Le piégeage et la récolte de l’énergie. L’energy harvesting

17/03/2015
Publication REE REE 2015-1
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-1:12982

Résumé

Le piégeage et la récolte de l’énergie. L’energy harvesting

Auteurs

Transition énergétique : il est temps de redonner la priorité à l’électricité
Comment décarboner les transports lourds de marchandises ?
La RATP se met au vert
Autoconsommation : le débat ne fait que commencer
Un mix gazier 100 % renouvelable en 2050 : peut-on y croire ?
La fiscalité du carbone se renforce
Stratégie nationale bas carbone : les premiers indicateurs de résultats interpellent
Eoliennes flottantes : deux inaugurations importantes mais beaucoup d’incertitudes demeurent
Vers un cluster de l’hydrogène dans la région de Liverpool-Manchester
Les batteries Li-ion pour l’automobile : un marché en pleine évolution
Mobileye et le Road Experience Management (REMTM)
La cyber-sécurité dans les systèmes d'automatisme et de contrôle de procédé
Les applications industrielles et scientifiques des logiciels libres : aperçu général
Les applications industrielles des logiciels. libres
Les applications industrielles des logiciels libres (2ème partie)
L'identification par radiofréquence (RFID) Techniques et perspectives
La cyber-sécurité des automatismes et des systèmes de contrôle de procédé. Le standard ISA-99
Êtes-vous un « maker » ?
Entretien avec Bernard Salha
- TensorFlow, un simple outil de plus ou une révolution pour l’intelligence artificielle ?
Donald Trump annonce que les Etats-Unis se retirent de le l’accord de Paris
L’énergie et les données
Consommer de l’électricité serait-il devenu un péché ?
Un nouveau regard sur la conjecture de Riemann – Philippe Riot, Alain Le Méhauté
Faut-il donner aux autorités chargées du respect de la loi l’accès aux données chiffrées ?
Cybersécurité de l’Internet des objets : même les ampoules connectées pourraient être attaquées
L’Internet des objets - Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles (Partie 2)
ISA L’évolution des normes et des modèles
FIEEC - SEE - Présentation SEE et REE - mars 2014
Les radiocommunications à ondes millimétriques arrivent à maturité
L’Internet des objets - Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles (Partie 1)
Internet des objets : l’ARCEP et l’ANFR mettent à la consultation l’utilisation de nouvelles bandes de fréquence autour de 900 MHz
L’énergie positive
Controverses sur le chiffrement : Shannon aurait eu son mot à dire
La cyberattaque contre les réseaux électriques ukrainiens du 23 décembre 2015
Le démantèlement des installations nucléaires
L’Accord de Paris
Les data centers
L’hydrogène
Le piégeage et la récolte de l’énergie. L’energy harvesting
Régalez-vous, c’est autant que les Prussiens n’auront pas...
Le kWh mal traité Deuxième partie : le contenu en CO2 du kWh
Le kWh mal traité
Enova2014 - Le technorama de la REE
Les grands projets solaires du pourtour méditerranéen
Après Fukushima, le nucléaire en question ?
On sait désormais stocker les photons pendant une minute
Identification d’objet par imagerie fantôme utilisant le moment orbital angulaire
La découverte du boson de Higgs, si elle est avérée, confirmera le modèle standard
Multiplexage par moment angulaire orbital : mythe ou réalité ?
Supercalculateur quantique: le choix de la supraconductivité
Photovoltaïque : la course au rendement se poursuit
Production d’hydrogène par photolyse de l’eau assistée par résonance plasmon
Vers une meilleure compréhension du bruit de scintillation
Les nombres premiers en première ligne
La nouvelle révolution des moteurs électriques
Les cyber-attaques, un risque pour nos grandes infrastructures ?
Le stockage de l’électricité
Le véhicule électrique (2) : comment donner corps à la transition énergétique ?
L'automatisation des transports publics
Les technologies nouvelles de l’éclairage : leur impact sur l'environnement et la santé
Les énergies marines renouvelables
Le véhicule électrique : une grande cause nationale
Médaille Ampère 2012
Berges2009_Hauet.pdf
Prix Bergès 2009

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REE N°1/2015 127 GROS PLAN SUR ... Le piégeage et la récolte de l’énergie L’energy harvesting Horloge entièrement autonome de Jaeger-LeCoultre - Source : Wikipedia. Energy harvesting is an emerging technology that strives to reduce battery dependency through improved ener- gy conversion from previously untapped sources and improved storage of converted energy. Wireless sensor networks consist of numerous small devices all interacting to observe an environment and assemble useful data about that environment. Often we expect to employ them in situations where little to no human interaction with the physical network will be possible. Some tiny devices will be placed in location, be it in an office building, the ocean floor, or even within a living organism, to monitor variables. Depending on the situations in which these sensors are placed, supplying energy may be an incredibly difficult task. Energy harvesting encompasses a lot of potentially inexpensive and highly effective solutions to such problems, enabling the tiny machines involved in sensor networks to collect energy from renewable sources in the environment. Due to the great scientific and economic potential for energy harvesting solutions, many government agencies and private companies are devo- ting time and funding to a variety of projects. The major advancements in this field are being explored by both governmental organizations and businesses with commercial interests. France should pay more attention to energy harvesting which is an enabling technology for the development of the Internet of things. ABSTRACT 128 REE N°1/2015 GROS PLAN SUR Introduction L e piégeage et la récolte d’énergie (en anglais “ener- gy scavenging” et “energy harvesting”) désignent l’en- semble des techniques qui peuvent être utilisées pour extraire de l’envi- ronnement immédiat l’énergie qui est nécessaire à la satisfaction de certains besoins et qui, à défaut, se- rait perdue. Les inconditionnels de la langue française utilisent l’expression « récolte d’énergie » pour désigner ce concept de récupération mais l’expression “energy harves- ting” est très largement utilisée dans les milieux scientifiques et industriels. C’est donc elle que nous utiliserons dans la suite de cet article. L’energy harvesting a commencé il y a bien longtemps avec les moulins à vent ou à eau. Aujourd’hui, les panneaux solaires photovoltaïques et les éoliennes et plus généralement toutes les formes d’énergie décentralisées et renouvelables peuvent être considérées comme de l’energy harvesting. Cependant l’energy harvesting ne s’adresse généralement pas au domaine du mégawatt mais à celui du milliwatt, bien que certaines des techniques utilisées soient susceptibles d’extrapolation. Le point de départ de l’energy harvesting réside dans le dévelop- pement des réseaux de capteurs, dans le monde industriel no- tamment, qui font de plus en plus appel à des technologies de radiocommunication. Il est évident que l’intérêt du recours aux technologies sans fil pour communiquer avec les capteurs se trouve considérablement amoindri si les capteurs nécessitent pour leur alimentation électrique un raccordement filaire à un réseau. Le recours à des piles ou à des batteries n’apparaît que comme un pis-aller : leur durée de vie est limitée car même en ayant recours aux protocoles les plus économes en énergie, elles souffrent de défaillances et leur remplacement peut être problématique lorsque les capteurs se situent dans des zones dangereuses ou difficiles d’accès. Le développement de ces réseaux de capteurs sans fil bénéficie des technologies nouvelles de réseaux locaux de radiocommunication qui reposent sur des architectures mail- lées qui permettent d’assurer le routage des messages de nœud en nœud avec un maximum de garantie de disponi- bilité. Ces technologies de routage s’apparentent à celles de l’Internet et d’ailleurs un standard de l’IETF, le 6LowPAN, défi- nit la façon dont ces réseaux locaux peuvent se raccorder à l’Internet IPv6. L’energy harvesting apparaît donc comme l’une des technologies habilitantes de l’Internet industriel des objets (IIoT). La problématique des étiquettes radiofré- quences (RFID) passives (au sens de « dépourvues de batteries ») est similaire à celle des réseaux de cap- teurs et l’on sait l’importance que les RFID jouent à présent dans les domaines de la productique, de la transitique, de la logistique, etc. Si cet article se focalise surtout sur les réseaux capteurs, l’enjeu de l’energy harvesting en dehors du monde industriel est immense : il intéresse le domaine du “home automation” (avec par exemple des films photovoltaïques insérés dans les matériaux de construc- tion), celui de la santé (avec par exemple des micromoteurs actionnés par l’acidité gastrique), celui du grand public avec les e-textiles, les e-chaussures, les commandes à distance... L’energy harvesting apparaît de plus en plus comme une composante-clé du développement des technologies de la communication et de l’information. Depuis plusieurs décennies, les ingénieurs ont donc re- cherché les moyens de capter et de stocker de l’énergie à partir de l’énergie environnante et les moyens d’y parvenir sont étonnants. Un grand nombre de méthodes extrême- ment différentes a été développé et toutes les pages de cette revue ne suffiraient pas à décrire l’ensemble des techniques développées ou en cours de développement. Nous nous intéresserons aux plus importantes d’entre elles qui utilisent chacune un phénomène physique particulier : valorisation des vibrations, effet thermoélectrique, effet piézoélectrique, utilisation des radiations électromagnétiques ambiantes, dans le spectre visible ou hertzien. Le besoin à traiter et les difficultés rencontrées Nous nous positionnons dans cette section dans le cadre d’un réseau de capteurs sans fil. On sait que les capteurs sans fil permettent d’assurer un suivi beaucoup plus étroit des procédés et que leur coût d’installation est souvent sen- siblement inférieur à celui des capteurs filaires (dans certains environnements, l’économie d’investissement peut atteindre 80 %). Les avantages en termes d’extensibilité, de visibilité sur le procédé et de maintenance à distance sont reconnus. Les protocoles de réseaux maillés du type ISA 100.11a (IEC 62734) ou WirelessHart (IEC 62591) permettent d’atteindre des niveaux de disponibilité élevés et une dynamique proche des 100 ms. Cependant la question de l’alimentation électrique de ces capteurs, à la fois pour la partie capteur proprement dite André Deschamps Ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris Jean-Pierre Hauet Président ISA-France REE N°1/2015 129 Le piégeage et la récolte de l’énergie et pour la partie radio, est souvent bloquante. Les batteries n’apportent pas une solution satisfaisante car, sur la base d’un besoin de quelques mW, leur durée de vie est souvent dans la pratique inférieure à quelques mois, compte tenu de l’intermittence du fonctionnement, de l’autodécharge, des variations de température, etc. Le recours aux dispositifs d’energy harvesting devient alors séduisant. Mais une telle idée n’a d’intérêt pratique que si l’on parvient à rassembler l’énergie nécessaire de façon fiable et moyennant une installation aussi miniaturisée que possible, c’est-à-dire sans recourir à des dispositifs de taille prohibitive. Ceci impose de traiter le problème au niveau sys- tème et, avant même de décider de la façon dont le besoin sera satisfait, de réduire ce dernier au strict minimum. L’approche système Les fonctionnalités qui doivent être supportées par les équi- pements doivent être strictement analysées. Dans un réseau maillé du type ISA-10.11a, le routage des trames doit être assu- ré. Mais tous les équipements n’ont pas besoin d’être dotés de la fonction de routeur qui implique qu’ils soient actifs 100 % du temps. On réservera donc le routage aux équipements qui peuvent être raccordés aisément au réseau (figure 1). Quant aux capteurs proprement dits, il est inutile de les maintenir en éveil en permanence. Selon les exigences du procédé, il sera nécessaire de recueillir leurs données selon une périodicité très variable, allant typiquement de quelques dizaines de secondes à plusieurs heures. Pendant les périodes où l’on n’attend rien de leur part, les capteurs peuvent être mis en stand-by et ne seront réveillés que lorsqu’ils sont censés transmettre une information. Les protocoles récents, du type ZigBee et ISA-100.11a ont été conçus pour manager au plus serré le réseau et, typiquement, fonctionner avec un taux de somnolence des capteurs de 97 %. Cependant, cette gestion ménagère du parc de capteurs n’est pas suffisante. L’efficacité des protocoles de commu- nication est un facteur essentiel. Beaucoup des protocoles usuels n’ont pas été conçus avec le souci d’économiser les ressources en énergie : préambules et postambules trop longs, protocoles inutilement rapides, répétitions sans objet, etc. C’est pour remédier à cette situation qu’a vu le jour le protocole ZigBee, normalisé IEEE 802.15.4 pour ses couches basses en 2004, opérant dans les bandes libres des 2,4 GHz et 860 MHz en Europe. Le standard 802.15.4 a été intégré dans des versions plus évoluées de réseaux maillés : ISA-100.11a et WirelessHart. En 2007, a été élaboré par l’Internet Engineering Task Force (IETF) (RFC 4919 et Figure 1 : Architecture-type d’un réseau ISA-100.11a - Source : ISA. 130 REE N°1/2015 GROS PLAN SUR RFC 4944) le standard 6LowPAN (pour IPv6 LoW Power wireless Area Networks) qui définit, au-dessus de l’IEEE 802.15.4, les mécanismes d’encapsulation et de compres- sion d’entêtes permettant aux paquets IPv6 d’être envoyés ou reçus via le protocole de communication IEEE 802.15.4. A partir de l’année 2009, 6LoWPAN a commencé à être utilisé sur d’autres supports (par exemple les courants porteurs en ligne, RFID, Bluetooth et ISA-100). Il est donc destiné à être au cœur de l’Internet des objets et ouvre la voie à la banali- sation des technologies d’energy harvesting. Il existe cependant d’autres protocoles plus rudimen- taires mais encore plus économes en énergie. Ainsi, le protocole EnOcean, issu d’un spin-off de Siemens, nor- malisé en 2012 ISO/IEC 14543-3-10, propose une solu- tion à ultra-basse consommation d’énergie. Ce protocole est rudimentaire, il est fondé sur des messages très courts (0,6 ms), des liaisons point à point (sans maillage) et une portée limitée (typiquement 30 m). Il permet, pour des ap- plications non critiques, d’être compatible avec des disposi- tifs d’energy harvesting, dans le domaine de la domotique tout particulièrement. En France, la société ARVENI propose le protocole SARAH (“Smart Radio protocol by Harvesters for building automa- tion”), en français : protocole radio intelligent alimenté par microgénérateur pour la gestion technique du bâtiment. En 2012, le consortium ZigBee a publié une nouvelle spécification, dénommée Green Power, visant également à permettre le développement d’équipements principalement dédiés à la domotique et utilisant des dispositifs d’energy harvesting. Le consortium a publié des ordres de grandeur (tableau 1), sachant qu’il n’existe aujourd’hui aucune mé- thode normalisée pour caractériser les performances des systèmes à ultra-basse énergie. Le coût énergétique d’une transaction se trouve ainsi ra- mené aux environs de 100 à 500 µJ. Typiquement, un équi- pement d’extrémité va consommer en stand-by aux environs de 10 à 20 nA, en mode réception 5 à 6 mA et en mode émission 10 à 15 mA sous 1,5 à 2 V. Bien évidemment les performances des systèmes à ultra- basse consommation ne peuvent équivaloir à celles des sys- tèmes plus évolués, “There no such thing as a free lunch in radiocommunications”, et par conséquent il est nécessaire avant de penser à l’energy harvesting de faire une analyse système approfondie afin de bien identifier les performances qui sont requises. La fréquence de sollicitation du disposi- tif peut être un paramètre fondamental. En effet, pendant que le dispositif est au repos, le dispositif d’energy harvesting pourra, s’il n’est pas impulsionnel, capter de l’énergie et la stocker dans un micro-condensateur ou une micro-batterie avant de la relâcher lors de la session d’activité qui suivra. Les difficultés Cette analyse système supposée faite, la principale diffi- culté à surmonter est celle de la miniaturisation de systèmes dans le respect des performances à atteindre. Des progrès considérables ont été réalisés au niveau des dispositifs de captage et de stockage mais aussi au niveau de l’électronique qui est de moins en moins gourmande en énergie, avec des perspectives de progrès qui restent considérables au cours des prochaines années. La recherche dans ce domaine est souvent associée aux nanosciences. Les principaux points durs sont bien entendu les très petits dispositifs qui sont encore incapables de récolter une énergie suffisante pour être efficacement utilisée. Le stockage d’une énergie inter- mittente devient également un problème dès lors que la puissance requise devient importante. Le tableau 2 donne, en ordre de grandeur, les perfor- mances que l’on peut espérer atteindre de la part des princi- pales sources d’énergie mobilisables ainsi que les difficultés y afférentes. D’autres facteurs sont également à prendre en considé- ration : la durée de vie des équipements, leur disponibi- lité, leur résistance face à un environnement qui peut être hostile (hautes températures, perturbations électromagné- tiques). Enfin il faut bien évidemment se poser la question de savoir quelle énergie ambiante peut être la plus facilement sollicitée. La présence d’équipements à température plus élevée que l’environnement (chaudières, tuyaux) conduira à s’intéresser aux systèmes thermoélectriques. La présence d’équipements en mouvements : moteurs, broyeurs… amè- nera à s’intéresser aux capteurs de vibration. L’utilisation spo- radique des dispositifs par action mécanique : contacts de fin de course, interrupteurs à commande manuelle, incitera Type d’équipement Hypothèses d’utilisation Energie consommée sur 1 h Lampe de 30 W Continue 108 000 J Wi-Fi dans un PC Continue -200 mA – 3 V 2 160 J Télécommande ZigBee R4CE Usage standard 0,020 J Green Power ZigBee On/off 10 fois par jour 0,0002 J Tableau 1 : Consommations types de quelques équipements - Source : ZigBee consortium. REE N°1/2015 131 Le piégeage et la récolte de l’énergie à se tourner vers les systèmes inductifs de transformation de l’énergie mécanique. Une utilisation régulière tout au long de la journée pourra s’accommoder d’un système de captage du rayonnement électromagnétique ambiant. Les idées ne manquent pas et les formes d’énergie mobilisables sont plus nombreuses qu’on ne l’imagine. Cependant, il sera généralement nécessaire, sauf à recourir à des moyens de stockage, de s’assurer de leur disponibilité 24h/24h. Un sys- tème d’energy harvesting photovoltaïque sera ainsi plus aisé à mettre en œuvre s’il peut s’accommoder de la lumière arti- ficielle, si celle-ci est permanente. Nous allons à présent passer en revue quelques-unes des technologies mobilisables, rappelant que l’on ne sau- rait être exhaustif et que l’inventivité des développeurs, aux Etats-Unis principalement mais aussi dans d’autres pays très orientés vers les high-techs, semble aujourd’hui sans limite… Aperçu sur quelques techniques d’energy harvesting et sur leurs perspectives Récupération de l’énergie lumineuse Le rayonnement solaire représente l’énergie disponible la plus évidente et c’est logiquement dans ce domaine que se développe une recherche active. Le rendement des cellules classiques ne permet pas vraiment la miniaturisation mais des développements récents ont permis la production de capteurs à haute sensibilité utilisables particulièrement en faible lumière. On peut citer le PicoRadio Project, développé à Berkeley pour développer un transmetteur entièrement autonome, ainsi qu’un dispositif développé par la NASA qui fait tenir le collecteur et le stockage de l’énergie sur moins de deux mm d’épaisseur. L’énergie photovoltaïque est certainement la plus déve- loppée et la plus utilisée pour une large échelle de puissance. Une nouvelle génération de capteurs à large spectre des- tinés aux faibles puissances est capable d’utiliser l’énergie lumineuse aussi bien en extérieur qu’en intérieur. Une large échelle de tension est possible car ces générateurs peuvent être connectés aussi bien en série qu’en parallèle. Si la récupération de l’énergie par l’effet photovoltaïque est une technique maintenant assez ancienne, son utilisa- tion à partir des faibles éclairages ou des lumières artificielles est récente. Une technologie de “Dye Sentized Solar Cell” a été mise au point. Ces cellules absorbent la lumière un peu comme le fait la chlorophylle dans les végétaux. Les électrons libérés par les photons s’échappent dans une couche d’oxyde de titane (TiO2 ) à travers un électrolyte dont la couleur peut être ajustée à une bande bien précise. Le rendement s’en trouve ainsi amélioré. Sous un éclairage de 200 lux, ce type de cellule produit jusqu’à 15 µW/cm2 . Transducteurs piézoélectriques L'effet piézo-électrique produit de faibles tensions lorsque des cristaux sont mécaniquement déformés. Cette méthode permet de récolter les vibrations de machines industrielles aussi bien que l'énergie de course dans des chaussures ou la simple énergie dépensée lorsque l'on appuie sur une touche. La pression peut provenir de différentes sources assez Source Difficulté Tension attendue Puissance envisagée Lumière Petites surfaces Variabilité de l’éclairage Continu, de 0,5 V à 5 V De 10 µW à 15 mW Limité à 500 µW en intérieur Vibration Etendue et variabilité du spectre Alternatif, quelques dizaines de V De 1 µW à quelques mW Thermique Faibles gradients thermiques Efficacité du couplage thermique Continu, quelques dizaines de mV à 10 V De 0,5 mW à 10 mW pour un gradient thermique de 20 °C Radiofréquence Induction Dépendance au couplage Alternatif, de 0,5 à 5 V Large gamme de puissance dépendante du couplage et du lieu Tableau 2 : Limites de sources d’énergie usuellement utilisées en energy harvesting - Source : PMSA Forum. Figure 2 : Générateurs piézoélectriques développés par la société Microgen – A gauche : schéma de principe – A droite : conditionnement dans un boîtier de type pile 9 V - Source : Microgen. 132 REE N°1/2015 GROS PLAN SUR diverses comme le mouvement humain, les séismes, le bruit acoustique ou les vibrations des machines tournantes. Les dispositifs micro-électromécaniques développés par la société Microgen (USA) captent l'énergie de vibration ambiante par l'intermédiaire d'un petit balancier entrant en résonance et délivrant une puissance électrique par effet piézo-électrique (figure 2). Les dispositifs doivent être adaptés à la fréquence des vibrations ambiantes (de 100 à 600 Hz) et les vibrations ambiantes doivent se situer dans la fourchette 0,1 à 3,0 g. Les puissances de sortie varient de 50 à 900 µW selon les fréquences d’excitation. En France, la société ARVENI a développé une gamme de systèmes de micro-récupération d'énergie mécanique récupérant par effet piézo-électrique l'énergie dissipée par pression sur un contacteur (interrupteurs électriques, télé- commandes, boutons de sonnette). Un récupérateur de vibration, similaire dans son principe à ceux de Microgen, est annoncé (figure 3). Il faut rappeler que les solutions piézo-électriques peuvent être très largement miniaturisées (figure 4). Elles sont d’ail- leurs utilisées depuis longtemps pour des systèmes portables comme des montres bracelets. Par contre les puissances récu- pérées sont souvent insuffisantes pour répondre aux besoins des systèmes. Récupération par effet thermoélectrique Les technologies thermoélectriques utilisent l'effet Seebeck, c'est-à-dire la possibilité de générer de l'électricité à partir d'un gradient de température. Cet effet est l'inverse de l'effet Peltier qui permet de déplacer par un courant élec- trique des calories à des fins de réfrigération. Ces deux effets utilisent la notion de couple thermoélectrique composé de deux branches dans lesquelles circulent, sous l’action du gra- dient thermique, des porteurs de charge (électrons et trous) qui se déplacent entre la source froide et la source chaude. Les matériaux idéaux pour produire un tel effet, tel que le tellurure de bismuth ou le tellurure de plomb, doivent Figure 4 : Dispositif piézoélectrique développé en 2011 à l’université du Michigan. La partie active du récupérateur occupe un volume de 27 mm3 ; la puissance obtenue est de 200 µW sous 1,85 V, avec 1,5 g d’amplitude de vibrations à 155 Hz. Source : Université du Michigan. Figure 3 : Télécommande à effet piézoélectrique développée par Arveni. Source : Arveni. Figure 5 : Module solide-air Evergen de la société II-VI Marlow, adapté à des différentiels de température allant de 5,5 à 60 °C – Puissance : 0,3 mW pour t = 10 °C - Source : Marlow. Figure 6 : Module solide-air Micropelt et insertion dans un dispositif de surveillance d’un jeu de barres – Puissance : environ 2 mW pour t = 50 °C (1,5 V) - Source : Micropelt. REE N°1/2015 133 Le piégeage et la récolte de l’énergie avoir une forte conduction électrique et une faible conduc- tion thermique. Les modules thermoélectriques sont typi- quement constitués d'une jonction semi-conductrice P-N prise entre deux plaques de céramique métallisées. Ces jonctions peuvent être connectées électriquement en sé- rie et thermiquement en parallèle pour produire une plus grande puissance. Le rendement moyen est de 100 à 200 µV/K et par jonction. L'effet thermoélectrique est un effet faible mais on rencontre de nombreuses circonstances où un différen- tiel de température peut être utilisé. Le recours aux sys- tèmes thermoélectriques sera évidemment d'autant plus approprié que ce différentiel sera important. Ce sera no- tamment le cas lorsqu'il est possible de venir plaquer un transducteur le long d'une paroi chaude. Les figures 5 et 6 montrent des modules proposés par deux sociétés spé- cialisées dans le domaine : II-VI Marlow (USA) et Micropelt (Allemagne). Distinct de l'effet thermoélectrique, l'effet pyroélectrique peut également être utilisé. Cet effet convertit les variations de température en courant électrique par variation de polari- sation électrique. Il exige des variations temporelles de tem- pérature et il est pénalisé par de faibles énergies produites. Il est basé sur le cycle d'Olsen (ou d’Ericsson) qui consiste à charger une capacité froide par un faible champ électrique et à le décharger en la réchauffant sous un champ électrique supérieur. L'avantage de l'effet pyroélectrique par rapport à l'effet thermoélectrique est de pouvoir être utilisé à très haute température (> 1 200 °C) . Les systèmes à induction magnétique On sait que certaines montres bracelets reçoivent leur énergie par le mouvement du bras. Dans le dispositif cou- rant, un balancier entraîne le remontage du ressort principal à partir d’un mouvement mécanique. L’industriel « Seiko » a ainsi créé un système utilisant le déplacement d’un aimant activé par le mouvement du bras et placé dans un générateur électromagnétique. L’électricité recueillie alimente un mou- vement à quartz traditionnel. L’induction magnétique peut également être utilisée pour tirer parti des vibrations ambiantes L’idée est née en 2007 à l’université de Southampton et a ensuite été développée par la société Perpetuum (Grande-Bretagne). Dans ce système, un aimant permanent oscille verticalement à l’intérieur d’un enroulement (figure 7) générant un courant qui est fonction de l’amplitude des vibrations. Un tel récupérateur peut pro- duire 3 mW à partir de vibrations de 40 à 50 mg. La fré- quence de résonance du récupérateur doit être adaptée aux fréquences de vibration dominantes dans le milieu ambiant. Récupération de l'énergie du champ électromagnétique ambiant De nombreux dispositifs électriques émettent des ondes électromagnétiques par un effet d'antenne et l'on parle sou- vent de « brouillard électromagnétique » pour désigner la superposition d’émissions à des longueurs d’onde diverses qui nous environne. Dans le domaine hertzien, ces émissions se font à dessein, afin d’être récupérées par des récepteurs auxquels il est ainsi Figure 7 : Système de récupération d’énergie de vibration par effet inductif – A gauche : Schéma de principe (Source : Perpetuum). A droite : Alimentation d’un capteur par un dispositif Perpetuum - Source : ISA-France. 134 REE N°1/2015 GROS PLAN SUR possible de transmettre de l’information. Le développement des étiquettes radiofréquences (RFID) et de smart cards a étendu au transfert d’énergie le champ d’application des ondes hertziennes. Dans les systèmes RFID à étiquettes passives, les étiquettes ne disposent d’aucune autre source d’énergie que celle qu’elles reçoivent de la part du lecteur alors que les éti- quettes actives sont dotées d’une batterie dont la durée de vie est typiquement de cinq ans. Le couplage entre le lecteur et l’étiquette peut se faire dans le champ proche (on parle alors de couplage magnétique) ou en champ lointain (on parle alors de couplage radiatif)1 . Dans les “smart cards”, que l’on utilise quotidiennement pour voyager dans les transports publics ou pour rentrer chez soi, le composant reçoit également l’énergie de fonctionnement dès qu’on l’approche du lecteur et se sert de cette énergie pour alimenter une puce électronique qui envoie un code d’identification. On peut rattacher à ce type d’interaction la “WiTricity”, ou électricité sans fil, technique initialement développée au MIT par extension de la bobine de Tesla, qui consiste à transférer de l’énergie vers un dispositif tel qu’une lampe, un smart phone, un équipement mobile de manutention (ou de machinerie ou un équipement difficilement accessible) par couplage électromagnétique entre deux bobines entrant en résonance dans le champ proche (figure 8). Ces techniques ne relèvent pas de l’energy harvesting au sens où nous l’avons définie puisque l’émission d’énergie par voie d’ondes électromagnétiques est provoquée pour alimen- ter de façon spécifique un récepteur donné. Mais il existe des 1 Le lecteur pourra se reporter à l’article publié dans la REE 2006-10 : « L’identification par radiofréquence (RFID) Techniques et perspec- tives » - Jean-Pierre Hauet. configurations techniquement similaires où le récepteur profite d’une émission que ne lui est pas a priori destinée. L’une de ces technologies est la « rectenna » (rectifying antenna), ou antenne redresseuse, qui désigne une classe spéciale d’antennes capables, grâce à des diodes haute fré- quence de convertir de l’énergie radiofréquence en courant continu. Ces antennes permettent de récolter l’énergie du champ électromagnétique radio ambiant et la technologie est similaire à celle des étiquettes radiofréquences passives. Beaucoup d’habitants des régions situées à proximité d’un puissant émetteur radio ont fait l’expérience d’allumer une lampe avec une simple boucle d’induction. Mais l’incon- vénient majeur réside dans la nécessité de disposer d’un champ électromagnétique suffisamment puissant. Cepen- dant il a été démontré que des dispositifs analogues, mais à plus faible échelle, utilisant les micro-technologies, pour- raient convertir la lumière en électricité avec un rendement supérieur aux cellules solaires à semi-conducteurs. Une autre approche est suivie par l’université de Washington qui a développé le concept de “back scattering antenna” dans lequel un système, de la taille d’une carte de crédit, pilote l’im- pédance d’une antenne réceptrice de façon à renvoyer le si- gnal dans l’environnement de façon contrôlable (figure 9). Il a été démontré qu’il était possible de construire des réseaux de capteurs s’alimentant à partir des ondes TV ou Wi-Fi captées à partir du milieu ambiant. A ce stade, une telle possibilité a été démontrée à faible débit (1 kbit/s) et à faible distance (76 cm) mais les résultats sont considérés comme prometteurs. Dans une technologie assez différente, on trouve des capteurs autonomes utilisant le champ électromagnétique des lignes de transport d’électricité. Un tel capteur est direc- tement clipsé autour du conducteur dont il utilise l’énergie rayonnée et dont il mesure le fonctionnement. Il n’est pas besoin d’isolation puisque le dispositif ne touche qu’un seul Figure 9 : Back scattering antennae développées par l’université de Washington - Source : Université de Washington. Figure 8 : Principe de l’électricité sans fil - Source : WiTricity. REE N°1/2015 135 Le piégeage et la récolte de l’énergie conducteur. Ce système est utilisé pour mesurer et trans- mettre la température ambiante et celle du conducteur, les mouvements du vent ou les variations de la tension du câble. La figure 10 montre des capteurs installés sur une ligne tri- phasée moyenne tension, ils sont reliés par radio avec le concentrateur situé à côté du transformateur de distribution basse tension situé sur le poteau. Autres approches Il existe bien d’autres solutions qui peuvent être envi- sagées pour atteindre l’autonomie énergétique dans diffé- rents segments applicatifs. On peut par exemple tirer parti de la chaleur du corps et Fujitsu a imaginé un système qui produit de l'électricité à la fois à partir de l'énergie solaire et de l'énergie thermique. Des prototypes de capteurs adaptés au corps humain ont été ainsi présentés en 2010 (figure 11). Une utilisation d'énergie naturelle peut également mettre à profit les chaussures de marche pour autant qu'elles soient dotées d'un système récupérant l'énergie humaine. Des pro- jets ont été développés par le MIT et par le Space and Naval Warfare Systems Center Pacific de San Diego. La puissance récupérée sert à l’alimentation des équipements électro- niques du fantassin. Dans l’état actuel, la complète autono- mie ne peut pas être atteinte, car le stockage de l’énergie est lié au temps de marche de l’utilisateur et l’électronique du fantassin a pris de grosses proportions. Dans l’approche “smart roads”, l’énergie de la marche ou produite par le passage des véhicules est récupérée par des films insérés dans les enrobements de routes et incluant des capteurs piézoélectriques. L'énergie ainsi produite et utilisée pour la signalisation ou la régulation du flux des véhicules. L'avantage est que leur fonctionnement n'est pas perturbé par une panne d'électricité. On mentionnera enfin le concept de tuiles de récupé- ration utilisées au cours du marathon de Paris. Ces tuiles, fabriquées par Schneider Energy, ont récupéré l'énergie des 40 000 coureurs passant sur les dalles pour alimenter la si- gnalisation électrique et les écrans de signalisation. Durant la course, environ 7 kW/h ont été produits (figure 12). Mais il faudrait aussi parler des possibilités d'utiliser l'élec- tricité statique, les courants fluviaux ou marins, l'énergie de gravitation, la chimie sanguine, le métabolisme des arbres, les méta-matériaux, la pression atmosphérique… Conclusions L’énergie est partout présente dans le monde qui nous entoure. Il ne faut donc pas s’étonner qu’un nombre d’idées sans limite voie le jour pour permettre à toute sorte de dis- positifs d’acquérir leur autonomie énergétique. Le dévelop- pement de l’energy harvesting est sans conteste l’un des corollaires majeurs du développement de l’Internet des ob- jets et du monde communicant. Figure 12 : L'arrivée du Marathon de Paris le 15 avril 2013. Les coureurs passent sur des tuiles de récupération de l'énergie d'impact de la foulée. Source : Pavegem System. Figure 10 : Capteurs autonomes installés sur une ligne moyenne tension - Source Wikipédia. Figure 11 : Prototype hybride, fabriqué sur substrat flexible et tirant parti à la fois du gradient thermique et de l’énergie lumineuse. Source : Fujitsu (2010). 136 REE N°1/2015 GROS PLAN SUR On estime à 700 millions d’USD environ le marché de l’energy harvesting en 2011 selon une répartition indiquée dans la figure 13. On y remarquera que la principale utilisation est l’électronique grand public, suivie par le militaire et le spatial. De nombreuses sociétés ont in- vesti dans ce créneau et les technologies qui sont développées touchent tous les domaines du grand public aux industries, de l’automobile aux rovers martiens. On anticipe un chiffre d’affaires de 4 milliards USD en 2021. Mais pour mesurer l’enjeu de ces techniques, il faut prendre aussi en considération l’impact qu’elles peuvent avoir sur la modernisation de l’appareil industriel dans le cadre du mouvement Industrie 4.0. La France est trop peu présente dans cet élan. L’usine communicante n’est pas seulement un défi logiciel. L’alimen- tation en énergie reste un fondamental. Les progrès continuels faits en matière d’efficacité énergétique et la préfé- rence donnée aux technologies vertes devraient conduire notre pays à porter plus d’attention à l’energy harvesting qui est à la fois une technologie habili- tante et une source possible de création d’emplois. Figure 13 : Répartition du marché de l’energy harvesting en 2011. Chiffres en millions d’USD. Total : 663 Mio USD - Source : IDTechEx. André Deschamps est ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris. Il est président de la commission « Radioastronomie » de l’URSI-France. Il a travaillé sur des grandes missions scientifiques spatiales (ROSETTA, Herschel, etc.) pour lesquelles il a reçu un award de la NASA et un autre de l’ESA. Il a été représentant de la radioastrono- mie française auprès de l’ANFR (Agence nationale des fréquences) et de l’ITU (International Telecommunication Union, Genève). Jean-Pierre Hauet est membre émérite de la SEE et rédacteur en chef de la REE. Il est Président de l’ISA-France. Ingénieur au Corps des mines, il a dirigé les Laboratoires de Marcoussis du groupe Alcatel-Alsthom et a été Chief Technology Officer du Groupe ALSTOM. Il est l’auteur du livre « Comprendre l’énergie – Pour une transition énergétique responsable » paru aux éditions L’Harmattan en avril 2014.