LED et recyclage – nouvelle technologie, nouveaux problèmes?
Les diodes électroluminescentes (LED) sont utilisées aussi bien dans les écrans que dans les sources lumineuses. Comparées à d’autres sources lumineuses, elles sont considérées comme une option d’éclairage plus écologique. Néanmoins, les lampes LED contiennent certains matériaux potentiellement nocifs si elles ne sont pas éliminées correctement, ainsi que de nombreuses substances recyclables différentes. Qu’est-ce que cela signifie pour le recyclage?
Impossible d’imaginer notre société sans LED: elles sont utilisées pour l’éclairage des bâtiments, des véhicules et des routes, mais aussi dans la technologie des écrans. Dans nos téléphones portables, tablettes, ordinateurs portables et téléviseurs ou dans les affichages de grand format, elles garantissent une image claire et nette. Malgré leur durée de vie relativement longue, elles finissent tôt ou tard par ne plus fonctionner et doivent être éliminées.
Les composants au service des fonctionnalités
Les LED contiennent une multitude de matériaux nécessaires pour remplir différentes fonctions. Elles sont composées de matériaux semi-conducteurs comme le nitrure de gallium (GaN), l’arséniure de gallium (GaAs), le phosphure de gallium (GaP) ou encore le nitrure d’indium-gallium (InGaN). Ces matériaux sont déterminants pour l’émission de lumière par les LED. Les LED contiennent également de petites quantités de métaux lourds tels que le plomb et l’arsenic, ainsi que des terres rares et des composés phosphorés. Le boîtier d’une lampe LED est composé de plastique ou de verre et de métal et sert à protéger les composants à l’intérieur ainsi qu’à orienter la lumière. Les circuits imprimés sont les supports sur lesquels sont montées les puces LED. En règle générale, ils sont constitués d’un matériau isolant comme de la résine époxy renforcée de fibres de verre et contiennent des métaux précieux.
Substances nocives et matériaux valorisables dans les LED
Le recyclage des écrans plats à rétroéclairage LED a régulièrement suscité l’hypothèse qu’ils contiendraient du mercure et du cadmium. Swico s’est penchée sur cette question en collaboration avec la société Immark AG à Schattdorf: elle a fait effectuer des analyses chimiques de LED provenant de rétroéclairages de téléviseurs et d’écrans ainsi que d’ampoules LED (anciens modèles) afin de déterminer quelles substances étaient présentes dans les LED et dans quelles proportions (cf. tableau 1 et figure 1).
Ces analyses concernant les substances nocives ont révélé la présence de baryum et de plomb dans tous les échantillons. Du mercure a été trouvé dans deux échantillons à des teneurs très faibles (0,05 et 0,01 ppm). La teneur en cadmium était inférieure au seuil de détection dans tous les échantillons.
En ce qui concerne les matériaux valorisables, les teneurs élevées en cuivre et en argent ainsi que les teneurs (à l’état de traces) en lanthane (métal des terres rares) ressortent. Les teneurs en gallium et en germanium étaient inférieures aux limites de détection.
Par ailleurs, la société de recyclage Thévenaz-Leduc SA a fait analyser des filaments LED provenant de sources lumineuses non rectilignes LED récentes. Plusieurs éléments ont été analysés quantitativement et d’autres éléments semi-quantitativement, et les résultats ont été mis à la disposition de SENS (cf. tableau 1 et illustration 2). Ici, les teneurs en cadmium et en mercure mesurées étaient respectivement d’un et de deux ordres de grandeur supérieures à celles des résultats des analyses Swico. Les teneurs en argent et en plomb étaient du même ordre de grandeur, avec respectivement 1100 mg/kg et 48 mg/kg. Il en était de même pour les substances nocives que sont l’antimoine et l’arsenic. La teneur très élevée en gallium (15 505 mg/kg), qui peut donc être donnée en pour cent, était particulièrement flagrante.
Du cadmium dans les écrans QLED?
Dans le secteur de la technologie moderne des écrans, les technologies OLED (diodes électroluminescentes organiques) et QLED (diodes électroluminescentes à points quantiques) se disputent actuellement de plus grosses parts de marché. Tandis que les écrans OLED utilisent des pixels auto-éclairés, les appareils QLED utilisent un rétroéclairage basé sur des points quantiques. Cette technologie se distingue par une plus grande richesse des détails, ainsi que par des couleurs plus précises, des contrastes plus élevés et davantage de luminosité. Bien que les QLED présentent certains avantages par rapport aux écrans LCD ou OLED traditionnels, leur fabrication et leur élimination posent des problèmes environnementaux. En plus de la consommation d’énergie plus élevée lors de la fabrication, c’est surtout le cadmium, le plomb et d’autres métaux lourds utilisés dans la technologie QLED qui sont en cause.
La Directive européenne RoHS (Restriction of Hazardous Substances) vise à limiter l’utilisation de substances dangereuses dans les appareils électriques et électroniques. Le cadmium en fait partie. On considère qu’un produit dont la teneur est < 100 ppm est exempt de cadmium. Des dérogations de durée limitée sont possibles si les substances ne peuvent pas être remplacées scientifiquement ou techniquement ou si les alternatives ne sont pas autorisées ou ont des conséquences négatives pour l’humain et l’environnement. Le cadmium utilisé dans la technologie QLED bénéficie de ces dérogations depuis 2013. Mais grâce à l’évolution technologique de ces dernières années, on trouve désormais sur le marché des points quantiques sans cadmium et une dérogation ne se justifie donc plus. Toutefois, il est probable qu’une quantité considérable d’appareils QLED contenant du cadmium soit actuellement utilisée. Ces appareils seront mis au rebut dans les années à venir. Un mètre carré d’écran contient, selon les estimations, environ 0,2 g de cadmium.
Il s’avère que le flux de cadmium généré par les écrans QLED qui seront recyclés sera loin d’être négligeable. Si l’on fait un calcul simplifié, on obtient environ 30 kg de cadmium par an pour les 500’000 téléviseurs vendus chaque année en Suisse d’une diagonale d’écran moyenne de 155 cm (60ʺ) – ce qui correspond à environ 1 mètre carré de surface d’écran . Cela en supposant que la part de marché des écrans QLED est de 30% et que seuls des écrans QLED contenant des points quantiques chargés en cadmium sont en vente. La quantité réelle devrait être inférieure, car le leader du marché, Samsung, utilise désormais des points quantiques sans cadmium.
Dans le cadre d’une adaptation de la directive RoHS, la Commission européenne interdira l’utilisation de points quantiques contenant du cadmium sur la base d’une étude de l’institut allemand Ökoinstitut datant de 2022, car il existe aujourd’hui des alternatives qui offrent les mêmes performances d’image. Reste à savoir ce qu’il adviendra des écrans QLED dotés de points quantiques contenant du cadmium lors du recyclage.
Le cadmium est toxique pour l’humain et les animaux même à faible dose, il s’accumule dans le corps et peut être cancérigène. Bien qu’il existe de nombreuses sources diffuses de cadmium (incinération des déchets, aciéries, foyers, cacao, bijoux), le principe de précaution de la loi sur la protection de l’environnement impose d’empêcher les émissions à la source. Lors du broyage mécanique avec triage ultérieur, les LED et QLED intégrées dans les écrans s’accumuleront dans la fraction plastique. Au cours du traitement des matières plastiques, les plastiques contenant du cadmium sont séparés puis incinérés. Au cours de ce processus, le cadmium est oxydé et séparé dans le système d’épuration des fumées d’un incinérateur moderne. Le risque de libération pendant les processus de recyclage peut être considéré comme plutôt faible. Cependant, les exigences en matière d’hygiène au travail doivent être respectées dans tous les cas.
Sources lumineuses LED: développements en matière de recyclage
Afin d’éviter le mélange et la dilution des substances recyclables et nocives, les sources lumineuses sont triées en différents groupes après leur collecte. Les sources lumineuses LED sont ainsi séparées des autres sources lumineuses, entre autres des lampes à décharge contenant du mercure, et peuvent être recyclées séparément. En Suisse, divers essais ont été menés ces dernières années pour le recyclage des sources lumineuses LED. Sur cette base, SENS a accordé à deux recycleurs de sources lumineuses l’autorisation de transformer les LED. Ces recycleurs utilisent dans un premier temps des technologies qui contribuent à éviter les émissions de mercure en cas d’erreurs de tri d’autres sources lumineuses.
Comme pour de nombreux autres déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE), les taux de recyclage sont d’autant plus élevés que les appareils sont bien triés en amont. A cause de la flexibilité du design des sources lumineuses LED, les formes et les combinaisons de matériaux sont particulièrement nombreuses. Selon le recycleur Thévenaz-Leduc SA, les taux de recyclage sont d’autant plus importants que l’on sépare spécifiquement les boîtiers en verre de ceux en plastique, les culots en aluminium de ceux en plastique, etc. En mélangeant toutes les formes, seuls des taux de recyclage inférieurs à 50% ont été atteints jusqu’à présent. Il n’existe actuellement aucune valeur indicative pour un taux de recyclage minimal des sources lumineuses LED.
Approches du recyclage des sources lumineuses LED
Le recyclage séparé des sources lumineuses LED ouvre de nombreuses possibilités en termes de tri ou de récupération de substances nocives et recyclables spécifiques. Dans la pratique, plusieurs approches peuvent être suivies, chacune donnant la priorité à d’autres matériaux:
1) Focalisation sur le boîtier, composé de matériaux «classiques» comme l’aluminium ou le verre
2) Focalisation sur les circuits imprimés, présents en grande proportion, qui contiennent du cuivre et parfois des métaux précieux comme l’argent
3) Focalisation sur les puces ou filaments LED, qui renferment des métaux technologiques rares, notamment le gallium et l’indium
Pour l’instant, aucune approche optimale ou meilleure combinaison n’a encore été choisie. En concertation avec la commission technique SENS, les recycleurs affinent continuellement leurs méthodes.
Questions écologiques et économiques relatives au recyclage des sources lumineuses LED
Les approches mentionnées dans l’encadré ci-dessus sont liées à la focalisation sur les différents composants des sources lumineuses LED: 1) boîtier, 2) circuits imprimés, 3) LED. De nombreux métaux cibles sont majoritairement concentrés dans l’un et/ou l’autre des composants. Lors du choix de l’approche de recyclage se pose la question de l’éco-efficacité, c’est-à-dire de l’impact environnemental par rapport à la rentabilité.
En ce qui concerne la pertinence écologique du recyclage des LED, on peut, à titre de premier point de repère, comparer l’impact environnemental de la production primaire des métaux – et donc l’utilité de leur recyclage1. Pour cela, on mesure la charge environnementale en unités de charge écologique (UCE)2. En comparant les éco-inventaires des métaux utilisés dans les sources lumineuses LED3, on voit par exemple que la production primaire d’argent, qui peut être contenu dans les circuits imprimés et dans les puces LED ou les filaments lumineux (voir tableau 1), entraîne, selon les connaissances actuelles, une charge écologique environ 15 fois plus élevée que la production primaire d’indium, ainsi qu’une charge écologique environ 90 fois plus élevée que la production d’arséniure de gallium. L’extraction primaire du cuivre et de l’aluminium – que l’on trouve dans les circuits imprimés ou dans les boîtiers – entraîne une pollution de l’environnement qui est respectivement d’un et de deux ordres de grandeur inférieure à celle de l’arséniure de gallium.
D’un point de vue environnemental, les approches 2) et 3) semblent donc avantageuses malgré les teneurs relativement faibles des métaux cibles. Toutefois, l’approche 3) n’est pas encore applicable à l’échelle industrielle dans le recyclage, ce que confirme l’étude de Nikulski et al. (2021). Cette étude estime que la récupération de métaux technologiques provenant des sources lumineuses LED n’est actuellement pas rentable, mais que la focalisation sur les métaux précieux est plus prometteuse sur le plan économique4.
En ce qui concerne la récupération de matières premières à partir de sources lumineuses LED, le facteur déterminant concret est de savoir quelles fractions sont générées lors des premières étapes du recyclage et quels repreneurs les valorisent en aval. Les fractions riches en circuits imprimés des sources lumineuses LED peuvent être séparées, ce qui présente un avantage écologique important. Toutefois, une séparation nette des puces et des filaments LED lors de la première étape de traitement constitue aujourd’hui un défi. Même si cela était possible, il n’est pas encore courant que les repreneurs en aval puissent récupérer simultanément toute la gamme de métaux cibles des sources lumineuses LED5.
Le processus de recyclage des LED doit être considéré de manière systémique
La question de la récupération des matériaux cibles importants des DEEE d’un point de vue économique et écologique n’est notoirement pas spécifique aux sources lumineuses LED. Elle concerne de nombreux DEEE, notamment les téléphones portables, les écrans ou encore le photovoltaïque. La quantité de sources lumineuses LED est de l’ordre du millième par rapport à la quantité totale de DEEE en Suisse et la proportion de LED dans la source lumineuse LED représente également qu’une part minime. C’est pourquoi il est important d’envisager de manière globale les efforts en faveur de l’économie circulaire à la fois des LED et des autres composants qui présentent des éléments et des défis similaires, mais dont les quantités sont plus importantes. Cela peut signifier, par exemple, que les fractions issues du traitement de différentes catégories d’appareils sont livrées ensemble à des repreneurs en aval appropriés ou que des projets de recherche communs sont encouragés pour toutes les catégories d’appareils.
Voir aussi:
Élimination des lampes LED: votre guide de recyclage (uniled.at, en allemand)
Cadmium (admin.ch)
1 Une analyse approfondie devrait notamment prendre en compte l’impact environnemental du recyclage.
2 Plus d’informations sur les UCE sous: https://www.bafu.admin.ch/bafu/fr/home/themes/economie-consommation/info-specialistes/les-bases-methodologiques-des-ecobilans/la-methode-de-la-saturation-ecologique.html
3 Données issues de la base de données DETEC:2021 (OFEV [ed.], 2021)
4 Citation: Nikulski, J. S.; Ritthoff, M.; von Gries, N. The Potential and Limitations of Critical Raw Material Recycling: The Case of LED Lamps. Resources 2021,10, 37. https:// doi.org/10.3390/resources10040037
5 Voir p. ex. https://www.umicore.com/en/about/our-metals/