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Débusquer l'énergie cachée

HUGO LEROUX hleroux@industrie-technologies.com

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Chaleur, vibration, lumière, ondes radio... L'environnement regorge de sources d'énergie miniatures. Leur récupération affranchirait une foule de petits appareils électroniques de batteries. À condition de les optimiser pour les rendre plus sobres. Le point sur les technologies d'energy harvesting, un domaine en pleine effervescence.

Ala pêche aux joule ! En matière de récupération d'énergie, il y a des gisements qui sautent aux yeux. La chaleur perdue des effluents et des fumées industrielles, l'énergie cinétique dissipée au freinage des transports, etc. On parle de kilowatts. Mais à bien y regarder, l'énergie est omniprésente dans notre environnement. Prenez une usine. Les moteurs tournent à plein régime ? Des systèmes piézoélectriques peuvent récupérer l'énergie de leurs vibrations. Les machines dégagent aussi de la chaleur ? Un capteur thermo-électrique peut en faire de l'électricité. L'ambiance lumineuse est confortable ? Un dispositif photovoltaïque y trouve sa place. Ces gisements-là sont minuscules : de l'ordre du milliwatt, voire du microwatt. Pourtant, leur récupération constitue une discipline à part entière : l'energy harvesting - que l'on peut traduire par la récolte, ou la cueillette, d'énergie.

Des capteurs sans fil et sans pile

Les technologies de récupération sont aussi diverses que les sources. Sur des systèmes immobiles, le trio du piézoélectrique, du thermoélectrique et du photovoltaïque domine. Sur de petites pièces en mouvement, l'énergie mécanique peut être convertie en électricité par des systèmes électromagnétiques, via une bobine. Des recherches visent aussi à récupérer l'énergie des ondes électromagnétiques qui émanent de nos équipements communicants ou même l'énergie chimique des fluides corporels comme le sang. Bref, l'énergie est omniprésente. Et nous savons la récolter. À un bémol près : « On parle ici de niveaux d'énergie extrêmement faibles, même en considérant les progrès des technologies de récupération. Pas question donc de les réinjecter sur un réseau », souligne Elie Lefeuvre, chercheur à l'institut d'électronique fondamentale de l'université Paris Sud. « L'intérêt de l'energy harvesting, c'est de concevoir des appareils peu énergivores capables de s'autoalimenter. »

À l'heure actuelle, l'application phare de la récolte d'énergie réside dans des capteurs autonomes et communicants. Le suivi des procédés industriels et la régulation des paramètres de confort dans les bâtiments nécessitent en effet des réseaux de capteurs toujours plus denses. « Tirer des kilomètres de câbles pour alimenter ces réseaux de capteurs peut relever de la gageure. D'où l'intérêt de capteurs sans fil et sans pile. Il reste évidemment la solution très compétitive des piles. Mais la nécessité de les remplacer périodiquement peut induire des coûts importants dans les environnements peu accessibles », analyse Jean-Philippe Leclercq, consultant spécialisé dans les systèmes de microélectronique chez Yole.

La société Perpetuum développe ainsi des capteurs de maintenance prédictive. Greffés sur des équipements industriels, ils communiquent des relevés vibratoires, reflétant l'état de fatigue des machines. Grâce à une technologie piézoélectrique, ils s'alimentent de ces mêmes vibrations. Micropelt se spécialise, elle, dans les récupérateurs thermoélectriques. Ses capteurs de température se logent sur les surfaces chaudes pour le monitoring des procédés industriels. Côté bâtiment, La société allemande Enocean fabrique des boîtiers de confort, qui relèvent divers paramètres de l'ambiance intérieure, en version autonome par l'ajout de cellules photovoltaïques.

Des systèmes complexes qui doivent être optimisés

Autre incontournable de l'energy harvesting : les boutons-poussoirs sans fil et sans pile. Enocean et la start-up française Arveni se sont ainsi fait une spécialité de convertisseurs d'énergie mécanique, dans lesquels la pression d'une touche génère suffisamment d'énergie pour émettre un signal radio. Ces systèmes électromagnétiques permettent d'installer des interrupteurs sans déployer d'infrastructure supplémentaire. D'autres commutateurs sont aussi à l'essai pour des applications grand public : portails automatiques, télécommandes, etc.

S'il gagne du terrain, l'energy harvesting est pourtant loin de bousculer l'hégémonie des traditionnelles batteries. Cela en vertu d'un bilan technico-économique simple : les systèmes demeurent complexes et coûteux pour une production électrique limitée. Un gros travail d'optimisation reste donc à effectuer. La thermoélectricité et la piézoélectricité reposent par exemple sur des matériaux rares. Dans les laboratoires du CEA-Liten, les chercheurs planchent sur des nanostructures permettant de diminuer l'utilisation de ces ressources précieuses à performance égale. Leur substitution par des matériaux plus abondants est également explorée.

Le corps humain devient générateur d'électricité

Au-delà des seuls récupérateurs d'énergie, c'est aussi une approche « système » qui importe : « Le signal électrique généré est instable. Il faut ensuite le redresser, le stocker et le délivrer ponctuellement. Le tout avec un minimum de déperditions puisque les niveaux d'énergie sont déjà très faibles », schématise Jean-Pierre Desbenoit, expert senior des technologies de communication avancée chez Schneider Electric. Les industriels de la microélectronique commencent donc à élargir leurs gammes vers « l'ultra-low power ». Texas Instruments développe des microcontrôleurs et des émetteurs radio capables de fonctionner à des niveaux extrêmement bas d'énergie. Chez STMicroelectronics, on mise sur les batteries à couche mince de 200 µm d'épaisseur pour récolter les sources les plus irrégulières. Ultra-compactes, ces batteries reposent sur des chimies moins capacitives que le classique lithium-ion, mais plus durables.

La miniaturisation continue débouche sur l'autre terrain d'avenir de l'energy harvesting : le corps humain. Organes en mouvement, circulation de fluides, production de chaleur... si les sources d'énergie ne manquent pas, les problèmes de récupération y sont exacerbés tant les niveaux d'énergie sont ténus. Ainsi un système piézoélectrique qui récupère 100 µW sur une machine vibrante industrielle peut-il en récolter 5 à 10 sur les battements cardiaques. La récupération du moindre microwatt a pourtant de quoi faire rêver une industrie des biotechs en plein boom.

« La batterie d'un implant cardiaque, doit être remplacée tous les huit ans. Et l'insertion des sondes reliant la batterie aux électrodes situées dans les ventricules est une opération délicate » explique Alain Ripart, vice-président de Sorin. La société élabore un implant capable de se loger au sein d'un ventricule. Baptisé Heart Beat Scavenger, il glane à partir des battements cardiaques les 10 à 20 µW nécessaires pour générer des impulsions électriques en cas de défaillance. Sorin procède actuellement à l'étalonnage d'un prototype sur l'animal. Les premiers tests cliniques sont prévus d'ici quatre ans. Son succès permettrait de réduire fortement le taux de remplacement et offrirait une sécurité plus grande aux patients.

Côté monitoring, Fujitsu Laboratories a présenté fin 2010 un bracelet combinant le photovoltaïque et le thermodynamique. Les deux dispositifs reposent sur un semiconducteur commun, développé sur un substrat organique. À l'heure de la télémédecine, un tel bracelet pourrait assurer le contrôle de la température corporelle, de la pression artérielle ou du rythme cardiaque.

MICROCONSOMMATION

10 µW, c'est le besoin typique d'alimentation d'un pacemaker.

TROIS PROCÉDÉS DE CUEILLETTE D'ÉNERGIE

1. LE PHOTOVOLTAÏQUE Les cellules photovoltaïques utilisent des matériaux semiconducteurs qui convertissent les photons incidents en électrons. Leur productivité est mille fois moindre sous une lumière intérieure diffuse qu'en rayonnement direct extérieur. Mais ils peuvent subvenir aux besoins électriques d'applications modestes. 10 µW/cm2 Énergie tirée de la lumière intérieure 2. LE PIÉZOÉLECTRIQUE c Certains matériaux ont la propriété de générer un courant électrique lorsqu'ils sont déformés. Cet effet piézoélectrique peut être exploité directement pour convertir des mouvements mécaniques en courant. Dans le cas des vibrations, mouvement plus ténu, on fait appel à une masse résonnante qui oscille en résonance avec les vibrations et amplifie la déformation du matériau piézoélectrique. 100 µW/cm2 Énergie tirée des vibrations 3. LE THERMOÉLECTRIQUE Les matériaux thermoélectriques produisent de l'électricité à partir d'une différence de température : c'est l'effet Seedbeck. Plus cet écart est grand, plus il provoque le déplacement de charges à travers le matériau, et donc de courant. Les matériaux thermoélectriques doivent donc être bons conducteurs électriques, mais aussi et piètres conducteurs thermiques pour « piéger » les gradients de température. 1 000 µV/cm2 énergie tirée de la chaleur

LE CAPTEUR SANS FIL AU RÉGIME SEC

Les capteurs communicants s'invitent dans les recoins les plus inaccessibles. Plus besoin de tirer des câbles ni de faire appel à des piles. Grâce aux technologies d'energy harvesting, ils puisent directement l'énergie dans leur environnement. Mais les sources sont diffuses et la récupération limitée. Chaque composant doit donc être optimisé pour se satisfaire d'une alimentation électrique minimale.

Le sang nourrit la biopile

cVoici des travaux que les fabricants d'implants médicaux suivent de près. Des chercheurs de l'université Joseph Fourrier de Grenoble développent une pile... au glucose. L'appareil exploite les échanges électrochimiques entre le glucose et l'oxygène, abondants dans le sang. Les réactifs sont extraits du liquide vital par des enzymes spécifiques. Ces enzymes sont elles-mêmes encapsulées dans une membrane poreuse qui les protège de l'environnement corporel et canalise l'électricité. Les chercheurs travaillent maintenant à compacter cette architecture : leur pile de 1,33 cm de diamètre flirte avec les 6,5 µW. Il en faudrait 10 µW pour un pacemaker conventionnel.

Les insectes robotisés s'autoalimentent

L'Agence de recherche pour la défense américaine (Darpa) développe des microvéhicules aériens (MAVs). En clair : des drones de la taille d'un insecte pour la surveillance militaire. Plutôt que de créer un robot de A à Z - délicate entreprise de miniaturisation - ses chercheurs ont fini par « lobotomiser » des insectes réels en envoyant des impulsions électriques dans leur cerveau. Jusqu'ici, ce contrôle neuronal était alimenté par des batteries. Mais une équipe de l'université du Michigan a réussi à générer du courant grâce aux battements d'ailes d'un scarabée. Deux générateurs piézoélectriques - sous les muscles de chaque aile - produisent jusqu'à 45 µW. Les chercheurs travaillent à présent à augmenter cette énergie grâce à une connexion directe entre les muscles de l'insecte et les générateurs.

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