Lumière et gaspillage d'énergie

electricite-edf Informations sur l'éclairage LEDs - electricite-edfL’éclairage est une technologie dont l’homme ne pourrait absolument plus se passer, la lumière artificielle enrichit nos vies d’innombrables façons. Grâce à elle nous pouvons vivre sans suivre uniquement le rythme du soleil ; nos journées s’en voient rallongées, ce qui est particulièrement important dans les pays nordiques. Elles nous offrent sûreté et sécurité, permettent l’existence des transports modernes… L’utilisation de lumière artificielle a également transformé la production alimentaire, en fournissant des conditions acceptables pour la production de plantes, cultivées dans des immenses serres.
L’inconvénient majeur est l’énergie très importante que nécessite la production de lumière. L’Agence Internationale de l’Energie (AIE) a calculé que 19% de l’électricité mondiale est consommée pour l’éclairage et que les émissions de CO2 générées par cela sont équivalentes à 70% des émissions mondiales produites par les voitures. Cette consommation excessive est due principalement à l’utilisation de technologies obsolètes et inutiles, comme l’éclairage à incandescence, qui gaspillent de l’électricité et donc de l’énergie. La technologie la plus efficace élaborée jusqu’à présent, pour lutter contre ce gaspillage, est la diode électroluminescente ou LED.

Nous allons voir ensemble comment traiter le problème du gaspillage d’électricité, et quelles solutions d’éclairage moins polluantes s’offrent à nous.

Unités de mesure de lumière émettrice

Deux paramètres permettent de mesurer la lumière : la radiométrie et la photométrie. La radiométrie est la mesure de la puissance de la lumière, émise sur toutes les longueurs d’onde y compris l’infrarouge et l’ultraviolet. L’unité de base de l’énergie dans la radiométrie est le Watt. Les mesures radiométriques décrivent l’énergie d’émission en termes de temps, d’espace et de lumière de longueur d’onde. Dans le commerce, les ampoules sont habituellement classées selon la quantité d’énergie qu’elles produisent, en Watts. Or cette unité mesure toute l’énergie produite par l’ampoule, énergie qui est en grande partie perdue sous forme de chaleur (énergie thermique).

La photométrie mesure seulement la lumière qui est émise dans un spectre visible, qui peut donc être perçue par l’œil humain. Le spectre visible est constitué de longueurs d’onde allant de 400 à 700 nanomètres (nm). Les unités de base de l’énergie dans la photométrie sont les lumens (lm) et les lux (lx). En mesurant uniquement la lumière visible, la photométrie fournit des mesures précises sur l’énergie lumineuse qui peut être utile car perçue, pour les êtres humains, les animaux et les plantes.

Lumière émettrice/utile et gaspillage d'énergie

Les critères importants pour choisir l’éclairage à utiliser sont mesurables en lumens et comprennent flux, émissivité et efficacité. Ces mesures ne concernent que l’émission de lumière visible pour l’œil humain.

mesure-eclairage-led Informations sur l'éclairage LEDs - mesure-eclairage-led

Ainsi, bien que des ampoules provenant de technologie plus âgée puissent présenter une puissance plus élevée en termes de Watt, cette puissance n’est pas à prendre en compte car une grande partie de cette énergie est inutile. En outre, une grande partie de cette énergie est gaspillée sous forme de chaleur produite par l’ampoule. Ces ampoules à incandescence et fluorescentes ont donc une efficacité énergétique très faible. En réalité, la lumière à incandescence standard ne convertit que 5 à 8% de l’énergie totale consommée en lumière visible, plus de 90% de l’énergie est donc gaspillée. Face aux problématiques actuelles sur le climat et l’énergie, cette technologie semble clairement dépassée.
Quant aux ampoules fluo compactes, elles n’ont pas un meilleur effet sur l’environnement car elles contiennent du mercure et du béryllium, qui sont deux composants toxiques et non recyclables. En outre, elles produisent des ondes électromagnétiques qui peuvent être dangereuses notamment en raison du mercure qu’elles contiennent : elles ne conviennent donc pas à un usager proche de l’utilisateur.
Un autre critère important pour l’éclairage artificiel est la qualité de la couleur émise. Même si certaines lampes au sodium ont une bonne efficacité lumineuse, la lumière qu’elles émettent possède une mauvaise qualité de couleur, avec des longueurs d’onde émises dans le spectre orange. Or cette couleur de la lumière n’est pas adaptée, pour la plupart des applications notamment pour la culture de plantes. En revanche, les LEDs à lumière blanche ont une très haute qualité de couleur, avec des longueurs d’onde émises qui saturent le spectre visible et peuvent être optimisées pour correspondre à la sensibilité de l’œil humain, ce qui les rend aptes à toutes les applications.

Propriétés et spectre d'émission des LEDs

Les diodes électroluminescentes sont l’une des nouvelles technologies de lumière artificielle les plus prometteuses actuellement. L’éclairage LED utilise une puce de semi-conducteur, qui produit une lumière relativement monochromatique avec laquelle il est possible de créer un grand nombre de couleurs suivant le type de semi-conducteur utilisé. La couleur émise sera différente, allant de l’UV (certaines Led émettent autour de 275 nm) au proche infrarouge (850 nm).

Spectre global Informations sur l'éclairage LEDs - spectre-visible-led

cob-led-osram-floraled Informations sur l'éclairage LEDs - cob-led-osram-floraledLe semi-conducteur est fabriqué à partir de l’empilement de couches de différents matériaux et de différentes épaisseurs, et il est soudé à un support qui est à la fois conducteur de chaleur et de courant. Il est ensuite protégé par une lentille de plastique transparent, qui permet de laisser passer la lumière. La lentille peut également agir comme un filtre pour restreindre certaines longueurs d’onde, ce qui affecte la couleur de la lumière émise.
Le développement de solutions d’éclairage LED pour une utilisation dans des serres agricoles/ commerciales, mais également pour un usage domestique à plus petite échelle, est un domaine en constante évolution depuis quelques années. Le département américain de l’agriculture a récemment investit 4.9 millions de dollars dans la recherche et le développement de l’éclairage LED dans les serres.

La technologie aux LEDs est en plein essor. Le seul point noir de cette technologie et le coût initial d’ampoules LED, qui reste relativement plus élevé que les autres ampoules. Cependant, les éclairages aux LEDs ont une durée de vie 10 fois supérieure aux ampoules classiques. De plus le coût annuel de fonctionnement en terme de consommation électrique est considérablement plus élevé pour les lampes halogènes ou à incandescence que pour les LEDs, qui ne consomment que très peu d’électricité, à savoir environ 50% d’économie en consommation d’énergie.

Ce chiffre devient particulièrement important pour l’écologie une fois appliqué à l’échelle mondiale ou pour l’éclairage de serres agricoles à grande échelle.

Grâce aux progrès constants de la technologie et grâce à la production de LEDs, une diminution mondiale de la consommation électrique est désormais possible.

Conclusions et perspectives

Nous entrons dans une ère caractérisée par des défis, au niveau énergétique et climatique, qui rend indispensable l’innovation et la mise en place de mesures décisives pour assurer notre avenir. Il devient primordial de changer nos habitudes, de créer des technologies plus efficaces. L’un des principaux secteurs qui exige un changement est celui de la lumière artificielle.

L’éclairage incandescent est toujours l’une des sources lumineuse la plus largement utilisée, en dépit du fait que moins de 10% de l’éclairage total produit est consommé. Les nouvelles technologies comme les composés fluorescents et les éclairages au sodium sont plus économes en énergie, mais présentent des inconvénients non négligeables comme une possible exposition au mercure et une mauvaise qualité de couleur.

La technologie la plus prometteuse pour l’avenir est actuellement l’éclairage aux LEDs, qui convertissent 90% de l’énergie consommée en lumière utile et qui consomment 50% d’énergie en moins, par rapport aux ampoules incandescentes. L’impact des LEDs sur l’environnement est donc très faible.

Cette technologie assure également une parfaite réception des ondes lumineuses pour les plantes, ce qui lui assure de bénéficier totalement de la photosynthèse. Un autre avantage des LEDs est la faible émission de chaleur qu’elles produisent ; les systèmes d’éclairage peuvent être placés au plus près des plantes, sans jamais les brûler.
En combinant tous ces avantages, il est judicieux de conclure que l’éclairage aux LEDs constitue sans nul doute l’avenir de l’éclairage artificiel.