Qui a besoin de batteries ? Les capteurs auto‑alimentés peuvent simplifier et améliorer les systèmes

La demande énergétique croissante et la manière d’y répondre constituent l’une des préoccupations les plus pressantes auxquelles le monde est confronté. Non seulement le volume de production représente un défi à relever, mais la nature de cette production doit être durable et exempte d’émissions de carbone. 

Des scientifiques, chercheurs, technologues, institutions et organisations gouvernementales du monde entier s’efforcent de concevoir des solutions efficaces à ce défi énergétique. De nombreuses tentatives réussies ont également contribué à améliorer la situation. 

Au milieu de tout cela, un groupe de chercheurs du MIT a mis au point un capteur auto‑alimenté, sans batterie capable de récolter l’énergie de l’environnement. Commençons par approfondir et comprendre ce que cette technologie signifie et pourquoi il s’agit d’une innovation importante. 

Capteurs sans batterie et auto‑alimentés des chercheurs du MIT

Ces capteurs n’ont pas besoin de batteries rechargeables ou remplaçables. Ils ne nécessitent pas non plus de câblage, ce qui facilite leur placement dans des endroits difficiles d’accès. Essentiellement, ces capteurs sont des dispositifs sensibles à la température qui peuvent fonctionner grâce à l’énergie tirée du champ magnétique adjacent autour d’un fil dans l’air libre. 

Déployer ces capteurs est aussi simple que de les clipser autour d’un fil transportant de l’électricité, comme ceux alimentant un moteur. Une fois clipsés, le déploiement suffit au dispositif de capteur pour à la fois récolter et stocker l’énergie. De plus, le dispositif peut surveiller la température du moteur, ainsi que recueillir des données sur la consommation d’énergie et le fonctionnement de la machine sur une période prolongée.

Selon Daniele Monagle, auteur principal de l’étude qui met en avant cette innovation en tant que article publié dans IEEE Xplore:

« Nous avons présenté un exemple de capteur sans batterie qui accomplit une tâche utile et montré qu’il s’agit d’une solution pratiquement réalisable. Maintenant, nous espérons que d’autres utiliseront notre cadre pour lancer la conception de leurs propres capteurs. »

En parlant de l’innovation et de sa valeur utilitaire, John Donnal, professeur associé d’ingénierie des armes et des contrôles à l’Académie navale des États‑Unis, a déclaré : 

« Les systèmes de récupération d’énergie comme celui‑ci pourraient permettre de moderniser une grande variété de capteurs de diagnostic sur les navires et de réduire considérablement le coût global de la maintenance. »

Les chercheurs estiment que cette innovation constitue un ajout précieux au domaine de la récupération d’énergie, car elle fonctionne comme une interface de gestion électronique de l’énergie efficace entre la source de récupération et la charge du capteur. 

Le système, lors des tests de développement, a démontré des capacités de démarrage à froid réussies utilisant une logique discrète, avec des améliorations de la puissance récoltée atteignant près de 400 % sous certaines conditions de charge de tension de la source de récupération. Il fonctionnait sous une méthode de contrôle hystérétique pouvant alimenter une charge de capteur allant jusqu’à 50 mégawatts. 

Le travail a été partiellement soutenu par le Office of Naval Research et la Fondation Grainger. Fondamentalement, les capacités de surveillance et de détection de ces dispositifs pourraient avoir de nombreuses applications dans le secteur maritime. 

Par exemple, accéder et surveiller l’alimentation d’un navire est difficile à réaliser car le nombre de prises est limité et les restrictions concernant le type d’équipement pouvant être branché sont strictes. 

Bien que le navire pourrait grandement bénéficier de la mesure des vibrations d’une pompe et obtenir des informations en temps réel sur l’état des roulements et des supports, alimenter des capteurs de modernisation implique la construction d’infrastructures lourdes en investissement. Ces systèmes de capteurs auto‑alimentés rendent possible la modernisation d’une gamme de capteurs de diagnostic sur les navires, réduisant ainsi de façon significative le coût de maintenance. 

De plus, la récupération d’énergie réalisée par ces capteurs ne dépend pas uniquement des champs magnétiques. Ils peuvent récolter de l’énergie à partir de vibrations ou de la lumière du soleil et offrir la possibilité de créer des réseaux de capteurs complets pour les usines, entrepôts et espaces commerciaux à un coût d’installation et de maintenance très modéré. 

Toutes ces discussions autour de la récupération d’énergie et de l’extraction de l’énergie requise à partir de champs magnétiques environnants, de vibrations sonores ou de la lumière du soleil peuvent rappeler les matériaux piézoélectriques à ceux qui les connaissent. Mais il existe des différences. 

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Les capteurs auto‑alimentés sont différents des matériaux piézoélectriques

Les matériaux piézoélectriques peuvent produire une tension électrique lorsqu’ils sont soumis à une contrainte. Les facteurs déclenchant la génération d’énergie peuvent être le pliage, l’étirement ou les vibrations. Il est possible d’exploiter ces modes de génération d’électricité via un dispositif d’énergie ondulatoire. 

La piézoélectricité a également été utilisée comme technologie de génération d’énergie marine. Cependant, elle diffère des systèmes de capteurs auto‑alimentés dont nous parlons ici, car elle ne constitue qu’une partie du système. 

L’article scientifique qui détaille la conception de la gestion d’énergie pour les capteurs auto‑alimentés montre qu’il comporte trois grandes composantes. Il y a la source de récupération, le module central de gestion d’énergie et le nœud capteur. 

La piézoélectricité est l’une des sources de récupération. Il pourrait exister d’autres sources de récupération, notamment les cellules solaires, les sources CT MEH et les sources thermoélectriques ou triboélectriques. 

En résumé, un capteur auto‑alimenté est plus qu’un matériau piézoélectrique ou le phénomène de piézoélectricité en soi. Ainsi, les capteurs auto‑alimentés trouvent une gamme d’applications. 

Dans les sections suivantes, nous examinerons les entreprises qui fabriquent de tels capteurs ou les utilisent. 

#1. EnOcean : Capteurs auto‑alimentés pour des bâtiments sûrs

Les capteurs sans fil auto‑alimentés d’EnOcean tirent leur énergie de la lumière ambiante, en exploitant des cellules solaires. Non seulement cela, mais ces capteurs sont également capables d’extraire de l’énergie à partir des plus petites différences de température. En plus de la récupération d’énergie, ils peuvent également collecter des données brutes, aidant à l’analyse et à la visualisation de la dynamique énergétique d’un bâtiment intelligent. De plus, en plus de la température, ces capteurs obtiennent efficacement des informations sur l’humidité, la lumière et l’utilisation de l’espace et de certaines pièces du bâtiment.

EnOcean propose une variété de produits dans son portefeuille de capteurs auto‑alimentés, incluant des modules de capteurs sans fil à récupération d’énergie, des convertisseurs DC/DC ultra‑basse consommation pour récupérateurs d’énergie thermique, des modules transmetteurs de contact magnétique à récupération d’énergie et des modules de capteurs de température sans fil, des modules de capteurs d’humidité, et plus encore. 

EnOcean positionne STM 550 comme le produit phare de sa gamme de capteurs auto‑alimentés. Il s’agit d’un capteur sans fil à récupération d’énergie qui possède de nombreuses applications dans les bâtiments numérisés. C’est un produit multisensor qui combine cinq capteurs différents fonctionnant sur le contact magnétique, l’accélération, l’humidité, l’illumination et la température. 

Le capteur intègre une cellule solaire qui peut satisfaire toutes les exigences énergétiques opérationnelles. Même lorsqu’il n’y a pas de lumière solaire disponible, l’énergie récoltée stockée en interne assure le bon fonctionnement du système. Enfin, l’interface NFC garantit une configuration facile et un accès via un lecteur NFC, un smartphone ou une tablette. 

Selon un document interne publié par EnOcean, l’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires de 21 millions $ US en FY 21 et de 23,2 millions $ US en FY 22, sans inclure les revenus provenant des actifs acquis. Pour FY 23, l’entreprise prévoit un chiffre d’affaires de 35 millions $ US. 

L’entreprise a également présenté un solide pipeline d’investisseurs stratégiques et financiers, incluant Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens et Emerald Technology Ventures. 

#2. ONiO : Vers un avenir sans batterie

Une autre entreprise qui travaille avec rigueur pour répondre aux exigences d’un futur auto‑alimenté est ONiO. 

Son produit phare, ONiO.zero, est un petit microcontrôleur sans fil capable de remplacer les batteries. Il est greffé sur une minuscule puce de silicium qui possède le circuit électrique nécessaire pour accumuler les plus petites quantités d’énergie. 

Ce système de taille nano peut exécuter des programmes, se connecter à des capteurs externes et communiquer sans fil. Il utilise l’énergie renouvelable ambiante pour alimenter la microélectronique afin de permettre aux utilisateurs d’exploiter pleinement les énergies RF, solaire et thermoélectrique à leur avantage. 

ONiO.Zero alimente de nombreux dispositifs microcontrôleurs, y compris une télécommande sans batterie. Lors du fonctionnement de la télécommande, ONiO.zero implémente une interface PDM basse consommation pour connecter des microphones basse consommation. Cette interface supporte des vitesses d’échantillonnage de 300 kHz à 12 MHz, avec un support supplémentaire pour le débit binaire fractionnaire. De plus, l’intégration d’un moteur tactile capacitif signifie que la télécommande ne nécessite aucun oscillateur interne pour fonctionner et est entièrement auto‑chronométrée. Cette conception lui permet de fonctionner avec une consommation extrêmement faible et de réveiller de façon asynchrone le reste du système. En outre, l’oscillateur ultra‑basse consommation est conçu de sorte que chaque pression de touche, parmi un total de 64 boutons, puisse réveiller le CPU. 

En juillet 2023, ONiO a dévoilé ses étiquettes électroniques d’étagère sans batterie. Elles sont 100 % auto‑alimentées et ne nécessitent aucune batterie. Les étiquettes d’étagère traditionnelles utilisent deux piles bouton chacune, et un magasin de proximité moyen utilise près de 6 000 de ces étiquettes, entraînant l’élimination fréquente d’environ 12 000 piles bouton dans les océans et les décharges provenant d’un seul magasin de proximité. 

Les étiquettes électroniques d’étagère sans batterie auto‑alimentées d’ONiO peuvent sauver notre planète des déchets toxiques générés par des millions de batteries. 

L’entreprise a finalisé son tour de financement pré‑seed, seed et bridge en 2017, 2018 et 2021, respectivement, et devrait achever la série A d’ici 2024. Les dernières données de financement disponibles indiquent que l’entreprise a levé près de 2,5 millions d’euros en tant que subvention du Conseil européen de l’innovation en mai 2020. 

#3. Clarity Movement Co. : Exploiter la technologie de détection de l’air pour mener le mouvement de l’air pur

Basée à Berkeley, Californie, États‑Unis, Clarity Movement Co. propose son moniteur phare de particules et de dioxyde d’azote nommé Clarity Node‑S. Il s’agit d’une solution auto‑alimentée qui a obtenu les certifications FCC/CE. Au cœur de ce dispositif se trouve un système de surveillance de la qualité de l’air IoT fonctionnant selon les principes de la récupération d’énergie solaire. 

Il possède également des capacités de gestion de données de pointe qui peuvent être modulées à n’importe quelle échelle de projet. En plus de servir de matériel de surveillance de la qualité de l’air mesurant le PM2.5 et le dioxyde d’azote, Clarity Node‑S sert de plateforme capable de mesurer le vent, le carbone noir et l’ozone. Son tableau de bord convivial offre les mesures de la qualité de l’air et les données d’état du réseau d’air de la manière la plus accessible possible. 

Clarity Movement a réalisé un total de cinq tours de financement à ce jour, le dernier étant la série A du 24 juillet 2022. Selon les rapports, ce tour a levé 9,6 millions $ US en fonds. 

En dehors des entreprises qui fabriquent des solutions de capteurs sans batterie et auto‑alimentés, il existe des domaines d’application qui étudient leur faisabilité et développent des solutions en conséquence. 

Des soins de santé aux systèmes intelligents de construction : L’utilisation des capteurs auto‑alimentés

Les capteurs sont utilisés dans les soins de santé, l’industrie des objets connectés portables, le domaine de l’électronique personnelle, les automobiles, les bâtiments, la surveillance alimentaire, la robotique, la surveillance environnementale, et plus encore. Les avantages des capteurs ont été encore accentués par les capteurs auto‑alimentés. 

Aujourd’hui, des développements sont en cours pour intégrer des techniques d’apprentissage automatique aux systèmes de détection auto‑alimentés. Les experts estiment que l’ajout de capacités d’IA aux capteurs auto‑alimentés ouvrira la voie à un déploiement à grande échelle de l’Internet des objets. 

Des recherches réussies ont été menées autour de la transmission optique sans fil pour la détection de pression sans fil. Le monde scientifique a également été témoin du développement de bracelets triboélectriques à cœur métallique imprimés en 3D, de capteurs de tremblement pour la maladie de Parkinson, de chaussettes intelligentes et de systèmes d’assistance à la conduite intelligents – tous travaillant à exploiter les capteurs auto‑alimentés. 

Dans le domaine des soins de santé et des applications biomédicales, des capteurs hybrides avec des techniques d’IA capables de détecter l’énergie biomécanique émise par les mouvements humains sont apparus. Ces capteurs alimentent des dispositifs de rééducation des jambes et aident à la détection de mouvements biomécaniques déclenchés sur la peau ainsi qu’à la détection de pression multifonctionnelle et à l’identification de gestes humains. 

L’avenir d’un futur sans batterie et auto‑alimenté

L’un des domaines où les capteurs auto‑alimentés et sans batterie aideront énormément est le déploiement de l’IoT à l’échelle mondiale. Les estimations suggèrent que le déploiement potentiel à grande échelle de l’IoT nécessite le remplacement de un milliard de batteries chaque jour. Les techniques de récupération d’énergie aideront certainement. 

Cependant, le futur des capteurs auto‑alimentés ne pourra atteindre son véritable potentiel que s’il parvient à résoudre quelques goulets d’étranglement. Le domaine de l’électronique doit être prêt à accepter et exploiter efficacement les petites modalités de génération d’énergie que les techniques de récupération d’énergie font naître. 

Le monde doit voir davantage de progrès dans le développement d’appareils électroniques capables de fonctionner efficacement avec une faible puissance de traitement active. La charge de surface générée par l’électrisation de contact doit augmenter afin de récolter suffisamment d’énergie pour alimenter nos gadgets électroniques du quotidien. Pour une application réussie dans les activités de détection de mouvements humains, la gestion efficace des données disponibles jouera également un rôle crucial. 

Avec ces défis correctement relevés, les capteurs auto‑alimentés peuvent grandement simplifier et améliorer les systèmes que nous utilisons au quotidien. Ils ouvriront la voie à une énergie ayant l’empreinte carbone la plus faible et durable à sa base.