Les lumières LED pourraient contribuer à des réductions massives de carbone

Sep 04, 2023

La dernière décennie a vu un changement de paradigme dans la façon dont le monde considère l'éclairage. Les maisons, les bureaux et les rues ont éteint les lumières incandescentes et fluorescentes inutiles qui exposaient les utilisateurs et l'environnement à une contamination toxique.

À leur place, les climatologues et les gouvernements ont promu les ampoules à diodes électroluminescentes (DEL) pour lutter contre l'augmentation de la consommation d'électricité, dont environ 20 % proviennent de l'éclairage, ce qui représente 6 % des émissions mondiales de carbone. Sans l'adoption des LED, la consommation mondiale d'énergie pour l'éclairage pourrait augmenter de 60 % d'ici 2030.

Grâce à l'utilisation du nitrure de gallium, un matériau qui produit de la lumière bleue et qui a valu à ses inventeurs le prix Nobel de physique, les LED consomment environ 75 % d'électricité en moins et durent 25 fois plus longtemps que les formes d'éclairage précédentes.

"Les LED bleues sont incroyablement efficaces", déclare Rachel Oliver, professeur de science des matériaux à l'Université de Cambridge. En 2017, les analystes d'IHS Markit, un service d'information sur le climat, ont déclaré que le passage aux LED était responsable d'une réduction des émissions d'un demi-milliard de tonnes de CO2 cette année-là, ce qui équivaut à la fermeture de 162 centrales électriques au charbon.

Les LED représentent plus de la moitié des ventes de luminaires dans le monde, selon l'Agence internationale de l'énergie, qui met l'éclairage sur la bonne voie pour atteindre ses scénarios net zéro d'ici 2030. Cela laisse également beaucoup de place à la croissance. En plus de cela, les gens et les entreprises utilisent plus d'éclairage que jamais auparavant, de sorte que la technologie choisie pour éclairer la société devra probablement être déployée en bien plus grand nombre que ce qui existe actuellement. La vitesse est également importante, car l'AIE estime qu'un scénario net zéro dépend du fait que les LED représentent toutes les ventes d'éclairage d'ici 2025.

Malgré l'adoption généralisée de la technologie, dans le monde, pratiquement aucune LED n'est recyclée ou réutilisée pour ses composants. La majeure partie du développement des lampes à LED se déroule à huis clos et les chercheurs ont été surpris de découvrir quels matériaux se retrouvent dans les lampes qu'ils achètent.

La voie à suivre pour les LED sera façonnée par la capacité de concevoir des lampes adaptées au recyclage, de les faire durer le plus longtemps possible et de réduire les effets nocifs de la pollution lumineuse sur la santé humaine et les écosystèmes. Trouver les matériaux nécessaires à leur production pourrait inciter les entreprises à repenser à la fois les déchets miniers et les déchets post-consommation.

"Le nitrure de gallium est un très bon matériau pour fabriquer des lumières très efficaces, et nous voulons des lumières très efficaces car c'est un bon moyen de réduire les coûts de carbone", explique Oliver, qui dirige également le Cambridge Center for Gallium Nitride. « Alors, comment pouvons-nous les faire vivre plus longtemps afin de ne pas en utiliser autant ? Et comment pouvons-nous les fabriquer pour qu'ils soient conçus pour être recyclables dès le départ ? »

Le succès des LED repose sur plus que le gallium et l'azote, qui n'existent que sous forme de taches dans les lampes à LED. Les ampoules, tubes et bandes lumineuses qui utilisent des LED rassemblent une douzaine de métaux provenant et expédiés du monde entier, généralement vers des pays d'Asie pour la fabrication. Beaucoup de ces matériaux sont produits en petites quantités en tant que sous-produits de l'exploitation minière. Au total, les lumières LED qui tiennent dans la paume de votre main sont des créations délicates de plus d'une douzaine d'éléments.

L'électricité entre dans une ampoule LED par des fils de cuivre, atteignant un côté de la diode et attirant l'autre côté pour partager des électrons. La combinaison des deux matériaux produit de la lumière, et avec de l'indium et de l'aluminium supplémentaires, les diodes sont plus susceptibles de se combiner et de produire une lumière plus brillante. Soudé sur une carte de circuit imprimé avec de l'or, du cobalt, de l'antimoine, du magnésium, de l'arsenic et du cadmium et encore du gallium.

La diode elle-même ne produit que de la lumière bleue, mais les teintes jaunes et oranges sont souvent préférables à l'intérieur. Un luminophore supplémentaire ou une couche transparente contenant de l'yttrium, de l'aluminium, du grenat et du cérium filtre la lumière bleue, laissant les couleurs plus proches du blanc. Des combinaisons de baryum, de strontium, de cadmium et d'europium peuvent produire des couleurs rouges, et le cérium et le lutétium peuvent produire des nuances plus jaune-vert.

Les scientifiques concentrent leurs efforts sur la recherche de phosphores qui pourraient produire des formes de lumière saines. Trop de lumière bleue peut diminuer la production de mélatonine et perturber les cycles du sommeil humain. La lumière bleue pénètre également l'eau plus profondément que les autres longueurs d'onde de la lumière, ce qui empêche la reproduction sur les récifs coralliens et déforme les horloges biologiques.

Les matériaux sont ensuite enfermés dans une carcasse de plastique, d'aluminium et de verre, qui constituent la majorité des matériaux en poids. Lorsqu'une équipe d'ingénieurs au Brésil a déconstruit des ampoules LED pour estimer leur valeur pour les recycleurs, ils ont été surpris de trouver de fortes concentrations de métaux précieux et critiques. La concentration d'or par tonne de bulbes était 16 fois plus élevée que dans les minerais naturels typiques. Cette année, des chercheurs indiens ont estimé qu'une seule tonne de diodes contient des matériaux équivalant à 7,8 tonnes de minerai de gallium, 3,2 tonnes de minerai d'indium et 42 tonnes de minerai d'or.

Le lourd fardeau que les LED imposent à l'exploitation minière est dû au fait que de nombreux éléments des LED sont extraits en tant que sous-produits du minerai contenant de très petites concentrations de chaque élément. Jusqu'à récemment, on comprenait peu d'où venaient certains des composants les plus importants de ces lumières. De nombreuses ressources existent, disent les experts, et il suffit de les trouver.

Le gallium provient principalement du minerai de bauxite, qui est utilisé pour produire de l'aluminium. Une fois la bauxite fondue pour produire de l'alumine, une entreprise peut choisir de franchir une étape supplémentaire pour extraire ses composants de gallium avant qu'ils ne soient perdus lorsqu'ils sont raffinés en aluminium. Même ainsi, seulement 10 % du gallium contenu dans le minerai peut être récupéré.

Le gallium est également utilisé dans les cartes de circuits imprimés des LED et de nombreux autres appareils électroniques. Cependant, à mesure que le marché des smartphones devient saturé, la part de marché des LED devrait afficher la plus forte croissance, déclare Brian Jaskula, spécialiste du gallium au US Geological Survey.

Comme le gallium, la production d'indium ne dépasse pas 1 000 tonnes par an. Si une raffinerie ne l'extrait pas du minerai de zinc, il finit comme déchet, généralement déversé dans un tas de déchets ou de résidus. Il est souvent tellement invisible dans le minerai que les entreprises l'ignorent. Le gallium et l'indium figurent sur les listes des matériaux critiques aux États-Unis, au Canada, en Australie et dans l'UE.

"Si nous le déplaçons et l'exploitons déjà, alors du point de vue de la durabilité, il est sûrement préférable de l'extraire plutôt que de le jeter dans un tas de déchets et de devoir le revoir plus tard", déclare Simon Jowitt, géologue à l'Université du Nevada. Las Vegas. Jowitt a travaillé pour développer des méthodes pour identifier les endroits dans le monde où de tels « sous-produits métalliques » pourraient être extraits des déchets ou des mines actuellement en activité.

Les sous-produits sont difficiles à retracer avant d'être entièrement extraits en tant que produit commercialisable. La Chine domine la production d'indium et de gallium, en raison de sa forte industrie de l'aluminium et du zinc, mais elle importe les éléments sous forme de concentrés provenant du monde entier. Sa bauxite provient principalement de Guinée, d'Australie et d'Indonésie, une chaîne d'approvisionnement construite après que les réglementations environnementales nationales ont rendu l'extraction de la bauxite trop coûteuse. Dans le plus grand fournisseur de bauxite de la Chine, la Guinée, les entreprises ont déplacé les habitants pour construire des mines, et après une prise de contrôle militaire, le gouvernement a fait pression sur la Chine pour qu'elle paie des redevances plus élevées pour son exploitation.

L'approvisionnement en indium est plus trouble et les experts doivent déduire la source d'indium à partir des sources de zinc et des producteurs d'indium, qui sont principalement la Chine et la Corée du Sud.

Avec le déploiement omniprésent des lampes à LED, il existe un grand potentiel de recyclage et de récupération efficaces des matériaux. Prolonger la durée de vie des matériaux d'une LED peut également étendre les avantages des coûts environnementaux et sociaux intégrés à la LED. Alors que la désinstallation des ampoules à incandescence et fluorescentes par les LED a également largement éliminé les métaux toxiques comme le plomb et le mercure des maisons, beaucoup dépendent encore de l'arsenic et du cadmium, et certains utilisent encore du plomb. Lorsque les lumières LED sont envoyées dans des décharges, ces métaux peuvent se retrouver dans les cours d'eau ou nuire à la faune.

La pièce la plus précieuse d'une ampoule LED est le circuit en or, mais son extraction est coûteuse par rapport au coût de l'exploitation minière. Bien que les autres matériaux aient une valeur monétaire, ils ne concurrencent pas les prix du marché pour les matériaux fraîchement extraits. Le gallium, par exemple, a longtemps été bon marché, car l'industrie chinoise de l'aluminium en plein essor a permis une offre excédentaire de gallium, explique Jaskula.

"La puce de nitrure de gallium peut être recyclée, mais une fois que cette puce est insérée dans une LED et que la LED est envoyée au consommateur, ce gallium n'est jamais recyclé", déclare Jaskula de l'USGS. "Si les gens pensent qu'ils peuvent faire un profit en recyclant, ils trouveront un moyen. Si l'argent peut être gagné, c'est ce qui fait avancer les choses."

Oliver de l'Université de Cambridge a enquêté sur les causes de la défaillance des ampoules LED et, dans presque tous les cas, la diode n'était pas le problème. "En gros, nous avons constaté que les LED fonctionnaient toujours parfaitement, mais les choses qui les entouraient, comme les fils qui les reliaient au monde extérieur, s'étaient détachées", dit-elle. Les LED qui sont jetées peuvent toujours avoir une diode fonctionnelle qui pourrait être réutilisée. La prolongation de la durée de vie d'une LED dépend de la mécanique du cadre en plastique et en aluminium, mais l'AIE note qu'elle pourrait également nuire aux modèles commerciaux des entreprises pour vendre continuellement des lumières.

En Inde, l'un des plus grands marchés de l'éclairage LED, les citoyens ont adopté la technologie à un rythme qui a surpris même les partisans les plus optimistes. Cependant, la plupart des lampes à LED provenaient de Chine, où la pression pour réduire les coûts a également entraîné une réduction de la qualité. La durée de vie des ampoules est passée de 8 ans à 3 ans en même temps que les LED se répandaient dans tout le pays.

En raison de la conception des LED avec des composants minuscules, les processus de recyclage actuels sont incapables de les convertir en matériaux réutilisables à un niveau acceptable pour les entreprises. Une simulation de récupération des matériaux utilisant les technologies disponibles en 2020 a révélé qu'il n'était économiquement viable que de récupérer 55 % des matériaux. Les méthodes s'améliorent et les chercheurs notent que la sensibilisation du public aux systèmes de déconstruction et de recyclage peut atténuer les problèmes.

Cependant, le recyclage devrait être le dernier recours de toutes les techniques d'économie circulaire, selon un examen des conceptions de LED et des technologies de recyclage. Les entreprises, les consommateurs et les gouvernements peuvent se concentrer sur la réparation et la réutilisation des matériaux sous leur forme actuelle, étant donné que les diodes peuvent durer quelques décennies et que les cadres se dégradent plus rapidement. Par exemple, des chercheurs ont proposé que les utilisateurs puissent échanger des cadres et conserver leurs diodes pour qu'elles durent plusieurs fois plus longtemps. Les circuits imprimés qui se déclipsent facilement ou les diodes qui peuvent être séparées électrochimiquement sont d'autres options de conception potentielles pour rendre les ampoules plus facilement recyclables.

"Je suis heureuse de dire que toutes les recherches dans ce domaine montrent très clairement que les améliorations énergétiques spectaculaires des LED l'emportent de loin sur les préoccupations environnementales, et j'encourage les gens à passer aux LED, même si elles ne sont pas encore parfaitement recyclables", déclare Heather. Dillon, professeur de génie mécanique à l'Université de Washington Tacoma, qui a étudié la performance des produits d'éclairage.

Image de la bannière : Différents types d'ampoules à filament LED. Image de Federica Giusti via Unsplash (domaine public).

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