Efficacité énergétique des LED

Le rendement énergétique d'un systeme d'eclairage LED

Cet article vous donne plus d’explications sur l’efficacité énergétique d’un système LED: sa définition, les rendements électriques, optiques et quantiques et enfin l’étiquette énergie associée et définie par la réglementation européenne.

Évolution des technologies d'éclairage

L’éclairage a suivi comme de très nombreux produits les évolutions technologiques qui ont pour objectif d’améliorer les performances d’utilisation. En général les évolutions technologiques dans le temps suivent des courbes en S qui décrivent le remplacement d’une technologie arrivée en limitation maximale de performance par une nouvelle technologie.

Cette évolution des courbes en S n’est pas continue dans le temps mais présente des discontinuités qui sont le cœur des changements technologiques majeures. On peut distinguer les deux points d’inflexion de la courbe en S : la période précédente le point inférieur correspond à la phase de fermentation. C’est une phase de préparation à la substitution de la technologie précédente. Elle se caractérise en général par l’émergence de nouveaux acteurs et de plusieurs formats (design) du produit générés par cette nouvelle technologie. Le point d’inflexion correspond à l’acceptation par les parties prenantes d’un format dominant (dominant design). Cette phase de décollage (take-off) se traduit par une vitesse d’amélioration de la performance importante. Le second point d’inflexion correspond au ralentissement de la vitesse d’amélioration de la performance du produit et annonce une phase de maturité du produit qui approche sa limite de performance atteignable avec la technologie utilisée.

Courbe d'évolution technologique de l'éclairage
Courbes en S d'évolution technologique pour l'éclairage

L’alternance de la nuit et du jour rythme la journée de chaque être humain avec des durées respectives variables selon la position sur la terre (latitude) et l’inclinaison de la terre par rapport au soleil (la saison). L’éclairage est par conséquent un besoin fondamental dès que le crépuscule arrive car l’humain n’a pas développé tout au long de son évolution darwinienne de vision nocturne contrairement à d’autres animaux.

L’éclairage est un besoin ancestral qui remonte à l’homme préhistorique qui l’a en premier comblé par la maitrise du feu. L’homme a ensuite inventé la bougie/chandelle puis la lampe à huile. Ensuite les nouvelles technologies développées ont suivi les progrès techniques de la société. La lampe à pétrole a suivi la découverte et l’exploitation du pétrole. De même la lampe à incandescence a suivi l’invention de l’électricité. Les dernières évolutions technologiques sont tirées principalement par la performance de l’efficacité énergétique après les chocs pétroliers et la prise de conscience de l’impact des activités humaines. Ces technologies développées sont dans l’ordre successif : la lampe halogène suivie de la lampe fluo-compacte puis de la lampe à LED. La future génération technologique est la lampe OLED déja présente pour les applications display (écrans) mais pas assez mature pour les puissances requises pour l’éclairage.

Luminaire Lumeninside

Efficacité énergétique: définition

Un système d’éclairage par exemple un luminaire LED est un système qui transforme l’énergie électrique ou puissance électrique consommée (en entrée) en énergie lumineuse ou puissance lumineuse émise (en sortie) et utile pour l’utilisateur.

Le rendement énergétique ou efficacité énergétique d’un système d’éclairage est défini par le rapport du flux lumineux émis par la puissance électrique consommée:

Rendement = η systeme = Puissance émise (lumen) / Puissance consommée (Watt)

Tableau efficacité énergetique lampe versus technologie
Données: Tableau de classe énergie et rendement énergétique des lampes selon la technologie. Attention la classe énergie change au 1er septembre 2021. Les lampes à incandescence sont interdites à la ventes par l'UE depuis 2012 et halogènes depuis 2018.
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Les composantes de l'efficacité énergétique

Si l’on regarde de plus prêt un système d’éclairage de technologie LED, il est composé de plusieurs parties qui jouent chacune leur rôle dans l’efficacité énergétique finale du système:

  • L’alimentation LED
  • Les modules LED
  • Les puces LED
  • Les optiques

1-Rendement électrique

Chaque sous-partie électrique du système d’éclairage induit des pertes de puissance électrique:
l’alimentation LED possède son propre rendement de conversion pour transformer le courant alternatif du secteur en un courant continu injecté dans chaque puce LED unitaire.

Toute la chaine de connexion électrique de l’alimentation LED jusqu’à la jonction entres les 2 semiconducteurs (diode) de chaque puce LED entraine des pertes de puissance par effet JOULE dues aux résistances en série:

  • Les fils de connexion (alimentation vers module LED) et les pistes métalliques du module LED
  • Les soudures entre les puces LED et la carte électronique
  • Les connexions dans le boitier de packaging de chaque puce LED (leadframe, wire bonding..)
  • Les matériaux intermédiaires jusqu’à la jonction (métaux, semiconducteurs)
Perte de puissance electrique d'un système éclairage
Pertes de puissance électrique d'un système éclairage

On peut définir ainsi un rendement énergétique intermédiaire ηelec par le rapport de la puissance électrique utile à chaque LED pour la conversion en lumière par la puissance électrique consommée par tous les sous-systèmes électriques:

ηelec = Puissance électrique jonctions LED (Watt) / Puissance consommée (Watt)

2-Rendement quantique

Comme nous l’expliquons dans cet article sur la technologie LED, le courant injecté dans la diode est composé d’électrons d’un coté et de trous de l’autre coté. Ce électrons et trous se recombinent en lumière (photons). On va de nouveau distinguer 3 rendements dits quantiques:

  • Le rendement quantique interne
  • Le rendement quantique externe
  • Le rendement quantique du phosphore

Le rendement quantique interne ηi est le rapport entre le nombre de paire électron/trous effectivement recombinée par un mécanisme radiatif et émise en photon (lumière). Il peut se produire des recombinaisons non radiatives (sans émission de lumière) ou bien même les électrons peuvent traverser la jonction sans tomber dans le puits quantique. Les fabricants optimisent au maximum ce rendement en multipliant le nombre de puits quantiques (MQW) et en ajoutant une couche barrière à électrons (EBL). La puissance émise par chaque LED autrement dit le flux de photons ΦLED multiplié par l’énergie des photons émis (considérés comme monochromatiques) est donné par:

P émise LED (Watt) = Φ LED x Energie photon = (ηi x J / q) x Energie photon

  • J est la densité de courant  (J= I / S, I courant traversant la surface S de la jonction PN de la LED)
  • q  charge de l’électron
  • ηi = ΦLED (photons) / Φe (electrons) rendement quantique interne
efficacité energétique LED - rendement quantique interne
Jonction diode electroluminescente (LED): Rendement quantique interne

Le rendement quantique externe ηe est le rapport entre le nombre de photons réellement sortants de la puce par le nombre de photons total émis par recombinaison d’une paire électron/trou.

En effet un photon émis peut se retrouver “piégé” dans les matériaux constituants la LED et réabsorbé à cause des possibles réflexions aux interfaces de sortie de la lumière selon l’angle d’émission.

efficacité energétique LED - rendement quantique externe
Rendement quantique externe: Reflexion de la lumière aux interfaces

Enfin pour les LED blanches dont une partie de la lumière bleue émise est convertie en un fond de lumière jaune grâce à un matériau de type phosphore, il faut ajouter le rendement quantique du phosphore ηp. De la même manière une petite partie des photons sont absorbés par des mécanisme non radiatifs. Les matériaux classiquement utilisés (exemple YAG) possèdent des rendements supérieurs à 95%.

Le calcul de la puissance lumineuse émise devient plux complexe car les photons ont maintenant des longueurs d’onde différentes; le bleu émis par la jonction et le fond jaune du phosphore :

P émise LED blanche (Watt) = ∫ ΦLED blanche (λ) x Energie photon (λ)

3-Rendement optique

Pour terminer le système d’éclairage peut embarquer des parties optiques pour distribuer la lumière selon un pattern souhaité. Cela peut nécessiter des pièces supplémentaires pour réfléchir ou répartir la lumière (réflecteur), la guider (guide d’onde) ou la diffuser (diffuseur). Ces pièces ne sont jamais parfaitement transparentes ou réfléchissantes et contribuent à une perte additionnelle de rendement par absorption. Le rendement optique ηopt inclus la contribution de la somme de ces parties quelque soit leur niveau d’intégration (luminaire, module LED). Ce rendement optique est généralement dépendant de la longueur d’onde:

P émise systeme (Watt) = Nb LED x  ∫ ΦLED blanche (λ) x Energie photon (λ) x ηopt (λ)

Vous croyez que nous avons fini? pas tout à fait 😉.

Le flux exprimée jusqu’ici était en unité énergétique (Watt). Il nous faut le transformer en flux utile à notre perception humaine au travers de l’œil (unité photométrique). La lumière non visible par l’œil n’est pas considéré comme utile. L’unité lumen apparait ainsi au bout du chemin:

P émise systeme visible (lumen) = Nb LED x  Km x ∫ ΦLED blanche (λ) x Energie photon (λ) x V(λ) x ηopt (λ)

V(λ) est la fonction efficacité lumineuse spectrale.  Pour faire simple elle traduit la sensibilité de l’oeil selon la longueur d’onde de le lumière reçue. Elle est différente en vision diurne (le jour) ou nocturne (la nuit) en raison d’une sensibilité différente des cônes et bâtonnets constituants de l’œil. En général on utilise la fonction photopique (vision diurne).

Le maximum de la fonction se situe dans la couleur verte à 555 nm. Ce pic résulte de l’évolution darwinienne; nos ancêtres chasseurs-cueilleurs ont développés une plus grande sensibilité à la couleur verte dans la forêt. Le rendement énergétique maximum Km pour une couleur monochromatique verte V(λ)=1 est de 683 lm/Watt sans tenir compte des autres composantes. Pour une LED blanche, il sera bien évidemment inférieur.

Efficacité lumineuse relative spectrale
Fonctions d'efficacité lumineuse spectrale relative photopique V(λ) (vision diurne) et scotopique V′(λ) (vision nocturne).
Efficacité lumineuse spectrale visible
Efficacité lumineuse spectrale photopique de l'oeil humain. Sensibilité maximale à 555 nm. (couleur verte)
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Synthèse : Efficacité globale du système

En synthèse l’efficacité énergétique finale du système d’éclairage dépend de nombreux paramètres des sous-systèmes:

η systeme = Puissance émise visible système (lumen) / Puissance consommée système (Watt)

= fonction (ηopt , Nb LED , ηi , ηe , ηp, ηelec)

Chaque sous-système optique, électrique, module LED et puce LED est fabriqué et désigné pour éviter les pertes et contribuer ainsi au meilleur rendement final du système d’éclairage. Un meilleur rendement signifie une consommation d’électricité plus faible (plus respectueux de l’environnement) pour une puissance lumineuse souhaitée et par conséquent une facture d’électricité plus faible.

On pourrait ajouter les systèmes de radiateurs pour évacuer la chaleur produite (par tous les phénomènes non radiatifs et effet joule décrits) qui ont pour objectif de limiter l’augmentation de la température. L’augmentation de la température T induit une baisse de l’efficacité énergétique (flux lumineux en lumen / consommation électrique en Watt) et de durée de vie des LED.  

Lumeninside a choisi la technologie panneau LED qui ne présente pas ce problème grâce à une distribution très espacée des puces LED sur les cotés du panneau; contrairement aux lampes ou spots qui concentrent toutes les puces LED dans une petit espace.

Concrètement la mesure d”efficacité énergétique d’un système d’éclairage se fait à l’aide d’un appareil de métrologie appelé sphère intégrante. L’éclairage est placé dans cette sphère et alimentée selon la spécification. Le flux lumineux émis dans toutes les directions est récupéré par un capteur. En intégrant le spectre lumineux sur toutes les longueurs d’onde et en le multipliant par la fonction d’efficacité lumineuse spectrale, on obtient la puissance lumineuse émise en lumen. Le rapport à la puissance fournie et mesurée donne l’efficacité du système d’éclairage.

Luminaire Lumeninside

Étiquette énergie

L’Union Européenne (UE) a mis en place une réglementation pour indiquer au consommateur l’efficacité énergétique sur l’étiquette des produits. Ceci afin de leur permettre de choisir en pleine conscience les produits selon leur performance énergétique. Cette réglementation concernait à la fois les luminaires et les ampoules. Au 1er septembre 2021 la réglementation évolue vers la réglementation dite ELR (Energy Label Regulation). L’étiquette énergie ne concerne plus les luminaires mais seulement les sources lumineuses vendues de manière autonomes (ampoules, lampes intégrées).
Etiquette énergie luminaire NOVA
Avant 1er sept 2021: Etiquette énergie d"un luminaire à lampes LED intégrées Lumeninside.
Etiquette-energie-reglementation-ELR
Apres 1er sept 2021: Etiquette énergie d"une source lumineuse autonome. L'étiquette ne s'applique plus aux luminaires.

Attention : Les classes d’énergie sont modifiées radicalement par cette nouvelle réglementation. De quoi perturber les consommateurs qui ne vont pas s’y retrouver immédiatement.

En comparant ces nouvelles classes au tableau présenté au 2eme paragraphe, toutes les lampes passent en classe G sauf celle qui était en classe A++ qui se retrouve en classe E de justesse.

Classe énergie avant 1er septembre 2021
Avant 1er sept 2021: Courbes de classe énergie
Classe énergie après 1er septembre 2021
Après 1er sept 2021: Courbes de classe énergie
Tableau classes énergie apres 1er septembre 2021
Tableau des classes énergie de la réglementation ELR
Luminaire Lumeninside

Conclusion

L’efficacité énergétique d’un système d’éclairage LED dépend de nombreux paramètres des sous-systèmes: rendement optique, électrique et quantique. 

L’étiquette énergie qui rend compte de cette efficacité énergétique au consommateur évolue le 1er septembre 2021. Elle ne concernera plus les luminaires mais uniquement les sources lumineuses vendues de façon autonome (ampoules, lampes intégrées). Attention les classes énergétiques sont modifiées drastiquement par rapport à l’ancienne réglementation.

Lumeninside va mettre à jour son site au 1er septembre 2021 en supprimant les étiquettes énergie de ses luminaires et en indiquant la nouvelle classe énergie des lampes intégrées dans le luminaire tel que demandé dans cette réglementation ELR.

Efficacité énergétique des LED

Efficacité énergétique des LED - explications | Lumeninside

Un article qui vous donne des explications sur l'efficacité énergétique des LED (électrique, optique et quantique) et l'étiquette énergie.

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