LED: che cosa riserva il futuro?

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La tecnologia LED è e sarà sempre più largamente adottata nei più differenti ambiti di applicazione

Finora l’evoluzione dei LED è stata definita da aumento dell’efficienza, riduzione dei costi, miglioramento della affidabilità e dalla ricerca di soluzioni sempre più compatte per il packaging.

In futuro, sistemi di illuminazione a LED interconnessi e multifunzionali, la transizione da sistemi convenzionali a sistemi Human Centric Lighting, e le esigenze di riciclabilità e riparabilità imposte da un’economia circolare definiranno le nuove architetture dei sistemi: questo articolo fornisce alcune anticipazioni

Il contesto normativo europeo e la risposta dei produttori

L’economia “circolare” si propone di scindere il processo di crescita economica dalla necessità di utilizzare sempre maggiori risorse, riducendo l’impatto negativo sull’ambiente. Si prevede di creare una catena del valore nella quale le risorse vengono utilizzate in maniera più efficace, e i prodotti sono progettati e realizzati in modo tale da permettere il loro riutilizzo (reuse), ricondizionamento (refurbishment), miglioramento o aggiornamento (upgrade), riciclaggio (recycle) (figura 1)¹.

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Figura 1 – L’economia circolare può essere rappresentata da quattro anelli concentrici: gli anelli più interni rappresentano attività ad alto valore aggiunto; i cerchi più esterni rappresentano operazioni di recupero di valore residuo, fino al riciclaggio del prodotto. I quattro anelli mostrati rappresentano le attività di riparazione (service), recupero e rimessa in opera del prodotto, venduto poi come prodotto ricondizionato (refurbish), recupero e riutilizzo dei componenti (parts harvesting), riciclaggio dei materiali (recycle) (courtesy: LightingEurope)

A questo fine è stato introdotto il concetto di “serviceability”, che identifica l’insieme di condizioni, proprietà e regole di progetto tali da rendere un sistema riparabile o modificabile (ad esempio per upgrade o adeguamento a nuove normative), di fatto prolungando la vita operativa del prodotto o mantenendo più a lungo parte del suo valore economico (ad esempio attraverso il riciclaggio).

Nel dicembre 2015 la Commissione Europea ha definito un primo quadro normativo e dato inizio ad una politica favorevole allo sviluppo di prodotti, servizi e modelli di business “circolari”. L’applicazione di questa impostazione ai sistemi di illuminazione richiede cambiamenti significativi ad ogni livello: è necessario progettare i sistemi in forma modulare, in modo da permettere la sostituzione di singoli elementi in caso di guasto o per un upgrade del sistema.

Una volta sostituiti, i moduli dovranno poter essere riparati o riciclati, recuperando almeno parte dei componenti e dei materiali più pregiati: questa ridefinizione dei modi di progettazione è coerente con il futuro sviluppo di sistemi di illuminazione interconnessi via wireless se sorgenti (ad esempio per migliorare la qualità della luce in sistemi multiLED) o sensori (per migliorare l’efficienza dei sistemi).

Anche se tutte queste operazioni dovranno poter essere effettuate nel modo più semplice possibile, il progetto e la fornitura di un sistema di illuminazione dovrà includere un servizio di assistenza, fornito da personale con opportuna formazione. Il sistema di illuminazione cambia la propria natura e da oggetto diventa nodo di una rete, o di una infrastruttura, che, oltre ad illuminare offre possibilità di sensing dell’ambiente, e altre forme di controllo.

Oltre che nell’architettura di sistemi, sono richiesti cambiamenti sostanziali nei sistemi di montaggio, interconnessione, packaging: perché il concetto di serviceability possa essere sviluppato per i futuri sistemi di illuminazione è necessario che si affermi qualche forma di standardizzazione, che potrà eventualmente diventare parte della normativa europea in futuro.

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(cortesia: ENEL)

La normativa EcoDesign e il settore illuminazione

La direttiva europea 2009/125/EC “EcoDesign” definisce e norma i requisiti di progettazione compatibile con la tutela dell’ambiente e l’efficienza energetica per tutti i prodotti che utilizzano energia e riguarda l’intero ciclo di vita del prodotto. Nell’ambito dell’illuminazione, questa direttiva è stata attuata attraverso diversi regolamenti, che hanno definito norme per la classificazione energetica dei prodotti e la loro qualificazione.

Nel 2016 è stato formulato un piano di lavoro triennale, contenente un insieme di misure che dovrebbero portare complessivamente ad un risparmio energetico annuo atteso di 260 TWh nel 2030, dei quali 41.9 TWh sarebbero dovuti al miglioramento dell’efficienza dei sistemi di illuminazione.

Di fatto, nonostante il miglioramento dell’efficienza energetica dei LED (quadruplicata dal 2009 al 2015), nel 2020 il risparmio energetico effettivamente verificato sarà di “soli” 70 TWh, meno di quanto previsto dal piano 2016-2019 (cioè 110 TWh). Questo si deve principalmente ad una ancora ridotta penetrazione dei LED sul mercato, mentre si mantiene elevata la quota di mercato delle meno efficienti lampade alogene.

Si stima che nel 2015, nei 28 stati della comunità europea, siano state vendute un miliardo e settecento milioni di lampade, delle quali solo il 22% basate su LED. Le lampade esistenti sarebbero 11 miliardi e 400 milioni, e di queste solo il 6.5% utilizza LED. Il consumo corrispondente di energia è di 336 TWh/anno, pari al 12.4 % del consumo europeo di energia elettrica, equivalente all’emissione nell’atmosfera di 132 milioni di tonnellate di CO2 per anno (il 2.8% del totale dei “gas serra” emessi in Europa).

Il 17 dicembre 2018 è stato approvato il nuovo regolamento EcoDesign per il settore illuminazione, con lo scopo di unificare i regolamenti, aggiornare la normativa tenendo conto dell’evoluzione tecnologica e introdurre meccanismi che favoriscano la crescita di un’economia circolare.

Il regolamento raccomanda fortemente che nel progetto di un sistema di illuminazione la sorgente luminosa sia indipendente dal sistema di alimentazione e controllo, e possa essere rimossa senza causare danni alla sorgente e al sistema. Tutto questo dovrebbe rendere maggiormente verificabili le caratteristiche delle sorgenti e la loro rispondenza alle norme, comprese quelle riguardanti l’efficienza energetica.

Le due maggiori obiezioni riguardano (I) il fatto che la sorgente LED è normalmente quasi inscindibile dal corpo della lampada, con il quale è fortemente connessa meccanicamente, per poter ottimizzare le caratteristiche termiche del sistema, e (II) l’elevata e crescente affidabilità dei LED, che potrebbe rendere superflua la possibilità di sostituzione della sorgente luminosa nel corso della vita della lampada (mentre rimarrebbe la necessità di poter sostituire la parte elettronica di alimentazione e controllo).

La normativa propone inoltre di ridurre la durata dei test di endurance previsti per dimostrare la stabilità dei LED ad alta efficienza. La necessità di interrompere e ripristinare le connessioni elettriche al sistema LED per sostituzione e manutenzione richiederà maggiori cautele per quanto riguarda la robustezza a scariche elettrostatiche della sorgente stessa.

Nel testo del regolamento si legge che “i prodotti che non possono essere smontati per rimuovere e sostituire le sorgenti luminose (light sources) e/o l’elettronica di alimentazione e controllo (control gears) potranno essere immessi nel mercato solo se il fabbricante fornirà una giustificazione tecnica soddisfacente relativa alla funzionalità dei prodotti stessi”.

Il documento prospetta una progressiva eliminazione dal mercato per le lampade alogene e per le fluorescenti compatte: una prima reazione dell’industria, espressa anche dall’associazione LightingEurope, è stata quella di chiedere all’UE di non accelerare le procedure di phase-out, per definire opportune eccezioni che permettano una transizione graduale verso lampade più efficienti ²‚³.

Se da un lato infatti la possibilità di rimuovere la sorgente luminosa dalla lampada facilita la riparazione, il riutilizzo e la riciclabilità, dall’altro è chiaro come un’applicazione generalizzata di questo principio potrebbe avere un impatto negativo sul costo e sulle prestazioni dei sistemi di illuminazione: sono molti infatti i casi per i quali questa condizione sembra difficilmente realizzabile. L’industria ha quindi richiesto alla commissione che venga condotta entro il 2024 – prima di prendere altre decisioni in merito di economia circolare – un’analisi dell’impatto effettivo che questi obblighi potrebbero avere per i consumatori, i produttori e l’ambiente.

L’evoluzione dei sistemi

Sul raggiungimento dei limiti di efficienza energetica, sulle funzionalità estese, sulla Human Centric Lighting.

Se sono ancora molti gli interrogativi aperti sulla realizzazione di un’economia circolare dei sistemi di illuminazione in tempi brevi, è certo invece che il mondo dell’industria e della ricerca si sta preparando a cambiamenti radicali nel nostro modo di generare ed utilizzare la luce.

A questo tema sono state dedicate ampie sezioni del congresso Photonics West della società internazionale S.P.I.E. per l’ottica e la fotonica (spie.org), tenutosi a San Francisco dal 2 al 7 Febbraio, che ha visto più di ventitremila partecipanti e cinquemila relazioni scientifiche.

Oltre ai numerosissimi interventi dedicati alla fisica e tecnologia di LED e laser, alcune comunicazioni hanno affrontato il tema delle architetture dei sistemi di illuminazione. L’integrazione di nuove funzioni, la connettività e la compatibilità con il paradigma “Human Centric Lighting” definiranno i sistemi di illuminazione del futuro, superando la logica basata esclusivamente sui classici parametri di efficienza, costo, durata.

Come mostrato nell’intervento a Photonics West di Martin Strassburg (OSRAM OS), vi sono ancora margini per l’aumento dell’efficienza dei LED, sia per quanto riguarda un aumento dell’efficienza quantica interna sia per quel che riguarda l’efficacy luminosa(figura 2), il che dovrebbe permettere di sviluppare sorgenti con efficacy pari a 270 lm/W.

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Figura 2 – Potenziale di miglioramento dell’efficacy dei LED (LER, Light Efficacy of Radiation). Da [4]
I principali miglioramenti possibili riguardano l’efficienza quantica del LED, attraverso l’ottimizzazione degli strati epitassiali che compongono il semiconduttore, e l’ottimizzazione dell’emissione spettrale finalizzata a massimizzare l’efficacy luminosa (figura 3). In futuro le sorgenti LED dovranno realizzare un compromesso tra costo, caratteristiche, affidabilità e funzionalità.
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Figura 3 – Miglioramenti attesi nella riduzione dei meccanismi di perdita. Da [4]. LER = Light Efficacy of radiation. Uf losses = perdite dovute alla tensione diretta del diodo, Epi IQE = Efficienza quantica interna dei LED, estrazione della luce dal chip, riassorbimento nel semiconduttore, perdite nel package, perdite di conversione
Le linee di prodotto comprenderanno, oltre a chip e moduli LED, anche sistemi che integreranno in forma ibrida le sorgenti LED, l’ottica, i sensori di presenza e di ambiente, i circuiti integrati di controllo e alimentazione, tali da garantire maggiore compattezza e affidabilità, migliori caratteristiche termiche, e in futuro sostituibilità⁴(figura 4).
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Figura 4 – Sistema LED integrato con l’elettronica di controllo, l’ottica e i sensori. Da [4]
Emissione spettrale dei LED e ritmi circadiani

Come è noto, la luce blu ricopre un ruolo fondamentale nella sincronizzazione dei ritmi circadiani dell’uomo e nella definizione dell’alternanza veglia-sonno. L’esposizione prolungata a luce blu è in grado di alterare questo ritmo, dando luogo a disturbi del sonno e altre forme di malessere.

Il meccanismo di regolazione è basato sull’azione delle cellule gangliari retinali (ipRGC, intrinsically photosensitive retinal ganglion cells), che contengono un fotopigmento, la melanopsina, caratterizzata da un picco di assorbimento a 484 nm. La luce che colpisce queste cellule causa la secrezione di cortisolo e la soppressione della secrezione di melatonina; secondo un ritmo naturale quindi, l’esposizione a questa componente spettrale blu dovrebbe essere intensa e prolungata la mattina, in modo da favorire la veglia e l’attenzione, e limitata la sera, in modo da non interferire con il ritmo circadiano.

Sono stati fatti diversi tentativi di realizzare sistemi di “white tuning” con componente melanopica variabile e qualità della luce bianca ancora accettabile: con i sistemi LED convenzionali tuttavia, questo obiettivo è quasi irrealizzabile. Secondo Jay Shuler(Xicato, USA)⁵ il rapporto M/P durante il giorno dovrebbe essere di almeno 0.83, mentre un LED con temperatura di colore di 4000 K e CRI 95 raggiunge al più 0.76.

Quali soluzioni possono esserci? È necessario cambiare l’emissione spettrale con interventi radicali sulla tecnologia LED. Se si desidera una lampada diurna con intensa stimolazione melanopica, si può sostituire il LED blu con lunghezza d’onda a 440 nm con uno a 470 nm, con un aumento del 40% della stimolazione rispetto ai LED attuali, ma con un CRI ridotto a 706.

Se questo peggioramento della qualità della luce non è accettabile, è necessario combinare un emettitore ricco in blu a 460-480 nm con una sorgente a CCT e illuminanza variabile. La luce serale, che dovrebbe essere priva della componente blu, è più difficile da realizzare, anche perché – per non alterare il ritmo circadiano – l’emissione blu nell’intervallo di sensibilità delle cellule gangliari retinali andrebbe soppressa almeno due ore prima del sonno: questo problema riguarda quindi l’illuminazione dell’intero ambiente domestico.

Non è possibile semplicemente utilizzare LED a componente blu ridotta (“sleep LED”), perchè il CCT diminuirebbe proporzionalmente fino a 2000 K, con una forte e inaccettabile componente giallastra dell’emissione. Come già accennato, in un LED tradizionale, bassa stimolazione circadiana significa basso CCT e CRI.

Sono stati quindi proposti LED “blue-free”, che utilizzano un LED violetto a 400-420 nm per generare, attraverso tre fosfori, le componenti rosse, verdi e blu. Questo è stato possibile grazie al miglioramento nell’efficienza dei LED violetti, e permette di ottenere sorgenti con CCT di 2700 K, prive di componenti blu, con CRI 80, ideali per l’illuminazione serale. Dispositivi di questo tipo sono già stati sviluppati da Seoul Semiconductors, Soraa (6) e Toshiba⁷.

Quanto riportato sopra vale a maggior ragione per la retroilluminazione dei display, con CCT tipica di 6500 K: è ormai dimostrato che utilizzare computer, smartphone o lettori digitali a tarda sera può generare problemi di insonnia e sono state sviluppate applicazioni software che permettono di regolare il valore di CCT riducendo la componente blu, (in pratica solo fino a 3500 K).

Le tematiche sopra citate interessano naturalmente anche i sistemi di illuminazione stradali, per i quali il concetto di multifunzionalità è già attuato da tempo. Nel suo intervento a Photonics West, Thor Scordelis(Leotek, USA)⁸ ha citato un sistema proposto da Stanley Electronics in Giappone, nel quale telecamere e sistemi di elaborazione di immagine sono connessi a sistemi di proiezione che oltre ad illuminare la strada aumentano la sicurezza di pedoni e automobilisti fornendo loro segnalazioni (figura 5).

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Figura 5 – Illuminazione stradale multifunzione: i lampioni, connessi in rete illuminano, elaborano le immagini e i dati provenienti da sensori, proiettano segnalazioni. Da: https://response.jp/ article/2018/12/14/317183.html

Un altro esempio è costituito da un impianto pilota, installato a White Bear Lake, in Minnesota, nel quale l’illuminazione stradale è realizzata con un sistema tunable white che riduce la temperatura di colore e la componente blu nelle ore serali e notturne, e adatta l’illuminazione alle condizioni metereologiche.

Conclusioni

In futuro, l’efficacy dei LED aumenterà ancora, fino a valori prossimi a 270 lm/W, oltre i quali la progressione si arresterà. Emergeranno probabilmente nuovi prodotti, a maggiore valore aggiunto, che integreranno più funzioni, potranno essere inseriti in sistemi interconnessi via wireless e utilizzeranno caratteristiche spettrali progettate in modo da essere compatibili con Human Centric Lighting.

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La progettazione dell’illuminazione LED dovrà in futuro avere sempre di più quale riferimento il concetto di Human Centric Lighting, al quale dovrà ricondursi anche la progettazione dei nuovi sistemi LED

Le esigenze di riparabilità e la possibilità di sostituzione della sorgente luminosa richieste per avviare un’economia circolare dei sistemi LED dovranno essere ulteriormente dibattute prima di diventare sistemiche per l’industria dell’illuminazione.

(a cura di Enrico Zanoni¹², Nicola Trivellin¹², Matteo Meneghini¹², Gaudenzio Meneghesso¹², Diego Barbisan², Carlo De Santi¹, Marco Ferretti¹², Matteo Buffolo¹)

Riferimenti bibliografici

– LightingEurope, “Serviceable Luminaires in a circular economy”, White Paper October 2017. Disponibile a: https://www. lightingeurope.org/images/publications/ position-papers/LightingEurope_-_White_ paper_- _Serviceable_luminaires_in_a_ Circular_Economy_-_October_2017.pdf

– O.Georgoutsakou, “EU circular economy policies are impacting lighting product design and business models”, Proc. of Light Professional Symposium 2018, pp. 32-33, Luger Research 2018

– H.Becker, E. Scaroni, “Ecodesign directive and energy labelling regulation – Short term consequencies for Lighting Products” Proc. of Light Professional Symposium 2018, pp. 3433, Luger Research 2018

– A.Linkov, R. Butendeich, S. Sobczyk, W. J. Yeap, Jack Lee, O. Leray, Ch. Wiesmann, J.J. Lim, M. Strassburg, “System archtecture of LED: today and tomorrow”, presentato alla conferenza “SPIE Photonics West”, San Francisco, USA 2-7 Febbraio 2019.

5 – Jay Shuler, “What’s up with Indoor Lighting”, presentato alla conferenza “SPIE Photonics West”, San Francisco, USA 2-7 Febbraio 2019

6 – A.David, “Circadian-friendly light emitters: from CCT-tuning to blue-free technology”, Light Professional Review, 71 (1), 58-63, 2019.

7 – K.Kobayashi, “New Human-Centric Lighting Based on TRI-R Spectrum Technology”, Proc. of Light Professional Symposium 2018, pp. 238-242, Luger Research 2018.

8 – Thor Scordelis, “The solid-state lighting revolution: innovations that are driving the evolution of the LED lighting market”, presentato alla conferenza “SPIE Photonics West”, San Francisco, USA 2-7 Febbraio 2019.

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