Per alimentare i sensori IoT in modo autonomo e ridurre la dipendenza da batterie tradizionali, l’energy harvesting è una delle tecnologie più promettenti nell'ambito delle applicazioni industriali, ambientali e smart city. Obiettivo dell'energy harvesting è abilitare reti IoT scalabili, autonome e con manutenzione quasi nulla.
Nel mondo dell’Internet of Things, caratterizzato da miliardi di dispositivi distribuiti in ambienti industriali, urbani e naturali, l’alimentazione elettrica costituisce una delle principali tematiche da affrontare. I sensori IoT, spesso installati in luoghi difficilmente accessibili o in condizioni ambientali estreme, richiedono soluzioni energetiche affidabili, durature nel tempo e con bassa manutenzione. Per questo, l’energy harvesting viene considerata oggi una risposta tecnologica capace di trasformare fonti di energia ambientale in elettricità utilizzabile, consentendo il funzionamento continuo dei dispositivi senza la necessità di sostituire periodicamente le batterie. La raccolta di energia da luce, vibrazioni, gradienti termici o onde elettromagnetiche permette di progettare nodi sensoriali realmente autonomi, e ridurre al contempo costi operativi e impatto ambientale.
Il principio alla base dell’energy harvesting consiste nella conversione di piccole quantità di energia presenti nell’ambiente in potenza elettrica stabile mediante circuiti di condizionamento altamente efficienti. Nel caso della luce, ad esempio, celle fotovoltaiche miniaturizzate possono alimentare sensori wireless in ambienti indoor o outdoor, sfruttando sia l’illuminazione solare sia quella artificiale. Nei contesti industriali l’energia meccanica generata da vibrazioni o movimenti rotatori può essere convertita tramite trasduttori piezoelettrici o elettromagnetici, una soluzione particolarmente adatta per il monitoraggio predittivo di macchinari e impianti produttivi. I generatori termoelettrici basati sull’effetto Seebeck trovano applicazione nei sistemi IoT installati in prossimità di superfici calde o tubazioni industriali, dove la differenza di temperatura tra due punti consente la produzione di energia continua.
L’integrazione dell’energy harvesting nei sensori IoT richiede un'attenta progettazione dell’intero sistema poiché la potenza disponibile è generalmente limitata e variabile nel tempo. L’elettronica di gestione energetica, attraverso convertitori DC-DC ad altissima efficienza, circuiti di maximum power point tracking e sistemi di accumulo basati su supercondensatori o microbatterie ricaricabili, diventa quindi fondamentale. Considerando la connettività, l’ottimizzazione del consumo energetico del microcontrollore e dei moduli di comunicazione wireless, come quelli basati su protocolli a bassa potenza quali LoRaWAN o Bluetooth Low Energy, è fondamentale per garantire un bilancio energetico positivo. La combinazione tra energy harvesting e tecniche di duty cycling consente ai sensori di alternare fasi di attività e di sleep profondo, riducendo drasticamente l’assorbimento medio di corrente e prolungando la vita operativa del nodo IoT.
Dal punto di vista applicativo, l’energy harvesting per sensori IoT trova impiego in numerosi settori; nelle smart city, i sensori ambientali alimentati da energia solare possono monitorare qualità dell’aria, traffico e condizioni meteorologiche senza necessità di cablaggi complessi per dare vita a infrastrutture urbane intelligenti e sostenibili; in ambito agricolo, i sistemi di monitoraggio del suolo e dell’umidità possono funzionare in aree remote grazie alla raccolta di energia solare o termica, supportando pratiche di agricoltura di precisione orientate alla riduzione degli sprechi idrici; mentre, nel settore industriale, la possibilità di installare sensori wireless autoalimentati su macchinari in movimento elimina la necessità di cablaggi e interventi manutentivi frequenti, migliorando la sicurezza e l’efficienza operativa.
Nonostante gli evidenti vantaggi, l’adozione dell’energy harvesting presenta anche alcune criticità legate alla densità di potenza disponibile ed alla variabilità delle fonti ambientali. La progettazione deve quindi tenere conto di scenari realistici di utilizzo. E' altresì richiesto un dimensionamento corretto dell’accumulo energetico e implementazione di algoritmi intelligenti di gestione della potenza. L’evoluzione dei materiali semiconduttori, l’incremento dell’efficienza energetica dei convertitori e lo sviluppo di sensori IoT sostenibili e parsimoniosi nei consumi, stanno progressivamente ampliando il campo di applicazione di queste tecnologie.
