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La longue évolution des ampoules électriques

Symbole de la « fée électricité », l’ampoule électrique a été industrialisée à partir de 1878 par l’entreprise de Thomas Edison (voir encadré). Elle n’a cessé depuis d’améliorer ses performances en matière d’efficacité et de durabilité. Sa technologie a été adaptée à ses différents usages : la maison, le bureau, les appareils électroniques, l’éclairage public, les phares des véhicules de transport. L’objectif prioritaire est désormais de réduire sa consommation en énergie.

La longue évolution des ampoules électriques
Une image de l'évolution technologique : une ancienne ampoule à incandescence entre une lampe LED (à gauche) et une ampoule fluocompacte (à droite). ©SCOTT OLSON / GETTY IMAGES NORTH AMERICA / AFP

Pendant plus d’un siècle, l’ampoule à incandescence, où un filament est porté à haute température dans une enveloppe de verre sans oxygène, a dominé le secteur de l’éclairage domestique. Mais elle a disparu progressivement dans les pays occidentaux, notamment l’Europe, victime de sa gourmandise en énergie. En effet, 95 % de l’énergie consommée est transformée en chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... , le reste étant convertie en lumière (dont l’unité est le lumen1). Malgré ses qualités dans le rendu des couleurs de ce qui l’entoure, son efficacité, mesurée par le lumen par WattLe watt (symbole W) est l'unité dérivée du système international (SI) de mesure de la puissance... , est faible : entre 9 et 17 lm/W. Sa durée de vie ne dépasse guère 1 500 heures en continu (1 an et demi en usage normal).

Les ampoules LED ont une durée de vie annoncée supérieure à 25 000 heures en continu, soit plus de 20 ans en usage normal.

 

Trois autres types d’ampoules lui ont progressivement succédé :

  • L’ampoule halogène. Son principe est le même que l’ampoule à incandescence, mais le filament est chauffé dans un gaz de la famille des halogènes (fluor, brome ou iode). Son efficacité lumineuse est supérieure, mais elle dégage encore beaucoup de chaleur et ne représente qu’une économie d’énergie de 30 à 50 %. La durée de vie est doublée (2 000 ou 3 000 heures en continu soit jusqu’à 3 ans).
  • L’ampoule fluorescente compacte (LFC) ou « fluocompacte ». Elle appartient à la famille des lampes dites à décharge : un flux électrique traverse des atomesL'atome est le constituant fondamental de la matière, la plus petite unité indivisible d'un élément chimique... de gaz (néon, mercure, vapeur de sodium ou xénon) qui émettent alors des rayons ultraviolets. Ceux-ci sont convertis en lumière visible lorsqu'ils traversent une poudre fluorescente tapissant les parois du tube. L’exemple le plus connu est le « tube à néon ». À partir de 1974, le tube a été miniaturisé et replié sur lui-même ce qui donne l’aspect torsadé de plusieurs de ces types d’ampoules. Celles-ci présentent l’avantage de consommer beaucoup moins d’électricité : pour obtenir la même luminosité qu’une ampoule à incandescence de 100 Watts, il suffit d’une ampoule fluocompacte de 25 Watts. Elles ont l’inconvénient de mettre quelques dizaines de secondes pour atteindre leur luminosité optimum. Elles doivent impérativement être recyclées en raison de la dangerosité du mercure qu’elles contiennent. Leur durée de vie est de 5 000 à 10 000 heures en continu.
  • L’ampoule à LED.  Elle comporte un composant électronique, la diode électroluminescente (DEL ou LED de Light Emitting Diode), un semi-conducteurUn semi-conducteur est un matériau dont la capacité à conduire l’électricité (la conductivité), initialement faible, peut augmenter en fonction de certains facteurs... qui produit de la lumière lorsqu’il est traversé par un courant électrique. Apparues en 1962, les LED ont d’abord eu des utilisations très limitées (par exemple les voyants de veille). Puis les technologies se sont améliorées, avec des puissances de plus en plus fortes et des couleurs de plus en plus nombreuses, qui peuvent se combiner pour fournir une lumière blanche. Elles ne chauffent presque pas, s’allument instantanément et ont une durée de vie annoncée de plus de 25 000 heures. Il est facile de faire varier leur intensité et se prêtent bien à la décoration lumineuse. Mais leur coût est beaucoup plus élevé.    

Les évolutions des marchés

Les différents usages de l’éclairage impliquent des équipements, des normes, voire des technologies différentes.

  • L’éclairage public – lui-même d’une grande diversité – reste dominé dans les pays industrialisés par les ampoules à sodium et les halogènes, mais de nombreuses villes, notamment aux États-Unis, ont commencé à passer aux LED. Paris devrait être éclairé à 20 % par des LED en 2020. Le métro parisien a installé 10 millions d’ampoules sur son réseau. L’immeuble de la bourse du NASDAQ à New York possède une façade lumineuse entièrement animée par des LED.
  • Dans le secteur des phares d’automobile, les LED gagnent aussi du terrain sur les halogènes et les ampoules au xénon et tous les modèles de voitures haut de gamme proposent un éclairage "full LED" en option.
  • Les choix des consommateurs individuels, fondés sur le prix et la qualité d’usage, ne sont pas nécessairement les mêmes que ceux des institutions éditrices de normes, qui cherchent avant tout à promouvoir les lampes à basse consommation2. En Europe, face à l’interdiction en 2009 des ampoules à incandescence, les consommateurs se sont d’abord reportés sur les ampoules halogènes, plus rapides à s’allumer que les « fluo-compactes ». Preuve de ce choix de confort, les ventes de fluo-compactes sont passées en France de 80 millions en 2010 à 20 millions en 2016. Mais depuis 2016, grâce à une baisse régulière de leur prix, les ventes de LED ont connu un essor spectaculaire. En France, selon une étude, 30 % des foyers français disposent déjà d'un éclairage entièrement composé de LED3. Le mouvement devrait s’accélérer car la Commission européenne a prévu d’annoncer en septembre 2018 le retrait du marché des ampoules halogènes.

95 % : la part de l’énergie qui se perd en chaleur dans les anciennes ampoules à incandescence.

Les polémiques

Parmi les équipements de la maison, les ampoules ont une forte propension à susciter des polémiques récurrentes. L’apparition des lampes fluocompactes a provoqué à partir de 2007 une série de controverses, d’abord sur les risques éventuels des rayonnements électromagnétiques, puis sur les dangers du mercure qu’elles contiennent4. Celui-ci est présent en très faibles quantités et confiné. Mais le risque existe si la lampe se brise ou est jetée dans les ordures ménagères, d’où la nécessite du recyclage. En janvier 2017, ce sont les ampoules LED qui ont été mises en cause dans une étude de l’Institut français Inserm (Institut national de la santé et de la recherche médicale) qui affirme que, chez le rat, certaines de leurs longueurs d'onde s'avèrent dangereuses pour la rétine5.

Le recyclage

Les normes européennes préconisent le recyclage des ampoules fluocompactes et tubes fluorescents, en raison du mercure, mais aussi de toutes les LED. Les lampes sont collectées par les commerces qui les ont vendues ou par les déchèteries. Des éco-organismes, comme Recylum6 en France, ont été mis en place pour  assurer cette procédure de recyclage.

 

 

Du bambou au tungstène…
Les premières ampoules électriques expérimentales, testées dans les années 1830, utilisaient une fibre de bambou du Japon portée à incandescence dans une enveloppe en verre vidée de son air, donc de l’oxygène qui assure la combustion. Mais le filament était cependant consumé en 30 heures…

Il faut attendre 1878 pour que le groupe industriel créé aux États-Unis par Thomas Edison mette au point une ampoule à fibre de carbone, qui tenait beaucoup plus longtemps. L’entreprise de Thomas Edison deviendra General Electric, aujourd’hui un des plus grands groupes mondiaux.

Au fil des décennies, l’ampoule à incandescence fait des progrès : verre dépoli, utilisation de gaz inertes comme le krypton ou le xénon, fibre en tungstène, qui est l'élément chimique ayant le plus haut point de fusion (3 422 °C). Elle a accru ainsi son efficacité lumineuse et prolongé sa durée de vie. Mais elle est restée très consommatrice d’énergie, ce qui lui a valu d’être interdite en Europe en 2009.

 

 

Sources : 

(1) Le lumen (lm) mesure la « quantité » de lumière (le flux lumineux) qui est émise par unité de temps dans une direction par une source lumineuse d’une « intensité » de 1 candela.

(2) Association française de l’éclairage

(3) Étude Reichelt/OnePoll (juin 2017)

(4) Site Europa

(5) INSERM

(6) Recylum