Technologies clés 2010

TECHNOLOGIES CLÉS 2010 (novembre 2006)

Technologies de l’information et de la communication

1. Gestion de la microénergie

Description

Les innovations concernant les dispositifs de gestion de la microénergie doivent accompagner et conditionnent, en partie, le développement des applications mobiles : téléphones et PC portables, appareils photo et vidéo, lecteurs MP3, badges RFID actifs ... Les technologies de gestion de la microénergie visent des composants actifs moins consommateurs d’énergie ainsi que des composants passifs (résistances, condensateurs, convertisseurs ...) et surtout des systèmes de production et/ou stockage plus performants. Ce dernier volet, particulièrement critique, concerne aussi bien les piles et accumulateurs électrochimiques que les supercondensateurs et les piles à combustibles :

les batteries actuelles des équipements électroniques portables sont très largement des batteries rechargeables (accumulateurs). Les principales technologies utilisées sont le lithium-ion (et lithium-ion polymère), le nickel-cadmium (NiCd) et le nickel-hydrures de métal (NiMH) ;
les piles non rechargeables sont destinées à des utilisations particulières, par exemple lorsqu'un rechargement n'est pas prévu ou possible (audiophones, équipements utilisés en voyage ...). Elles présentent des capacités plus élevées que les accumulateurs. Les piles zinc/air sont particulièrement performantes de ce point de vue ;
les supercondensateurs équipent depuis plusieurs années les équipements électroniques portables. Ils permettent d'assister les batteries lors des appels de puissance liés à des fonctionnements particuliers des équipements ;
les applications grand public des micropiles à combustibles devraient se développer dans les prochaines années. La technologie qui émerge est celle des piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC), utilisant le méthanol comme combustible (on parle alors de DMFC). Les premières commercialisations à une échelle significative pourraient avoir lieu dès 2007, suivant les annonces de grands leaders du domaine ;
enfin, des travaux plus exploratoires ont débouché sur la mise au point de microgroupes électrogènes, utilisant par exemple une turbine de 12 mm de diamètre, pesant 1 gramme, gravée dans le silicium. Les applications de tels systèmes sont à envisager à plus long terme.

Les développements technologiques sur les systèmes de production-stockage visent les points d'amélioration suivants, en fonction des applications :

améliorer la capacité (par unité de masse et de volume) ;
améliorer la puissance ;
conférer une plus grande robustesse (durée de vie ...) ;
maîtriser le coût ;
augmenter la vitesse de recharge.

De nouvelles spécifications doivent également être prises en compte : capacité à adopter des formes particulières (souplesse ...) et compatibilité avec l'environnement.

Dans ce contexte, les développements sur les matériaux apparaissent comme les principaux leviers d'évolution technologique. Ces développements concernent aussi bien les électrodes que l'électrolyte, que ce soit pour les systèmes électrochimiques « conventionnels » ou les piles à combustibles. Les nanomatériaux représentent une classe de matériaux susceptible de conduire à des avancées significatives en terme de performances de ces systèmes.

Il existe d'autres défis techniques, notamment pour les piles à combustibles : gérer les variations de puissance entre l'arrêt, la veille et le fonctionnement, réduire les coûts de fabrication ...

Parallèlement aux travaux sur les matériaux, des études sont nécessaires pour améliorer la qualité de l’électronique associée (électronique de contrôle).

Degré de développement :
Emergence	Croissance	Maturité

Enjeux, Impact

Le marché des équipements électroniques portables et des objets intelligents est en très fort développement et tire avec lui le marché des dispositifs pour la microénergie.

Les évolutions technologiques nécessaires font de ce marché un marché à forte valeur ajoutée. Par ailleurs certaines niches à très fort potentiel de développement sont favorables à l’essor de PME, de « start-up » ou de « spin-off » issues de centres de recherche industrielle ou académique.

La France dispose de ressources scientifiques et technologiques importantes en terme de compétences nécessaires, en particulier dans le domaine des matériaux. Par ailleurs, l'expertise technologique et industrielle détenue sur les marchés de la défense et du spatial peut être mise à profit sur les applications grand public.

Marché

Le marché concerné ici est surtout celui de l'électronique portable, notamment pour les applications grand public et de défense. L'alimentation de systèmes embarqués sur les avions ou les engins spatiaux fait également appel à ces technologies, mais le plus souvent pour des dispositifs de taille et de capacité plus importantes. Parmi d'autres applications, on peut également noter l'alimentation des audiophones dans le domaine de la santé (on utilise dans ce cas des systèmes non rechargeables plutôt que des accumulateurs) ou l'outillage sans fil (applications qui peuvent être plus exigeantes en terme de puissance que d'énergie).

L'électronique portable grand public (PC et téléphones portables, appareils photos, lecteurs MP3 ...) et celle de défense (équipements du fantassin) sont particulièrement concernées par les problématiques de microénergie, et tirent les innovations technologiques. Ces marchés sont importants et restent en forte croissance, notamment dans les applications grand public.

Le marché des accumulateurs électrochimiques reste largement prépondérant par rapport aux applications des piles à combustibles. Le marché des accumulateurs portables (hors plomb) aurait atteint 6 Md$ en 2004 dans le monde, pour un volume de 3,7 milliards d'éléments. Le marché est dominé, en valeur et en volume, par les technologies d'accumulateurs lithium-ion, avec 4,2 Md$ (dont 0,5 Md$ pour le lithium-ion polymère) et 1,45 milliard d'éléments (dont 100 millions pour le lithium-ion polymère). La technologie NiCd reste importante avec 1,3 milliard d'éléments, mais sur un marché dont la valeur régresse à 1 Md$. Enfin le marché de la technologie NiMH régresse en volume à 900 millions d'éléments et fortement en valeur à 630 M$ (-15 %).

Degré de diffusion de la technologie :
Naissance	Diffusion	Généralisation

Domaines d’application :
industries des équipements du foyer ; construction aéronautique et spatiale ; fabrication de machines de bureau et de matériel informatique ; industries des équipements électriques et électroniques ; industrie textile ; fabrication de composants électroniques ; activités récréatives, culturelles et sportives ; éducation ; santé, action sociale.

Acteurs

Disciplines scientifiques : chimie physique, chimie du solide, matériaux, physique des milieux dilués, physique des milieux denses, énergétique, génie des matériaux, électronique, photonique, optronique.

Compétences technologiques : composants électriques, semi-conducteurs, optique, analyse, mesure et contrôle, chimie de base, traitements surface, matériaux – métallurgie, procèdés techniques, travail matériaux, procèdés thermiques, composants mécaniques, transports, spatial – armement.

Pôles de compétitivité : Minalogic (Rhône-Alpes)
Le pôle Céramique présente un axe de travail sur les procédés et les matériaux destinés aux piles à combustible de type SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) ; si des exemples de produits pour l'électronique portable existent, la technologie SOFC apparaît moins bien placée que la technologie DMFC pour pénétrer ce marché. Le développement de systèmes miniaturisés dans le domaine de l'énergie fait partie des ambitions du pôle Minalogic.

Liens avec (technologies) : gestion de l'énergie à bord des véhicules ; RFID et cartes sans contact ; ingénierie des systèmes embarqués ; affichage nomade ; matériaux nanostructurés et nanocomposites ; matériaux pour l'électronique et la mesure ; recyclage des matériaux spécifiques ; micro et nanocomposants.

Principaux acteurs français :
Centres de compétences : CEA, Lacco (Poitiers), LPMO (Besançon).
Industriels : France Télécom, HEF, Saft, Sagem, Sorapec.
La microénergie fait partie des thématiques abordées dans le cadre du réseau de recherche et d'innovation technologique RMNT (micro et nano technologies - www.rmnt.org) ; des travaux lancés dans le cadre du réseau Paco (piles à combustibles) portaient également sur ces sujets.

Exemples d’acteurs dans le monde : BYD (Chine), Duracell (États-Unis), Energizer (États-Unis), Fujitsu (Japon), ITM Power (Royaume-Uni), Matsushita Battery Industrial (Japon), Medis Technologies (Israël, États-Unis), NTT Docomo (Japon), Polyfuel (États-Unis), Sanyo (Japon), Smart Fuel Cell (Allemagne), Sony (Japon), Toshiba (Japon), Ultracell (États-Unis), Uniross (Royaume-Uni), Varta (Allemagne).