Efficacité lumineuse : LED et luminaires en chiffres

Sortez vos calculatrices ! Il est parfois difficile de suivre les professionnels de l’éclairage qui vous parlent de lumens par watt. 130, 150, 200 lm/W… la litanie des chiffres ressemble à un cours de bourse. Tendance à la hausse. Mais s’agit-il des performances pour une puce seule ou pour un luminaire ? À quoi correspond cette efficacité lumineuse ? S’agit-il d’éclairage intérieur ou d’éclairage public ? Pour un blanc chaud ou un blanc froid ? Un IRC de 80 ou de 90 ?

Efficacité lumineuse : aujourd’hui et demain ?

Pour en débattre, le forum Focales avait réuni, dans une des nombreuses conférences organisées :

• Jean-Michel Foulon de Stiled,
• Pascal Ternacle de Piséo.

D’un côté, la société Stiled, bureau d’études de production de luminaires LED qui assure une veille technologique et est en lien avec les meilleurs fabricants de LED (Nichia, Cree, Osram, Stanley, Lumileds, Seoul, Prolight). De l’autre, Piséo, centre d’essais et de caractérisation de luminaires LED.

En amont ou en aval de la fabrication de produits LED, tous les deux ont donc une vision précise de leurs performances actuelles. Ils se réfèrent à la bible sur le sujet, le rapport 2022 sur le Solid-State Lighting du département américain de l’énergie. Ce panorama très complet de 200 pages permet d’extrapoler de manière argumentée les performances attendues jusqu’à 2035, voire 2050.

Performances des LED blanches

303 lm/W, c’est le record affiché par l’entreprise Cree pour un prototype de LED blanche de puissance, mais il date déjà de 2014. Les fabricants semblent en effet s’être désintéressés de cette course au record absolu pour se concentrer sur la commercialisation à grande échelle de LED à haute efficacité lumineuse. Il faut ici distinguer les LED moyenne puissance (autour de 0,5 W par LED) plutôt utilisées en éclairage intérieur et les LED haute puissance (typiquement 1 W par LED) davantage réservées à l’éclairage extérieur. Les premières peuvent atteindre une efficacité jusqu’à 230 lm/W. Pour les secondes, l’efficacité est de l’ordre de 185 lm/W pour du blanc froid, un peu moins pour du blanc chaud. Les courbes devraient continuer leur irrésistible hausse. D’après l’étude, elles vont toutefois atteindre un plateau à environ 250 lm/W d’ici une dizaine d’années.

Efficacité lumineuse (lm/W) pour des LED haute puissance – Département de l’Énergie des États-Unis, 2022 Solid-State Lighting R&D Opportunities © United States Department of Energy, DoE

Rappelons que la quasi-totalité des LED blanches utilisées en éclairage correspond en réalité à des LED bleues recouvertes d’une couche de luminophore qui, excitée par le rayonnement bleu, le réémet en partie dans le jaune par fluorescence. Le document explore une autre solution pour produire du blanc : le mixage de lumières émises par plusieurs LED colorées. Pour obtenir un bon rendu des couleurs, il faut envisager un mélange avec quatre LED, typiquement rouge, vert, bleu et ambre. Actuellement, cette solution donne une efficacité lumineuse sensiblement plus faible, de l’ordre de 140 lm/W. En pratique, elle n’est aujourd’hui proposée que pour de l’éclairage dynamique, c’est-à-dire afin de pouvoir changer la couleur émise en modifiant les contributions des différentes LED. Néanmoins, le potentiel de cette technologie s’annonce plus prometteur que la solution traditionnelle de conversion par fluorescence, y compris pour de l’éclairage général, avec une efficacité qui pourrait atteindre jusqu’à 336 lm/W à l’horizon 2050.

 

 

LED blanches à très bon rendu de couleurs

Un autre critère à préciser lorsque l’on compare l’efficacité lumineuse de lumières blanches, c’est l’indice de rendu des couleurs (IRC), c’est-à-dire la capacité à restituer correctement les couleurs des objets éclairés. Or, pour avoir un bon IRC, il faut que la lumière émette le plus largement possible sur toutes les longueurs d’onde du visible. Cela se fait très souvent au détriment de l’efficacité lumineuse.

Mais une solution miracle fait beaucoup parler d’elle : les luminophores à faible bande d’émission dans le rouge. Cette technologie permet d’obtenir un IRC supérieur à 90 tout en conservant une efficacité lumineuse entre 170 et 200 lm/W !

Performances des luminaires LED

L’efficacité des luminaires LED est forcément plus faible que celle d’une LED seule : il faut tenir compte des rendements liés au management thermique, au driver, ainsi qu’aux éléments optiques. Le rapport du département américain de l’énergie détaille les différentes contributions et les gains espérés pour 2050.

Efficacité lumineuse (lm/W) des luminaires – Département de l’Énergie des États-Unis – 2022 Solid-State Lighting R&D Opportunities © United States Department of Energy, DoE

En 2020, les lampes LED ainsi que les luminaires en éclairage public peuvent atteindre 130 lm/W, tandis que les luminaires LED linéaires pour l’éclairage intérieur peuvent afficher jusqu’à 160 lm/W. Et pour 2050, une efficacité lumineuse d’au moins 214 lm/W est espérée pour tous les luminaires. Le futur nous dira s’il s’agit d’un scénario optimiste ou non.

Chez Piséo, la caractérisation de nombreux luminaires permet de confirmer ces chiffres. Une catégorie de luminaires a été ajoutée : les dalles LED 600×600, largement utilisées en éclairage tertiaire. Elles présentent en moyenne un décevant 113 lm/W. Ceci est certes plus efficace que les luminaires équivalents à tubes fluorescents, mais à l’heure où ces derniers vont bientôt être interdits à la vente, on aurait pu espérer nettement mieux pour les remplacer…

Jean-Michel Foulon se souvient des années 2010 où les meilleures LED du moment étaient dépassées en seulement quelques mois. Le marché s’est à présent assagi, mais le spécialiste doit toujours avoir l’œil sur l’évolution des lumens par watt.

 

 

Approfondir le sujet

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