Click. E abbiamo tutta la luce che vogliamo. Se sono cresciuti in campagna, qualcuno dei nostri nonni, da bambino, ha vissuto gli ultimi anni in cui la luce domestica era ancora legata a una fiamma e al combustibile che la alimentava. Da 80-90 anni ogni angolo d’Europa o degli altri paesi ricchi è stato raggiunto dall’elettricità e quindi dalle lampadine elettriche. La loro corsa era iniziata intorno al 1880, ma è solo dai primi anni del Novecento che case, uffici, fabbriche ed edifici pubblici iniziano ad essere illuminati con l’elettricità.
Accendere la luce è un gesto scontato che ha implicazioni ben più ampie di quanto sembri. La scelta della tecnologia di illuminazione incide sulla bolletta energetica di casa come della scuola, sulle emissioni di CO₂ dell’edificio, sulla qualità della luce che aiuta a fare i compiti, e persino sull’inquinamento dei suoli e sulle risorse che lasceremo alle generazioni future.
Nella storia delle lampadine elettriche di uso domestico si possono individuare tre grandi stagioni: prima le lampadine a incandescenza, quindi lampade a fluorescenza compatta del 1980, dette CFL (che però hanno le loro radici nei tubi al neo prodotti su vasta scala a partire dal 1938), infine la tecnologia LED (Light Emitting Diode) che ufficialmente entra nelle case a metà anni Sessanta (il LED rosso, spia che segnalava un elettrodomestico acceso ma in stand by, per esempio) e che diventa prima striscia bianca e poi lampadina in mille forme intorno allo scavallare del millennio. Tre tecnologie, tre paradigmi tecnologici che ridisegnano il rapporto tra luce, energia e ambiente. Quali sono i loro vantaggi ambientali, incluso il delicato tema del fine vita e dello smaltimento?
Lampadina o stufetta?
La lampadina a incandescenza è la tecnologia più antica tra quelle ancora diffuse negli edifici più datati (dal 2009 in UE è vietato produrne di nuove ma i magazzini hanno pian piano smaltito l’assortimento). Quando la corrente elettrica attraversa un sottile filamento metallico, tipicamente di tungsteno, questo si riscalda fino a raggiungere temperature altissime (fino a circa 2.500°C), emettendo luce visibile come conseguenza del calore prodotto. La scelta del tungsteno (che dal 1906 va gradualmente a sostituire il filamento di carbonio delle lampadine di Cruto) è la svolta: questo metallo è stato scelto proprio per il suo elevatissimo punto di fusione, che gli consente di sopportare tali temperature senza vaporizzarsi. All’interno del bulbo di vetro è presente un gas inerte (azoto o argon) oppure un vuoto parziale, indispensabile per rallentare l’ossidazione del filamento. Le versioni più evolute, le lampadine alogene (commercializzate dal 1959), aggiungono al gas una piccola quantità di alogeni (iodio o bromo), che innescano un ciclo chimico capace di ridepositare il tungsteno evaporato sul filamento, prolungandone leggermente la vita e rendendo più facile l’uso del dimmer: la luce dimmerabile si ha quando si usa un cursore o una manopola per modificare l’intensità della luce.
Il problema fondamentale di questa tecnologia è termodinamico: nel migliore dei casi solo il 10% dell’energia elettrica assorbita viene effettivamente convertita in luce visibile, mentre il restante 90% viene dissipata come calore. In termini di efficienza luminosa, le lampadine a incandescenza producono all’incirca 10-11 lumen per watt (lm/W), il valore più basso tra tutte le tecnologie di illuminazione disponibili. La loro durata di vita è di circa 1.000-1.200 ore di funzionamento.
Per comprendere l’entità di questi numeri: una lampadina a incandescenza da 60 W produce circa 800 lumen di luce. La quasi totalità dell’energia assorbita serve a scaldare il filamento, non a illuminare la stanza. Questo si traduce in costi energetici elevati e in una produzione di calore che può anche influire negativamente sul comfort termico di una stanza. Sono più stufette che lampadine.
Ma non era Edison l’inventore della lampadina?
Chi ha notato che abbiamo scritto “…filamento di carbonio delle lampadine di Cruto”? Come spesso capita nella storia della scienza è possibile che la stessa invenzione sia attribuibile a più inventori. Magari con poche differenze, magari con esperimenti condotti indipendentemente e pochi mesi di distanza. Poi nella Storia rimangono i brevetti e gli standard che si affermano sul mercato.
Permetteteci una parentesi che consente di ripristinare una verità storica e un po’ di orgoglio subalpino (dato che chi scrive è piemontese). Il 1847 è un anno fondamentale per la storia dell’illuminazione elettrica: l’11 febbraio, in Ohio, nasce Thomas Alva Edison, il 24 maggio nasce Alessandro Cruto e il 30 ottobre, a Livorno Piemonte (oggi Livorno Ferraris), nasce Galileo Ferraris. Cruto è figlio di un muratore, frequenta le elementari al paese e poi va a Torino a studiare da capomastro. Curioso di tutto, quando riesce si intrufola a seguire qualche lezione di fisica e di chimica all’università. Fu qui che apprese che diamante e carbone hanno la stessa origine chimica: una informazione semplice quanto sconvolgente, tant’è che nel suo diario (Natale 1868), si legge della decisione di studiare il modo per trasformare il diamante in carbonio.
A 21 anni, grazie ad alcuni risparmi della madre, Cruto acquista qualche strumento e i materiali per i suoi esperimenti sui diamanti artificiali. Lavora nel tempo libero, nelle cantine di casa, cercando di cristallizzare il carbonio seguendo diversi modi. Oggi sappiamo che non ce l’avrebbe mai fatta: all’epoca le conoscenze della chimica del carbonio erano imperfette e non si disponevano di macchinari adeguati; il primo diamante sintetico fu realizzato solo nel 1953.
Una conferenza pubblica di Galileo Ferraris salvò Cruto dalla frustrazione in agguato. Il 24 maggio 1879 Ferraris, scienziato di fama mondiale, di ritorno da un viaggio esplorativo negli USA, racconta dei progressi americani sulla illuminazione elettrica, soffermandosi sulla “novità” del momento: le lampade a incandescenza. La tecnica di ottenere luce facendo passare la corrente su un filamento posto in un bulbo sottovuoto era già nota da 8-10 anni ma il filamento giusto ancora mancava. Doveva esser robusto, emettere una luce significativa, durare abbastanza da giustificare l’acquisto di una lampadina e doveva esser facile da produrre su scala industriale. Lo stesso Edison ci stava provando da anni, testando decine di materiali diversi e investendo 100 mila dollari dell’epoca. Accontentandosi di un filamento di fibra di bambù carbonizzata, il meglio a cui era arrivato.
Nella testa di Cruto probabilmente ci fu un cortocircuito: mezzo mondo si arrovellava sul filamento più adatto e lui già aveva la soluzione in tasca! Un paio d’anni prima, infatti, aveva realizzato un filamento di carbonio, cavo all’interno (una sorta di tubicino, di guaina) che forse poteva funzionare. Grazie al sostegno di Andrea Naccari, che gli mise a disposizione il laboratorio di fisica dell’Università di Torino, il 4 marzo 1880 Cruto accende la sua prima lampadina: ha una luce bianca, gradevole, di intensità stabile.
Piemonte batte Ohio 3 a 0
Quasi nessuno si accorse del successo torinese. Edison aveva già trovato i finanziamenti per una fabbrica di lampadine a filamento di bambù e con la sua tipica spavalderia aveva convinto il mondo intero della indiscutibile bontà del suo prodotto. Cruto perfezionò alcuni prototipi e alla fine del 1881 riuscì a organizzare un confronto pubblico tra lampadina Cruto e lampadina Edison. Piemonte batte Ohio 3 a 0: la lampadina nata a Piossasco aveva una durata ben maggiore (500 ore contro le 40 di quelle di Edison, fu misurato nei mesi seguenti), aveva una luce bianca e pulita rispetto a quella giallastra e talvolta tremula di ottenuta da Edison ed era meno complicata da produrre. Nel 1884 buona parte delle sale della Mostra dell’Elettricità dell’Esposizione Generale Italiana di Torino vengono illuminate col sistema Cruto e nell’aprile 1885 nasce il suo primo opificio, ad Alpignano, sulle rive della Dora (che tutt’ora ospita la sede dell’EcoMuseo “Sogno di luce”) che in pochi anni ha già 26 dipendenti e produce 1000 lampadine al giorno, esportate in tutto il mondo, Stati Uniti compresi.
Cruto si dimostra abile progettista di nuovi macchinari per rendere più efficiente la produzione e per realizzare bulbi migliori e affidabili Cruto reclutò i soffiatori di vetro di Burano. Brevettò persino una lampadina dal filamento removibile, un esempio di industria attenta agli sprechi e lontanissima dell’imperante usa-e-getta di oggi. Dopo assortite vicissitudini la fabbrica venne infine ceduta alla Philips (1927), che qui mantenne una linea di produzione di lampadine fino alla fine degli anni Sessanta.
Come funziona una lampada fluorescente compatta (CFL)
Sull’esperienza maturata inizialmente dalla General Eletric (1938) su tubi al neon di varia dimensione, negli anni Settanta si mettono a punto le lampadine fluorescenti compatte, giustamente più note come “lampadine a risparmio energetico”. All’interno di un tubo di vetro (ripiegato su sé stesso per ridurre gli ingombri) è presente una miscela di gas argon e vapore di mercurio a bassa pressione. Quando una corrente elettrica attraversa il tubo, sparpagliandosi e non più correndo lungo un filo, ionizza il gas e stimola gli atomi di mercurio a emettere radiazione ultravioletta (UV) invisibile. La radiazione UV colpisce quindi uno strato di fosforo depositato sulle pareti interne del tubo, che la converte in luce visibile attraverso il processo di fluorescenza.
Un elemento cruciale del funzionamento delle CFL è il ballast (reattore elettronico), che serve ad avviare la scarica elettrica e a regolare il flusso di corrente durante il funzionamento. I modelli più vecchi utilizzavano ballast magnetici, responsabili del famoso “ronzio” e del fastidioso sfarfallio. I modelli moderni impiegano ballast elettronici che eliminano questi difetti.
Le lampade CFL hanno un’efficienza luminosa compresa tra 50 e 70 lm/W e una durata di vita di circa 8.000 ore. Rispetto all’incandescenza, consumano circa il 75% di energia in meno per produrre la stessa quantità di luce. Tuttavia, presentano alcune limitazioni operative: richiedono un tempo di riscaldamento (anche 30 secondi) per raggiungere la piena luminosità. Sono generalmente poco adatte a cicli frequenti di accensione-spegnimento, la maggior parte non è dimmerabile e la loro efficienza si riduce a basse temperature.
Il tallone d’Achille delle CFL è però di natura ambientale: ogni lampada contiene circa 2-5 mg di mercurio, un metallo pesante altamente tossico per il sistema nervoso, i reni e il sistema cardiovascolare. Questa caratteristica, come vedremo, ha importanti implicazioni per lo smaltimento.
Un puntino rosso rivoluzionario
I LED (Light Emitting Diode, diodi a emissione di luce) rappresentano una categoria tecnologica radicalmente diversa. Il loro principio di funzionamento è l’elettroluminescenza: la produzione diretta di fotoni di luce attraverso un processo elettronico, senza la mediazione del calore o di un plasma gassoso. Il cuore di un LED è un cristallo solido semiconduttore che ha la forma di un chip piatto ed è costituito da due zone: una con un’abbondanza di elettroni (zona N) e l’altra con “vuoti”, delle lacune, una progettata mancanza di cariche negative (zona P). Per colmare i suoi “vuoti” di cariche negative la zona P è ben contenta di accogliere elettroni. Ma dove prenderli? Dal passaggio di corrente elettrica, che provoca lo spostamento degli elettroni dalla zona N alla zona P. Durante il “salto” di elettroni da una zona all’altra del cristallo si liberano dei fotoni che noi percepiamo come luce. Interrompendo il passaggio di elettricità, tutto si ferma e torna la quiete.
L’efficienza luminosa dei LED è straordinaria: i prodotti commerciali per uso generale raggiungono oggi 80-160 lm/W, con punte sperimentali che superano i 200 lm/W. I LED ad alta efficienza per uso professionale raggiungono valori teorici di 300 lm/W o più. I LED si accendono istantaneamente, senza tempi di riscaldamento, sopportano cicli frequenti di accensione-spegnimento, sono pienamente dimmerabili (se la versione lo prevede), funzionano a basse temperature meglio di qualsiasi altra tecnologia e non contengono mercurio né altre sostanze tossiche.
Le lampade a LED sono altamente rispettose dell’ambiente, anche grazie al contributo della vituperata plastica, che gioca molti ruoli. Il semiconduttore può essere un cristallo di materiale inorganico oppure un chip di plastica solida: alcuni polimeri organici classificabili come “plastiche”, infatti, opportunamente trattati si comportano come semiconduttori. È di plastica anche la lente che ha la doppia funzione di protezione del chip e di lente ottica poiché definisce l’angolo di apertura dei raggi luminosi emessi dal led e quindi il colore della luce percepita dai nostri occhi. Tutta la struttura della lampadina formata da più led accostati nonché lo specchio parabolico che concentra la luce è in plastica. E proprio perché quasi interamente di plastica, una lampadina che finisce in discarica ingombra ma non inquina. Ma se la raccogliamo è pure facilmente riciclabile.
Più luce meno emissioni di CO₂ (e meno rifiuti)
L’analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assessment, LCA) di queste tre tipologie di lampadine mostra con grande coerenza che la fase d’uso è responsabile dell’82-99% dell’impatto ambientale totale di una lampada, indipendentemente dalla tecnologia. In altre parole, è l’energia consumata durante la vita operativa della lampada (non i materiali né la produzione o il trasporto) a determinare quasi interamente il suo impatto sull’ambiente.
Partendo da questo dato, il vantaggio dei LED è schiacciante. Un’analisi LCA comparativa pubblicata in “Chemical Engineering Transactions” ha evidenziato che l’utilizzo di lampade a incandescenza produce una impronta di carbonio per unità di luce erogata che è 52% più alto rispetto alle CFL e 75% più alto rispetto ai LED. Uno studio dell’IEA (International Energy Agency) già nel 2012 aveva pronosticato, per una abitazione o una scuola, un potenziale di risparmio energetico annuo dell’85% rispetto all’incandescenza per le lampade LED di nuova generazione. Arrivando a stimare che le lampade LED hanno il potenziale di ridurre il consumo globale di energia per l’illuminazione del 50% entro il 2030. Con l’aumento di pannelli solari, ovvero l’auto produzione in loco, tutto è ulteriormente migliorabile.
Infine, una considerazione sul fine vita di questi oggetti. Un LED di buona qualità ha una durata dichiarata di 25.000-50.000 ore, con punte fino a 100.000 ore per applicazioni professionali. Confrontando con la durata di una lampadina a incandescenza (circa 1.200 ore), per eguagliare la vita operativa di un singolo LED sarebbero necessarie circa 40-50 lampadine a incandescenza. Anche rispetto alle CFL (circa 8.000 ore), il LED dura 3-6 volte di più. Questo dato ha implicazioni concrete per la riduzione dei rifiuti: meno lampadine prodotte, imballate, trasportate e smaltite nel corso del tempo. In un’ottica di economia circolare, la riduzione del numero di sostituzioni è di per sé una forma di risparmio di risorse.
E rispetto alle lampade a fluorescenza il vantaggio ambientale riguarda anche l’inquinamento da mercurio, non presente nei LED. Questo vantaggio ha due dimensioni: la prima è il rischio immediato in caso di rottura accidentale della lampada (le CFL rotte rilasciano vapore di mercurio nell’ambiente domestico); la seconda è il rischio a lungo termine legato allo smaltimento scorretto.
Per smaltire correttamente lampade LED la normativa europea le classifica come Rifiuti di Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche (RAEE) e devono essere raccolti separatamente o in appositi bidoni (nei supermercati, ad esempio) o nelle isole ecologiche. Fatelo e raccontatelo a tutti perché i LED contengono materiali di elevato valore industriale e strategico: diversi modelli di lampade LED contengono il 50% in peso di metalli comuni (alluminio, rame) e il 13% di schede elettroniche (ovvero metalli delle terre rare, come argento, oro e altri materiali critici). Tutti materiali che possono esser estratti e riutilizzati, senza scavare nuove miniere e diminuendo la dipendenza dalla Cina.
Fonti e approfondimenti
U.S. Department of Energy – Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) — Life-Cycle Assessment of Energy and Environmental Impacts of LED Lighting Products (2012). URL: https://www1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/lca_factsheet_apr2013.pdf
IEA 4E SSL Annex — LEDs Can Drastically Reduce Environmental Impact of Lighting (2020). URL: https://www.iea-4e.org/ssl/news/leds-can-drastically-reduce-environmental-impact-of-lighting
Uddin et al. / PubMed (PMC4123577) — Cost-Benefit Analysis and Emission Reduction of Energy Efficient Lighting, Sustainability, 2014. URL: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4123577/
Andersen et al. / ScienceDirect — A comparative life cycle assessment (LCA) of lighting technologies for professional installations, Journal of Cleaner Production, 2016. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/am/pii/S0959652616000329
Environmental Impact Analysis of LED Lighting Products, Cyprus University of Technology, 2017. URL: /uploads/sites/13/2017/03/80..pdf
European Commission / Scientific Committee on Health and Environmental Risks (SCHER) — Mercury in Compact Fluorescent Lamps, 2011. URL: https://ec.europa.eu/health/scientific_committees/opinions_layman/mercury-in-cfl/
Commissione Europea — Regolamento (CE) n. 244/2009 (Ecodesign) e Regolamento UE 2019/2020 (Single Light Regulation). EUR-Lex.
D.Lgs. 49/2014 — Attuazione della Direttiva 2012/19/UE sui RAEE in Italia. CdC RAEE: https://www.cdcraee.it/
Direttiva RAEE 2012/19/UE — Parlamento Europeo e Consiglio dell’Unione Europea.
International Energy Agency (IEA) — Energy Efficiency 2025, rapporto annuale sull’efficienza energetica globale.