Nous suivre Industrie Techno

AU DIABLE LES BATTERIES !

Sonia Pignet avec Christian Guyard
- S'affranchir des piles et des batteries. Un rêve qui concerne autant les produits grand public que ceux destinés à l'industrie. Les recherches s'activent dans le monde pour glaner l'énergie sous toutes ses formes et alimenter les dispositifs électroniques, nomades ou pas.

Le 6 mars 1986, le chanteur belge Julos Beaucarne inaugure, lors d'un concert à Liège, la centrale électrique... musculaire. Pour alimenter l'éclairage de la scène, 105 spectateurs cyclistes pédalent. Quelque vingt ans plus tard, l'idée de se fournir en énergie à la sueur des mollets n'apparaît plus si désuète. Fin 2007, Intel récompense une équipe espagnole pour son système à pédalier permettant de faire fonctionner un ordinateur portable. En ce début d'année 2008, Google attribue le premier prix de son concours sur le thème "La machine à pédales" à un tricycle qui transporte l'eau et la filtre en même temps. Des inventions certes anecdotiques, mais révélatrices d'une tendance : l'autonomie énergétique.

Depuis les années 1990 et leur lot d'objets portables, les envies et les idées ne manquent pas pour s'affranchir des piles et batteries. Le solaire offre des opportunités et il existe déjà des appareils fonctionnant sans pile grâce au photovoltaïque. Mais l'énergie humaine et les micro-sources d'énergie ne sont pas en reste. Les recherches se multiplient dans le monde ; c'est même devenu une activité à part entière dénommée Energy Harvesting ou Energy Scavenging. Plus qu'une moisson (harvesting), c'est du "glanage" d'énergie fatale.

Intégré dans le pneu et activé par rotation

Les idées ne manquent pas. Loufoques parfois, comme les chaussures du MIT qui, après plusieurs centaines de kilomètres permettent de téléphoner quelques minutes. Ou plus sérieuses. Des montres, des lampes électriques et des radios portables sans pile ni batterie sont déjà sur le marché. Bientôt, des capteurs sans fil autoalimentés pourraient envahir les usines. Et Ridha Hamza, chef de projet chez Yole, société spécialisée dans les études de marché en micro- et nanotechnologies cite un marché potentiel : « Aux États-Unis, le TPMS (Tyre Pressure Monitoring System) est devenu obligatoire fin 2007 sur certains véhicules. Il s'agit d'une valve qui intègre un capteur de pression et de température, de l'électronique et de la transmission radiofréquence, et une batterie lithium. » On pourrait se passer d'une telle batterie si l'on savait récupérer de l'énergie sur le véhicule roulant. C'est précisément ce que fait Siemens. Il présentait au salon de l'automobile de Francfort (Allemagne) un module intégré dans le pneu et alimenté par un élément piézoélectrique activé par la rotation de la roue. Lancement en série prévu pour 2011.

Dans chaque cas, plusieurs technologies se concurrencent. Le mouvement, les vibrations, les déformations ou la chaleur sont autant de sources potentielles d'énergie. Du côté des montres, les dispositifs à énergie cinétique ne datent pas d'hier. En 1922, naissent les premières montres-bracelets à récupération, dispositif proposé jusque dans les années 1970. Le fabricant Seiko a développé depuis plusieurs années de tels modèles, à poids oscillant et rotor. Récemment, il a sorti Thermic, une montre qui fonctionne grâce à la chaleur du corps.

Pour des zones difficiles d'accès ou dangereuses

Il existe aussi des lampes au principe électromagnétique (lorsque la lampe est secouée, un aimant se déplace dans une bobine et crée un courant stocké dans une capacité) ou encore des postes de radio à énergie mécanique (avec remontage par manivelle). Sony a même développé toute une gamme d'appareils photo numériques sans pile ni batterie, qui fonctionnent à l'huile de coude. Mais pour des applications plus énergivores, ou pour des systèmes miniaturisés, les recherches sont plus récentes. Et en plein essor. Les capteurs, nombreux dans les industries, et situés parfois dans des zones difficiles d'accès, sont les candidats idéaux pour l'autonomie en alimentation électrique : tirer une ligne d'alimentation électrique dans une zone dangereuse ou peu accessible a un coût sans commune mesure avec le prix du fil. Au début des années 2000, plusieurs laboratoires ont entamé des recherches sur les capteurs autonomes. Avec comme idée phare d'utiliser des matériaux piézoélectriques, c'est-à-dire capables de transformer de l'énergie mécanique en énergie électrique.

La société allemande EnOcean est pionnière en termes d'applications. Déjà en 2002, elle présentait un système de télécommande sans pile. La pression exercée est transformée en énergie électrique, suffisante pour alimenter un émetteur radio. EnOcean propose des interrupteurs fonctionnant sur ce principe. L'avantage est clair : pas besoin de faire courir des mètres de fil pour ajouter un interrupteur dans une pièce.

S'appuyant sur la même technologie, des capteurs-transmetteurs de température sont aussi développés. Sans fil, ils se logent dans des endroits difficiles d'accès et sont donc parfaits pour des applications industrielles. En France, une entreprise est en train de faire ses premiers pas sur le créneau des générateurs piézoélectriques (lire ci-dessous).

En France encore, au Léti, des recherches du même acabit sont en cours. Une équipe s'intéresse aux interrupteurs sans fil tirant partie des propriétés piézoélectriques de certains matériaux. Mais les chercheurs grenoblois intègrent une donnée supplémentaire : ils essaient de réduire au minimum les coûts et l'encombrement. Pour cela, ils s'appuient sur des matériaux polymères diélectriques pour amplifier l'énergie de polarisation émise par le cristal piézo. La taille de ce dernier peut alors être considérablement réduite. « À terme, ces interrupteurs autonomes vont concurrencer En-Ocean. Mais on vise également le monde industriel, notamment tout ce qui est mesure du rayonnement nucléaire », explique Ghislain Despesse, chercheur au Léti.

L'énergie transformée en électricité

Dans ce même laboratoire, ont aussi lieu des recherches pour utiliser les vibrations comme sources d'énergie. Une partie mobile est attachée par un ressort à un boîtier que l'on soumet à une vibration. La partie mobile bouge et on réalise alors une conversion électrostatique. « On récupère de l'énergie sur une large bande de fréquences. Entre 20 et 100 Hz comme dans l'automobile », indique Ghislain Despesse. L'énergie électrique est récupérée en permanence et alimente un capteur de pression au niveau des pneus d'un véhicule, qui transmet par ondes radio ses informations. Idéal pour des applications sur des parties roulantes ou difficiles d'accès, avec un environnement vibratoire. Testé sur des voitures, le démonstrateur mesure pour l'instant 9 cm3. « En passant sur silicium, nous pensons qu'il pourra être réduit à 1 cm3 », espère le chercheur du Léti.

Pour amorcer le système, sans intégrer une microbatterie, la solution semble être l'hybridation avec un matériau piézoélectrique. De telles recherches sont en cours au laboratoire Tima (Techniques de l'informatique et de la microélectronique pour l'architecture des systèmes intégrés, à Grenoble) et en partenariat avec le G2Elab (le laboratoire de génie électrique de Grenoble). Les approches développées sont basées sur des structures Mems (Micro Electro Mechanical Systems) de quelques mm3 de volume. L'énergie est transformée en électricité grâce à des matériaux piézoélectriques en couches minces. « Nous espérons récupérer entre 10 et 100 µJ par cm3, qui permettront d'alimenter un noeud de capteurs sans fil », explique Skandar Basrour, professeur à l'université Joseph Fourier et qui effectue ses recherches au laboratoire Tima. Mais pour l'instant, leurs structures ne sont résonnantes que sur d'étroites bandes de fréquence (environ 10 Hz).

« Pour que de tels capteurs intéressent le marché, il faut qu'ils soient petits, avec un bon rendement, et efficaces sur une large bande de fréquences », estime Skandar Basrour. Un défi que de nombreux laboratoires tentent de relever. À l'université de Bristol, des chercheurs espèrent ainsi mettre au point de petits générateurs électriques alimentés par des vibrations d'ici à 2010.

DES MICROGÉNÉRATEURS PIÉZOÉLECTRIQUES

- Jean-Frédéric Martin a créé Arveni à partir de travaux personnels et d'autres réalisés à l'Insa de Lyon. Son idée : réaliser des dispositifs standards, compacts, produits en série à bas prix : « Toute la piézoélectricité est le fait d'électroniciens. Si l'on veut se distinguer, il faut travailler sur la partie mécanique. Et surtout penser système complet. » Disposer d'une bande passante assez large Arveni ne cherche donc pas à innover sur les matériaux piézo. Il y a suffisamment de fournisseurs dans le monde. Autant sélectionner les meilleurs et se ménager différentes sources. En revanche, il lui faut disposer d'une électronique efficace pour transformer la tension produite par le piézo en courant utilisable par le dispositif. Et, surtout, il est indispensable d'optimiser le rendement mécanique : « Pour utiliser au mieux les vibrations, il faut une bande passante assez large. » Jean-Frédéric Martin indique que ses dispositifs ont les rendements les plus élevés au monde - de 15 à 60 % - pour une puissance de 0,4 à 65 mW avec une bande passante atteignant 7 Hz pour des fréquences à exploiter de 10 Hz à plus de 150 Hz. Arveni envisage trois marchés : les interrupteurs (impulsion), l'industrie (vibrations) et les réseaux de fluides (récupération sur fluides circulants).

DEUX PROJETS EUROPÉENS

1. Vibes pour récupérer l'énergie des vibrations - Le projet Vibes, pour Vibration Energy Scavenging, a réuni, de 2004 à 2007, plusieurs acteurs académiques (dont le Tima à Grenoble) et des industriels européens (dont Philips), autour du thème de la récupération d'énergie des vibrations. Ces recherches ont débouché sur la mise au point par une équipe de l'université de Southampton (Grande-Bretagne) d'un générateur de 1 cm3 de volume, permettant de collecter l'énergie des vibrations environnantes à une fréquence donnée. La société Perpetuum a vu le jour et le commercialise pour des applications industrielles, médicales ou liées au transport. À l'université de Bristol (Grande-Bretagne), une équipe a pris le relais pour élargir sa gamme de fréquences. 2. Advice pour l'aéronautique - Démarré en 2007 dans le cadre du 6e PCRD, Advice (Autonomous Damage Detection and Vibration Control Systems) est similaire à Vibes, mais dans le domaine aéronautique. Dix partenaires* travaillent sur des composants actifs implantables sur une structure d'aéronefs afin de détecter son niveau d'endommagement. Le système est un réseau sans fil de patchs autonomes (ou VDCu : Vibration and Damage Control Units) qui puise l'énergie nécessaire aux patchs et à la communication sans fil dans les vibrations de la structure au travers d'un convertisseur piézoélectrique. Ces patchs permettent en plus d'atténuer le niveau de vibration de la structure. Le tout est basé sur une technologie innovante qui utilise des composants à faible coût et faible consommation. Un banc d'essai est en cours de construction. Le projet s'achèvera en 2009. * Goodrich Actuation Systems, Cenaero (coordinateur), EADS IW, Insa Lyon, PZL, IAI, UCL, Protos E.C.I., Aernnova, Cissoid.

Du mouvement

Sony a développé une gamme de produits autonomes en énergie : appareil photo (ci-dessous), casque audio avec radio intégrée. Ces prototypes ne sont pas commercialisés, mais prouvent qu'il est possible de s'affranchir des batteries.

De la pression

EnOcean commercialise un interrupteur sans fil, qui n'a pas besoin d'être relié au réseau électrique.

Des vibrations

Un microgénérateur relié à un multiplicateur de tension (en haut à gauche), le tout tenant dans un boîtier de 2 mm2, permettent de récupérer 1 mW d'énergie à partir de vibrations.

De la chaleur

Micropelt (une société allemande) développe et produit des refroidisseurs et des générateurs miniatures basés sur les techniques Mems sur silicium. Elle développe désormais des capteurs de température qui fonctionneraient grâce à l'énergie calorifique.

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°0899

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2008 d'Industries & Technologies

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies

Nous vous recommandons

Navette autonome, laser ultra-puissant, vie des batteries… les meilleures innovations de la semaine

Navette autonome, laser ultra-puissant, vie des batteries… les meilleures innovations de la semaine

Quelles sont les innovations qui vous ont le plus marqués au cours des sept derniers jours ? Cette semaine, vous avez apprécié[…]

12/04/2019 | MITToyota
Longévité des batteries, Microsoft IA, laser ultra-puissant… les innovations qui (re)donnent le sourire

Longévité des batteries, Microsoft IA, laser ultra-puissant… les innovations qui (re)donnent le sourire

Microsoft IA, cybersécurité IBM, ralenti vidéo… les meilleures innovations de la semaine

Microsoft IA, cybersécurité IBM, ralenti vidéo… les meilleures innovations de la semaine

Toyota et le MIT prédisent la durée de vie des batteries

Toyota et le MIT prédisent la durée de vie des batteries

Plus d'articles