Analyse des impacts environnementaux et socio-économiques des systèmes d’éclairage

De la lumière naturelle aux premières torches et bougies

   Avant toutes choses, il est important de revenir sur ce qui a été la toute première source de lumière : la lumière naturelle. C’est le début de l’histoire de l’éclairage, mais sous une forme qui n’a été ni créée ni contrôlée par l’Homme. La lumière naturelle, le soleil, la lune et les étoiles ont été les sources d’éclairage pendant de nombreuses années avant l’apparition de l’Homme. Cette lumière naturelle a ensuite régi pendant des millénaires les cycles biologiques ainsi que le rythme circadien des Hommes et de leurs ancêtres ou encore des différentes espèces peuplant la Terre. C’est l’Homme qui, le premier, a voulu créer de la lumière à un moment de l’année où il n’y en avait pas et à un endroit où il en avait besoin. Cette première utilisation de la lumière artificielle remonte à la préhistoire et les traces de ces premières tentatives ne sont bien souvent que des hypothèses. A l’origine, la première lumière fabriquée par l’homme devait être le feu, bien qu’il ait probablement servi davantage à se réchauffer ou à cuisiner et à se protéger plutôt qu’à rallonger la journée. Selon l’Illuminating Engineering Society, « la première tentative d’éclairage par l’homme a eu lieu il y a environ 70 000 ans. La première lampe inventée était faite à partir d’un coquillage, d’une roche creuse ou d’un autre objet non-inflammable similaire qui était rempli d’un matériau combustible (probablement de l’herbe ou du bois séché), saupoudré de graisse animale (l’essence à briquet originale) et enflammé. » [1] torches portatives ou montées sur bâtiment ont ensuite progressé bien audelà de leur début rudimentaire, mais les principes de base restent les mêmes : la source de combustible est un certain type d’huile, de cire ou de matériau combustible entouré d’un matériau ininflammable. C’est grâce notamment à l’apparition des premières technologies de ventilation (par exemple, les tubes et les cheminées) qu’on a pu considérablement améliorer notre capacité à utiliser efficacement le feu pour l’éclairage [2]. Cependant, l’avancée technologique la plus importante a sans doute été l’introduction de la mèche pour produire des bougies. Les mèches, associées aux premiers matériaux utilisés pour les bougies, comme la cire d’abeille ou le suif (un dérivé de la graisse animale), représentaient alors le progrès technologique le plus important en matière d’éclairage depuis la découverte du feu lui-même. Il y a des indications selon lesquelles le coquillage de mer avec sa mèche naturelle, ait été utilisé comme source de lumière dans le golfe Persique il y a au moins 4500 ans [3]. Selon l’auteur Patricia Telesco, « des chandeliers datant du quatrième siècle avant J.-C. ont été découverts en Égypte ». Elle attribue aux Grecs et aux Romains l’introduction de la mèche dans l’idée égyptienne de l’éclairage au suif sans mèche [4]. Enfin de l’autre côté du monde, les sociétés asiatiques fabriquaient des bougies à partir de graisse de baleine vers 200 ans avant J-C [5]. Au fur et à mesure du temps, les Hommes ont également appris à mieux exploiter les sources de lumière naturelle comme par exemple avec l’architecture du Panthéon de Rome conçue en grande partie autour de son oculus sommital central comme unique source de lumière directe du monument. Par la suite et ce jusqu’au XVIIIème siècle, il y a peu d’avancement significatif dans la manière dont les Hommes ont produit de la lumière. Le carburant et le combustible évolue mais la technique reste relativement similaire. La première lampe à gaz a été inventée en 1790 en Angleterre et a, ensuite, été introduite au Etats-Unis pour être d’abord utilisée pour l’éclairage de rue à Philadelphie et Baltimore.

Terminologie associée à l’éclairage et notions de photométrie

   Le flux lumineux décrit la quantité de lumière rayonnée par une source dans toutes les directions de l’espace. Il s’exprime en lumens (lm). Le flux lumineux permet ainsi de comparer la puissance lumineuse de différentes sources. L’éclairement est la densité du flux lumineux reçue par une surface. Il est exprimé en lux (lx). 1 lx est égal à 1 lm/m². Les valeurs d’éclairement peuvent varier considérablement dans un environnement naturel, allant de 0.2 lx une nuit de pleine lune à 100000 lx sous le soleil en été. L’intensité lumineuse considère l’aspect directionnel de la lumière. Elle correspond au flux lumineux émis par une unité d’angle solide dans une direction donnée. Elle est exprimée en candelas (cd). La luminance est la seule grandeur perçue réellement par l’œil humain et correspond à la sensation visuelle créée par une source ou par une surface éclairée. Elle est directement liée à l’éclairement rétinien et est exprimé en candelas par mètre carré (cd/m²). La distribution de puissance spectrale (SPD) ou le spectre est la représentation de l’énergie produite par une source lumineuse sur chaque longueur d’onde du spectre lumineux compris entre 380nm et 760nm pour la lumière visible. Elle est exprimée en Watt (W), mais est également souvent représenté de manière relative et donc sans unité. Le rendement lumineux (ou efficacité lumineuse) η est obtenu en divisant flux lumineux φ d’une lampe, exprimé en lumens, par sa puissance P, exprimée en watts. L’unité du rendement lumineux est le lm/W. Soit : η = φ /P (lm/W). La durée de vie représente généralement le nombre d’heures moyen de fonctionnement d’un lot de lampes avant que 50 % d’entre elles ne soient hors service. La notion de ‘hors service’ peut différer d’une région du monde à l’autre. En Europe, une lampe est considérée comme étant hors service lorsqu’elle n’émet plus que 70 % de son flux lumineux initial (85 % pour les lampes incandescentes). Aux Etats-Unis, une lampe est considérée comme hors service lorsqu’elle ne fonctionne plus, ce qui change fondamentalement la perception de cette notion. Le rendement du luminaire (LOR – Light Output Ratio) est la caractéristique optique principale d’un luminaire et il est défini comme étant le rapport du flux lumineux émis par le luminaire et du flux lumineux émis par ses lampes
??? =???????????????? (Équation 1)
Le rendement du luminaire inférieur (DLOR) et supérieur (ULOR) sont définis respectivement comme étant le rapport entre le flux lumineux inférieur ou supérieur émis par le luminaire et le flux lumineux total de la ou des sources lumineuses. La distribution lumineuse du luminaire décrit comment la lumière émise pa la source est distribuée dans l’espace. Pour les gammes professionnelles de luminaires, la distribution lumineuse est spécifiée, dans les catalogues techniques, au moyen d’un diagramme polaire reprenant les distributions perpendiculaire et parallèle à l’axe principal du luminaire. Trois types de distribution sont identifiés : la distribution extensive, où le faisceau lumineux est large, donnant un éclairement relativement uniforme ; la distribution intensive avec un faisceau lumineux étroit, donnant un éclairage d’accentuation et la distribution asymétrique, qui est utilisée pour éclairer des surfaces verticales comme des murs ou des tableaux. (Figure 2 cidessous) La description de la distribution spatiale du flux lumineux d’un luminaire est, pour les gammes professionnelles, souvent disponible sous format électronique (fichiers photométriques) permettant ainsi la modélisation d’une installation d’éclairage à l’aide de logiciels spécifiques. La température de couleur (CCT) caractérise principalement la couleur de la lumière émise et donc l’ambiance lumineuse créée. Elle s’exprime en kelvins (K) et correspond à la température à laquelle on devrait porter un corps noir pour qu’il émette une couleur identique à celle émise par la source. On parle de couleurs froides (tirant vers le bleu) lorsque la température de couleur est élevée (supérieure à 5000 K) et de couleurs chaudes (tirant vers le rouge orange) lorsque cette température est inférieure à 3300 K. Il est cependant important de préciser que des lampes avec des distributions de puissances spectrales différentes peuvent avoir la même température de couleur. La température de couleur ne rend donc pas compte complètement des particularités du spectre. L’indice de rendu de couleur (IRC) mesure la capacité d’une source lumineuse à bien restituer les couleurs des objets éclairés. L’IRC est compris entre 0 et 100 et il est mesuré sur une palette de 8 échantillons de couleurs généraux et 7 échantillons supplémentaires spécifiques. Sa valeur moyenne est exprimée en Ra. La méthode de mesure a été définie par le Comité International de l’éclairage (CIE) [12]. Un IRC supérieur à 80 est généralement recommandé pour les applications intérieures. Par la suite, l’IRC qui ne donnait pas entièrement satisfaction a été amélioré avec la méthode TM 30. La TM 30 mesure le rendu des couleurs d’une source lumineuse sous deux angles, d’une part la fidélité des couleurs (Indice de fidélité des couleurs Rf) et d’autre part le degré de saturation des couleurs (Relative Gamut Index – indice de hausse ou baisse de saturation Rg) [13]. La saturation exprime alors l’intensité de la coloration par rapport au maximum possible.La valeur Rf décrit la similarité des couleurs en comparant avec une couleur de référence, le rendu de 99 couleurs échantillons, réparties selon 7 types (nature, peau, textile, peinture, plastique, matière imprimée, systèmes de couleurs). L’UGR (Unified Glare Ratio) est un facteur calculé via une formule unifiée visant à évaluer l’éblouissement d’inconfort créé par une source lumineuse donnée. De façon simplifiée, le facteur dépend de la luminance de fond, de la luminance des parties éclairantes, de l’angle solide et de la position des luminaires. Pour un luminaire donné, l’UGR varie généralement entre 10 et 30. Un luminaire avec un UGR inférieur à 13 possède un éblouissement d’inconfort négligeable, un UGR supérieur à 28 indique un éblouissement intolérable. Le PAR est défini comme le rayonnement photosynthétique actif. Il désigne la gamme spectrale du rayonnement solaire de 400 à 700 nanomètres que les organismes photosynthétiques sont capables d’utiliser dans le processus de photosynthèse Il ne s’agit pas d’une métrique à proprement parlé mais plutôt d’un modèle d’absorption qui définit la fenêtre de lumière requise pour que la photosynthèse puisse se faire. Ce modèle d’absorption est représenté par le spectre d’action photosynthétique (Figure 3). Le spectre d’action photosynthétique est une moyenne de l’absorption lumineuse nécessaire pour les plantes. Chaque plante a en réalité une courbe d’absorption spécifique, mais la courbe de la Figure 3 reste l’une des plus populaires pour déterminer la lumière dont les plantes ont besoin. On constate deux piques sur cette courbe : l’un autour de 420 nm dans le bleu et une seconde autour de 670 nm dans le rouge. En revanche la majorité de la lumière verte (entre 520 et 570nm) est réfléchie par la plante, c’est pourquoi la majorité des plantes apparaissent vertes pour l’œil humain. . En 1970, le docteur McCree proposa une courbe représentant le pourcentage d’énergie radiative moyen pour un ensemble de plantes [14]. Cette courbe est communément appelée la courbe de McCree et est présentée dans la Figure 4. Comparé au spectre d’action photosynthétique, la courbe de McCree montre que les plantes font également usages des UVs (300-400nm), des infrarouges profonds (700-750nm) mais également de la lumière verte. Dans le cadre de l’éclairage horticole il est nécessaire de s’assurer que le spectre produit par l’ensemble des luminaires se rapproche autant que possible de ces deux courbes, car toute la lumière en dehors de ces courbes n’est pas absorbée par les plantes, et résulte en une réduction de l’efficacité globale de l’installation et un gaspillage de lumière et d’énergie. Plusieurs unités peuvent être utilisées pour caractériser une lumière dans le cadre de la production de végétaux. A l’image des lumens et des lux, l’industrie horticole utilise un set d’unité permettant de définir au mieux la quantité et la qualité de la lumière spectrale émise dans le PAR pour un environnement donné Le PPF est le flux de photons photosynthétiques. C’est une analogie directe au Lumen. Le PPF est exprimé en micromole par seconde (µmol.s-1 ). C’est la quantité de photons PAR émise par seconde dans le faisceau lumineux (Figure 5). Bien que cela ne nous indique pas combien de lumière atteint le végétal, le PPF est une information précieuse pour calculer l’efficacité énergétique d’un éclairage horticole. Analogie directe aux lux, la densité de flux photonique photosynthétique (PPFD) est exprimé en micromole par seconde par m² (µmol.m-2.s-1). Elle permet de quantifier sur une surface donnée, à une distance donnée de l’éclairage, le nombre de photons PAR incidents par seconde Figure 6. C’est une mesure primordiale car elle indique la quantité de lumière disponible à la plante pour sa photosynthèse. En général les mesures de PPFD prises à plusieurs endroits sur la surface éclairée sont cartographiées. L’objectif est d’avoir une homogénéité sur toute la surface de culture pour éviter des disparités dans la croissance des végétaux selon leur placement. Il est crucial d’obtenir cette cartographie des PPFD car les mesures uniques de PPFD sont trompeuses. En effet, la plupart des éclairages présentent une très forte concentration de lumière au centre de la surface et cette intensité décroit rapidement en s’en éloignant.

Autres applications

   D’autres applications liées à l’éclairage artificiel émergent également dans le domaine médical (désinfection par UV notamment dans le cadre de l’épidémie de COVID-19) et du bien-être (luminothérapie). On retrouve également une utilisation croissante de l’éclairage artificiel dans l’horticulture en environnement contrôlé que ce soit en intérieur, dans le cadre de fermes verticales par exemple, ou en utilisation mixte sous serres, pour la production de différentes plantes et produits ornementaux, comestibles ou récréatifs, tout en optimisant le processus de photosynthèse.

Table des matières

1 Résumé
1.1 Objectifs
1.2 Etudes réalisées
2 Introduction – La lumière au fil du temps
2.1 De la lumière naturelle aux premières torches et bougies
2.2 Les premières lampes électriques (XIXème – début XXème siècle)
2.3 Les lampes contemporaines (fin XXème début XXIème siècle)
3 Les multiples usages et normes de l’éclairage
3.1 Terminologie associée à l’éclairage et notions de photométrie
3.2 L’éclairage naturel
3.3 L’éclairage artificiel
3.3.1 L’éclairage extérieur
3.3.2 L’éclairage intérieur
3.3.3 Des technologies et des usages en constante évolution
4 Contexte : Les différents enjeux de l’Anthropocène
4.1 Un monde fini et des stocks de ressources limitées
4.1.1 Ressources énergétiques et matérielles
4.1.2 Les matériaux critiques pour l’éclairage
4.1.3 Alternatives et matériaux de substitution
4.2 La réponse institutionnelle : les objectifs du développement soutenable
4.3 Vers un changement de paradigme ?
4.3.1 Sobriété énergétique et matérielle
4.3.2 Le cas de la transition numérique
4.4 Premier bilan pour l’éclairage artificiel
5 Les méthodes et outils pour l’analyse des impacts des technologies
5.1 Une palette d’outils pour l’analyse des impacts environnementaux et socioéconomique
5.1.1 L’Analyse du Cycle de Vie (ACV) ou l’ACV environnementale
5.1.2 L’empreinte carbone
5.1.3 Le Coût du Cycle de vie (CCV)
5.1.4 L’Analyse de Cycle de Vie Sociale (ACV-S)
5.1.5 L’Analyse de Soutenabilité des Cycles de Vie (ASCV)
5.2 …avec leurs limites dans leur utilisation et dans la prise en compte des impacts d’usages
5.2.1 Les incertitudes sur les externalités
5.2.2 Les risques photo-biologiques
5.2.3 Pollution lumineuse
5.2.4 Usure et risques de panne
5.2.5 La fin de vie
5.2.6 Effets sociaux et sociétaux
6 Etudes
6.1 ACV des systèmes d’éclairage en fonction de différents mix électriques
6.1.1 Introduction
6.1.2 Objectifs et cadre de l’étude
6.1.3 Méthode d’analyse des impacts potentiels
6.1.4 Frontière de l’étude
6.1.5 Caractéristiques des lampes étudiées
6.1.6 Définition du flux lumineux maintenu (M-lmO)
6.1.7 Unité fonctionnelle et flux de référence
6.1.8 Inventaire du Cycle de Vie
6.1.9 Résultats
6.1.10 Discussion
6.1.11 Conclusion
6.2 Optimum de durabilité économique
6.2.1 Méthodes
6.2.2 Données
6.2.3 Résultats
6.2.4 Discussions
6.2.5 Conclusion
6.3 Analyse Multicritère des systèmes d’éclairage horticoles
6.3.1 Description du cas d’étude et données
6.3.2 ACV des systèmes d’éclairage horticoles
6.3.3 Etude de la pollution lumineuse des serres
6.3.4 Etude de retour sur investissement
6.3.5 Analyse Multicritère
6.3.6 Conclusion
7 Discussion
8 Conclusion
9 REFERENCES
10 ANNEXES

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