L'énergie en quête de microsources

Vibrations, pression, chaleur... Notre environnement déborde d'énergie. « Gratuite » et disponible localement, elle peut être réutilisée par les équipements nomades et les capteurs, qui vont proliférer. Capturer ces joules égarés est désormais un enjeu majeur pour les chercheurs et les industriels.

C'est fou ce qu'un geste banal peut gaspiller d'énergie. Recharger son lecteur mp3, par exemple. Vous fouillez dans votre sac pour trouver le baladeur (échauffement du corps, vibrations imposées à l'appareil), vous le portez jusqu'à la prise électrique (chaleur émise par votre paume, vibrations) et vous le branchez (nouvelles vibrations dans le baladeur). Autant d'énergie perdue, qui aurait pu vous permettre d'écouter quelques minutes vos chansons favorites si votre lecteur mp3 était capable de la récupérer. Et c'est bien ce que nous promettent industriels et scientifiques. Bien sûr, ces sources d'énergies sont de faible puissance, de quelques microwatts à quelques dizaines de milliwatts. Mais suffisantes pour alimenter des capteurs sans fil, dans une usine ou pour surveiller l'environnement, des puces RFID ou encore des implants médicaux.

De toutes ces microsources d'énergie, les vibrations sont les plus facilement exploitables, grâce aux matériaux piézoélectriques : soumis à une pression, ceux-ci génèrent une tension électrique. Le plus connu de ces matériaux est le quartz, utilisé dès les années 1920 pour alimenter des montres. Aujourd'hui, le plus courant est le PZT (titano-zirconate de plomb), mais peu à peu émergent des monocristaux du type PMN-PT, PZN-PT, découverts dans les années 80, dont le taux de conversion s'approche de 1.

Plusieurs kits piézoélectriques de collecte d'énergie sont déjà sur le marché. Par exemple, le Joule-Thief d'AdaptivEnergy peut fournir jusqu'à 0,13 mW à partir de vibrations régulières de 15 hertz. De quoi alimenter un capteur sans fil installé sur un moteur, un compresseur, une turbine, une pompe... A l'échelle d'une usine, l'économie d'énergie induite par ces dispositifs demeure faible, mais ils permettent de s'affranchir de câbles pour l'alimentation, ou de piles. Dans ce dernier cas, c'est une garantie de gagner du temps sur la maintenance.

Mais AdaptivEnergy n'entend pas s'arrêter là. « Comme la puissance fournie par le Joule-Thief va augmenter tandis que la consommation des appareils continuera de diminuer, nous envisageons à terme de l'utiliser pour alimenter des équipements nomades et automobiles (GPS, tableau de bord...) », affirme Dawn Wilson, le directeur marketing de la société.

Que les microsources produisent individuellement de faibles puissances n'empêchent pas des applications à plus grande échelle. Ainsi, à Londres, le « Club4Climate » du « millionnaire vert » Andrew Charalambous utilise l'énergie des danseurs pour éclairer la boîte de nuit. Le sol, monté sur ressorts, exerce des contraintes mécaniques sur des équipements piezo dont l'énergie peut satisfaire 50 à 60 % des besoins. Autre projet à grande échelle, la route de l'entreprise israélienne Innowattech qui, en collaboration avec l'Israel Institute of Technology, envisage d'intégrer des cristaux piézoélectriques dans le bitume. La pression des véhicules sur l'asphalte permettrait en théorie d'alimenter l'éclairage. Une expérience devrait être menée en 2010 sur un prototype de 100 mètres.

Reste une difficulté générale : l'adaptation de la piézoélectricité à des vibrations irrégulières et de faibles fréquences. Ainsi, la fréquence du passage des voitures ou du mouvement des corps est forcément variable, et limitée à quelques hertz ou dizaines de hertz. Une des pistes les plus avancées dans ce domaine vient du Georgia Institute of Technology. Une équipe de chercheurs travaille sur les propriétés piézoélectriques de nanofils en oxyde de zinc (ZnO). Ces fils peuvent facilement être adaptés à des surfaces souples, comme des vêtements, et répondre à des mouvements lents (balancement des bras, des jambes) avec un rendement satisfaisant (7 %). Ces modules, dont plusieurs prototypes existent, seraient particulièrement adaptés à des implantations dans le corps, avec la pression sanguine et les contractions cardiaques comme sources d'énergie.

Un autre moyen de capturer l'énergie des vibrations est de recourir à des dispositifs électromagnétiques. Le principe, bien connu, consiste à faire vibrer un aimant près d'une bobine de cuivre pour générer une tension électrique. Malheureusement, la miniaturisation des dispositifs électromagnétiques est complexe à réaliser. L'un des meilleurs résultats actuels est le module de 150 millimètres cubes de l'université de Southampton, qui peut afficher une puissance de 55 microwatts. Cette technologie est en revanche plus à même de récupérer efficacement l'énergie de systèmes à basses fréquences et pourrait alimenter des systèmes électriques dans des voitures ou des trains.

La chaleur est l'autre source d'énergie la plus communément répandue. C'est pourquoi la thermoélectricité, phénomène qui génère une tension électrique lorsqu'un matériau conducteur est soumis à un gradient de température, est l'une des voies privilégiées pour exploiter les microsources. D'autant qu'elle atteint aujourd'hui le rendement acceptable de 15 à 18 %, grâce à des matériaux nanostructurés utilisables dans des gammes de températures spécifiques. La thermoélectricité permettrait ainsi d'alimenter des capteurs médicaux, et pourrait participer à la recharge d'appareils nomades. Pour cela, l'idée en vogue est de récupérer la chaleur de la peau. Le CEA Liten, laboratoire installé à Grenoble et à Chambéry, a ainsi développé des fibres de nylon incorporant des nanomatériaux thermoélectriques. Toutefois, cette application est limitée par la faiblesse de l'écart de température entre la peau et la température ambiante. En revanche, dès que l'on s'intéresse à des applications de plus grande puissance, la thermoélectricité gagne en intérêt. Ainsi, Mercedes envisage d'introduire des matériaux thermoélectriques au niveau des pots d'échappement, la production d'électricité permettant de soulager l'alternateur. Des puissances de plusieurs centaines de watts sont accessibles.

Qualifier le soleil de microsource d'énergie est paradoxal. Mais c'est bien le rôle qu'on lui fait jouer en fixant des minipanneaux solaires sur des capteurs domotiques extérieurs afin de les rendre vraiment autonomes. En fait, étant donné la nature périodique de la source, son utilisation est surtout envisagée dans des systèmes hybrides à micropiles. « Nous avons conçu nos micropiles au lithium, développées pour les téléphones portables, avec l'idée de pouvoir les recharger à l'aide de panneaux photovoltaïques miniatures basés sur la technologie des couches minces », explique Raphaël Salot, ingénieur au laboratoire des sources d'énergie miniatures au CEA (lire ci-dessus).

Récolter l'énergie « ambiante » est aussi l'objectif du fabricant de téléphones Nokia, dont le centre de recherches de Cambridge développe un système de conversion des ondes électromagnétiques (de n'importe quelle fréquence) en électricité utilisable. Si le premier prototype affiche déjà une puissance maximale de 3 à 5 milliwatts, leur objectif est d'atteindre 50 milliwatts : de quoi agir significativement sur la charge des batteries.