correspondants. Distinction des lampes à spectres continus (lampes à incandescence) vis-à-vis des lampes à fluorescence (LED).

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La révolution annoncée des LEDS

L’élaboration de la première LED émettant dans le visible (émission rouge) date de 1962 [3]. Mais sans les travaux dans les années 90 des chercheurs japonais Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et de l’américain Shuji Nakamura sur le dopage de semiconducteurs basés nitrure de galium, les diodes n’émettaient que du rouge ou du vert à faible intensité et n’étaient utilisées que comme témoins lumineux. Leurs travaux, qui sont à l’origine de l’amélioration « substantielle » des LEDS bleues [4, 5, 6] et à l’avènement des premières LED blanches, sur le principe combiné des lampes à fluorescence (Figure 2), ont d’ailleurs été récompensés par le prix Nobel de physique en 2014.

Sur la base de ces travaux, d’autres investigations complémentaires réalisées par les principaux acteurs de l’éclairage (GE, OSRAM, PHILIPS), notamment sur les dispositifs de refroidissements et optiques (substitution des éléments optiques en aluminium par des collimateurs en plastique), ont permis d’augmenter progressivement les puissances délivrées. Philips a lancé sa première LED éclairante (40 W) en 1998. Aujourd’hui, les LED de 13W peuvent être utilisées en remplacement de lampes à incandescence de 75W avec des durées de vie incomparables : la plupart des LED affichent 25.000 heures de vie au compteur (soit, pour une utilisation de 1,6 heure par jour en moyenne, une LED devrait en théorie, éclairer pendant… plus de 42 ans). Elles couvrent quasiment toutes les applications, jusqu’au projecteur de stade de 1,8 kW. Si l’élaboration des lampes à fluorescence est à l’origine de l’interdiction des lampes à incandescence classiques (2012), celle des lampes éco-halogènes prévue en 2016 (et représentant en 2015 70% des ventes) a été repoussée à septembre 2018 [7].

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Figure 2 : Principe de la LED blanche et du phosphore qui absorbe une lumière monochromatique et la restitue dans un spectre très large [4].

Une seule ombre au tableau : l’Inserm en 2015, dans la continuité de l’Agence nationale de sécurité sanitaire, a révélé une étude [8] basée sur des rats qui tend à confirmer que la lumière des LED est beaucoup plus toxique que celle des néons, faisant craindre un vieillissement prématuré de l’œil pour les jeunes générations qui y seront exposées durablement. Les conclusions de cette étude pointent la nécessité de revoir les normes actuelles définissant des limites d’émission de lumière bleue inadaptées aux caractéristiques des LED et à leur utilisation sur le long terme.

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Un développement en devenir

En 2012, le cabinet de conseil McKinsey positionnait les LED à 45% des parts du marché de l’éclairage en 2016 et 70% à l’horizon 2020. Même si un retard à l’allumage est observé avec une pénétration actuelle de seulement 7% au niveau mondial et avec une prévision à 50% en 2022, les LED devraient avoir un avenir prometteur. En effet, leur rendement inégalé permet le développement de nouvelles solutions d’éclairages autonomes, en association avec les progrès réalisés sur les batteries (projet Lili de la société Novéa Energie). Ces prévisions devraient s’affirmer sous l’action des nombreux travaux de recherche en cours de réalisation sur l’augmentation des performances des LED, et sur le développement de nouvelles applications tel que le développement de fermes urbaines [9], mais également par la volonté des états de réduire la consommation énergétique liée à l’éclairage. On peut citer le document de référence qui vient d’être publié par le département américain [10] et rappeler l’action du gouvernement français [11] qui a proposé la distribution d’un million de lampes LED gratuites en 2016.

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D’autres projets lumineux [12]

Des bactéries pour éclairer les villes de demain ; c’est le projet de la start-up Glowee. Il s’agit de développer des bactéries auxquelles est greffé un gène de luminescence permettant de diffuser de la lumière pendant plusieurs dizaines d’heures.

Les lampes LED bientôt obsolètes avec le retour de la lampe à incandescence ?

  • Alors que les lampes LED commencent enfin à s’installer dans nos foyers, des chercheurs américains ont mis au point une ampoule à filament de graphène [13]. Découvert en 2004, le graphène est le plus fin cristal connu, il se trouve à l’état naturel dans les cristaux de graphite. Il est ultra-résistant, transparent et c’est un excellent conducteur d’électricité. Les lampes à graphène promettent de consommer environ 10 % d’électricité de moins qu’une LED avec une durée de vie d’environ 25 ans…

Pour visualiser et profiter des dernières innovations « lumineuses » : rendez-vous à la fête des Lumières organisée à Lyon du 8 au 10 décembre 2016…

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Références :

[1] https://www.lenergieenquestions.fr/tag/led/page/2/
[2] Ademe_avis-led_23092014 : L’éclairage à diodes électroluminescentes (LED), Septembre 2014.
[3] La physique par les objets du quotidien, C. Ray, Ed. BELIN Pour la Science.
[4] http://leclairage.fr/lampes-et-sources-histoire-et-utilisation/
[5] Pour la science, « Les LED blanches l’éclairage de demain », Novembre 2012 no 421.
[6] La beauté révélée des LED /STEFANO LUPIERI – ENJEUX LES ECHOS | LE 01/09/2014
[7] https://www.lenergieenquestions.fr/linterdiction-des-ampoules-halogenes-repoussee-en-2018-dans-lue
[8] Imene Jaadanea, “Retinal damage induced by commercial light emitting diodes (LEDs)” ; Free Radical Biology and Medicine, Volume 84, July 2015, Pages 373–384
[9] http://www.agrapresse.fr/les-leds-promettent-de-r-volutionner-l-agriculture-urbaine-art417773-41.html
[10] DOE/EE-1418, “Solid-State Lighting R&D Plan”, June 2016
[11] http://www.developpement-durable.gouv.fr/
[12] Science & Univers, “La lumière culture, vie quotidienne, recherche, No 3, Aout/Octobre 2015.
[13] http://www.sciencesetavenir.fr/high-tech/bientot-en-vente-l-ampoule-a-graphene_35841
http://www.clusterlumiere.com/le-marche-mondial-de-leclairage-led-un-marche-attractif/
http://www.clusterlumiere.com/duree-de-vie-led-modifient-business-modele-entreprises/