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Vers des objets connectés autonomes en énergie

<p>Vers des objets connectés</p>
<p>autonomes en énergie</p>
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Malgré les progrès technologiques dans le domaine du stockage de l’énergie, les limitations des batteries constituent un frein important à leur utilisation au quotidien des terminaux mobiles. Au-delà des smartphones ou tablettes, les nouveaux capteurs et plus généralement les nouvelles générations d’objets connectés ne pourront se développer que s’il est possible non pas d’augmenter leur autonomie mais bien de les rendre entièrement autonomes sur le plan énergétique. En effet, si la plupart des objets connectés ne nécessitent que de faibles quantités d’énergie pour fonctionner, certains d’entre eux ne permettent de remplacer leurs batteries qu'à intervalles réguliers. C’est le cas des capteurs placés dans des environnements difficiles d'accès, mais aussi de certains capteurs environnementaux ou encore des dispositifs médicaux implantés.

Les solutions envisagées pour rendre ces dispositifs autonomes sont désormais liées aux technologies de récupération d'énergie (energy harvesting).  Elles ont pour but de fournir aux objets ou aux capteurs connectés de faibles quantités de d’énergie à partir de sources ambiantes : lumière solaire, variations de température ou encore énergie issue des mouvements ou des vibrations.

 

Les mouvements comme source d’énergie

Plusieurs technologies sont désormais utilisées pour convertir les mouvements en électricité. Depuis la traditionnelle bobine électrique se déplaçant dans un champ magnétique, jusqu’aux systèmes utilisant les propriétés des certains matériaux à transformer l'énergie mécanique en énergie électrique (effet piézoélectrique) ou plus récemment, le recueil d’énergie issue du déplacement d’un fluide dans des nanostructures.

La première source « naturelle » de mouvement utilisée était celle du mouvement de la marche. Plusieurs sociétés ont ainsi conçu des dispositifs sous forme de boîtiers séparés qui font office de batteries d’appoint « auto-rechargeables ». La compagnie Tremont Electric a ainsi développé un générateur personnel d’énergie le NPower PEG. Ce cylindre d’environ 300 grammes possède une batterie au lithium qui stocke l’énergie cinétique produite par son possesseur lors de la marche, la course ou lors de déplacements à vélo (Source : Wired).
Une équipe de chercheurs italiens, de son côté, a mis au point des chaussures qui convertissent l'énergie mécanique de la marche. Le système permet déjà de recharger 25% d'une batterie de portable après une marche rapide de deux ou trois heures. 
Le constructeur Nokia a, pour sa part, déposé un brevet sur une batterie piézoélectrique utilisant l'énergie cinétique recueillie dans le téléphone lui-même. Le système utilise les composants les plus lourds du téléphone (transmetteur radio ou batterie) en les plaçant sur des mini-rails pour que ces éléments puissent se déplacer horizontalement ou verticalement selon les mouvements du téléphone. Des systèmes piézoélectriques positionnés sur les extrémités de ces mini-rails permettent alors de transformer les mouvements de l'appareil en électricité. Nokia prévoit d'utiliser ce dispositif pour recharger partiellement la batterie de ses téléphones portables et augmenter leur autonomie (Source : Piezo-électrique).  La société Jung Inyoung envisage, pour sa part, d’exploiter l’énergie cinétique produite par les roues d’une valise lors de son déplacement.

Une approche différente consiste à récupérer de l’énergie directement à partir des vêtements ou des chaussures d’une personne. Ainsi, la semelle mise au point par des chercheurs du Wisconsin utilise l’électricité générée par le mouvement d’un microfluide dans une nanostructure. Une start-up, InStep NanoPower, a été créée pour passer à l’étape suivante : l’intégration à une paire de chaussure, qui permettrait de produire entre 1 et 10 W par semelle.  Sur le même principe, le Moov Concept du brésilien Joao Lammoglia fait appel à un mini-générateur piézoélectrique inséré dans la semelle d’une chaussure qui convertit en électricité la pression exercée à chaque foulée.
 

Des technologies similaires devraient bientôt permettre la mise au point de capteurs de mouvement à l’intérieur du corps. À l'université de Princeton, des chercheurs ont ainsi mis au point une structure de nano-ruban imprimée sur des feuilles de silicone. 80% de l'énergie mécanique appliquée sur ce matériau piézoélectrique est alors convertie en énergie électrique. La biocompatibilité du silicone permet d'intégrer ce type de capteurs à l'intérieur du corps pour recueillir de l’énergie à partir des mouvements de la personne ou même de sa respiration. Ce type de technologies devrait permettre d’alimenter, des appareils médicaux implantés comme un stimulateur cardiaque ou une pompe à insuline (Source : Ambassade de France aux États-Unis/ADIT). 


Vers des cellules solaires invisibles

De nombreux industriels ont conçu des dispositifs permettant d’utiliser l'énergie solaire pour recharger les appareils mobiles. Dans un premier temps il s’agissait de mini-panneaux solaires qui permettaient de recharger les appareils mobiles au moyen d’un port USB intégré. Depuis des dispositifs indiscernables des appareils eux-mêmes ont été conçus. Il s’agit de films photovoltaïques transparents intégrés dans l'écran du terminal (Source : Ambassade de France en Autriche/ADIT

Ainsi, l’entreprise française Wysips, filiale du groupe provençal SunPartner, prépare la commercialisation d’une surface photovoltaïque transparente qui permettra de recharger les objets susceptibles d'être exposés au soleil et en premier lieu les écrans de terminaux mobiles. Cette technologie correspond à l’assemblage de cellules solaires miniaturisées sur un film de plastique et de procédés optiques permettant de rendre ces cellules transparentes. Les premiers modèles disposeront d’une capacité de quelques milliwatts par centimètre carré qui devrait autoriser à une autonomie de 15 minutes de conversation pour une heure d’exposition au soleil. La recharge complète devrait être assurée en six heures, y compris à partir de lumière artificielle au bureau ou à la maison. Les surcoûts d’intégration de cette surface productrice d’énergie sont évalués à environ un euro par mobile. Un consortium a ainsi été formé par la société Wysips, le spécialiste de la sécurité numérique Gemalto et le fabricant français de tablettes numériques Archos pour développer Smart 4G Tablet, une tablette 4G entièrement autonome en énergie. Ce projet a été labellisé par le Pôle de Compétitivité SCS (Solutions Communicantes Sécurisées). 

Des chercheurs de l’University College de Londres travaillent, de leur côté, à la réalisation d’un parapluie utilisable dans les zones où il est difficile de recharger son portable. Il servirait à la fois de chargeur solaire et d’amplificateur de signal 3G. Booster Brolly, est ainsi équipé de panneaux solaires flexibles intégrés dans la texture du parapluie (source : Blog Vodafone UK).

En Californie, des chercheurs du Caltech travaillent à la mise au point de cellules photovoltaïques flexibles composées de seulement 2% de silicium : ces cellules permettraient de récupérer 85% de l'énergie lumineuse incidente en assurant un taux de conversion d'environ 95%. Composé d'un réseau utilisant des fils de silicium, ce matériau pourrait annoncer l’apparition de vêtements photovoltaïques. (Source : Ambassade de France aux États-Unis/ADIT


Des vêtements comme source d’énergie

Les cellules photovoltaïques ne sont pas les seules technologies susceptibles de s'intégrer dans l'habillement. Des chercheurs de l’Université de Berkeley ont ainsi mis au point une nouvelle fibre piézoélectrique dix fois plus fine que les fibres textiles. Tissées en réseau, ces fibres permettent de cumuler les tensions électriques produites par chacun des fibres. D’un diamètre de 500 nanomètres, ces fibres pourraient être incorporées aux tissus actuels. Les mouvements du tissu entraîneraient une contrainte mécanique sur les fibres qui induirait la création d'un faible courant électrique qui pourrait à son tour être stocké. (Source : Ambassade de France aux États-Unis/ADIT

 

Réussir à combiner les différentes formes d’énergie

Isolément, les sources d’énergie ambiantes ne suffisent pas toujours à alimenter des objets connectés. C’est la raison pour laquelle la start-up française Greensystech a mis au point une technologie qui exploite l’énergie lumineuse à l'intérieur, ou solaire en extérieur (en utilisant des mini-panneaux solaires) mais aussi la différence de température dans l’environnement du capteur. Parmi les domaines d’application figurent la domotique (avec par exemple des capteurs d'humidité ou de température), la surveillance des bâtiments industriels en particulier la détection de vibration en zone sismique ou la détection de feux de forêt. Accompagnée et hébergée par Normandie Incubation, Greensystech a fait partie des lauréats du concours national d'aide à la création d'entreprises innovantes. 

Dans le même ordre d’idée, deux chercheurs du MIT viennent de mettre au point une puce capable de capter en même temps l'énergie de la lumière, des vibrations et des variations de chaleur. Bien que chaque source d'énergie ne produise qu'une petite quantité d'électricité, les scientifiques ont conçu un système de contrôle qui permet de combiner ces trois sources. Selon ses concepteurs, cette technologie pourrait être intégrée dans des dispositifs de surveillance biomédicale, pour alimenter des capteurs environnementaux, voire, à terme, pour recharger les terminaux mobiles (Source : MIT). 

Un projet européen pour des capteurs connectés et autoalimentés

Le consortium de recherche Guardian Angels  travaille à la mise au point des nouvelles générations de capteurs autonomes sans fil. Pour concevoir ces capteurs, les 28 partenaires du projet parmi lesquels figurent des laboratoires de recherche publics (CNRS, CEA, Cambridge…) et des laboratoires industriels ( ST Micro, Thales, IBM ou Intel), doivent relever plusieurs défis technologiques. L’un d’entre eux consistera à intégrer dans un même dispositif le capteur, le processeur et la mémoire pour traiter les données recueillies, le système de communication sans fil et enfin la source d’énergie pour alimenter l’ensemble. Ce dernier point nécessitera le développement de technologies photovoltaïques ou des batteries souples et plates pour stocker durablement de faibles quantités d’énergie ainsi que la conception de récupérateurs thermoélectriques ou piézoélectriques, capables de convertir les variations de température ou des vibrations issues de l’environnement en courant électrique. Le projet Guardian Angels fait partie des six consortiums qui participent à l’initiative européenne Future and Emerging Technologies (FET Flagships). (Source : Future & Emerging Technologies Flagships Initiative).

Selon le cabinet Pike Research, plus de 50 millions d’objets utilisant ces procédés d’alimentation électrique ont été vendus en 2012 et leur nombre devrait quadrupler d’ici 2015, pour représenter un marché total de 10 milliards de dollars (Source : Pike Research).

 

Voir aussi :

Un projet européen pour des capteurs connectés et autoalimentés

Recharger la batterie de son téléphone mobile en marchant...

La marche comme source d’énergie pour recharger les mobiles

Recharge électrique des terminaux mobiles à distance

Vers des objets connectés autoalimentés

Un écran solaire pour la recharge des smartphones et tablettes