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Comment optimiser les coûts de récupération d'énergies renouvelables

(Source : violetkaipa - stock.adobe.com)

Les énergies renouvelables sont au cœur des efforts de décarbonation à l'échelle mondiale. En utilisant des sources d'énergie vertes sans carbone, les ingénieurs ont tracé la voie d'une énergie distribuée en réseau de manière infinie sans nuire à l'environnement. L'étendue des défis techniques et des transformations est telle que la viabilité économique d'un réseau entièrement renouvelable n'est pas pour tout de suite.

Concernant les applications électroniques en réseau, les fabricants de semiconducteurs ont réduit la consommation énergétique considérablement, rendant ainsi possibles les applications comme les capteurs sans fil à très faible consommation d'énergie. Cette innovation a amélioré la durabilité du réseau énergétique tandis que les ingénieurs cherchent en parallèle à le rendre renouvelable.

Le passage aux énergies renouvelables constitue un changement en profondeur onéreux. L'industrie emploie par conséquent des techniques intermédiaires pour faciliter la transition des combustibles fossiles aux énergies renouvelables. La récupération d'énergie en fait partie. Elle consiste en quelque sorte à récupérer les énergies perdues en capturant les énergies disponibles pour alimenter en retour un dispositif source.

Il est essentiel de bien faire la distinction entre l'énergie durable et l'énergie renouvelable. Les solutions durables s'inscrivent dans le prolongement des approches existantes basées sur les combustibles fossiles en y ajoutant une énergie auxiliaire. Les énergies renouvelables utilisent des sources inépuisables comme l'énergie solaire ou éolienne pour produire de l'énergie. L'utilisation de ces sources exemptes d'hydrocarbures les réduit drastiquement ou les retire de l'énergie de sortie. Par conséquent, la récupération d'énergie est une mesure durable pour développer l'énergie en réseau ou provenant de batteries.

La récupération d'énergie devient renouvelable lorsqu'elle peut remplacer des énergies épuisables en énergies inépuisables. Concernant les applications hors réseau nécessitant une batterie, comme les wearables et les capteurs hors réseau, la récupération d'énergie permet ce genre d'option renouvelable, en utilisant la lumière, le mouvement ou l'énergie thermique pour alimenter entièrement une batterie.

Les dispositifs autonomes sont essentiels à l'atteinte de la viabilité économique et ils réduisent considérablement les coûts de remplacement pour le consommateur tout en tendant vers la voie des énergies renouvelables.

Les stratégies de récupération d'énergie verte

Les applications adaptées à la récupération d'énergies renouvelables électroniques comprennent les réseaux des technologies wearables et les capteurs sans fil hors réseau. Bien que l'efficacité de la récupération d'énergie ne soit pas très élevée, l'indicateur déterminant va porter sur la comparaison de la contribution énergétique de la technologie avec celle d'une batterie en comparant son coût. En gardant à l'esprit l'objectif de dispositifs autonomes, il est essentiel de comprendre la proportion d'énergie générée par trois sources renouvelables de récupération d'énergie (la lumière, le mouvement et la chaleur) :

La lumière

L'énergie solaire ou photovoltaïque contribue à hauteur de 0,1 mW/cm² (en intérieur) à 100 mW/cm² (en extérieur), et présente une efficacité de récupération de près de 10 % (possiblement jusqu'à 15 à 20 %). Autrement dit, elle contribue à la production d'énergie supplémentaire à hauteur de 10 (en intérieur) à 10 000 µW/cm² (en extérieur).

Le mouvement

À vibration/mouvement nominal, les récupérateurs de piézoélectricité récupèrent 4 µW/cm² (du corps humain, mesurée à 1 Hz et 50 Hz) et 100 µW/cm² (des machines, mesurée à 5 Hz et 1 000 Hz). Même les matériaux piézoélectriques haute performance fonctionnent avec un rendement de près de 10 %, soit autant que les dispositifs photovoltaïques.

La chaleur

La récupération d'énergie par effet thermoélectrique permet de générer de l'énergie à hauteur de 30 µW/cm² pour les variations de températures du corps humain et jusqu'à 10 000 µW/cm² pour les équipements industriels. Le rendement est là encore de près de 10 % pour les machines en raison de la haute conductivité thermique du métal. Néanmoins, les faibles variations de température du corps humain génèrent un rendement de récupération de seulement 0,15 % par effet thermoélectrique, ce qui représente de loin la plus faible contribution des trois sources. Compte tenu que la température du corps humain ne varie pas de manière significative, l'environnement ambiant a un effet plus marqué sur les performances thermoélectriques. Ces sources sont plus efficaces par temps froid en raison des plus grandes variations de température.

La rentabilité de la récupération d'énergie

Les trois principales sources de récupération d'énergies renouvelables, autrement dit la lumière, le mouvement et la chaleur, génèrent une énergie auxiliaire de l'ordre de 10 à 10 000 µW/cm². Ce niveau de contribution signifie que la récupération d'énergie peut remplacer les batteries de microcontrôleurs à ultra-basse consommation. Bien que la rentabilité réelle dépend de la configuration, de la conception et des conditions de charge spécifiques à chaque application, il y a lieu de croire que les efforts de récupération d'énergie offrent un avantage économique certain par rapport aux batteries.

Les ingénieurs ont considérablement amélioré la densité de puissance des batteries. Ceci étant, les récupérateurs d'énergie peuvent prendre plus d'espace que les batteries intégrées. Les contraintes de conditionnement des composants sur puce compliquent l'intégration des récupérateurs d'énergie.

Cependant, les batteries sont épuisables et requirent l'intervention humaine pour les remplacer. Compte tenu que les batteries consomment des ressources naturelles limitées, ces approches ne sont pas renouvelables. Elles utilisent également des ressources naturelles comme le lithium et l'alcaline pour produire, dans le meilleur des cas, un produit partiellement recyclable. En outre, l'intervention de l'homme est indispensable à leur remplacement, et la conception des pièces doit tenir compte de cela ainsi que de l'entretien et du temps d'arrêt des capteurs.

Les coûts de remplacement peuvent se traduire à eux seuls par des centaines d'heures par an, alors que la récupération d'énergie renouvelable fournit une solution passive, mains libres et sans effets nocifs pour l'environnement.

En conclusion

La clé de réussite de toute stratégie de conception autonome qui utilise la récupération d'énergies renouvelables est de commencer avec des microcontrôleurs à ultra basse consommation dans des applications qui consomment déjà peu d'énergie, aux alentours de 11 000 W/cm², comme les wearables et les capteurs sans fil à distance. À mesure que les techniques de récupération d'énergies renouvelables se développeront, elles deviendront plus pratiques pour les gros dispositifs alimentés par batterie. Cette approche peut rendre les avancées en matière d'IoT moins nocives pour l'environnement et plus viables économiquement.