PILIER 1 : RÉCUPÉRATION ET STOCKAGE DE L’ÉNERGIE
Laboratoires : UMET, L2EP, Gemtex, IEMN
Responsables : Sophie Barrau, Frédéric Giraud, François Rault, Aurélie Cayla, Kamal Lmimouni
Autres participants : Jean-François Brun, Corinne Binet, L. Burgnies, Cédric Cochrane
Accompagnement technique : Jean-Francois Tahon, Adeline Marin, Ahmed Addad, D. Guerin, F. Dassonville, E. Gonthier
La demande mondiale d'énergie ne cesse de croître et pour éviter une prolifération excessive, une partie de la solution consiste à lutter contre le gaspillage énergétique. Les opportunités d'énergies inexploitées sont abondantes : énergie mécanique, thermique, électromagnétique, solaire...
Nous pouvons améliorer l’efficience énergétique des systèmes grâce à une gestion contrôlée nécessitant des capteurs connectés en réseau. Par exemple, la conversion de toutes les énergies perdues (quelle que soit leur nature) en électricité pourrait alimenter les capteurs. La récupération et la conversion de l’énergie sont des concepts polyvalents puisqu’ils concernent aussi bien des besoins de grande ampleur, comme l’alimentation électrique de plusieurs milliers de foyers, que des dispositifs de petite taille ne consommant que quelques milliwatts (mW) ou moins de puissance, tels que des récepteurs radio-miniaturisés, des puces RFID, des prothèses auditives, toutes sortes de capteurs, etc.
Si la récupération d’énergie de grands gisements est aujourd’hui largement répandue, un des défis actuels est de permettre l’autonomie énergétique de dispositifs portables et auto-alimentés (sans fils et sans intervention de maintenance). Cela concerne, par exemple, les capteurs sans fil qui peuvent être alimentés avec des puissances inférieures à 10 μW, et nécessitent donc l’exploitation de micro-gisements.
Les sources d'énergie mécanique sont omniprésentes, offrant des opportunités de conversion d'énergie innovantes !
La piézoélectricité permet de collecter l'énergie mécanique générée par les vibrations et les mouvements du corps humain. La thermoélectricité, quant à elle, explore la conversion de la chaleur en électricité. Enfin, les ondes électromagnétiques, émises naturellement ou par des émetteurs commandés, peuvent être transformées en énergie électrique. Ces différentes sources énergétiques complémentaires trouvent des applications prometteuses, notamment dans les textiles intelligents, ouvrant ainsi la voie à des dispositifs auto-alimentés et intégrés de manière avancée.
Les différentes sources d'énergie
Énergie mécanique - Piézoélectricité
La puissance disponible pour un volume de 1 cm3 est par exemple d’environ 100 μW pour des vibrations et entre 1 et 10 mW pour des mouvements du corps humain (bras, jambes, talons). Une technique classique de conversion utilisée pour collecter cette énergie mécanique est la piézoélectricité. Le principe consiste en l’apparition d’une différence de potentiel entre deux faces d’un matériau piézoélectrique soumis à une déformation.
Énergie thermique - Thermoélectricité
Dans le cas de la conversion de la chaleur en électricité, la thermoélectricité semble prometteuse. Basée sur l’effet Seebeck, elle se manifeste par l’apparition d’une différence de potentiel à la jonction de deux matériaux soumis à un gradient de température. La puissance électrique générée dépend à la fois des matériaux utilisés, de l’importance de ce gradient mais également de la gamme de température à laquelle il se produit. Actuellement, les enjeux se situent entre la température ambiante et 100°C. C’est une gamme de température dans laquelle les matériaux thermoélectriques connus sont peu efficaces, mais avec lesquels on peut générer classiquement 10µW avec un gradient de température de l’ordre de 50°C pour une surface de dispositif de quelques cm2.
Ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques sont émises de façon naturelles et périodiques lorsque le soleil en est, par exemple, la source. Elles peuvent également être générées par l’exploitation d’émetteurs divers commandés (téléphones portables, bornes WIFI, etc.).
Les ondes micrométriques issues du rayonnement solaire peuvent être transformées en énergie électrique par le bais de différentes cellules solaires (inorganiques, organiques, etc.). Ces cellules présentent des performances plus ou moins importantes selon leurs stabilités, leurs efficacités de conversion et leurs processus de fabrication qui impactent directement leur coût final.
La conversion de l’énergie électromagnétique issue des ondes RF radio-fréquence en énergie électrique est réalisée par le biais d’antennes redresseuses (ou rectennas). La puissance électrique disponible pour alimenter les dispositifs ciblés dépend de plusieurs facteurs dont celui de la source (Bluetooth, Wi-Fi, etc.), du milieu, etc.
La mise en réseau d’antennes redresseuses permet d’accroitre la quantité d’énergie collectée. De manière similaire, le concept de métasurfaces obtenues par une structuration d’une surface métallique intégrant l’électronique de redressement (diode) est envisagé pour augmenter l’énergie électromagnétique collectée. Les niveaux de puissance disponibles en technologie WiFi semblent adaptés aux capteurs sans fil à faible consommation : 20 µW en conditions typiques et jusque 100 µW en conditions extrêmes. Cependant, l’énergie électromagnétique ambiante varie selon le nombre de connexions.
En conséquence, la source électromagnétique est complémentaire à d’autres sources énergétiques et une gestion globale des différentes énergies est nécessaire.
Applications
En termes d’applications, les textiles intelligents (smart textiles) sont de bons candidats pour l’utilisation des différents MDSE (Piézoélectricité, Thermoélectricité, Ondes électromagnétiques).
Les textiles intelligents représentent depuis des années des voies d’investigation intéressantes pour le développement de dispositifs portables et auto-alimentés. Jusqu’à aujourd’hui les convertisseurs d’énergies étaient ajoutés simplement sur le textile, ce dernier servant simplement de support. Dans le futur, le niveau d’intégration de ces éléments sera amélioré de telle sorte que la structure textile participera elle-même à la conversion d’énergie provenant de plusieurs sources. Même si les textiles, de par notamment leur cahier des charges d’usage spécifique, peuvent amener certaines contraintes, ces derniers ouvrent de grandes potentialités en termes d’approche multi-échelle (nano, micro, macro) et de structures (2D, 3D).
L’énergie (mécanique, thermique et électromagnétique) ainsi récupérée sur films ou textiles est ensuite convertie et gérée par un micro-contrôleur pour alimenter les dispositifs (capteurs). Des activités de recherche sont actuellement en cours pour que ces capteurs soient intégrés le plus finement possible dans des textiles en vue du développement de textiles intelligents autonomes.
Les ondes électromagnétiques proviennent d’une antenne rectenna, l’énergie thermique d’un effet thermoélectrique et l’énergie mécanique d’un effet piézoélectrique. Ces trois sources sont récupérées sur des films ou textiles avant de passer par un microcontrôleur qui les convertira afin d’alimenter divers dispositifs sous formes de capteurs pouvant être intégrés au textile. Le schéma montre les différents stades de ce processus : d’abord la récupération, la conversion électrique, le stockage, l’application via microcontrôleur et enfin l’intégration à des capteurs.
Dans ce contexte, l’auto-alimentation de capteurs via une approche mono- ou multi-sources constitue un enjeu en termes d’autonomie. Des équipes des quatre laboratoires lillois UMET, IEMN, GEMTEX et L2EP se sont ainsi associées pour fabriquer des capteurs autonomes (intégrés ou pas dans des textiles) et alimentés grâce à la récupération d’énergie mécanique (effet piézoélectrique), thermique (effet thermoélectrique) ou via les ondes électromagnétiques (RF). Les compétences de ces quatre laboratoires sont complémentaires et couvrent un large spectre allant des matériaux et structures aux systèmes de récupération d’énergie et d’alimentation des dispositifs.
Parmi les projets phares associés à ce pilier 1, nous pouvons citer :
- L’ANR PRC NanoPiC (2016-2021) « Étude du comportement piézoélectrique multi-échelles de composites innovants micro- et nano-structuré s» (coordinatrice S. Barrau – UMET) dont l’objectif est de fabriquer des composites piézoélectriques céramiques - polymère micro- et nano-structurés et de caractériser le comportement piézoélectrique aux échelles macroscopique et nanoscopique;
- Le projet PIAVE AUTONOTEX (2015-2021) « AUTONOmie énergétique des TEXtiles connectés » qui a pour objectif de mettre au point et d’industrialiser des vêtements de protection individuelle et des draps médicaux réactifs et connectés. Le GEMTEX s’est intéressé au développement de composés conducteurs, à la mise au point, par filage, de fils aux propriétés piézoélectriques, au prototypage de textiles récupérateurs d’énergie (utilisation de l’effet piézoélectrique);
- L’ANR CONTEXT (2017-2022) « Textiles connectés pour les communications autour du corps humain » dont l'objectif est de développer des textiles intelligents intégrant des technologies radiofréquences (RF) et des composants pour les communications sans fil entre des objets situés dans les réseaux autour du corps humain (WBAN). La technologie de communication en champ proche (NFC) à 13,56 MHz est notamment employée pour assurer un transfert d’énergie entre un smartphone et des capteurs éloignés de ce dernier. Des antennes, des lignes de transmission et des composants organiques sont développés par le GEMTEX et l’IEMN;
- Le projet Interreg BIOHARV (2016-2021) « Textiles biosourcés piézoélectriques pour la production d’énergie électrique » qui a pour objectif de développer des dispositifs de récupération d’énergie mécanique 100% en polymère via l’utilisation de textiles piézoélectriques multi-composants;
- Le programme Interreg LUMINOPTEX (2017-2021) « Nouveaux textiles intelligents pour de l’éclairage ambiant autonome » vise à intégrer au textile des diodes électroluminescentes organiques (OLED's) qui seront alimentées de manière autonome, en récoltant l'énergie disponible au sein des bâtiments sous forme de radiofréquences (WIFI) et en stockant cette énergie sous forme électrochimique au sein de batteries ou de supercondensateurs. Des antennes intégrées au textile et des métasurfaces sur substrat souple ont été étudiées pour la récupération d’énergie des ondes WiFi par GEMTEX et l’IEMN.
Objectifs
Le Pilier 1 est dédié à la fabrication de systèmes innovants pour la récupération de l’énergie environnante (mécanique, thermique et électromagnétique) dans le but d’alimenter des capteurs autonomes intégrés ou non dans des textiles. Il présente deux objectifs principaux :
Le premier objectif concerne le design des matériaux et structures piézoélectriques, thermoélectriques ou de récupérateurs d’ondes électromagnétiques. Il s’appuiera sur les travaux de recherches et les compétences de l’UMET, de l’IEMN et du GEMTEX:
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De l’UMET sur les polymères et composites piézoélectriques et thermoélectriques [Defebvin et al. (2017) ; Barrau et al. (2018) ; Brun et al. (2020)];
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De l’IEMN sur la fabrication de récupérateurs d’ondes électromagnétiques [Ferchichi et al. (2018) ; Khaldi et al. (2017)];
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Du GENTEX sur la fabrication de textiles récupérateurs d’énergie [Chapron et al. (2021) ; Talbourdet et al. (2018)].
Le second objectif est dédié au développement du système d’alimentation mono- ou multi-sources d’un capteur autonome. Dans ce cas, l’expertise du L2EP [Ghenna et al. (2017) ; Giraud et al. (2019)] sur la gestion de l’énergie et la conception de systèmes sera mise à profit.
Verrous scientifiques
Un premier verrou scientifique concerne la maximisation du rendement du récupérateur d’énergie. Afin d’exploiter au maximum le gisement d’énergie, la forme et les dimensions des structures (films ou textiles) et le type de matériaux (rigide, flexible) doivent être optimisés.
Un second verrou scientifique concerne la conversion électrique au sein du système. L’énergie provenant d’une source électrique quelconque (alternative à fréquence variable, à tension variable …) doit être mise en forme afin de l’adapter à la charge (élément de stockage, batterie …). En outre, les conditions optimales d’extraction de cette énergie doivent être assurées, quel que soit le point de fonctionnement de la source, ce qui peut nécessiter – par exemple – de réaliser une boucle fermée (optimisation du système interne).
Description par tâches
Tâche 1 : Identification de différents scénarios associant le triptyque « gisement / structure / matériaux »
La récupération d’énergie à partir d’un gisement (mécanique, thermique, électromagnétique) implique l’utilisation de structures et matériaux adaptés. L’ensemble des partenaires sera concerné par cette tâche, dans laquelle, deux ou trois scénarios seront identifiés afin d’établir un cahier des charges « structures + matériaux » spécifique à un gisement défini. Les caractéristiques des matériaux (polymères, céramiques, couches minces, composites) ainsi que les structures (géométrie, électrodes rigides ou souples) seront ainsi appréhendées. Les différents scénarios d’intégration dans le textile ou de report de structures sur le textile seront également envisagés.
Tâche 2 : Optimisation des structures
Sous tâche 2a : Structures piézoélectriques et thermoélectriques
La structure adaptée à un gisement défini tâche 1 est en lien avec la récupération d’énergie mécanique ou thermique sera fabriquée à l’UMET. Par exemple, dans le cas de la récupération d’énergie mécanique sous forme de vibrations, la fabrication de poutre sera envisagée. L’optimisation de la structure pourra être réalisée par une approche de modélisation pilotée par la géométrie. Les structures thermoélectriques devront présenter des architectures spécifiques souples à plat, comme celles que l’on peut obtenir par des procédés d’impression jet d’encre ou d’électrospinning.
Ces activités seront réalisées dans le cadre d’une thèse (2022/2025) en interaction avec un ingénieur recruté à temps plein pour toute la durée du projet (2022/2027).
Sous tâche 2b : Récupérateur d’énergie électromagnétique
Pour la récupération de l’énergie électromagnétique, l’optimisation de la géométrie des antennes et des métasurfaces, ainsi que de l’électronique de redressement, seront traitées à l’IEMN par l’intermédiaire d’outils de simulation 3D (HFSS, CST Studio Suite) et de simulation de circuits RF (ADS). Pour optimiser au mieux les structures, les composants électroniques développés à l’IEMN seront caractérisés préalablement dans la plateforme CHOP (Caractérisation Hyperfréquence Optique et Photonique) afin d’introduire leurs caractéristiques dans les logiciels de simulation. Dans cette tâche, la miniaturisation du système sera aussi recherchée pour une meilleure intégration globale. Des structures de récupération d’énergie électromagnétique à base d’antennes ou de métasurfaces seront fabriquées sur substrat souple (Kapton,…) ou rigide (FR4) en utilisant les technologies classiques de PCB (Printed Circuit Board). Les structures fabriquées seront systématiquement caractérisées en chambre anéchoïque (salle d'expérimentation dont les parois absorbent les ondes sonores ou électromagnétiques, en reproduisant des conditions de champ libre et ne provoquant donc pas d'écho pouvant perturber les mesures) de la plateforme CEM (Compatibilité Electromagnétique) de l’IEMN en termes de réponses fréquentielles et de puissance collectée.
Pour l’aspect puissance collectée, l’étude expérimentale portera sur la détermination de la résistance de charge optimale permettant de récupérer le maximum de puissance. Les réalisations en « soft technologies » ou basses températures et bas coûts (fonctionnalisation de surface, dépôts en solution et par jet d’encre, nano printing, évaporation, …) seront privilégiées par rapport aux méthodologies classiques de lithographie optique et électronique qui seront réservées aux problématiques de miniaturisation.
Ces travaux seront effectués dans le cadre d’un post doctorat (2022/2026).
Sous tâche 2c : Textiles
Les structures pourront être reportées sur un textile ou pourront être intégrées dans le textile par broderie, tissage, ou tricot. Deux des plateformes du GEMTEX, matériaux multifonctionnels et textiles intelligents, permettront d’élaborer des systèmes textiles intelligents autonomes.
Une partie de ces activités seront réalisées dans le cadre d’une thèse (2022/2025) et une autre partie dans le cadre d’un post doctorat (2022/2026).
Tâche 3 : Fabrication et propriétés des matériaux
Les matériaux piézoélectriques ou thermoélectriques seront synthétisés à l’UMET en tenant compte des spécificités et du cahier des charges définies dans la tâche 1. La caractérisation physico-chimique des matériaux s’appuie sur la plateforme de caractérisation avancée de la fédération CHEVREUL et passe par des études structurales et morphologique. La caractérisation physique ((di)électrique, mécanique, thermique) et les performances piézoélectriques (coefficient piézoélectrique) et thermoélectriques des matériaux reposent sur les équipements spécifiques et complémentaires du laboratoire.
Ces travaux seront effectués dans le cadre d’une thèse (2022/2025) en interaction avec un ingénieur recruté à temps plein pour toute la durée du projet (2022/2027).
Selon les scénarios envisagés en tâche 1, les éléments de redressement et les circuits d’adaptation des récupérateurs d’énergie électromagnétique seront conçus à partir de matériaux organiques (polymères, copolymères, petites molécules à faible poids moléculaire…) ou inorganiques dont la mise en forme est parfaitement adaptable à un report ou une intégration dans les surfaces textiles. Les matériaux organiques constituant la couche active seront étudiés et optimisés en termes de relations entre morphologie-structure et propriétés de transport. Ceci permettra d’atteindre des mobilités de transport de charge élevée nécessaires à la levée du verrou de leur application dans les systèmes très hautes fréquences.
Ces activités seront réalisées dans le cadre d’un post doctorat (2022/2026).
Tâche 4 : Conception et validation des systèmes de récupération d’énergie
Sur la base d’un scénario d’usage, et en adéquation avec la nature du gisement, une méthode optimale de gestion énergétique est proposée. Pour cela, une modélisation systémique, qui permet de prendre en compte l’ensemble des échanges énergétiques au sein du système sera mise en place par le L2EP. Des simulations permettront de valider les stratégies les plus efficaces. Ces stratégies seront ensuite implémentées grâce à des convertisseurs spécifiques, adaptés aux puissances mises en jeu.
Ces travaux seront réalisés par un ingénieur recruté à temps plein pour toute la durée du projet (2022/2027).
Tâche 5 : Ajustement du cahier des charges et POC
Sur la base des systèmes fabriqués tâche 4, un ajustement du cahier des charges « structures + matériaux » associé à un gisement (défini tâche 1) sera réalisé afin d’optimiser le système.
A l’issue de cette tâche le développement d’une preuve de concept (POC : Proof of Concept) constitué d’un système multi-sources associant à la fois une source d’énergie mécanique et une source d’énergie thermique et alimentant un capteur autonome, sera réalisée.
Ces travaux seront réalisés par un ingénieur recruté à temps plein pour toute la durée du projet (2022/2027).
Impacts
La récupération des énergies perdues pour produire de l’électricité est un enjeu sociétal qui nécessite l’émergence de nouveaux systèmes de production d’énergie verte comme développés dans le cadre de ce pilier 1. De plus, ce projet va dans le sens d’une relocalisation de la fabrication en France ou en Europe pour mieux contrôler les effets environnementaux.
COMASYS permet de renforcer les interactions locales entre les différents partenaires ainsi qu'une maîtrise des différentes étapes de conception des systèmes. Le projet ouvrira de nouvelles opportunités d'innovation aux industries très diversifiées couvrant les champs des matériaux, composants, et textiles. Il pourra renforcer les liens avec la Région Hauts-de-France qui soutient actuellement plusieurs projets via le cofinancement de thèses et également les interactions avec les pôles de compétitivité tels que EuraMaterials ou les pôles d'excellences tels que Plastium.
Des cours sur les matériaux piézoélectriques et thermoélectriques sont actuellement dispensés dans le Master 2 Ingénierie Polymères et Matériaux pour l'Environnement (IPME) spécialité Ingénierie des Systèmes Polymères (ISP). Dans le cadre du domaine « Textiles intelligents » de la majeure Ingénierie des Textiles Techniques de l’ENSAIT des cours en lien avec la thématique abordée sont proposés aux étudiants de troisième année du cycle ingénieur. Un cours intitulé « Textile & énergie » est notamment dispensé. Dans le cadre de l’articulation Master/Doctorat et la mise en place des programmes gradués, des ateliers de formations croisées regroupant des étudiants de plusieurs composantes de l’établissement expérimental Université de Lille seront proposés ainsi que des stages pluridisciplinaires de Master dans les différents laboratoires partenaires.
Références
Barrau, S.; Ferri, A.; Da Costa, A.; Defebvin, J.; Leroy, S.; Desfeux, R.; Lefebvre, J.-M.; Nanoscale Investigations of α- and γ-Crystal Phases in PVDF-Based Nanocomposites, ACS Applied Materials & Interfaces 10;15, 13092-13099 (2018), [doi: 10.1021/acsami.8b02172]
Brun, J.-F.; Binet, C.; Tahon, J.-F.; Addad, A.; Tranchard, P.; Barrau, S.; Thermoelectric properties of bulk multi-walled carbon nanotube - poly(vinylidene fluoride) nanocomposites: Study of the structure/property relationships, Synthetic Metals 116525 (2020), [doi: 10.1016/j.synthmet.2020.116525]
Chapron, D.; Rault, F.; Talbourdet, A.; Lemort, G.; Cochrane, C.; Bourson, P.; Devaux, E.; Campagne, C.; In-situ Raman monitoring of the poly(vinylidene fluoride) crystalline structure during a melt-spinning process. J. Raman Spectrosc. 2021, [doi: 10.1002/jrs.6081].
Defebvin, J.; Barrau, S.; Lyskawa, J.; Woisel, P.; Lefebvre, J.-M.; Influence of nitrodopamine-functionalized barium titanate content on the piezoelectric response of poly(vinylidene fluoride) based polymer-ceramic composites, Composites Science and Technology 147, 16-21 (2017), [doi: 10.1016/j.compscitech.2017.05.001]
Ferchichi, K.; Pecqueur, S.; Guerin, D.; Bourguiga, R.; Lmimouni, K.; Organic rectifier diode with very low turn on voltage for RF energy harvesting in Smart Textiles Applications; Organic and Hybrid Sensors and Bioelectronics XI 10738, 1073813 (2018).
Ghenna, S.; Giraud, F.; Giraud-Audine, C.; Amberg M.; Vector control of piezoelectric transducers and ultrasonic actuators; IEEE Transactions on Industrial Electronics 65 (6), 4880-4888 (2017) [doi: 10.1109/TIE.2017.2784350]
Giraud, F.; Giraud-Audine, C.; Piezoelectric Actuators: Vector Control Method: Basic, Modeling and Mechatronic Design of Ultrasonic Devices, Ed. Butterworth-Heinemann (2019)
Khaldi, W.; Hafsi, B.; Ferchichi, K.; Boubaker, A.; Nasri, A.; Lmimouni, K.; Kalboussi, A.; Traps density and temperature effects on the performance of rectifying diode based on penacene"; Organic Electronics. Volume 44, May 2017, Pages 106-109
Talbourdet, A.; Rault, F.; Lemort, G.; Cochrane, C.; Devaux, E.; Campagne, C.; 3D Interlock design 100% PVDF piezoelectric to improve energy harvesting. Smart Mater. Struct. 2018, 27, doi:10.1088/1361-665X/aab865.
