L’électricité sans fil, bientôt une réalité du quotidien ?

Parler d’électricité dans l’air pourrait bientôt ne plus être un signe de tension ambiante mais une habitude du quotidien aussi banale que l’eau qui coule du robinet.

Bien que le développement des objets connectés soit en pleine évolution, il reste un champ dans lequel le sans-fil n’a toujours pas réussi à s’imposer, celui de la puissance. Aujourd’hui, tout objet connecté, destiné au grand public comme pour les entreprises, doit être capable d’envoyer et de recevoir de l’information sans être connecté à un fil. Le Wi-Fi ou la connexion à un réseau cellulaire (3G, 4G) pour partager des informations semble être la condition sine qua non de tout développement. Cet échange sans-fil et le développement de fonctions puissantes dans des objets aussi petits qu’un grain de sable font de l’alimentation en électricité un défi technique pour les concepteurs, et placent cette problématique au cœur de l’expérience utilisateur.

Comment ça marche ? Quelles sont les techniques qui permettent la transmission de puissance sans fil ? Quelles applications existent et pourront être développées ? Energystream vous dit tout !

Un champ d’application illimité

Interrogeons-nous tout d’abord sur les possibilités qu’offrirait la transmission de puissance sans fil. Les premières applications qui pourraient nous venir naturellement à l’esprit concernent les petits objets qui accompagnent notre vie. Le fait de brancher ses appareils pour les recharger est aujourd’hui une tâche que nous effectuons tous, le rituel quotidien de l’utilisateur de smartphone. L’optique de charger nos smartphones sans avoir à les brancher apparait excitante, d’autant plus si se connecter à un émetteur de puissance à proximité est rendu aussi simple que de se connecter à une borne Wi-Fi. Bientôt, nous n’aurons plus à démêler de câbles car les techniques de transmission de puissance sans-fil les plus avancées aujourd’hui adressent l’électronique faible puissance.

Les applications découlant d’une transmission de puissance sans fil sont néanmoins aussi nombreuses que l’utilisation d’appareils nécessitant une source d’énergie. L’utilisation généralisée de la puissance sans fil viendrait répondre à des problématiques existant dans des domaines très variés. Le rechargement automatique des véhicules électriques limiterait le coût de déploiement des stations de recharge, dans le domaine des transports et plus généralement de la Smart City. En médecine, un patient portant un pacemaker pourrait ne plus avoir à être opéré pour recharger les batteries de son appareil. Dans l’industrie, les appareils fonctionnant sur piles pourraient être miniaturisés. Le tout sans fil pourrait aussi être une option dans le cas des situations d’urgences, pour apporter du courant électrique dans des zones reculées ou sinistrées.

Outre les gains à l’usage, la transmission de puissance dématérialisée possède l’atout considérable : la diminution de l’impact environnemental. A terme, être capable d’alimenter continuellement un appareil en étant mobile, c’est limiter l’utilisation de batteries et en conséquence l’emprunte environnementale non négligeable associée à cette utilisation.

Différentes approches technologiques

L’induction électromagnétique

Le passage de l’information sans fil à la puissance sans fil nécessite un changement de paradigme : ajouter une couche de transmission de puissance en plus de la transmission électromagnétique de l’information. La volonté de couper le cordon électrique n’est pas nouvelle. Depuis (très) longtemps, nous sommes capables de transmettre de faibles puissances sur de courtes distances. La bobine à induction, formidable invention du 19^ème siècle, permettait déjà de transférer de l’énergie électrique entre deux bobines non reliées, dans l’air.

Le principe est le suivant : un courant électrique circule dans une bobine, qui constitue le rôle d’émetteur. Ce courant électrique induit un champ magnétique autour de cette bobine émettrice. L’appareil à alimenter en puissance, embarque une bobine réceptrice qui, une fois placée dans le champ magnétique, transforme l’énergie du champ en courant électrique. Ce courant électrique induit, dont l’intensité dépend d’un certain nombre de paramètres (intensité du courant initial, qualité du couplage, etc.), sert à alimenter l’appareil en puissance.¹ Ce procédé est exactement le même que celui qui est utilisé pour recharger son téléphone, via les chargeurs à induction. C’est la première étape d’une évolution vers le tout sans-fil.

Schéma : principe du rechargement par induction

Si ce procédé de transmission est bien connu et constitue un point de départ intéressant, l’induction magnétique pâtit de son caractère localisé, le champ magnétique permettant la transmission de puissance étant nécessairement orienté dans une direction, et difficilement utilisable par plusieurs appareils simultanément.

Exemple d’usage : la technologie Primove de Bombardier

La technologie Primove développée depuis 2010 par Bombardier et protégée par de nombreux brevets permet le rechargement des tramways électriques par induction magnétique. Les équipements de recharge sont enterrés au niveau des stations du tramway et permettent l’alimentation sans contact de l’engin roulant notamment au moment de l’accélération, fortement consommatrice en énergie. L’induction permet de faire fonctionner le tramway sans mise en place et entretien de caténaires, simplifiant ainsi l’aménagement de l’espace urbain. Cette technologie est déjà utilisée pour alimenter les trains de Nanjing, en Chine, et d’Augsbourg en Allemagne.²

Schéma de fonctionnement d’un tramway électrique de la technologie Primove

Les ondes radiofréquences

D’autres techniques, plus récentes, permettent d’alimenter un appareil sans fil tout en conservant la mobilité pendant le rechargement, en délocalisant la transmission de puissance. Ces techniques sont prometteuses car elles facilitent l’utilisation partagée de la source d’énergie, et sont a priori plus simples à mettre en place qu’un dispositif de transmission de puissance par induction.

La transmission de puissance sans fil par ondes radiofréquences (ou micro-ondes) se fait en trois étapes : l’émission d’une onde portant l’énergie à transmettre, la propagation de cette onde, la réception et conversion de l’onde en courant électrique exploitable. Ce principe de transmission s’appuie sur le fait qu’une onde se propage dans le vide en conservant l’énergie dont elle est chargée, cette énergie s’atténuant en fonction du milieu traversé par l’onde.

Une technique à la base des projets de centrales solaires orbitales

Une expérience concluante de transmission d’énergie par onde radio date de 2008 : John Mankins, ancien scientifique de la NASA, a réussi à transmettre 20 W – soit la puissance suffisante pour alimenter une petite ampoule à LED – sur 148 km, entre deux îles hawaïennes.³ Mankins a ainsi réussi à transmettre de la puissance sur une distance de transmission qui représente l’épaisseur de l’atmosphère terrestre.

Cette expérience appuie ainsi les nombreux projets de développement de centrale solaire orbitale, permettant de transmettre sur Terre de l’énergie captée par des panneaux solaires en orbite autour de notre belle planète. En théorie, un moyen optimal d’utiliser l’énergie du Soleil pour s’alimenter en puissance est de contourner les contraintes de l’utilisation terrestre des panneaux solaires, le tout en diminuant les risques associés à nos méthodes de production d’énergie.

Schéma de fonctionnement d’une centrale solaire orbitale

L’agence spatiale chinoise (CAST) a déjà lancé son programme SBSP (Space-based Solar Power) et prévoit une première commercialisation en 2050, avec le début de la phase de test dès 2025, pour subvenir aux besoins énergétiques exponentiels du pays.⁴ Après avoir envoyé et converti de l’électricité par micro-ondes sur 55 mètres, l’agence spatiale japonaise, la JAXA, travaille aussi depuis 1998 au lancement d’un prototype de centrale solaire en orbite géostationnaire et espère un lancement en 2040.

Néanmoins, compte tenu du coût des multiples lancements en orbite nécessaires pour assembler une centrale solaire, la clé du développement d’une telle source d’énergie devrait se trouver dans le domaine privé. Le fournisseur d’énergie californien PG&E a déjà signé un partenariat commercial avec la start-up Solaren, pionnière du genre, qui développe des centrales solaires orbitales plus légères, transmettant de l’énergie depuis des panneaux solaires en orbite jusque des récepteurs terrestres qui injecteront l’énergie récupérée dans le réseau du fournisseur.⁵

L’électricité sans fil bientôt à l’assaut de notre quotidien

Si le rechargement sans fil n’a pas encore pénétré nos usages, il se pourrait que cela soit le cas plus vite que l’on pourrait l’imaginer. Entreprises, start-ups et grands groupes, s’emploient déjà pour développer les meilleures technologies de puissance sans fil et créer les conditions de leur essor.

L’entreprise américaine Energous, pionnière du secteur, a mis en place la technologie Watt Up, permettant de générer un champ dans lequel tout appareil électronique disposant d’un récepteur adapté peut se recharger. Dans ce « champ d’électricité » délocalisé d’un rayon de 4 à 5 mètres, les appareils se rechargent en mobilité, à partir des ondes générées par un émetteur d’ondes radiofréquences. Des microfaisceaux d’énergie sont émis par l’émetteur et associés à des ondes radiofréquences émises dans toutes les directions. Les antennes du récepteur captent les ondes émises ainsi que l’énergie associée, et le récepteur convertit l’ensemble des poches d’énergies captées en courant électrique suffisant pour recharger l’appareil mobile. L’enjeu technologique réside dans le fait de générer des ondes suffisamment chargées en énergie dans l’optique de recharger efficacement des appareils électroniques, tout en limitant la puissance transmise pour minimiser les risques potentiels d’utilisation.

Tout recharger simultanément chez soi ? La solution proposée par Energous

L’enjeu économique à venir d’un changement de consommation d’énergie pour les appareils électroniques est évidemment majeur dans l’horizon stratégique des entreprises technologiques. En ce sens, l’alliance Air Fuel, dont font partie bon nombre de grands industriels de l’électronique et des télécommunications (Samsung, Qualcomm, Sony, STMicroelectronics, etc.) ainsi que des entreprises innovantes du secteur (Witricity, Powersphyr, Energous, etc.) vise à accélérer l’adoption de protocoles de transmission de puissance sans fil. L’organisme fait office de précurseur dans la normalisation des techniques de puissance sans fil, en garantissant par la certification des exigences de fiabilité et d’interopérabilité des produits mis sur le marché.

Des produits présents sur le marché permettant la recharge par induction intègrent déjà ces critères, mais relèvent encore du gadget compte tenu du coût et du gain à l’usage qui n’est pas encore optimal aujourd’hui. Les dernières innovations en la matière, présentées au CES de Las Vegas de ce début d’année, pourraient cependant marquer un tournant dans la perception du chargement sans fil. La start-up Wi-Charge, récompensée par le prix de l’innovation dans la catégorie Smart Energy, propose un dispositif permettant le rechargement automatique des appareils électroniques équipés d’un récepteur à un coût encore inconnu, mais annoncé abordable.

L’interopérabilité et un coût plus abordable, promesse de Wi-Charge

Bien loin de la science-fiction, les applications potentielles de la transmission de puissance sans fil vont de l’utilisation de nos appareils au quotidien et des transports à la transmission d’électricité sur de très grandes distances. La possibilité de disposer d’un « Wi-Fi électrique » pour recharger ses appareils électroniques apparait bel et bien comme une réalité accessible à moyen-terme. Au-delà du changement des usages apportés par ce mode de transmission de l’énergie, les acteurs du secteur anticipent déjà cette (r)évolution en créant les structures de développement permettant d’intégrer la nouvelle technologie aux équipements existants. Avant de voir disparaître câbles de recharge et lignes à haute tension, le coût et la réglementation devront s’adapter pour permettre l’explosion du marché, que ce soit pour l’utilisateur particulier ou pour la création de nouvelles chaînes de valeurs industrielles.

Références :

¹ http://science.sciencemag.org/content/317/5834/83.full

² http://primove.bombardier.com/projects.html

³ https://www.eenews.net/stories/68862

⁴ http://www.xinhuanet.com/english/2016-03/07/c_135164574.htm

⁵ http://www.renewableenergyfocus.com/view/1503/pg-e-to-purchase-solar-power-from-space