Dans un contexte de recherche d’indépendance énergétique et de lutte contre le réchauffement climatique, l’energy harvesting est promis à un bel avenir. Ce concept, traduisible par “récolte d’énergie” ou “récupération d’énergie”, désigne les technologies permettant de récupérer de l’énergie issue de l’environnement ou produite par l’être humain à travers ses mouvements.
Les énergies solaire, thermique, vibratoire, cinétique et électromagnétique peuvent fournir une puissance limitée, de l’ordre de quelques microwatts à quelques milliwatts par centimètre carré [1]. Emmagasinées, elles restent suffisantes pour servir au fonctionnement d’objets connectés peu consommateurs d’énergie, comme de petits appareils électroniques portés sur soi (les “wearables”) ou des capteurs sans fil mesurant la température, la pression ou l’hygrométrie.
Réduire l’empreinte carbone de l’IoT
Concept encore émergent, l’energy harvesting se présente comme une réponse à l’une des principales problématiques de l’internet des objets (IoT) que sont l’autonomie et la gestion des piles. Il permet déjà, selon un billet du bureau d’études électronique Innovel, “d’alimenter des appareils sans batteries tout en leur assurant une durée de vie importante pouvant aller jusqu’à 20 ans”.
Les biopiles tirent leur énergie de l’environnement sans le polluer en retour.
Cette promesse coïncide avec une explosion annoncée du nombre d’objets connectés. Fin 2021, celui-ci aurait atteint, d’après une étude d’IoT Analytics, le chiffre de 12,3 milliards d’unités, en augmentation de 9%. Ce chiffre pourrait plus que doubler d’ici 2025 pour arriver “probablement” à plus de 27 milliards de connexions IoT.
Outre les économies réalisées autour notamment de la maintenance des équipements, la récolte d’énergie permet de réduire l’empreinte carbone de l’IoT en se substituant aux piles traditionnelles qui, jetables ou rechargeables manuellement, restent particulièrement polluantes, de leur conception à leur traitement en fin de vie.
Avec ces atouts, le marché mondial des systèmes de récupération d’énergie devrait fortement se développer. Selon une étude de Research and Markets, il devrait connaitre une croissance moyenne annuelle de 12,75% pour atteindre environ 820 millions de dollars en 2026, contre 354 millions en 2019.
Nombreux cas d’usages
Dans un rapport consacré à l’energy harvesting, le cabinet de conseil IDTechEx dresse un état des lieux des différentes technologies de récolte d’énergie. Un grand nombre de procédés répondent à la définition de l’energy harvesting. Il est ainsi possible de faire appel au photovoltaïque, à la thermoélectricité, à la cinétique, à la piézoélectricité ou à l’électromagnétisme pour récupérer de l’énergie du soleil, de la chaleur, des vibrations ou des mouvements du corps.
La conversion de l’énergie vibratoire est notamment utilisée dans l’industrie, où des machines-outils peuvent elles-mêmes alimenter en énergie électrique les capteurs connectés qui leur sont associés.
Le secteur aéronautique a par exemple recours à la piézoélectricité qui repose sur la faculté qu’ont certains matériaux de produire une charge électrique sous l’action d’une contrainte mécanique. La société Enerbee combine, elle, les technologies magnétiques et piézoélectriques. Son microgénérateur, qui délivre de 1 à 10 mW, “soit un équivalent de 1,5 à 6 piles AA sur un an”, peut, par exemple, rendre autonome un capteur de mesure de la qualité de l’air.
Fournisseur de solutions IoT à destination des territoires et des populations isolées, Lean Connected fait appel à l’électricité photovoltaïque pour alimenter ses stations météo ou ses colliers connectés pour le suivi des troupeaux dans les alpages. Toujours dans le domaine du photovoltaïque, Wattway est à l’origine du premier revêtement routier photovoltaïque au monde. Avec l’énergie produite, cette société du groupe Colas propose de recharger des vélos électriques ou d’éclairer un cheminement piéton.
Autre première mondiale, une équipe de chercheurs américains a mis au point une antenne dite “redresseuse” pour récolter l’énergie électromagnétique des signaux 5G et l’utiliser pour alimenter des appareils électriques. Ce type d’antenne est capable de convertir de l’énergie radiofréquence en courant continu, comme l’explique un article de France Bleu.
Piles 100% biodégradables
L’avenir de l’energy harvesting passera aussi par le développement de “biopiles”. Ces piles 100% biodégradables génèrent de l’énergie chimique à partir de plantes, d’algues ou de bactéries. Elles tirent leur énergie de l’environnement sans le polluer en retour. Issue du CNRS, la startup BeFC a conçu une pile écologique dont le système de biocatalyse utilise la cellulose du papier et des enzymes pour produire de l’électricité.
Le champ d’action de l’energy harvesting ne se limite pas aux petits capteurs. D’après un article de Scientific American, il s’étend aux smartphones ou aux ordinateurs portables. Mise à l’échelle, cette technologie pourrait prendre en charge des systèmes beaucoup plus imposants tels que les dispositifs d’éclairage des bâtiments, les équipements médicaux et même les satellites.
[1] A. S. Adila, A. Husam and G. Husi, “Towards the self-powered Internet of Things (IoT) by energy harvesting: Trends and technologies for green IoT”, 2018 2nd International Symposium on Small-scale Intelligent Manufacturing Systems (SIMS), Cavan, 2018, pp. 1-5
