Nel mondo che si prospetta per il prossimo futuro, connesso e automatizzato, una delle grandi problematiche da affrontare è come alimentare dispositivi e sensori sempre più distribuiti in modo pervasivo nelle nostre città.
Sono molte le situazioni in cui l’alimentazione elettrica o a batteria risulta inadeguata, costosa o impossibile, specialmente quando si presenta l’esigenza di alimentare un numero molto elevato di dispositivi o sensori.
L’energy harvesting (terminologia traducibile in italiano come “energia recuperata”) è la modalità per raccogliere piccole quantità di energia cinetica prodotta da uomini, animali e oggetti, che altrimenti andrebbe dissipata nell’ambiente, e convertirla in energia elettrica da immagazzinare o sfruttare immediatamente per alimentare piccoli dispositivi o sistemi di comunicazione.
Le soluzioni che utilizzano questo tipo di energia combinano: sistemi di generazione, immagazzinamento e alimentazione di potenza; sensori; tecnologie wireless a basso consumo quali Bluetooth Low Energy, ZigBee e LoRa.
Adamant Namiki, multinazionale giapponese, è una delle aziende pionieri nella realizzazione di soluzioni di energy harvesting: “Namiki è leader mondiale nella produzione di micromotori che sono utilizzati in ambiti che spaziano dalla robotica agli strumenti microchirurgici – spiega Gianpaolo Turri, CEO del Gruppo Adamant Namiki -. I micromotori convertono l’energia elettrica in movimento meccanico e ci è sembrato naturale affrontare il processo inverso e sviluppare soluzioni di energy harvesting. Namiki è una delle 13 aziende cofondatrici nel 2010 dell’Energy Harvesting Consortium, che oggi raduna oltre 50 imprese di tutto il mondo con l’obiettivo di promuovere e sviluppare queste tecnologie”.
Le tecnologie per l’energy harvesting
I meccanismi di base per il recupero di energia sono vibrazione, accelerazione, impatto e applicazione di forza. La conversione delle vibrazioni meccaniche in energia elettrica può avvenire sfruttando l’induzione elettromagnetica o l’effetto piezoelettrico: Ogni evento vibratorio genera una potenza di modesta entità tra 10 microwatt e 1 milliwatt (10 μW – 1 mW) e, pertanto, le soluzioni che sfruttano le vibrazioni prevedono un sistema di immagazzinamento dell’energia.
Nel caso di movimenti più ampi, capaci di produrre un’accelerazione più significativa o dell’applicazione di forze, è possibile generare per ogni evento una potenza dell’ordine di centinaia di milliwatt, che può essere immediatamente trasformata e utilizzata per alimentare un dispositivo.
In alcune situazioni è possibile anche realizzare sistemi ibridi, in cui convivono meccanismi di accumulo per l’invio periodico di segnali di controllo abbinati a sistemi di sfruttamento istantaneo della potenza generata.
“L’energy harvesting – continua Turri – trova proficuo utilizzo in ogni situazione in cui ci siano movimenti di oggetti o persone e si abbia bisogno di energia sufficiente per trasmettere dati, attivare azioni o abilitare processi di controllo. Nel settore ambientale può essere utilizzata per identificare problemi in edifici e ponti o per il monitoraggio di eventi disastrosi. In ambito industriale per la realizzazione di interruttori smart per il controllo energetico, di sensori in ambito agricolo e zootecnico e per fornire un’opzione di alimentazione nelle aree ad alto rischio o prive di corrente elettrica. Nell’utilizzo quotidiano trova un possibile uso per realizzare interruttori anti crimine, dispositivi wearable e sistemi di localizzazione per anziani, bambini e animali. I vantaggi comuni in tutte queste applicazioni sono l’elevata affidabilità e flessibilità e i bassi costi di installazione, operativi e di manutenzione.”
I progetti di energy harvesting di Namiki
Nel 2014, in collaborazione con il Politecnico di Losanna, Namiki ha sviluppato un’interessante soluzione per la diagnostica delle mucche gravide in un grande allevamento australiano. Tramite il movimento di un collare del peso di 500 grammi posto al collo dei bovini è stato possibile alimentare sensori di temperature e umidità e inviare i dati misurati ogni 5 minuti.
Le soluzioni Namiki di energy harvesting sono state utilizzate in modo proficuo anche all’interno dei parcheggi. In questo caso, il sistema per la produzione di energia sfrutta la compressione delle ruote delle autovetture sulle cunette di rallentamento. “Questa soluzione può essere utilizzata per inviare segnali a una centralina posta entro una distanza di 100 metri – precisa Turri – e controllare così la disponibilità dei posti liberi all’interno del parcheggio. A differenza di altre soluzioni non richiede alcun collegamento elettrico e può essere integrata facilmente in ogni tipo di struttura esistente senza dover effettuare opere e con minimi costi di installazione.”
In un contesto di smart city, un sistema di questo tipo può essere utilizzato, per esempio, per monitorare il l’ingresso e l’uscita di vetture da una zona a traffico limitato o per controllare i flussi di traffico sulle strade.
Namiki ha realizzato una soluzione di energy harvesting per l’aeroporto di Tokio, installando sui carrelli meccanici utilizzati per il trasporto delle valige un sistema di localizzazione che, una volta al minuto, invia la posizione del carrello favorendone il recupero. Il sistema sfrutta le vibrazioni trasmesse dalla strada sulle ruote del carrello: un sistema efficace, senza alcuna batteria, il cui funzionamento può proseguire senza alcuna manutenzione per 10 anni.
L’energy harvesting trova ampie opportunità di utilizzo anche nelle applicazioni di sicurezza. Per esempio, un sensore può essere utilizzato per monitorare e segnalare l’apertura o chiusura di una porta o finestra, sfruttando il suo movimento per produrre l’energia necessaria all’invio del segnale a una centralina connessa al cloud.
Sistemi di energy harvesting trovano utilizzo anche nelle applicazioni wearable. Namiki ha già sperimentato (a livello di prototipo) l’integrazione di sistemi GPS autoalimentati all’interno di scarpe da bambino: con un certo numero di passi che dipende anche dal peso della persona, si raccoglie sufficiente energia per inviare un segnale di localizzazione ad una frequenza di tempo predefinita.
Un partner per lo sviluppo di progetti innovativi
Il range applicativo e la portata di questa tecnologia sono rivoluzionari e in attesa che le aziende trovino nuove applicazioni di diagnostica, sicurezza, monitoraggio, controllo.
Adamant-Namiki si propone come partner di riferimento per sviluppare progetti specifici che sfruttino le potenzialità dell’energy harvesting, indipendentemente dal tipo di sorgente che si intenda utilizzare: impatto, movimento, vibrazione, ibrida.
Adamant-Namiki mette a disposizione delle aziende i propri centri di sviluppo situati a Losanna, nella Svizzera italiana e il competente supporto tecnico e commerciale fornito dal distributore esclusivo per l’Italia F&C Solutions con sede a Trezzo sull’Adda, in provincia di Milano.
“Il valore aggiunto fornito da Adamant-Namiki – conclude Turri – è di essere una realtà di comprovata esperienza, con 80 anni di storia, in grado di coniugare ricerca e capacità di realizzazione di tutti i componenti della soluzione, dai sistemi hardware di raccolta e trasformazione dell’energia, alla rete di comunicazione, al software applicativo; ma anche un interlocutore con cui condividere idee e obiettivi, discutere sui bisogni tecnici e commerciali, con un impegno che può spingersi fino a realizzare condizioni di co-sviluppo e co-investimento.”
