La diffusione dei LED nel settore dell’illuminazione è ancora estremamente limitata rispetto al mercato potenziale di questa tecnologia, ancor più se si fa riferimento alla riduzione dei consumi energetici e al miglioramento nell’efficienza energetica che i LED potrebbero offrire…
….E nonostante questo, i dati relativi alla vendita di LED in package per illuminazione mostrano un aumento quasi esponenziale del numero di chip LED venduti; per quel che riguarda i sistemi di illuminazione LED si stima che il tasso di crescita annuale dell’illuminazione a stato solido si manterrà stabile ad almeno il 12% annuo, fino a superare in quell’anno un volume di 20 miliardi di dollari.
Nel 2012 i ricavi conseguenti alla vendita di LED in package per il settore dell’illuminazione hanno superato i 3 miliardi di dollari, il risultato migliore tra tutte le applicazioni dei LED. Come è spesso avvenuto nell’industria dei semiconduttori, a questo aumento dei volumi corrisponde una progressiva diminuzione del costo dei LED.
Per difendere i profitti, le aziende tendono a diversificare i propri prodotti, proponendo LED ad altissime prestazioni, con prezzi costanti, o soluzioni che riducono drasticamente i costi di fabbricazione grazie ad un aumento delle rese, o a una riduzione del costo del packaging. Alcuni costruttori di LED si stanno inoltre dotando della capacità di produrre componenti e sistemi a più alto valore aggiunto, e iniziano ad offrire servizi integrati per l’illuminazione a stato solido: la separazione tra produttori di LED e fornitori di sistemi di illuminazione sta diventando meno netta.
Un ruolo decisivo nell’alimentare la diffusione dei LED nel mercato dell’illuminazione sarà rappresentato da prodotti non realizzabili con sorgenti di illuminazione tradizionali per fattore di forma, funzionalità (light tuning), integrabilità in sistemi di smart lighting.
In uno studio recente (“Adoption of Light-Emitting Diodes in Common Lighting Applications“, May 2013), il DOE (Dipartimento dell’energia del governo degli Stati Uniti) afferma che l’adozione dei LED ha portato nel 2012 ad un risparmio energetico di 71.000 miliardi di BTU (British Thermal Units), pari a circa 20,8 miliardi di kWh, equivalenti ad una riduzione del costo dell’energia di 675 milioni: l’anno scorso sarebbero state installate circa 50 milioni di luci LED.
Per avere un’idea del mercato potenziale dei LED, se tutte le sorgenti di illuminazione venissero istantaneamente convertite a LED, questo risparmio salirebbe a 3.873.000 miliardi di BTU e 37 miliardi di dollari l’anno.
L’illuminazione a stato solido occupa attualmente una porzione ridotta ma in forte crescita del mercato mondiale. Si stima che nel 2012 le vendite di prodotti contenenti LED per illuminazione abbiano raggiunto 14,4 miliardi di dollari , con una crescita del 25%. Al tempo stesso, il costo della sostituzione di una lampada ad incandescenza da 60 W con una lampada equivalente (in termini di flusso luminoso) a LED è sceso a circa 15 dollari USA (inizialmente era di circa 50 dollari).
L’evoluzione di mercato per i LED
Nella sua roadmap il dipartimento dell’energia del governo americano (DOE) prevede che i LED raggiungano nel 2024 una quota del mercato dell’illuminazione (in lumen-ore) del 60% con un’efficacy di 200 lumen per Watt (lm/W). Queste stime non sono irrealistiche e sono condivise da un gran numero di società di analisi: Mc Kinsey stima una penetrazione del mercato del 52% nel 2020; IHS Global Insight afferma che il 25% delle lampade vendute nel 2020 userà tecnologia LED.
Valori di efficacy superiori a 200 lm/W sono già stati dimostrati in laboratorio e stanno facendo il loro ingresso nel mercato. L’aumento dell’efficacy e dell’intensità di un singolo chip LED ha fatto sì che il numero di LED necessario per raggiungere una certo flusso sia diminuito di un fattore 5 negli ultimi anni: con poco più di 20 chip LED si possono ora raggiungere 10000 lumen.
La tabella I mostra gli obiettivi posti storicamente dal DOE per i LED cool and warm white nel corso degli anni. Si può notare come molti di questi obiettivi siano stati di fatto anticipati dall’industria dei semiconduttori.
Se riportata in funzione dell’efficacy, la diminuzione di prezzo dei LED è quasi esponenziale negli ultimi quattro anni (figura 1). I valori riportati si riferiscono al prezzo commerciale per acquisti superiori alle 1.000 unità, mentre l’efficacy e il flusso luminoso sono calcolati ad una densità di corrente di 35 A/cm2.
La figura 2 è riferita invece al miglioramento previsto per l’efficienza dei luminaire a LED, messa a confronto con quella delle lampade a scarica ad alta intensità e dei tubi fluorescenti.
Mercato dei LED e miglioramento delle tecnologie
Il miglioramento delle tecnologie è alimentato da un considerevole sforzo nelle attività di ricerca e sviluppo, in parte sostenuto dai governi dei vari paesi. Secondo il DOE, il governo cinese ha investito nella tecnologia LED l’equivalente di circa un miliardo di dollari USA nel 2012; Taiwan circa 250 milioni, l’Europa circa 40 milioni, gli Stati Uniti 21 milioni (queste cifre non includono quanto investito in ricerca e sviluppo dalle aziende).
Questo livello di finanziamento negli Stati Uniti è stabile da diversi anni, con l’eccezione del 2009 quando fu portato a 50 milioni di dollari nel quadro delle azioni di stimolo contro la crisi. In Cina, parte degli incentivi sono stati destinati all’acquisto di reattori MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition), necessari per la crescita dell’eterostruttura AlGaN/GaN alla base del funzionamento dei LED, portando il numero di queste apparecchiature – del costo di circa 1,8 milioni di dollari ciascuna – da 135 nel 2009 a più di 800 nel 2012.
La tabella II elenca i maggiori produttori mondiali di LED per illuminazione, segnaletica e backlighting, in ordine di ricavi, con l’indicazione del fattore di crescita.
Si prevede che nei prossimi anni almeno un’industria cinese entrerà a far parte di questa lista.
Se si guarda al mercato dei LED in package, si registra nel 2012 un fatturato di 13,7 miliardi di dollari (che non include le vendite di chip singoli senza package), con un aumento complessivo del 9,6% rispetto al 2011.
Si può vedere nella figura 3 come questo aumento è in buona parte dovuto alla maggiore adozione dei LED nei sistemi di illuminazione, aumento che compensa la ridotta crescita nell’ambito della retroilluminazione di televisori e display, e il calo di ricavi nell’ambito dei display per telefoni cellulari. Il mercato dei LED per illuminazione è passato da 1,5 miliardi di dollari nel 2011 a 3,1 nel 2012.
Nonostante la diminuzione dei prezzi, si prevede che il tasso di crescita annuale del mercato dei LED per illuminazione non si discosti dal 7% fino al 2017 ( vedi figura 1), mentre il tasso di crescita del mercato dell’illuminazione a stato solido si manterrà stabile ad almeno il 12% annuo, fino a superare nel 2017 un volume di 20 miliardi di dollari.
Nonostante la diminuzione dei prezzi, si prevede che il tasso di crescita annuale del mercato dei LED per illuminazione non si discosti dal 7% fino al 2017 (figura 4), mentre il tasso di crescita del mercato dell’illuminazione a stato solido si manterrà stabile ad almeno il 12% annuo, fino a superare nel 2017 un volume di 20 miliardi di dollari.
La crescita di tutte le applicazioni (oltre all’illuminazione, anche la segnaletica, la retroilluminazione per cellulari, display e televisori, ecc.) e il calo dei prezzi corrispondono ad un aumento esponenziale del volume di unità LED prodotti (figura 5).
In termini di numero di chip prodotti, il grafico sarebbe ancora più ripido, perchè molti prodotti venduti come “LED high power” in realtà contengono al loro interno diverse decine di singoli chip.
Le prossime strategie del mercato
Il costo iniziale dei LED rappresenta ancora un problema per la loro diffusione nel mercato (anche se il confronto tra le tecnologie dovrebbe tener conto della diversa durata della vita media sulla base del cost of ownership): a parità di emissione luminosa le lampade LED costano attualmente 8 volte più di una lampada alogena e circa il doppio di una luce fluorescente compatta con intensità regolabile (dimmable).
La guerra dei prezzi quindi continuerà e rischia anzi di acuirsi. I costruttori di LED stanno sviluppando diverse strategie per poter difendere i loro profitti. Da un lato, si possono ottimizzare i costi di produzione riducendo le dimensioni del package dei dispositivi; alcuni esempi di questa strategia sono rappresentati dai LED CREE XQ-D, dai LED Luxeon Z, e dai LED OSRAM OSLON.
Alcuni di questi dispositivi hanno un footprint totale inferiore a 2.5 mm2. Ciò permette di minimizzare i costi relativi al package, e di rendere i LED dei dispositivi puntiformi, semplificando così la progettazione di sistemi ottici, e massimizzando la densità di flusso ottenibile mediante sistemi SMT.
Un’altra strategia per massimizzare il rapporto efficienza/costi consiste nell’ottimizzare le interfacce termiche e ridurre la tensione di lavoro, ottenendo così un significativo aumento dell’efficienza. Questa strategia è stata messa in atto da diversi costruttori di dispositivi: un esempio è la tecnologia Direct Attach di CREE che – mediante un processo “bondpad-down” – elimina la necessità di utilizzare fili di bonding, e permette di raggiungere una migliore dissipazione termica.
Per ridurre i costi e massimizzare le prestazioni a livello di sistema è inoltre possibile realizzare light-engines a elevata densità di integrazione, basati su tecnologia chipon-board. Questa soluzione è ampiamente utilizzata per esempio da SHARP, Citizen, Samsung, e permette di realizzare illuminatori ad elevata efficienza e/o resa cromatica, massimizzando la semplicità di utilizzo ed installazione. Una maggiore versatilità di utilizzo è permessa da light engines in grado di funzionare alla tensione di rete (es. SeAcriche).
Infine, diversi costruttori di sistemi di illuminazione stanno positivamente utilizzando sistemi basati su fosfori remoti: tali soluzioni, pur richiedendo maggiori sforzi in fase di progettazione ottica, permettono di massimizzare le prestazioni e l’affidabilità dei fosfori, mantenendone la temperatura di funzionamento a livelli significativamente inferiori rispetto al caso dei LED in package
L’evoluzione dell’industria dell’illuminazione a stato solido
Come descritto nei precedenti paragrafi, analogamente a quanto avvenuto in passato per altri settori dell’industria dei semiconduttori, la competizione fra diversi produttori sta portando ad una progressiva riduzione del prezzo dei LED, accompagnata da un continuo miglioramento delle prestazioni, in termini di efficienza e flusso luminoso.
Per i costruttori di LED una possibile strategia per rispondere alla contrazione dei prezzi consiste nell’acquisire la capacità di realizzare sorgenti luminose complete, moduli, luminaire, o interi sistemi di illuminazione, integrando in un’organizzazione verticale attività produttive a più alto valore aggiunto.
La maggiore vita media dei sistemi basati su LED comporterà cambiamenti radicali nel mercato dell’illuminazione, riducendo il mercato post-vendita e, in prospettiva, l’impatto dei servizi di manutenzione.
In generale ci si attende un’evoluzione e una differenziazione dei sistemi LED, volte a mantenere alti i profitti in regime di prezzi decrescenti, e a creare nuovi modelli di business e nuovi mercati.
Un’opportunità è offerta da un radicale cambiamento nel progetto dell’illuminazione, che sfrutti appieno le caratteristiche dei LED; altre dall’integrazione dell’illuminazione LED nei sistemi di domotica e in sistemi multifunzionali.
Nascono forti esigenze di standardizzazione, che possono entrare in conflitto con la necessità di proteggere i mercati e le specificità proprie di ciascuna azienda. Cresce l’interesse per servizi di progettazione, realizzazione, istallazione e manutenzione dell’illuminazione a LED per le diverse aree applicative: uffici, industrie, grande distribuzione, edifici pubblici e scolastici, musei e opere artistiche, illuminazione stradale, sport e spettacolo…
Ognuno di questi settori ha esigenze specifiche e deve sottostare alle normative rilevanti; per tutti le soluzioni offerte si propongono di ottimizzare l’efficienza energetica e i benefici commerciali o di gestione ottenuti dall’investimento.
Enrico Zanoni (zanoni@dei.unipd.it), Gaudenzio Meneghesso (gauss@dei.unipd.it), Matteo Meneghini (menego@dei.unipd.it), Nicola Trivellin (ntrivell@dei.unipd.it),
Matteo Dal Lago, Diego Barbisan – Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università di Padova e LightCube srl – Padova
