La récupération d’énergie, au service l'IoT

Cette technologie consiste à collecter et convertir en source électrique de petites quantités d’énergie disponibles dans l’environnement comme la lumière, la chaleur, le son, les ondes radio, les vibrations ou encore les mouvements. La récupération d’énergie n’est pas une technologie nouvelle. Depuis l’apparition des premiers composants électroniques et transducteurs convertissant une énergie en électricité (comme notamment les cellules photovoltaïques ou les modules à effet Peltier), cette technologie est toujours restée dans l’esprit des concepteurs. Cependant, elle trouvait rarement sa place dans les applications pour deux raisons : son efficacité était limitée et l’énergie récupérée était difficilement stockable.

Les récents progrès en matière de consommation des circuits intégrés impulsés par les besoins de l'Internet des objets (IoT) offrent de nouvelles perspectives. Auparavant la récupération d’énergie était négligeable comparée à la consommation des circuits. Aujourd’hui, les nouvelles générations de composants permettent d’envisager la récupération de l'énergie pour améliorer significativement l’efficacité énergétique d’une application ou d'éliminer tout simplement l'usage des piles ou batteries dans certains dispositifs comme les nœuds de capteurs sans fil IoT.

La récupération d’énergie peut s'avérer être un atout essentiel pour l'acceptabilité d'une nouvelle application :

• La réduction des opérations d’entretien -> pas de remplacement des piles
• Le respect de l’environnement en éliminant l’usage des piles et batteries
• De nouvelles perspectives de déploiement d'applications sur sites éloignés ou sous-marins
• Un coût de fonctionnement réduit

Quelle que soit l’énergie collectée, le procédé de capture et de conversion reste sensiblement le même. Il est constitué de quatre éléments :

• un transducteur offrant la conversion d’énergie en électricité
• un circuit de traitement du signal (redressement et amplification du signal)
• un composant de stockage (des super condensateurs)
• une unité de gestion de l’alimentation qui permet d’optimiser la récupération en contrôlant la charge et la décharge de l’élément de stockage

Il existe de nombreuses sources d'énergie dans l'environnement. Elles sont aujourd'hui peu exploitées. Certaines d'entre-elles sont très prometteuses dues à leurs abondances dans notre environnement, comme la lumière, les vibrations, les ondes radiofréquences et les sources de chaleur. Passons-les donc en revue!

La lumière naturelle ou artificielle

La technologie basée sur l'effet photovoltaïque permet de capturer et convertir l'énergie du soleil ou des lumières artificielles. Elle est aujourd’hui celle la plus avancée malgré un rendement relativement faible ne dépassant pas les 20%. Elle offre à ce jour un ratio puissance/surface pouvant atteindre 100mW/cm2. Les recherches afin d'améliorer l'efficacité et d'offrir des possibilités nouvelles ne sont pas arrêtées bien au contraire. De nouveaux matériaux comme le Silicium amorphe (aSi) ou le Cuivre Indium Selenium (CIS) ont vu le jour ces dernières décennies. Ils offrent des propriétés mécaniques plus avantageuses et sont moins onéreux que les Siliciums polycristallin et monocristallin au détriment d'une efficacité moindre. La technologie est couramment employée pour alimenter des capteurs en milieu hostile. Dans ce cas concret, le panneau solaire mesure quelques centimètres carrés. Il fournira l'essentiel de l'énergie en utilisant l'effet photovoltaïque. L'utilisation de cette technologie à l'intérieur est possible mais son efficacité est 1000 fois inférieure. Le silicium amorphe sera le plus approprié.

Les vibrations

Les vibrations sont présentes dans de nombreux environnements et notamment dans l'industrie. Elles sont omniprésentes dans les usines, ce qui est une vraie opportunité pour le déploiement de l'Industrie du futur (l'industrie 4.0) qui nécessite l'usage d'une énorme quantité de capteurs. La conversion vibration-électricité peut être réalisée selon quatre types de capteurs: électromagnétiques, électrostatiques, magnétostrictifs et piézoélectriques.

Pouvant atteindre un ratio puissance/surface de 100µW/cm2, la collecte de l'énergie des vibrations peut être envisagée dans bien d'autres domaines. Voici quelques exemples :

• La récupération de l’énergie cinétique du corps humain pour alimenter des appareils wearables
• La récupération de l'énergie issue de la pression sur les touches pour fournir la source électrique nécessaire à l’instant t afin d'actionner une télécommande
• L'alimentation des capteurs aux abords des voies ferrées en utilisant les vibrations créées aux passages des trains

Les ondes radiofréquences

Les ondes radiofréquence sont nombreuses dans l’environnement, les opportunités pour collecter de l’énergie le sont tout autant. L’utilisation de l’énergie RF pour alimenter des petits appareils n’est pas nouvelle non plus. Utilisée depuis quelques années, la RFID ou Radio Frequency Identification est un exemple concret. Ce système utilise un transfert d’énergie électromagnétique pour fonctionner.

Ces dernières années la présence des radiofréquences s’est décuplée avec l’arrivée des communications cellulaire et Wifi. Cette source d’énergie disponible est très prometteuse et les fabricants de circuits intégrés ont bien compris l'intérêt. Ils proposent désormais des circuits de réception dédiés à la collecte de cette énergie. Ils convertissent les signaux RF en signaux électriques à courant continu. Des modules rectenna (antenne/redresseuse) offrant la conversion RF en signal c.c. sont fabriquées spécifiquement pour cette opération. Bien évidement ce type de récupération d'énergie est une ressource éventuelle pour des applications à ultra faible consommation et une source d'appoint pour les conceptions plus gourmandes. A titre exemple, on peut espérer obtenir une puissance de 1 microwatt en récupérant l'énergie d'un transmetteur de 1 W placé à une distance de 1 mètre.

L’énergie thermique

Notre environnement recèle une quantité considérable de sources de la chaleur. Elle provient notamment de sources liées à l'activité humaine comme les appareils électroniques, les moteurs, les échauffements de systèmes mécaniques etc. Toute cette énergie pourrait être convertie en électricité grâce à la thermoélectricité. Cette technologie est basée sur les effets Seekbeck et Peltier, des propriétés d’association de matériaux découvertes au 19ème siècle.

Les premières applications concrètes ont été commercialisées en 1950 mais son faible rendement n'a pas permis son développement. Les préoccupations liées à l’efficacité énergétique des dernières décennies ont relancé la recherche. Elles ont récemment apporté des avancées timides, avec notamment la découverte de nouveaux matériaux améliorant l’efficacité de la conversion basés sur des nanostructures de tellurure de plomb. Cependant ces matériaux réalisés à base de métaux lourds sont fragiles, rares et coûteux. De ce fait, les recherches continuent pour trouver des alternatives plus rentables. Cependant comme pour les autres sources, les faibles consommations des circuits offrent de nouvelles perspectives :

• Le captage de la température du corps humain pour alimenter les objets wearables, montres connectées ou appareils médicaux connectés comme les stimulateurs cardiaques.
• L'utilisation de la chaleur dégagée par les véhicules pour alimenter les différents capteurs.

Les objets connectés sont amenés à se déployer davantage dans les années à venir. Néanmoins, ce déploiement sera rendu possible uniquement si ces circuits puisent leur énergie dans l'environnement dans lequel ils évoluent. En attendant, de nouvelles avancées en termes d’efficacité de conversion, les fabricants de semi-conducteurs proposent des circuits toujours plus économes et des solutions de gestion de la récupération d'énergie pouvant être multi-sources pour augmenter l'efficacité énergétique des applications.

Désormais, la récupération d'énergie n'est plus une source de frustration pour les concepteurs d'applications électroniques désireux de réduire au maximum l'impact énergétique de leurs conceptions.