L’avènement de l’éclairage LED a apporté de nombreux avantages par rapport aux sources d’éclairage traditionnelles, réduisant la consommation d’énergie et les coûts de maintenance dans de nombreux secteurs et applications.
Les économies d’énergie sont facilement observables en pratique et peuvent être comparées entre différentes solutions d’éclairage par une simple comparaison de la puissance en watts.
Les économies de maintenance, en revanche, sont souvent considérées comme acquises. Nous savons bien sûr que les LED peuvent durer toute une vie. Qu’y a-t-il de plus à savoir ? Existe-t-il des différences entre les offres du marché ? Dans l’affirmative, quelle est la meilleure façon de comparer les solutions afin de minimiser les coûts sur toute la durée de vie ?
Ces questions deviennent particulièrement importantes lorsque les coûts de maintenance sont significatifs, comme sur le réseau du métro londonien, où il a été rapporté que le remplacement d’une seule lampe au-dessus d’un escalier mécanique peut coûter plus de 1 000 £[1]. Il vaut clairement la peine, dans ces cas, de faire des efforts considérables pour éviter les pannes. L’éclairage public, les routes et les parkings sont d’autres exemples où les avantages de maintenance des LED sont susceptibles de présenter plus d’intérêt que les économies d’énergie pour lesquelles elles sont peut-être le mieux connues.
Pour répondre à ces questions, nous devons d’abord examiner les grandes catégories de défaillances, résumées par la courbe en baignoire.
La courbe en baignoire
La courbe en baignoire est une représentation graphique du taux de défaillance d’un système au cours de sa vie. Elle présente trois phases distinctes de défaillances, qui peuvent souvent être expliquées par des phénomènes physiques propres à ce système. Sur le plan statistique, la courbe est la somme de diverses distributions de Weibull, et sa forme générale résume le taux de défaillance dans le temps de nombreux systèmes, des circuits électriques aux systèmes mécaniques (tels que les voitures), en passant par les systèmes biologiques et même les humains. La forme de la courbe ressemble au profil d’une baignoire, indiquant une probabilité de défaillance du système relativement élevée au départ, qui diminue jusqu’à un plateau, puis augmente à nouveau en fin de vie.
Défaillances précoces
La première phase présente un taux de défaillance initialement élevé mais décroissant ; elle concerne les défaillances précoces, ou défaillances infantiles. Celles-ci sont souvent liées à des problèmes inhérents ou à des défauts du système qui provoquent sa défaillance dans les premières phases de sa durée de vie prévue. De nombreux facteurs peuvent entraîner une défaillance précoce, des facteurs génétiques dans un système biologique aux composants défectueux ou aux défauts de fabrication dans les produits fabriqués par l’homme. En règle générale, une fois cette phase de défaillance infantile passée, on peut avoir davantage confiance dans le système. Des tests en usine sont souvent réalisés immédiatement après la fabrication pour identifier les unités présentant des défaillances précoces et les retirer de la chaîne d’approvisionnement avant qu’elles n’atteignent le client.
Défaillances aléatoires
La deuxième phase de la vie du système correspond à la phase normale de fonctionnement. Le taux de défaillance atteint un plateau et la probabilité de défaillance d’une unité est désormais indépendante du temps. Il s’agit de la partie la plus stable de la vie d’un système ; le taux de défaillance à ce stade définit la «fiabilité» du produit. La fiabilité est un terme statistique relatif à la probabilité d’une défaillance aléatoire (c’est-à-dire une défaillance indépendante de tous les autres facteurs, tels que la durée de vie). Il s’agit d’une mesure qui ne se rapporte pas à la durée de vie et qui doit donc être considérée séparément lors de l’évaluation d’un produit quelconque. Ce que la fiabilité nous indique, c’est la fréquence des remplacements à prévoir dans la phase de fonctionnement normale. Ces types de défaillances sont inévitables et doivent être pris en compte dans tout modèle de coût sur la durée de vie. Malgré cela, ils sont souvent négligés et les défaillances surviennent alors par surprise. La fiabilité se mesure par le taux de défaillance et indique le nombre de défaillances aléatoires à prévoir par million d’heures de fonctionnement de l’appareil. La fiabilité étant liée aux défaillances aléatoires, tant qu’un système se trouve dans sa phase de fonctionnement normale, le taux de défaillance s’applique que l’on cherche à comprendre le nombre probable de défaillances pour 100 produits fonctionnant pendant 10 000 heures ou pour 10 000 produits fonctionnant pendant 100 heures. L’ingénierie de la fiabilité est une discipline à part entière qui couvre un ensemble complexe de calculs et de modèles permettant d’établir la fiabilité d’un système, basés sur des systèmes établis tels que MIL-HDBK-217F.
Défaillances en fin de vie
La dernière phase de la vie d’un système est la phase de fin de vie. C’est là que le taux de défaillance commence à augmenter en raison des effets d’usure, et qui est souvent désignée comme la durée de vie prévue ou la durée de vie nominale du produit. Les effets d’usure sont souvent introduits par des composants spécifiques du système qui, par leur nature ou leur position, sont sujets à l’usure ; de nombreux composants, en revanche, ne présentent aucun effet d’usure. Dans l’électronique, plusieurs composants clés sont à prendre en compte pour les effets de fin de vie, dont le condensateur électrolytique. Ces composants ont une durée de vie nominale et s’useront avec le temps. En mécanique, un exemple facile à visualiser est celui des dents d’un engrenage qui s’usent à mesure que le système est utilisé, jusqu’à ne plus fonctionner correctement.
La durée de vie prévue d’un système est souvent calculée à l’aide des indications du fabricant de tout composant soumis à l’usure, ou peut être calculée par des essais de durée de vie accélérés. Lors de ces tests, le système est soumis à des conditions extrêmes, puis une relation mathématique est utilisée pour calculer la durée de vie prévue dans des conditions normales à partir de la durée de vie observée dans des conditions extrêmes.
Comment intégrer cela dans un modèle de coût
Pour l’éclairage, et lorsque les coûts de remplacement sont moyens à élevés, il est généralement judicieux de procéder à une maintenance réactive (c’est-à-dire le remplacement des défaillances aléatoires) pendant la phase de fonctionnement normale, et de réaliser des mises à niveau groupées à l’approche de la «durée de vie prévue» du produit, moment à partir duquel les remplacements ponctuels commencent à devenir ingérables.
Le coût total sur la durée de vie d’un produit ou d’une installation comprend généralement les éléments suivants :
- Coût unitaire initial
- Coût d’installation initial
- Coûts énergétiques annuels x durée de vie
- Coûts CRC annuels x durée de vie
- Élément de maintenance réactive
- Coûts de nettoyage
- Coûts de test
- Coûts d’élimination
Ce coût total doit ensuite être divisé par la durée de vie de l’unité pour établir un coût annuel, qui peut être comparé comme une mesure homogène entre différentes solutions d’éclairage.
Implications pour l’éclairage
D’après ce qui précède, on constate qu’un moyen efficace de minimiser les coûts annuels d’une installation est d’augmenter la durée de vie du produit. Ce faisant, les coûts fixes sont répartis sur un plus grand nombre d’années de fonctionnement. Comme souligné précédemment, la durée de vie de l’unité est définie par les composants soumis à l’usure qui, dans le cas des drivers LED traditionnels, sont souvent les condensateurs électrolytiques. La durée de vie du système peut être considérablement améliorée par des conceptions qui évitent entièrement ces composants ; plusieurs fabricants d’éclairage progressent dans ce domaine, comme la technologie Direct Drive® d’INDO Lighting.
Les produits à haute fiabilité auront un élément de maintenance réactive inférieur à celui des produits à faible fiabilité. La fiabilité est définie par le taux de défaillance, et il est important de comprendre que celui-ci est sans rapport avec la durée de vie.
Conclusions
Il est indispensable de prendre en compte à la fois la durée de vie et la fiabilité pour comprendre les véritables coûts sur la durée de vie d’une installation d’éclairage. Ce n’est qu’armés de ces informations que l’on peut vraiment comparer deux solutions sur une base homogène, déterminant ainsi dans quelle mesure la philosophie «poser et oublier» est vérifiée.
[1] «The one factor driving the adoption of LED lighting on the Tube», http://luxreview.com/article/2015/06/the-one-factor-driving-the-adoption-of-led-lighting-on-the-tube, 26 juin 2015
