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

Analysis of the environmental and socio-economic impacts of lighting systems

• Auteur / Autrice : Kevin Bertin
• Direction : Georges Zissis, Marc-André Mequignon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 15/03/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : David Malec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Lafitte, Marie-Pierre Gleizes, Stuart Mucklejohn
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hassan Ait Haddou, Gilles Lérondel
• DOI : 10.70675/04bc830bz6787z4888z8d5azeb4dfe757763

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pollution lumineuse

Diodes électroluminescentes

Analyse du cycle de vie

Mots clés libres

LED

Analyse de cycle de vie

Horticulture

Pollution lumineuse

Efficacité

Durabilité

LED

Life Cycle Assessment

Horticulture

Light pollution

Efficiency

Durability

Résumé

Un bref historique des systèmes d'éclairage et une présentation des terminologies et usages qui leurs sont associés sont tout d'abord présentés. Ensuite, une analyse systémique des enjeux de l'Anthropocène et de ce qu'ils impliquent pour la transition sociétale présente le contexte de ce travail. Elle met en avant un impératif de sobriété matérielle et énergétique indispensable pour la mitigation des crises climatiques. S'ensuit un premier bilan à propos des apports et des risques relatifs au développement des nouvelles technologies de l'éclairage. La révolution récente des systèmes d'éclairage, qui a vu la technologie LED être largement adoptée, a permis de faire des progrès considérables en termes d'efficacité énergétique pendant la phase d'utilisation et a ainsi participé à réduire les impacts environnementaux ainsi que les coûts associés aux systèmes d'éclairage. Toutefois, malgré des avancées majeures en termes d'efficacité énergétique, de nombreux questionnements sont apparus au sujet des impacts potentiels des systèmes d'éclairage, sur notre environnement, notre santé, notre bien-être et notre productivité qu'ils soient positifs ou négatifs, ne sont pas considérés et ne doivent plus être négligés. Une large étude bibliographique développe chacun de ces impacts, allant des risques photo-biologiques à la pollution lumineuse en passant par différents aspects sociotechniques liés aux usages de l'éclairage. Enfin une étude des différentes méthodes d'analyse d'impacts existantes ou en développement est réalisée afin d'en identifier les avantages et les limites. Alors que l'Analyse de Cycle de Vie (ACV) est probablement l'outil le plus performant et le plus reconnu pour l'étude des impacts des produits et des services, ses évolutions, l'Analyse de Cycle Vie Sociale (ACV-S) et l'Analyse de Soutenabilité du Cycle de Vie (ASCV) sont encore en plein développement et nécessiteront probablement encore quelques années avant d'être uniformément reconnues et utilisées. Différentes études de cas permettent ensuite de discuter des impératifs de durabilité et d'efficacité à travers notamment l'influence des mix électriques sur les résultats et les conclusions de l'ACV des systèmes d'éclairage. Cette première étude introduit le Megalumen.heure maintenu comme unité fonctionnelle et met en évidence différents profils énergétiques ainsi que la présence d'un point de bascule en France qui tend à voire la phase de fabrication contribuer autant, voire plus, aux impacts potentiels que la phase d'utilisation (de façon similaire aux équipements électroniques ou informatiques). Ce constat incite à ne plus miser seulement sur l'efficacité énergétique, et fait de la durabilité des lampes et la gestion de leur fin de vie un paramètre déterminant qu'il est nécessaire de développer. Dans un second temps, une méthode d'analyse du coût du cycle de vie (CCV) confirme cet impératif de durabilité en définissant un optimum économique de durée de vie environ deux fois supérieur à la moyenne des lampes que l'on trouve actuellement sur le marché. Pour finir ce travail se concentre sur une analyse multicritère d'un usage émergent des systèmes d'éclairage : les serres horticoles. Une ACV est tout d'abord réalisée pour évaluer les performances et les impacts de différentes lampes spécifiques à cet usage. [...]

A brief history of lighting systems and a presentation of the terminologies and uses associated with them are presented first. Next, a systemic analysis of the challenges of the Anthropocene and what they imply for societal transition presents the context of this work. It highlights the need for material and energy sobriety, which is essential for mitigating climate crises. This is followed by an initial assessment of the benefits and risks associated with the development of new lighting technologies. The recent revolution in lighting systems, which has seen LED technology widely adopted, has led to considerable progress in terms of energy efficiency during the use phase and has thus helped to reduce the environmental impacts and costs associated with lighting systems. However, despite major advances in energy efficiency, many questions have arisen about the potential impacts of lighting systems on our environment, health, well-being and productivity, both positive and negative, which should not be ignored. A broad bibliographical study develops each of these impacts, ranging from photo-biological risks to light pollution, and including various socio-technical aspects linked to the use of lighting. Finally, a study of the different impact analysis methods in existence or under development is carried out in order to identify their advantages and limitations. While Life Cycle Assessment (LCA) is probably the most effective and recognised tool for studying the impacts of products and services, its evolutions, Social Life Cycle Assessment (S-LCA) and Life Cycle Sustainability Assessment (LCA), are still in the process of being developed and will probably require a few more years before they are uniformly recognised and used. Various case studies then discuss the imperatives of durability and efficiency, notably through the influence of the electricity mix on the results and conclusions of the LCA of lighting systems. This first study introduces the ''maintained Megalumen.hour'' as a functional unit and highlights different energy profiles as well as the presence of a tipping point in France which tends to see the manufacturing phase contribute as much, or even more, to the potential impacts as the use phase (in a similar way to electronic or computer equipment). This observation encourages us to go beyond energy efficiency and makes the durability and the end of life of lamps a determining parameter that needs to be developed. Secondly, a life cycle cost analysis (LCC) method confirms this durability imperative by defining an economic optimum of life span approximately twice as long as the average lamp currently on the market. Finally, this work focuses on a multi-criteria analysis of an emerging use of lighting systems: horticultural greenhouses. First, an LCA is carried out to evaluate the performance and impacts of different lamps specific to this use. Next, a quantification of light pollution on the walls and outside of the greenhouse highlights the systems that contribute most to nocturnal light pollution and the means to prevent it. Then a return on investment study evaluates the economic performance of the different configurations tested. Finally, a multi-criteria analysis based on the hierarchical analysis process (HPA) was used to determine which lighting systems are the most relevant according to all the above parameters and results. The results indicate that HPS and LED lamps perform best from the point of view of three observers: ''environment'', ''light nuisance'' and ''economy''. Finally, the results are discussed and some recommendations are proposed to improve the uses and practices around lighting.