La energía verde que mueve el IoT

Empezando por los aparatos del hogar (domótica), pasando por dispositivos de indumentaria (wearables) y hasta llegar a las redes de sensores (Wireless Sensor Networks, WSN). Todos estos dispositivos conectados monitorizan variables del entorno de forma fácil y rápida: temperatura, humedad, pasos, calorías quemadas…

Gracias a esta recolección masiva de datos, que se recogen de manera independiente y descentralizada, se da paso al control y mando de entornos sin la dependencia del factor humano. Hoy en día ya existen WSN para hacer seguimiento de la vegetación, control y prevención de incendios, predicción del consumo eléctrico, etc.

Sin embargo, uno de los puntos críticos de esta tecnología es la alimentación. Hasta ahora, hemos dependido de baterías para proporcionar el servicio en cualquier lugar y circunstancia. Cada vez son más las voces que hablan de los problemas asociados al uso y reemplazo de baterías al ser elementos contaminantes, por no hablar de los costes que generan los posibles desplazamientos del personal de mantenimiento, especialmente difícil en entornos remotos como bosques o parques naturales.

Una alternativa en boga hoy en día es el energy harvesting, la recolección de energía presente en el entorno para poder autoabastecer dispositivos

Una alternativa en boga hoy en día es la recolección de energía presente en el entorno para poder autoabastecer a los dispositivos, lo que se conoce como energy harvesting (EH). Aunque el ejemplo más inmediato sea la energía solar fotovoltaica (que se lleva empleando en calculadoras desde la década de los 70, por ejemplo), también se pueden usar transductores piezoeléctricos, aprovechar campos magnéticos, usar el efecto Seebeck para extraer energía de los gradientes térmicos entre dos materiales termoeléctricos o, incluso, convertir las ondas procedentes de las estaciones base en corriente eléctrica.

1 kWh de cada 12 se lo ‘comen’ las TIC

El consumo energético se está convirtiendo en el centro omnipresente de discusión. Hoy en día no solo preocupa la generación eléctrica, los consumos domésticos y la eficiencia energética, sino también el gasto energético de granjas de datos o de redes de telecomunicación. Se estima que el consumo de los centros de datos es responsable del 1% del consumo eléctrico a nivel mundial, mientras que el consumo asociado a todas las TIC se cifra en un 8%.

En cambio, el IoT es una de las tecnologías con mayor énfasis en el ahorro y la protección del medio ambiente, ya que permite tomar decisiones y optimizar recursos, tanto materiales como humanos. De hecho, las WSN son un pilar fundamental para monitorizar el consumo eléctrico de forma pormenorizada y así detectar fallas energéticas, malos hábitos de consumo y otros factores que empeoren la eficiencia energética.

La rápida adopción de redes inalámbricas de bajo consumo y área extensa (LPWAN), como LoRaWAN o NB-IoT, y las comunicaciones masivas de tipo máquina (mMTC) que contempla el estándar 5G han hecho posible el despliegue masivo de redes que dan lugar a multitud de casos de uso, como la monitorización ya comentada del consumo eléctrico (y también de agua), el control de flotas por carretera, el estudio de los sistemas de transporte público, etc.

Por otra parte, el proceso de tratamiento de las baterías de ion-litio como residuo es muy caro y apenas se recupera la mitad (el 80% en el mejor de los casos) de los componentes. El procedimiento para recuperar esos materiales es altamente contaminante y emite grandes cantidades de gases efecto invernadero. Para más inri, el coste de reemplazo de estas baterías en redes con miles de nodos o en lugares remotos añade aún mayor complejidad y gasto. En muchos casos, es mejor optar por baterías de larga duración o librarse enteramente de ellas.

El bajo consumo y las tecnologías LPWAN

Las redes IoT de muy bajo consumo cuya batería alcanza los 10 años sin mantenimiento ya están a la orden del día gracias a las tecnologías LPWAN. Si sumáramos energy harvesting a este tipo de redes, se podrían reducir costes, contaminar menos y conseguir entornos más fluidos con un funcionamiento continuo sin disrupciones.

El IoT es una de las tecnologías con mayor énfasis en el ahorro y la protección del medioambiente

El uso de EH se ha impulsado en los últimos años gracias a la miniaturización de los componentes electrónicos, que ha permitido construir y diseñar electrónica eficiente de muy bajo consumo con la que explotar las ventajas del energy harvesting. Esto ha generado casos de uso muy interesantes. Unos de los más extendidos es la instalación de placas fotovoltaicas para alimentar señales viales u otro tipo de sensores en smart cities. También hay sensores que eliminan por completo la batería y que se utilizan para monitorización y automatización en diferentes sectores como el industrial, el servicio público, agricultura y defensa. Otras aplicaciones interesantes pueden ser la medición de partículas contaminantes en el ambiente, el seguimiento y localización de animales salvajes, o la prevención de incendios forestales.

A la hora de diseñar redes IoT que dependan de EH hay que tener en cuenta su cometido, ya que las técnicas energy harvesting usadas deben estar adaptadas a la propia naturaleza de la red IoT. ¿Qué quiere decir esto? La cantidad de energía que se puede aprovechar con EH es muy limitada, en el orden de los μW o mW. Además, los circuitos de acondicionamiento y manejo para energy harvesting son complejos, por lo que se intenta simplificar la electrónica todo lo posible para reducir pérdidas y abaratar costes. Por este motivo, no suelen emplearse fuentes distintas de EH en el mismo dispositivo, sino que se suele enfocar el diseño a la más adecuada para cada aplicación.

El diseño de WSN con EH

Existen multitud de técnicas de energy harvesting usadas hoy en día para WSN. Algunas están extendidas comercialmente, mientras que otras siguen siendo carne de laboratorio. En la mayoría de los casos es necesario usar baterías para suplir de energía a los dispositivos cuando el EH no es suficiente. De todas formas, un dispositivo bien diseñado no requerirá cambio de batería, pues la energía que es capaz de generar con energy harvesting compensará el gasto energético del dispositivo, teniendo un balance energético positivo.