Le concept de collecte d’énergie n’est pas nouveau, mais le recours à cette solution dans des produits réels s’accompagne d’un certain nombre de difficultés. Qu’est-ce que la collecte d’énergie, pourquoi est-elle difficile à mettre en œuvre, comment affectera-t-elle les appareils de l’Internet des objets (IoT) et quelles seront ses implications ?
Qu’est-ce que la collecte d’énergie ?
La collecte d’énergie est le mécanisme par lequel un appareil peut absorber l’énergie locale, naturelle, la convertir en énergie utile, puis utiliser cette énergie pour effectuer une action. Dans le cas des appareils électriques, un collecteur d’énergie peut convertir l’énergie environnementale en électricité, qui peut ensuite être utilisée dans des appareils électriques de faible puissance. Il existe un grand nombre de sources d’énergie naturelle qui peuvent être utilisées pour produire de l’électricité, notamment l’énergie solaire, éolienne, vibratoire, magnétique, thermique et radioélectrique.
Exemples de techniques de collecte d’énergie
Il n’est pas toujours facile d’extraire de l’énergie de l’environnement et celle-ci est souvent très limitée. Comment les sources d’énergie naturelles peuvent-elles être transformées en électricité ?
Énergie solaire
L’exemple le plus évident d’énergie naturelle est la lumière du soleil ; l’utilisation de cellules solaires peut convertir la lumière directement en électricité grâce à l’effet photovoltaïque, ce qui permet de charger un condensateur ou une batterie pour faire fonctionner un appareil. Cependant, une telle source d’énergie nécessite souvent une grande surface pour maximiser l’apport énergétique et ne fonctionne souvent qu’en présence d’une lumière directe.
Énergie éolienne
L’énergie éolienne est un autre exemple évident d’énergie naturelle, mais comme l’énergie solaire, elle pose des problèmes. La conversion du vent en électricité se fait à l’aide d’une dynamo reliée à un rotor. Lorsque le vent passe à travers le rotor, l’arbre de la dynamo tourne, ce qui permet de produire de l’électricité. Un tel système nécessite que le capteur d’énergie soit placé en présence de vent, et le vent est une source d’énergie irrégulière.
Énergie thermoélectrique
Un système thermoélectrique peut produire de l’électricité lorsqu’il existe une grande différence de température entre deux points. Un exemple simple de système thermoélectrique serait un refroidisseur Peltier dont le côté « chaud » est en contact avec un objet chaud, tandis que le côté « froid » est en contact avec un objet froid. Le résultat de ce phénomène est appelé « effet Peltier », le refroidisseur Peltier produisant de l’électricité.
Énergie électromécanique
Un collecteur d’énergie électromécanique convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Pour ce faire, il existe un grand nombre de méthodes différentes, mais l’effet piézoélectrique est la plus courante. Un matériau piézoélectrique est un matériau qui dévie dans une direction spécifique lorsqu’il est traversé par un courant électrique et qui génère un courant lorsque le matériau subit une déformation mécanique. Ainsi, un élément piézo peut être monté sur un objet vibrant et l’élément produira un courant électrique.
Énergie radioélectrique
Un collecteur d’énergie radioélectrique est un appareil qui convertit directement les ondes radioélectriques en électricité. Ces collecteurs d’énergie sont les plus rares (les ondes radio sont incroyablement faibles) et génèrent très peu d’énergie. Toutefois, s’ils sont placés dans un champ radioélectrique suffisamment puissant, ils peuvent être utilisés pour alimenter des appareils. Un exemple classique est celui des anciennes radios à cristaux, qui n’ont pas besoin de source d’énergie pour fonctionner (seulement une longue antenne et une connexion à la terre).
Pourquoi la collecte d’énergie est-elle difficile ?
L’un des plus grands défis de la collecte d’énergie est de trouver une source d’énergie fiable qui puisse fournir suffisamment de puissance pour l’application visée. Par exemple, l’énergie solaire et l’énergie éolienne peuvent toutes deux fournir des quantités décentes d’électricité, mais le soleil ne brille pas toujours et le vent est incroyablement imprévisible. Même si les deux sont utilisés simultanément, il est possible d’avoir des journées nuageuses et calmes au cours desquelles un tel système énergétique ne produirait pratiquement pas d’électricité.
Les autres sources d’énergie naturelle, telles que les sources mécaniques et thermiques, sont également incroyablement peu fiables, et essayer de générer suffisamment d’énergie pour faire fonctionner ne serait-ce qu’un capteur de base est une tâche ardue. Un autre problème auquel sont confrontés les systèmes de collecte d’énergie est la demande d’énergie de la grande majorité des appareils ; il est pour le moins difficile de trouver un système IoT qui utilise le Wi-Fi et consomme moins de 100 mW lorsqu’il est actif.
Qu’est-ce qui change et quel est l’apport de la technologie ?
Bien que les dispositifs de collecte d’énergie ne soient pas pratiques pour les appareils actuels, les améliorations technologiques permettent de mettre au point des appareils qui pourraient fonctionner entièrement grâce à la collecte d’énergie.
La première amélioration technologique qui apporte une aide considérable est la réduction de la taille des transistors. En règle générale, la réduction du nombre de transistors permet de faire tenir plus de choses sur une puce ; cependant, la réduction du nombre de transistors réduit également la consommation d’énergie de chaque transistor. Ainsi, les dispositifs utilisant des transistors plus petits deviennent non seulement plus puissants, mais ils consomment moins d’énergie par transistor et ont donc des besoins en énergie potentiellement plus faibles.
La deuxième amélioration technologique est l’utilisation de systèmes d’alimentation intelligents qui sont soit incroyablement efficaces (tels que des convertisseurs DC-DC spécialisés), soit utilisent des systèmes de réveil qui ne consomment de l’énergie que lorsque c’est nécessaire. Le résultat d’une conception intelligente de l’alimentation est un appareil qui peut fonctionner non seulement avec des sources d’énergie instantanées plus petites, mais qui consomme moins d’énergie totale (ce qui nécessite moins d’énergie par cycle de fonctionnement).
Le troisième facteur qui contribue à améliorer les collecteurs d’énergie et les appareils qu’ils doivent alimenter correspond à la demande commerciale croissante d’appareils distants qui ne nécessitent pas de batteries internes. Certains dispositifs, tels que les sonnettes de porte, peuvent nécessiter une connexion à un réseau, mais ne doivent être activés que lorsque quelqu’un appuie sur la sonnette. L’interrupteur est remplacé par un capteur d’énergie piézoélectrique et, lorsque k’on appuie dessus, l’appareil s’allume, envoie un message à un système d’alarme, puis s’éteint.
Comment les collecteurs d’énergie modifieraient-ils l’IoT ?
Si des techniques fiables de collecte d’énergie peuvent être intégrées dans les technologies IoT, le résultat sera monumental. Les technologies IoT étant axées sur de petits capteurs dotés de capacités de mise en réseau, des déploiements à grande échelle pourraient rapidement être réalisés sans qu’il ne soit nécessaire de trouver des sources d’énergie. Les appareils peuvent ainsi être montés dans presque tous les endroits, sans qu’il ne soit nécessaire de changer la batterie ou de la recharger.
La collecte d’énergie dans les appareils IoT pourrait également faciliter l’installation de maisons intelligentes ; l’absence de câbles d’alimentation ou de communication permet d’ajouter rapidement un appareil IoT à un réseau domestique. Cependant, les capacités de l’appareil dépendraient des sources d’énergie disponibles, et il est donc peu probable que des appareils tels que des caméras ou des moniteurs audio puissent être utilisés. Ces dispositifs IoT peuvent prendre la forme de boutons intelligents qui exécutent des actions spécifiques lorsqu’ils sont actionnés (comme commander des articles supplémentaires, ouvrir les portes et les fenêtres ou régler les contrôles environnementaux).
Idées reçues sur la collecte d’énergie
Si la collecte d’énergie peut sembler être une technologie en or qui pourrait résoudre de nombreux problèmes auxquels sont actuellement confrontés les appareils IoT (et bien d’autres), il est important que les concepteurs comprennent la différence entre les collecteurs d’énergie et les voleurs d’énergie. De nombreux collecteurs d’énergie sont en fait des voleurs d’énergie et peuvent entraîner une augmentation des émissions de gaz à effet de serre.
Les dispositifs piézoélectriques qui produisent de l’électricité à partir de l’énergie mécanique en sont un bon exemple et fonctionnent bien dans les applications de commutation (comme une sonnette de porte). Cependant, ceux qui sont installés sur les routes pour absorber l’énergie vibratoire des voitures peuvent augmenter la résistance de la route à la voiture, ce qui entraîne une augmentation de la consommation de carburant de la voiture.
Les capteurs radio qui absorbent les ondes radio réduisent essentiellement la force du signal, et donc le nombre total d’appareils pouvant utiliser le réseau. Bien qu’elle puisse être minime dans de nombreux cas, des millions de capteurs entraîneront une perte nette de capacité radiative et exigeront donc que la source radio émette plus de puissance pour atteindre la même portée et la même qualité de signal.
Les appareils électromécaniques qui se couplent au réseau électrique tirent l’énergie du réseau par couplage capacitif. Ainsi, les sources d’énergie connectées au réseau doivent produire plus d’énergie pour compenser la perte causée par les collecteurs d’énergie. Là encore, si les collecteurs d’énergie individuels sont insignifiants, des millions d’entre eux pourraient produire une charge considérable.
La collecte d’énergie est-elle pratique ?
Dans l’état actuel de la technologie, les collecteurs d’énergie sont davantage une nouveauté qu’un produit de masse pouvant être intégré dans les produits modernes. L’utilisation des technologies NFC permet de créer des dispositifs à scanner, qui ne s’activent qu’à proximité d’un lecteur. Ces technologies sont utilisées depuis une vingtaine d’années, mais les dispositifs IoT capables d’absorber l’énergie de leur environnement sont rares.
Un autre problème lié à ces conceptions est qu’elles peuvent être pratiquement impossibles à localiser si elles ne fonctionnent qu’en cas de besoin (comme les dispositifs de sommeil profond), ce qui pourrait entraîner un tout autre niveau de préoccupation : la protection de la vie privée. Les dispositifs qui passent la majeure partie de leur temps à absorber de l’énergie, puis à fonctionner en rafale, seraient non seulement pratiquement impossibles à localiser, mais pourraient également être utilisés à des fins d’espionnage et de filature. Un appareil IoT cellulaire pourrait passer 23 heures à se charger et utiliser une fenêtre d’une minute pour se connecter à un réseau cellulaire, écouter à l’aide d’un microphone, télécharger le contenu, puis s’éteindre. Bien que la fenêtre d’une minute soit petite, le capteur pourrait être activé lorsqu’il détecte l’ouverture d’une porte, le démarrage d’un ordinateur ou la présence d’une étiquette NFC.
Conclusion
Les collecteurs d’énergie permettent de créer des dispositifs IoT très pratiques qui ne nécessitent pas de sources d’énergie ou de câbles remplaçables. Ces appareils peuvent être facilement installés dans des environnements difficiles, et la possibilité d’utiliser des technologies sans fil permet des déploiements de masse.
