Face à la hausse continue des coûts énergétiques et à une attention accrue portée aux performances environnementales, la pression en faveur d’une exploitation efficiente n’a jamais été aussi forte. Ce constat vaut pour tous les secteurs d’activité, mais les possibilités de réduction de la consommation, et donc la démarche à adopter pour y parvenir, varient souvent d’une situation à l’autre.
Toutefois, un thème revient de façon constante : l’éclairage.
L’éclairage des parkings (ou de tout autre espace) représente fréquemment l’un des postes de fonctionnement les plus lourds. Les progrès technologiques réguliers permettent aux produits les plus récents de réduire considérablement ces coûts, ce qui soulève une question évidente : vaut-il mieux moderniser l’installation maintenant, ou attendre l’arrivée de la prochaine génération technologique ?
Quelle est donc la meilleure façon de réduire les coûts sur toute la durée de vie d’une installation et son empreinte carbone ? Les coûts initiaux, ainsi que l’énergie incorporée dans les matériaux, la fabrication, le transport et la pose des appareils, peuvent représenter une part significative des coûts totaux. C’est pourquoi une stratégie de modernisation réfléchie s’impose, afin de ne remplacer que les composants devenus obsolètes ; autrement dit, une stratégie de modernisation par retrofit.
Dans le domaine de l’éclairage, un retrofit est un produit compatible avec un système existant qui offre des performances supérieures à celles de l’élément qu’il remplace. Le retrofit permet de tirer parti des nouvelles technologies sans avoir à remplacer l’ensemble du luminaire ; dans bien des cas, il suffit d’un remplacement direct de la source lumineuse, sans aucun recâblage ni modification du circuit existant. Le retrofit n’est d’ailleurs pas un concept nouveau : le remplacement des lampes sodium par des lampes aux iodures métalliques en est un bon exemple, où des gains notables ont été obtenus grâce à une simple solution de retrofit.
Un luminaire se compose généralement de trois grandes parties : le corps, la source lumineuse (la lampe ou la LED) et le ballast ou le driver. Si le corps est une partie peu sophistiquée qui peut bien vieillir, les deux autres connaissent des améliorations de performance au fil du temps, grâce aux innovations sectorielles. Ces innovations peuvent être transformationnelles (généralement liées à un changement de technologie, comme le passage du fluorescent à la LED) ou incrémentales (portées par de petits gains d’efficacité résultant d’améliorations des technologies ou des procédés de fabrication existants).
Adoption technologique
En règle générale, les changements transformationnels s’accompagnent de sauts de performance marqués. À l’inverse, les évolutions incrémentales apportent des améliorations régulières qui font progresser les rendements. Une nouvelle technologie a besoin de temps pour surpasser la technologie en place sur le plan des performances, et c’est là que la patience est de mise. Souvenez-vous de la tentative d’Apple de commercialiser le Newton comme assistant numérique personnel en 1993 : en raison de son encombrement et de son prix, il n’était pas jugé plus performant qu’un agenda papier et n’a pas rencontré le succès escompté. Les premiers acheteurs n’étaient pas motivés par les performances, mais par leur passion pour la technologie (ces individus font partie du « marché de précurseurs » décrit par Geoffrey Moore dans son ouvrage Crossing the Chasm). Dès qu’une technologie offre des avantages immédiats en termes de performances (plutôt que la promesse de gains futurs), ses chances d’être adoptée par le grand marché s’envolent. Ces dernières années, les LED ont franchi ce cap. Pensez à la situation il y a dix ans, lorsque les meilleures LED atteignaient 60 lumens par watt, contre plus de 200 lumens par watt aujourd’hui[i].
Figure 1 Courbe d’adoption technologique
Ces performances sans cesse croissantes offrent la possibilité de remplacer la source lumineuse et/ou le driver au sein du luminaire existant afin d’en tirer des bénéfices financiers et de garantir un retour sur investissement à l’acheteur. Si chaque modernisation imposait également le remplacement du luminaire, les incitations seraient moindres.
Figure 2 Améliorations de performance avec les nouvelles technologies
Adopter cette philosophie revient à mettre en place une stratégie de retrofit dès le départ : investir dans des luminaires conçus pour le retrofit avec l’intention de moderniser les « composants internes » plus régulièrement que le luminaire lui-même. C’est, dans les grandes lignes, une stratégie de gestion des actifs qui garantit une utilisation optimale des ressources et offre une souplesse face aux évolutions technologiques futures ou aux changements d’exigences. Elle assure en permanence la possibilité de passer au dernier niveau de performance disponible, à un coût maîtrisé.
Conception des produits de retrofit
Si c’est aussi simple que cela, pourquoi tout le monde ne pratique-t-il pas le retrofit ?
Intégrer une nouvelle technologie dans un format retrofit ajoute de la complexité. L’essentiel en matière d’électronique est de concevoir le système de manière à garantir une température de fonctionnement adéquate afin de prolonger la durée de vie du produit. Le point de départ de toute conception doit donc être la gestion thermique, laquelle peut s’avérer plus délicate pour les produits de retrofit, car il n’existe généralement pas de chemin thermique conducteur direct vers l’environnement extérieur. Néanmoins, en recourant à des simulations thermiques et en réalisant des tests approfondis dans une variété de luminaires fermés, il est possible d’avoir la certitude que la température de fonctionnement des puces LED se situe bien dans la plage définie par les fabricants de puces pour garantir une longue durée de vie.
La correspondance des performances optiques est un autre aspect qui requiert une attention particulière. La photométrie d’un tube fluorescent diffère de celle d’un tube LED de retrofit. Cependant, comme nous le verrons ci-dessous, s’agissant du rendement du luminaire, ce facteur joue généralement en faveur du tube LED de retrofit.
Il existe par ailleurs un certain nombre d’idées reçues sur l’utilisation des retrofits LED, allant des aspects financiers aux questions de conformité et de re-certification.
Dès lors que la lampe de retrofit est certifiée pour l’usage auquel elle est destinée, il n’est pas nécessaire de re-certifier le luminaire une fois la lampe installée. De même que vous n’avez pas besoin de re-certifier votre lampe de chevet lorsque vous remplacez une ampoule à filament par une ampoule fluo-compacte, la re-certification est rarement nécessaire lorsque vous utilisez des tubes LED à la place de tubes fluorescents.
Coûts sur la durée de vie
D’un point de vue financier, l’utilisation de retrofits LED est rentable. Les économies sont les plus importantes dans les installations où l’accès aux luminaires est difficile, et où l’utilisation d’une technologie à longue durée de vie permet de réduire la fréquence des remplacements de lampes. Shae Gilbert, ingénieur principal en charge de l’éclairage et de l’innovation au London Underground, a récemment expliqué comment l’utilisation de retrofits de lampes LED permet d’économiser des millions en frais de maintenance. Le remplacement d’un seul tube au-dessus d’un escalator peut coûter près de 1 000 £, de sorte que le retour sur investissement, lorsqu’un remplacement de lampe est évité, est considérable[ii]. Des économies substantielles peuvent également être réalisées dans d’autres domaines où les coûts de maintenance sont élevés, par exemple lorsque la gestion de la circulation est nécessaire dans les tunnels, les passages souterrains et les sous-voies.
Mis à part les coûts de maintenance, les économies d’énergie sont typiquement de 50 % de la puissance d’un système fluorescent pour un même niveau de luminosité, ce qui permet d’atteindre un retour sur investissement même dans les situations où les coûts de remplacement des lampes sont négligeables. Prenons l’exemple d’une lampe fluorescente 58 W sur ballast magnétique (puissance de circuit 65 W) remplacée par un tube LED de 30 W. Pour un coût de l’énergie conservateur de 0,10 £/kWh, l’économie par heure de fonctionnement est de 0,35 penny ; ainsi, après seulement 20 000 heures de fonctionnement (une fraction de la durée de vie nominale des tubes LED de haute qualité), les économies d’énergie s’élèvent à 70 £, ce qui dépasse largement le coût de la lampe LED.
Amélioration des performances
Vous vous demandez légitimement à ce stade comment il est possible d’atteindre une réduction de 50 % de la consommation d’énergie tout en maintenant les niveaux de luminosité, sachant que le rendement des circuits fluorescents est d’environ 75 lumens par watt et que celui des tubes LED est typiquement de 105 lm/W. L’une des raisons tient au rendement du luminaire, ou rapport de flux lumineux.
Figure 3 Schéma illustrant le principe du rapport de flux lumineux (LOR)
Les tubes fluorescents émettent de la lumière sur toute la circonférence de la lampe, ce qui impose l’utilisation de réflecteurs pour diriger la lumière émise vers l’arrière dans la zone souhaitée. Ce contrôle optique introduit inévitablement des pertes d’efficacité. De plus, au fil du temps, des particules se déposent sur la surface, ce qui réduit encore la quantité de lumière réfléchie vers la zone souhaitée. En règle générale, le réflecteur d’un luminaire extérieur (comme ceux utilisés dans les passages souterrains) est fabriqué en simple tôle de faible réflectivité, ce qui engendre des pertes significatives. Les LED, en revanche, n’émettent de la lumière qu’à partir d’une seule face du tube, ce qui élimine toute réflexion à l’intérieur du luminaire.
L’ampleur de ce changement de rendement du luminaire peut être estimée en comparant les niveaux d’éclairement moyens mesurés, rapportés au flux lumineux de la lampe, d’abord pour des lampes fluorescentes, puis pour les mêmes installations équipées de lampes LED. Sur la base d’une installation réelle en passage souterrain, le rapport de flux lumineux (LOR) a été calculé comme s’étant amélioré de 59,4 % après le passage aux lampes LED de retrofit (voir Figure 6).
À cela s’ajoute la qualité de la lumière. L’utilisation de la lumière blanche des LED pour remplacer des lampes fluorescentes standard chaudes ou froides accroît la luminosité perçue par watt, ce qui est déterminant pour la sécurité et le confort. Cette approche est largement reconnue, comme le confirme l’annexe A de la norme BS 5489-1:2013 et le document ILP PLG03 [34]. Le rapport S/P d’une lampe fluorescente blanc froid est d’environ 1,48, alors qu’une lampe LED blanche peut dépasser 2 (valeur exacte variable selon le fabricant et le tri des puces)[iii].
En combinant ces trois axes d’amélioration (rendement lumineux plus élevé, meilleur rapport de flux du luminaire et rapport S/P plus élevé), on comprend aisément comment des économies d’énergie significatives peuvent être réalisées.
Questions de santé
Un sujet qui a suscité de nombreux débats et une large couverture dans le secteur est celui de la santé et de la sécurité en lien avec les sources lumineuses.
Le réseau électrique au Royaume-Uni fonctionne à une fréquence de 50 Hz. La forme sinusoïdale de la tension implique deux points par cycle où la tension fournie est nulle, ce qui génère le phénomène de papillotement et de modulation du flux lumineux.
Les tubes fluorescents fonctionnant sur ballast magnétique se modulent à 100 Hz (correspondant aux deux points du cycle secteur où la tension fournie est nulle), et en fin de vie, une modulation sévère à 50 Hz ou moins peut apparaître.
Les études portant sur l’effet du papillotement chez les patients atteints d’épilepsie photosensible (qui représente environ 1 personne sur 4 000) indiquent que les fréquences comprises entre environ 3 et environ 70 Hz présentent un risque de crise convulsive[iv]. Les enregistrements électroencéphalographiques réalisés sur des patients au cours de l’étude montrent qu’environ 50 % d’entre eux ont réagi à une fréquence de flash de 50 Hz[v].
Fait important, les LED ne présentent pas de papillotement à 50 Hz en fin de vie. Une modulation à 100 Hz est généralement présente dans les circuits LED alimentés par le secteur, mais elle peut être réduite, voire totalement éliminée, selon l’électronique de pilotage utilisée (pour les LED alimentées en courant continu).
Notons également que le retrofit LED ne fait pas appel au verre ni à la vapeur de mercure, ce qui constitue un risque en cas de casse lors du nettoyage ou du remplacement d’une lampe.
Les retrofits LED en action
L’arrivée d’une nouvelle technologie sur le marché est généralement accueillie avec scepticisme et une perception de risque élevée. Dès lors que les performances et le prix atteignent un niveau où les possibilités d’économies sont clairement établies, et que de grandes installations ont été réalisées avec succès, cette perception du risque tend à diminuer sensiblement.
Le moment est venu pour les retrofits LED de s’imposer. Les performances des LED se sont rapidement améliorées ces dernières années et elles offrent désormais des avantages significatifs par rapport aux technologies plus anciennes. La confiance dans cette technologie s’est considérablement renforcée, comme en témoignent les annonces régulières de grandes entreprises et organisations déclarant adopter les sources LED.
L’un de ces projets est le parking Captain Cook Square à Middlesbrough. INDO Lighting a fourni plus d’un millier de tubes LED T8 de retrofit pour équiper ce bâtiment à plusieurs niveaux, offrant des retours sur investissement attractifs au gestionnaire du parking. Ces bénéfices financiers s’accompagnent d’une amélioration de la qualité de la lumière, permettant une meilleure reconnaissance des couleurs et une luminosité accrue. La Figure 4 illustre l’amélioration visuelle, que l’on peut expliquer par les gains en efficacité lumineuse, en rapport S/P et en rapport de flux lumineux évoqués précédemment.
Figure 4 Photos avant (à gauche, fluorescent) et après (à droite, LED INDO) du parking Captain Cook Square
À la suite de l’installation LED (réalisée au premier trimestre 2014), les relevés de comptage électrique ont révélé une réduction de 45 % de la consommation énergétique totale du bâtiment (ascenseurs, barrières, systèmes de sécurité compris). Cela représente une réduction mensuelle d’environ 13 000 kWh. La Figure 5 présente les détails.
Figure 5 Consommation énergétique mensuelle de l’ensemble du bâtiment, comparée d’une année à l’autre.
De grandes installations de retrofits LED INDO ont été réalisées dans plusieurs arrondissements de Londres, avec des résultats très positifs. Un rapport indépendant portant sur une installation dans un passage souterrain à Westminster a souligné que les retrofits LED avaient nettement amélioré l’apparence de l’espace dans son ensemble. Les indicateurs clés du rapport, accompagnés d’une analyse des résultats, sont présentés à la Figure 7.
Figure 6 Westminster : lampes LED INDO (circuit 30 W, à gauche) aux côtés de lampes fluorescentes (circuit 84 W, à droite)
Figure 7 Synthèse des résultats de performance issus de l’installation de test
L’éclairement par watt de circuit et l’éclairement par lumen de lampe renvoient aux niveaux d’éclairement moyens, calculés à partir d’une installation de test dans un passage souterrain où un relevé d’éclairage indépendant a été réalisé pour des lampes fluorescentes T8 et pour des lampes LED T8 INDO. Les grilles de mesure utilisées pour ce relevé étaient conformes au rapport technique 28 de l’ILP « Measurement of road lighting performance on site ».
Les performances générales des LED ne cessent de progresser et une nouvelle technologie est toujours en cours de développement. Le retrofit avec la dernière technologie disponible, à faible coût, offre une souplesse en garantissant qu’il n’existe aucun engagement figé dans les niveaux technologiques actuels. Si un produit amélioré est lancé quelques années après l’installation, il ne sera pas nécessaire de mettre au rebut des luminaires coûteux pour effectuer la mise à niveau.
Allier la technologie révolutionnaire des LED à cette philosophie pragmatique du retrofit est incontestablement une approche intelligente pour tirer parti du paysage technologique actuel, améliorer les niveaux d’éclairage et réduire considérablement les coûts sur la durée de vie des installations.
Références :
[i] Miller, H. (2010) Creative Destruction, With a Nudge from the Top, [En ligne], disponible à l’adresse : http://www.pcb007.com/pages/zone.cgi?a=56143 [27 nov. 2013]
[ii] Bain, R. (2013) « The light at the end of the tunnel », Lux Magazine, numéro 31 – novembre 2013, pp. 54-59.
[iii] Lighting Research Center (2009), Outdoor Lighting: Visual Efficacy, vol. 6, no 2, p. 6
[iv] Wilkins, A., Veitch, J. et Lehman, B. (2010) LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update [En ligne], disponible à l’adresse : http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27 nov. 2013]
[v] Wilkins, A., Veitch, J. et Lehman, B. (2010) LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update [En ligne], disponible à l’adresse : http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27 nov. 2013]
