Lampes fluocompactes : une technologie verte ?

par Sébastien Point

Les lampes fluocompactes, versions évoluées des classiques tubes fluorescents, sont souvent présentées comme des « lampes vertes ». Cependant, elles contiennent du mercure, un élément dangereux pour la santé et l’environnement, et des terres rares1, dont les conditions d’extraction font débat. Certaines associations pointent également du doigt la dangerosité des champs électromagnétiques UV et RF émis. Alors, qu’en est-il ?

De quoi parle-t-on au juste ?

Le dispositif électronique d’allumage

Les lampes fluocompactes disposent, sous leur enveloppe plastique, d’un ballast électronique qui prélève la tension du réseau de distribution électrique (sinusoïdale de fréquence 50Hz) et la transforme en un signal de plus haute fréquence (quelques dizaines de kHz). Les avantages résident dans l’efficacité électrique de ce type de système et l’absence de clignotement perceptible de la lumière. À la mise sous tension du tube, une décharge luminescente, dont la physique a été très largement étudiée (par exemple : [1,2,3]), se met en place dans le mélange de gaz contenu dans le tube (voir § » Genèse de la décharge luminescente »).

Le mélange de gaz

Le tube d’une lampe fluocompacte renferme un mélange de gaz rares à basse pression. Les gaz rares, quand ils sont traversés par un courant électrique, émettent notamment un rayonnement visible. Par exemple, les enseignes lumineuses rouges – ou enseignes au néon – utilisent la propriété des atomes de néon à fortement rayonner, lorsqu’ils sont excités, dans la partie rouge du spectre électromagnétique. Les autres gaz (Argon, Xénon, Krypton) fournissent, après excitation, des rayonnements de désexcitation qui permettent d’obtenir des couleurs utiles dans les applications d’enseignes publicitaires ou décoratives. Ces gaz rares sont neutres chimiquement, ce qui permet d’éviter toute réaction chimique à l’intérieur des ampoules. Dans les lampes fluocompactes, les gaz rares servent cependant uniquement à établir la décharge, non à engendrer la lumière utile. En effet, ce rôle est confié au couple UV/luminophore.

UV et luminophore

Le mercure, excité par la décharge initiée dans les gaz rares, fournit notamment, en se désexcitant, de la lumière UV (non visible). Afin d’obtenir de la lumière « blanche », les fabricants utilisent des luminophores sensibles aux UV [4], lesquels sont basés sur des éléments appelés terres rares. Ce sont eux qui, installés au sein d’une matrice atomique hôte composée d’oxydes ou de sulfures qui tapisse la face interne du tube, émettent, après excitation par UV, une lumière visible.

Genèse de la décharge luminescente

À la mise sous tension du tube, des électrons (dits primaires) sont émis par préchauffage des électrodes, puis accélérés sous l’action du champ électrique régnant entre les électrodes. Ils acquièrent alors une énergie suffisante pour exciter et ioniser les atomes des gaz rares. Les ions positifs ainsi créés, également accélérés sous l’action du champ électrique, bombardent alors littéralement la cathode, en extrayant des électrons secondaires qui entretiennent la décharge. Les atomes de mercure, vaporisés par la chaleur et excités par les collisions électroniques, se désexcitent en émettant notamment un rayonnement ultraviolet à 254nm de longueur d’onde très intense qui excite les poudres phosphorescentes. Ces poudres se désexcitent à leur tour en émettant dans le spectre du rayonnement visible.

Une technologie verte ?

Le mercure

Le mercure est un métal naturellement présent dans la croûte terrestre sous forme de sulfure de mercure. Le volcanisme ou les geysers sont une source importante de libération de mercure dans l’atmosphère terrestre. Les sources d’émissions anthropiques, quant à elles, sont principalement les activités minières d’extraction de métaux et la combustion de produits fossiles (charbon notamment), ainsi que l’enfouissement et l’incinération des déchets ménagers contenant du mercure. Dans les tubes fluorescents, le mercure est présent sous forme élémentaire (Hg0, atome simple de mercure) et sous deux états : vapeur et liquide. La masse de mercure, à l’état de vapeur, nécessaire au fonctionnement du tube est de l’ordre de quelques dizaines de microgrammes [5]. Cependant, au cours du fonctionnement du tube, le mercure s’adsorbe2 progressivement sur la poudre de luminophore. On estime [6] qu’en fin de vie, soit 10 000 heures de fonctionnement environ, 99 % du mercure est ainsi retenu par la poudre de luminophore. Pour tenir compte de cette perte progressive du mercure par adsorption, les constructeurs en introduisent initialement quelques milligrammes dans l’ampoule.

Bien que, dans les conditions normales de pression et de température, le mercure se présente principalement à l’état liquide, des vapeurs monoatomiques3 sont libérées lors du bris de l’ampoule d’un tube ou d’une lampe fluocompacte et peuvent donc être inhalées. Une concentration de l’ordre du mg/m3 constitue une exposition aiguë et une inhalation dans une pièce avec de telles concentration de mercure présente principalement un risque d’atteinte aux fonctions respiratoires caractérisée notamment par une infiltration diffuse de l’interstitium pulmonaire pouvant conduire à l’asphyxie [7]. Ce mercure élémentaire peut également passer dans le sang, traverser la barrière hématoencéphalique, et, une fois dans le cerveau, sous action enzymatique, s’oxyder en ions mercureux et mercuriques pour lesquels la barrière hématoencéphalique est imperméable. Ceci conduit à une stagnation de mercure dans le cerveau. L’intoxication se manifeste aussi par des vomissements et des diarrhées.

Une exposition chronique (hydrargyrisme) au mercure atomique peut quant à elle provoquer une atteinte du système nerveux central se traduisant par de la fatigue, des troubles psychomoteurs, voire des changements de comportement (irritabilité, asthénie). Des troubles gastro-intestinaux (dysphagie, nausées, vomissement, diarrhées) et une glomeluronéphrite sont également des symptômes de l’hydrargyrisme. L’effet cancérigène du mercure atomique et le potentiel génotoxique des sels mercurique, mis en évidence chez l’animal, ne sont pas avérés chez l’Homme [7]. Le mercure est cependant un reprotoxique pouvant être à l’origine d’avortement spontané ou de malformation fœtale.

L’intoxication aiguë ou chronique au mercure (essentiellement par inhalation des vapeurs) peut donc avoir des conséquences sanitaires graves. En cas de casse d’une lampe fluocompacte, la quantité de mercure libérée est-elle suffisante pour entraîner une intoxication aiguë ? La vapeur de mercure persiste-t-elle longtemps dans l’air au point de s’accumuler et d’entraîner une exposition chronique ?

Le laboratoire suisse EMPA (laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche) a récemment mesuré la quantité de mercure (à l’état liquide et vapeur, ce qui n’avait jamais été fait jusque là) présente dans 15 modèles de lampes fluocompactes du commerce. Cette étude [8] confirme que la quantité est faible et respecte la règlementation (moins de 2.5 mg par exemple pour une lampe fluocompacte consommant moins de 30W). On pense fréquemment que cette masse de quelques mg peut se diffuser immédiatement et intégralement dans l’air, mais c’est erreur. Une précédente étude, menée en 2010 sous l’égide de la Commission de Sécurité des Consommateurs (CSC), avait permis de vérifier les niveaux de concentrations atteints après bris d’une lampe fluocompacte dans un local de 20 m3, représentatif d’une petite chambre d’enfant, pour différents débits de ventilation (1m3/h, 8 m3/h et 25 m3/h) et en fonction de l’état de la lampe (froide ou chaude) au moment du bris [9]. L’échantillon d’essai comprenait 17 modèles récents de lampes fluocompactes de puissances nominales comprises entre 11 et 30W. L’analyse des résultats montre qu’il existe une grande disparité dans les quantités de mercure libérées selon les modèles de lampes, mais également, pour une lampe donnée, une nette différence selon qu’elle est brisée à froid ou en fonctionnement. En effet, la quantité de mercure en phase vapeur dans l’ampoule s’élève avec la température lors de la décharge : la concentration de vapeur de mercure mesurée dans l’air est donc logiquement plus élevée lorsque la lampe est brisée au cours de son fonctionnement. Les essais ont montré qu’en cas de bris de lampe à froid, le niveau maximum fixé par l’OMS pour une exposition permanente de la population générale (1 µg/m3) a généralement peu de risque d’être dépassé, mais qu’il peut cependant exister des cas pour lesquels le dépassement est significatif (1 cas de bris ayant libéré jusqu’à 6 fois la valeur seuil de l’OMS pour cette campagne d’essai). À l’inverse, ce niveau est dépassé par quasiment tous les modèles brisés en cours de fonctionnement, avec un maximum mesuré à 25 µg/m3 pour le modèle le plus polluant, soit la moitié de la limite admise par le Code de Travail français pour une exposition 8h/j, 5j/7 et 11 mois/12 (50 µg/m3). Ceci étant dit, le mercure libéré, après s’être diffusé, est évacué. La rapidité de cette évacuation dépend du débit de ventilation de la pièce. Dans l’essai concerné, un débit de ventilation quasi nul avait permis une évacuation du mercure en quelques heures ; le débit de ventilation de 25 m3/h avait, quant à lui, permis de diviser par près de 100 la concentration de mercure mesurée à 20 cm du sol 1 heure après le bris d’une lampe. Les débits de ventilation imposés aux logements neufs par la règlementation (arrêtés du 24 mars 1982 et du 28 Octobre 1983) apparaissent donc suffisamment adaptés pour éviter une exposition longue ou un effet « cumulatif » dans l’air d’une pièce. On notera que le CSC, évoquant des risques de bio-accumulation, estime malgré tout que le concentration maximale observée au cours de l’essai (25 µg/m3) « doit être considérée comme relativement élevée pour des populations sensibles au mercure telles que les jeunes enfants, les femmes enceintes ainsi que les personnes fragiles. »

Ainsi, même si les taux atmosphériques de mercure restent généralement faibles et diminuent en quelques minutes ou quelques heures seulement après la casse d’une lampe fluocompacte, par précaution, des dispositions peuvent être prises (évacuation, aération) afin de limiter l’inhalation inutile de vapeur de mercure par des populations sensibles (spécialement les enfants et les femmes enceintes). Le syndicat de l’éclairage préconise [10], en cas de casse d’une lampe fluocompacte, de récupérer les débris avec un balai, du papier absorbant ou des bandes adhésives en déconseillant la mise en œuvre d’un aspirateur pour éviter de rediffuser le mercure à chaque utilisation ultérieure. Les débris récupérés doivent être placés dans un récipient hermétique et apportés en déchetterie.

Les terres rares

Présentes en assez grande quantité dans la croûte terrestre, les terres rares sont assez inégalement réparties sur la planète [26]. Elles sont devenues des métaux stratégiques tant elles sont fondamentales pour les hautes technologies actuelles (métallurgie, électronique, technologies propres). En éclairage, certaines d’entre elles entrent dans la composition des luminophores des tubes fluorescents et lampes fluocompactes mais aussi des leds blanches (cérium, europium, terbium, yttrium).

Le sujet a des aspects environnementaux, économiques et géopolitiques complexes qui dépassent largement le cadre de cet article [27]. La Chine assure plus de 97 % de la production mondiale de ces métaux indispensables aujourd’hui [11]. Le plus important gisement chinois est celui de Bayan Obo, en Mongolie intérieur. Les méthodes d’extraction, à base d’acide, y sinistrent de grandes étendues qui deviennent incultivables pour les autochtones, conduisent à la pollution des eaux souterraines et sont à l’origine d’une situation sanitaire préoccupante. [12]

Le recyclage

Au-delà d’une exposition domestique générée par le bris d’une lampe, on peut s’interroger sur le devenir du mercure une fois les lampes hors d’usage. D’après Récylum4, il s’est vendu en France, en 2010, 83 millions de lampes fluorescentes et 45 millions de tubes fluorescents. On peut estimer, en prenant une moyenne de 5 mg de mercure par lampe, que cela représente plus d’une demi-tonne5 de mercure mise en circulation chaque année qu’il s’agira de collecter pour éviter qu’elle ne se retrouve dans l’environnement naturel. En effet, en zone aquifère, des micro-organismes peuvent provoquer la methylation du mercure qui se transforme en monomethylmercure. Cet organo-métallique est un neurotoxique puissant fortement bioaccumulable, qui parvient à l’homme en en se concentrant le long de la chaîne alimentaire.

Dans certains pays, on déconseille même aux femmes enceintes de consommer les poissons gras. Conscients de ce problème, les législateurs européens ont élaboré la directive 2002/95/CE, qui limite la quantité de mercure présent dans les équipements électriques, et la directive 2002/96/CE qui réglemente la fin de vie des déchets électroniques et organise le recyclage des métaux lourds. D’une lampe fluocompacte usagée, on peut notamment récupérer le verre de l’ampoule et le métal des électrodes pour la fabrication de divers produits neufs. Quant aux poudres de luminophores, leur recyclage est complexe : en effet, ces poudres, dans une lampe usagée, retiennent 99 % du mercure. Il s’agit donc de séparer le mercure des luminophores avant de les valoriser. Une unité industrielle de Rhodia a été inaugurée sur le site de Saint-Fons en Septembre 2012 pour récupérer les terres rares des lampes et tubes fluorescents afin d’exploiter ce qu’il convient désormais d’appeler la « mine urbaine » [13].

On notera cependant que le taux de collecte des lampes basse consommation (toutes technologies confondues) ne dépasse pas 40 % en France.

On le voit, l’absence de mercure dans les lampes et tubes fluorescents permettrait de faciliter les opérations de collecte et de recyclage et de nombreux efforts de recherche et développement ont été consentis dans la décennie précédente pour élaborer des tubes fluorescents sans mercure [14,15,16,17]. Mais les efficacités lumineuses obtenues sont restées insuffisantes et l’avenir de l’éclairage repose désormais sur les Leds blanches à luminophore.

Les rayonnements électromagnétiques

Les ondes radioélectriques (partie du spectre électromagnétique de longueurs d’onde supérieures à 1000 µm) sont générées par la circulation de charges électriques dans les dispositifs électriques et électroniques. Leur énergie est bien insuffisante pour provoquer des phénomènes destructifs de type ionisation. Sont-ils pour autant inoffensifs ? Des expositions à des valeurs très fortes de champs électromagnétiques peuvent exciter les systèmes nerveux et musculaires. Des valeurs limites [18] fixent donc les valeurs admissibles pour le public ou les travailleurs. Jusqu’à aujourd’hui, aucune étude ou expertise n’a pu démontrer qu’une exposition à des champs électromagnétiques d’intensité inférieure aux limites citées est dangereuse pour la santé. [19]

Les valeurs d’émission radiofréquence des lampes fluocompactes sont-elles inférieures à ces limites ? En 2010, les résultats d’une vaste étude [20] portant sur les valeurs de champs électriques et magnétiques ont été rendus publics par l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie) et le CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment). L’objectif de cette étude était de mesurer les champs émis par un échantillon de lampes fluocompactes disponibles dans le commerce et de les comparer aux valeurs d’exposition limites sur la base d’un protocole élaboré par l’AFSSET (aujourd’hui ANSES, Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail) [21]. Conclusion : aucun des 100 modèles de lampes testés selon ce protocole ne dépasse les valeurs limites d’exposition. Les mesures ont été faites à une distance supérieure à 30 cm, c’est-à-dire à une distance suffisante pour permettre la formation et la mesure des champs électromagnétiques dans ce domaine de fréquence. Un protocole de mesure des champs induits, proposé en 2011 pour l’évaluation des risques à une distance plus faible [22] et appliqué sur un nombre réduit de lampes, a décelé des niveaux d’exposition se rapprochant des valeurs limites préconisées par l’Icnirp. En attendant la validation complète de ce protocole et son application sur un échantillon significatif, l’ANSES recommande de limiter les possibilités d’exposition à moins de 30 cm des lampes fluocompactes [23]. On rappelle qu’en 2007, le CRIIREM (association environnementaliste centrée sur la problématique des rayonnement électromagnétiques) avait vigoureusement dénoncé la présence de champs d’intensités trop élevées à faible distance des lampes fluocompactes, mais la méthode de mesure, basée sur l’utilisation d’une sonde de champs électrique, n’était pas pertinente [24].

Dernière inquiétude : de l’UV (longueurs d’onde comprises entre 100 nm et 400nm) résiduel pourrait-il atteindre l’utilisateur ? Pour répondre à cette question, il faut savoir que la transparence du borosilicate, constituant le verre des ampoules, commence à chuter pour des ondes en dessous de 400 nm et s’annule en dessous de 300 nm. Ce qui signifie que des rayons de type UV-A, également produits par la décharge dans le mercure (365 nm de longueur d’onde), sont susceptibles de traverser la paroi des tubes. Cependant, les doses reçues sont très faibles, sauf dans les cas extrêmes d’expositions prolongées à moins de 20 cm comme le souligne le SCENHIR (Comité scientifique des risques sanitaires émergeant et nouveaux) [25]. Il existe la possibilité de trouver dans le commerce des lampes fluocompactes à double enveloppe qui élimine totalement l’UV résiduel.

Conclusion

À ce stade, nous pouvons répondre à la question initiale : les lampes fluocompactes ne sont pas des « lampes vertes ». Basées sur un mécanisme faisant intervenir mercure et terres rares, les lampes fluocompactes peuvent incontestablement participer à certaines pollutions lors de leur fabrication ou de leur élimination. Elles nécessitent l’existence de filières de récupération et de recyclage efficaces. Pour autant, leur utilisation ne pose pas de réel problème de santé publique. Méritent-elles donc le procès en sorcellerie que leur font certains médias et associations ? Assurément non. Rappelons que des lampes fluocompactes bien conçues ont une durée de vie jusqu’à 10 fois supérieure à celle des lampes à filament et permettent des économies d’énergie très significatives.

Bibliographie

[1] Y.P Raizer, Gas Discharge Physic, ed. Springer-verlag, 1991.

[2] A.M Pointu, J. Perrin et J. Jolly, « Plasmas froids de décharge – Propriétés électriques », Techniques de l’ingénieur, D-2830, 1998.

[3] G.G. Lister, J.E. Lawler, W.P. Lapatovitch and V.A.Godyak, Rev.Mod.Phys., 76, N° 2, (2004) p541-597

[4] A.M. Srivastava and C.R. Ronda, « Phosphors », The Electrochemical Society interface, 2003, vol. 12, no2, pp. 48-51.

[5] Carolyn Dunmire, Chris Calwell, Andria Jacob, My Ton, Travis Reeder, and Vicki Fulbright, « Mercury in Fluorescent Lamps : Environmental Consequences and Policy Implications for NRDC, Final Report for Natural Resources Defense Council », May 2003.

[6] P. Floyd, P. Zarogiannis, M. Crane, S. Tarkowski, V. Bencko, and M. Postle, « Risks to Health and the Environnement Related to the Use of Mercury Products », Rapport final pour la commission européenne, 9 août 2002.

[7] INERIS – Fiche de données toxicologiques et environnementales des substances chimiques, mercure et ses dérivés, 2010.

[8] Communiqué aux médias, Empa, 27 Janvier 2014. www.empa.ch.

[9] Avis relatif aux risques liés à l’utilisation des lampes fluocompactes en milieu domestique, 11/10 et 01/11, CSC.

[10] Élimination des lampes énergivores dans l’habitat, vérités et contre-vérités, Syndicat de l’éclairage, 11 avril 2011. www.syndicat-eclairage.com/u...

[11] « Des terres de plus en plus rares. Quelle incidence sur les lampes », Syndicat de l’éclairage, 27 Septembre 2011.

[12] http://ecoinfo.cnrs.fr/article172.html

[13] Olivier James, « Matières premières : recyclage made in France des terres rares », L’Usine Nouvelle n° 3315

[14] E.Robert, S.Point, S.Dozias, R. Viladrosa, JM Pouvesle, J. Phys. D : Appl. Phys. 43 (2010) 135202.

[15] J.Phys.D : Appl.Phys. Vol.40, N° 3, 2007, “special cluster on mercury free discharges for lighting”.

[16] Proceedings of the 11th International Symposium on the Science and Technology of Light Sources, May 20th-24th, Shanghai, China, 634 p, FAST-LS, 2007.

[17] Sébastien Point, « Étude et amélioration de l’efficacité énergétique d’enseignes lumineuses sans mercure excitées en régime d’impulsions électriques », Thèse de Doctorat, ADEME/GREMI, Université d’Orléans.

[18] ICNIRP Guidelines – Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields – 1998 Health Physics Society.

[19] http://www.academie-medecine.fr/art...

[20] F. Gaudaire (CSTB) et A. Monard (Floralis), Mesures de l’exposition humaine des champs électromagnétiques émis par les lampes fluorescentes compactes, Rapport Final, Juin 2010.

[21] « Analyses des champs électromagnétiques associés aux lampes fluorescentes compactes, Protocole de mesure de l’exposition humaine aux champs électromagnétiques émis par des lampes fluorescentes compactes », saisine n° 0497, AFSSET, Février 2009.

[22] « Application of an Induced Field Sensor for Assessment of Electromagnetic Exposure from Compact Fluorescent Lamps, Jagadish Nadakuduti, Mark Douglas, Myles Capstick, Sven Kühn, and Niels Kuster, Bioelectromagnetics », Volume 33, Issue 2, pp. 166–175, February 2012. Online August 31, 2011

[23] « Champs électromagnétiques émis par les lampes fluorescentes compactes, mise à jour de l’évaluation des risques », Anses, Février 2013.

[24] « Alerte ! Mise en garde sur les ampoules à économie d’énergie », communiqué de presse du 21 août 2007, Criirem/Arca Ibérica.

[25] Light Sensitivity, 26th Plenary, 23 September 2008.

[26] Alain Cheilletz, « Matières premières minérales : Y a-t-il vraiment un risque d’épuisement des ressources ? », Science et pseudo-sciences n° 305, juillet 2013.

[27] Alain Cheilletz, « Les matières premières minérales : des produits comme les autres ? », Science et pseudo-sciences n° 305, juillet 2013.

1 Le terme terres rares désigne les éléments Yttrium, Scandium et les 15 Lanthanides

2 L’adsorption est un phénomène de fixation d’atomes ou de molécules sur une surface par l’intermédiaire de liaisons de faibles énergies de type Van der Waals. La désorption est le phénomène de libération de ces atomes ou molécules.

3 Une vapeur monoatomique est un gaz d’atomes par opposition à un gaz moléculaire. Le gaz d’hélium par exemple, aux conditions normales de température et de pression, est un gaz d’atomes d’hélium.

4 Récylum est une entreprise privée à but non lucratif responsable en France de la collecte et de la valorisation des lampes usagées contenant du mercure.

5 Dans les années à venir, ce chiffre sera en augmentation avec l’interdiction de mise sur le marché progressive depuis 2009 des lampes à incandescence et halogènes.

Mis en ligne le 27 janvier 2015
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