Comment certains objets connectés « grappillent » de l’énergie ambiante pour être autonomes

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Crédits : ipopba/iStock
Science
Sébastien Gavois

Si les objets connectés se multiplient, ils deviennent un défi, à plus d'un titre. Notamment à travers leur consommation et leur alimentation électrique. Certains constructeurs développent donc des produits capables de récupérer l’énergie de leur environnement. Des solutions vitales dans certains contextes, comme l'industrie médicale.

Les objets connectés envahissent doucement mais sûrement le monde qui nous entoure : domotique, transports, industrie, agriculture, médecine, armée, aérospatiale… les débouchés sont aussi nombreux que variés.

Dans son Journal, le CNRS reprend à son compte une estimation qui, à défaut d'être une certitude, permet au moins de se faire une vague idée des enjeux que cela représente : « il existe cinquante milliards d’objets connectés dans le monde, pour un marché d’environ cinq cents milliards de dollars ». 

Même le plus économe des réseaux nécessite de l’énergie

Pour ce qui est de la connectivité, on dispose déjà d'une diversité de solutions. Parfois avec une optimisation de la consommation comme dans les protocoles spécifiques à l'IoT tels que Z-Wave et Zigbee, les normes LTE-M et NB-IoT de la 4G, le Bluetooth LTE et les réseaux bas débit comme LoRa et Sigfox.

Mais cela commence à s'étendre à des protocoles plus classiques. Ainsi, la 5G a été pensée afin d'être exploitée dans des réseaux d'objets connectés. Avec le Wi-Fi 6, des avancées ont été faites concernant le nombre d'appareils pouvant être utilisés en simultanée par exemple. Une norme qui, bien qu'elle soit en deçà pour sa consommation, est facile à intégrer pour les clients et à mettre en œuvre. Elle reste donc encore largement utilisée dans ses version actuelles (Wi-Fi 4/5).

Mais la gourmandise énergétique des objets connectés n'est pas toujours perçue comme un défi par l'utilisateur. Notamment pour ceux qui alimentés par le secteur ou cet aspect est moins visible. Pourtant, leur multiplication au sein d'un foyer n'est pas anodine. Si vous en avez une dizaine qui consomme constamment cinq watts, la facture peut être lourde à la fin de l'année (66 euros à 0,15 euro du kWh).  Limiter leur consommation reste donc un enjeu.

Surtout que la réduction de leur empreinte énergétique participe celle du foyer. De manière faible par rapport à d'autres appareils (cuisson, lavage, vieilles ampoules, NAS/PC, etc.), mais tout de même. Pour ceux qui veulent favoriser leur autonomie énergétique, par exemple en autoconsommation via des énergies renouvelables, c'est important.

Mais il y a des cas où la consommation d'un objet connecté est plus directement critique : ceux qui sont déconnectés du réseau électrique, et doivent être parfaitement autonomes sur de longues durées. Si vous avez une dizaine de têtes thermostatiques sur votre système de chauffage, ou de capteurs divers au sein de votre maison, vous imaginez devoir en changer les piles/batteries toutes les semaines ? Et l'impact de tout cela d'un point de vue environnemental ?

Une problématique décuplée dans de gros bâtiments ou à l'échelle industrielle. L'une des solutions disponibles est alors de « grappiller » de l’énergie dans l’environnement de l'objet. On parle aussi d'« energy harvesting ».

Exploiter l'environnement de l'objet pour l'alimenter

Rappelons tout d’abord que la récupération et la transformation d’une source d’énergie n’est pas nouvelle. Au début, elle ne concernait d’ailleurs même pas l’électricité. 

C'est le principe des moulins utilisant la force de l’eau ou du vent pour actionner une roue ou des montres à remontage automatique utilisant le mouvement du poignet pour réarmer un ressort.  Ces dernières existent depuis la fin du XVIIIe siècle, plusieurs dizaines d’années avant la naissance du célèbre inventeur Thomas Edison.

Le monde d’aujourd’hui n’est évidemment pas le même et l’électricité y règne en maître. Lorsqu'un objet connecté ne peut être relié au réseau, il est désormais courant d'utiliser l'énergie du soleil via des cellules photovoltaïque et une petite batterie de secours par exemple. C'est notamment le cas pour les caméras de sécurité, lampes extérieures ou portails.

Mais il existe des objets où il n'est pas nécessaire d'en arriver là, pour la simple raison qu'ils n’ont besoin que d’une infime quantité d’énergie pour fonctionner. Les cas d’usage sont nombreux : interrupteur, capteur divers, pacemaker, balise GPS, etc. « On essaye d’alimenter ces appareils sans avoir à passer par des piles ou des batteries, qu’il faudrait changer régulièrement.  Ils doivent donc être capables de récupérer leur propre énergie et celle alentour, puis de la convertir en électricité », explique Romain Bachelet, chercheur au CNRS à l’Institut des nanotechnologies de Lyon.

Les transducteurs à la rescousse

« En plus de l’aspect récupération, le grappillage d’énergie demande une conversion d’énergie (ou transduction), d’un signal physique en un autre, principalement électrique. On obtient ainsi de l’électricité à partir d’un vaste panel de sources ambiantes mécaniques (vibratoires, variations de pressions), thermiques (variations ou différence de température), lumineuses (photovoltaïque), (électro)magnétiques (RF)… », selon le CNRS.

Dans tous les cas, un élément clé est indispensable : le transducteur. La proximité de « transducteur » avec le mot « traducteur » n’est pas un hasard. Au lieu de transformer un message d’une langue vers une autre, il s'agit d'un « dispositif assurant une conversion ou un transfert de signaux et dans lequel un signal au moins est de nature électrique », rappelle le Larousse. Les sources d’énergie pouvant être utilisées sont variées : 

  • Chaleur (thermoélectrique)
  • Rayonnement solaire (photovoltaïque)
  • Mouvements (piézoélectrique)
  • Ondes radio

Il s'agit d'un trottoir électrique qui utiliserait la pression des piétons pour produire de l’électricité (ou avec des semelles de chaussures), des « vitres solaires » laissant passer la lumière en récupérant une partie du rayonnement, etc.

Une solution qui a ses limites

Ne pensez pas alimenter une ampoule ou une webcam grâce à cette technique : « nous sommes en présence de toutes petites puissances, de l’ordre du microwatt jusqu’au milliwatt », explique Elie Lefeuvre, chercheur au Centre de nanosciences et de nanotechnologie. La moindre perte dans le circuit ou une consommation trop importante du transducteur peut donc être un véritable souci et réduire à néant la récupération d’énergie.

« Les problèmes se rencontrent surtout à l’interface des transducteurs, chargée d’améliorer les rendements sans consommer plus que ce qu’elle apporte. Le grappillage se saisit d’énergies de faible puissance, mais à la tension pouvant être relativement élevée. À l’inverse, les transducteurs fournissent un courant plus raisonnable, mais avec des tensions très réduites », explique le scientifique dans le Journal du CNRS.

Une fois ces milliwatts récupérés, il faut les stocker. Le grappillage d’énergie ne fonctionne en effet pas forcément en continu et les objets n’ont généralement besoin d’être alimentés que par intermittence, ou alors de manière continue avec une consommation très faible, agrémentée de pics lors des réveils pour envoyer des données par exemple.

Il faut donc que l’énergie délivrée par le transducteur soit emmagasinée pour ensuite être délivrée en fonction des besoins, mais ce n’est pas systématique. Dans les produits EnOcean par exemple, on retrouve des interrupteurs et boutons connectés sans file ni pile : ils se servent de l’énergie générée par l’appui pour envoyer le message. 

Interrupteur EnOcean

Grappillage d’énergie et pacemaker : le combo gagnant ?

Le CNRS revient ensuite sur le cas de la médecine qui pourrait largement profiter du grappillage d’énergie. Sur le papier, l’avantage est incontestable pour un pacemaker : il n’est plus nécessaire d’opérer un patient lorsque la pile est usée. « La collecte de l’énergie des vibrations produites par les battements du cœur ouvre la voie à des appareils bien plus autonomes », explique le Centre national pour la recherche scientifique.

Mais il faut en contrepartie une solution parfaitement fiable, et les embûches sont nombreuses : « Cela demande d’adapter le transducteur à ces conditions très spécifiques en termes de fréquence et d’amplitude des battements cardiaques. Un problème qui illustre un des grands verrous du grappillage d’énergie. Chaque situation doit être finement étudiée, pour non seulement choisir la meilleure source d’énergie dans laquelle puiser, mais aussi adapter le transducteur et l’électronique aux quantités disponibles. Une source intéressante peut ainsi être intermittente ou très fluctuante ».

Ce sujet, Elie Lefeuvre le connaît bien puisqu’il a publié en 2016 ses travaux et un brevet – codétenu par le CNRS/Université de Paris Sud – sur un « dispositif électronique autonome à alimentation par transduction électrostatique produite par une capacité variable » ou, pour simplifier, un « microsystème électromécanique (Mems) capable de récupérer l'énergie mécanique des battements du cœur ».

Il capte « l'énergie mécanique des battements cardiaques – l'accélération des parois du cœur à chaque contraction ou dilatation – avec une structure bistable : une micro poutre prédéformée par combinaison ad hoc de formes vibratoires, qui bascule entre deux états stables lorsqu'elle reçoit une énergie mécanique ».

Entre la théorie et la pratique, un problème est apparu : l’influence de la gravité. « Selon l'orientation du mouvement dans le champ de gravité, celle-ci peut limiter la sensibilité du capteur qui ne peut plus alors détecter les accélérations des parois du cœur. Les chercheurs ont trouvé une solution en ajoutant au dispositif deux ressorts, fabriqués en silicium en même temps que le reste du Mems, et dont la fonction est de compenser les effets de la gravité ».

Pcemaker
Crédits : DieterMeyrl/iStock

« Nous sommes encore loin des limites physiques »

N’allez pas croire que tout est rose pour les autres objets connectés : « Un implant médical bénéficie d’une température environnante stable et connue, mais les objets utilisés en extérieur sont soumis à des variations climatiques parfois importantes. Or les systèmes de stockage de l’énergie sont très sensibles à ces changements », explique Elie Lefeuvre.

Le scientifique reste confiant : « Chaque microjoule compte, rien ne doit être perdu. Résoudre tous ces défis demande de faire appel aux sciences des matériaux, à la microélectronique ou à l’électrochimie. On ne peut pas réduire indéfiniment la surface utilisée, mais, comme nous sommes encore loin des limites physiques, la marge de progrès restante stimule la recherche ».

La scientifique travaille par exemple sur des réseaux de capteurs de surveillance d’intégrité de structure pour l’aéronautique : « il a conçu un système de capteurs pour observer l’intégrité structurelle d’ailes d’avions en plein vol, alimenté par les vibrations ambiantes. Les capteurs envoient des ondes acoustiques et communiquent entre eux pour repérer l’apparition de défauts, qui seront scrutés plus en détail après l’atterrissage », explique le CNRS.

Dans tous les cas, le grappillage d’énergie est poussé en avant par deux forces : d’un côté la réduction de la consommation des objets connectés, de l’autre l’amélioration des techniques de récupération de l’énergie. Avec l'inéluctable multiplication de tels objets dans les années à venir, nul doute que des solutions seront cherchées, puis trouvées.


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