Energy harvesting termoelettrico per sensori IoT batteryless

Un motore industriale disperde continuamente energia sotto forma di calore. In condizioni adatte, una piccola parte di questa energia può essere recuperata per alimentare il sensore utilizzato per monitorare il motore stesso. Non si tratta di eliminare qualsiasi forma di accumulo o di ottenere energia illimitata, ma di progettare un nodo embedded capace di misurare, elaborare e trasmettere dati utilizzando soltanto la potenza disponibile nell’ambiente.

Questa possibilità è particolarmente interessante nei sistemi di monitoraggio IoT industriale, dove cablare ogni sensore può essere costoso e la sostituzione periodica delle batterie può diventare un problema operativo. Il vantaggio aumenta quando i nodi sono numerosi, installati in punti difficili da raggiungere o montati su macchinari che non possono essere fermati frequentemente.

Lo spunto arriva da uno studio pubblicato nel 2026 sulla rivista Sensors. I ricercatori hanno installato un generatore termoelettrico sulla carcassa di un motore industriale da 0,25 kW e hanno utilizzato l’energia raccolta per alimentare un microcontrollore e un transceiver LoRa. Nel test completo il sistema ha effettuato 41 trasmissioni wireless senza utilizzare una batteria elettrochimica, mantenendo un bilancio energetico positivo.

Il problema non è generare tensione, ma chiudere il bilancio energetico

L’energy harvesting permette di recuperare piccole quantità di energia già presenti nell’ambiente sotto forma di luce, vibrazioni, campi elettromagnetici o differenze di temperatura. La presenza di una sorgente energetica, però, non garantisce automaticamente che un sensore possa funzionare in modo autonomo.

In un dispositivo reale devono essere considerate le perdite della conversione, il consumo a riposo dei regolatori, il leakage dell’elemento di accumulo, il consumo del microcontrollore, l’acquisizione dei sensori e i picchi richiesti dalla comunicazione radio. Anche pochi microampere continui possono compromettere il risultato quando la potenza raccolta è nell’ordine dei microwatt o dei milliwatt.

La domanda corretta non è quindi soltanto “quanta tensione produce il generatore?”, ma “quanta energia utile rimane disponibile dopo tutte le perdite e ogni quanto tempo il nodo può completare un ciclo di acquisizione e trasmissione?”.

Come funziona un generatore termoelettrico

Un generatore termoelettrico, indicato spesso con la sigla TEG, sfrutta l’effetto Seebeck. Quando le due facce del modulo si trovano a temperature differenti, ai terminali viene generata una tensione elettrica.

In forma semplificata, la tensione a circuito aperto cresce con il gradiente termico realmente presente sul modulo:

Dove V_OC è la tensione a circuito aperto, α rappresenta il coefficiente Seebeck equivalente del modulo e ΔT è la differenza di temperatura effettiva tra lato caldo e lato freddo.

Il parametro importante non è quindi la temperatura assoluta del motore, ma il gradiente termico applicato direttamente al TEG. Se entrambe le facce raggiungono quasi la stessa temperatura, la produzione elettrica diminuisce anche quando il macchinario è molto caldo.

Contatto meccanico, planarità delle superfici, materiale di interfaccia, dissipatore, flusso d’aria e resistenze termiche parassite determinano quanta parte del calore disponibile può essere realmente convertita. A bassi valori di ΔT, anche una piccola perdita sulle interfacce può cambiare completamente la fattibilità del sistema.

Il test su un motore industriale da 0,25 kW

Il prototipo descritto nello studio è stato installato su un motoriduttore Bosch Rexroth da 0,25 kW utilizzato in una linea dimostrativa Smart Factory presso la VSB–Technical University of Ostrava.

Prima del montaggio, i ricercatori hanno analizzato la distribuzione termica della carcassa tramite termografia. Le temperature superficiali rilevate variavano indicativamente tra 35 e 60 °C, ma il calore non era distribuito in modo uniforme. Il punto di installazione è stato quindi scelto valutando sia la temperatura sia la possibilità di ottenere un buon contatto meccanico.

Il modulo utilizzato era un Marlow RC12-8-01LS, con dimensioni di 40 × 44,7 millimetri e spessore di 3,51 millimetri. Poiché il TEG è piano mentre la superficie del motore è curva, è stato realizzato un adattatore in alluminio lavorato su misura.

Sul lato freddo è stato montato un dissipatore. Un piccolo condotto convogliava sul dissipatore parte del flusso d’aria generato dalla ventola già presente nel motore.

L’architettura termica era quindi composta da carcassa del motore, adattatore in alluminio, TEG, dissipatore e flusso d’aria forzato. Tra le superfici è stata applicata pasta termica per ridurre vuoti microscopici e resistenze di contatto.

Perché il raffreddamento del lato freddo è fondamentale

Il TEG non produce energia semplicemente perché viene riscaldato. Per mantenere una differenza di temperatura deve esistere anche un percorso efficace attraverso il quale il calore possa essere rimosso dal lato freddo.

Nel prototipo, la ventola del motore svolgeva due funzioni: raffreddava normalmente il macchinario e forzava aria attraverso il dissipatore aggiunto. Questa configurazione ha permesso di stabilizzare la differenza di temperatura sul TEG tra circa 4,8 e 5,2 °C durante la fase a regime.

Considerando anche il riscaldamento iniziale e le altre fasi transitorie, il gradiente medio sull’intero esperimento era inferiore. Questo dettaglio è importante perché impedisce di interpretare il risultato come una regola generale secondo cui “cinque gradi sono sempre sufficienti”.

Occorre ottenere e mantenere quei cinque gradi direttamente tra le due facce del modulo, anche nelle condizioni meno favorevoli previste per il prodotto: ambiente caldo, motore a carico ridotto, dissipatore sporco, variazioni del flusso d’aria e invecchiamento delle interfacce termiche.

Dalle decine di millivolt a un’alimentazione utilizzabile

La tensione prodotta dal TEG era nell’ordine delle decine di millivolt. Un valore di questo tipo non può alimentare direttamente un microcontrollore o un transceiver radio. È quindi necessaria una catena elettronica progettata specificamente per sorgenti a bassissima tensione.

L’architettura utilizzata nello studio era composta da:

TEG → LTC3109 → condensatore di accumulo → TPS62840 → microcontrollore KL25Z4 e transceiver LoRa SX1261

Il primo stadio era un Analog Devices LTC3109, un convertitore step-up e power manager progettato per sorgenti come generatori termoelettrici e termopile. La documentazione ufficiale indica la possibilità di effettuare il cold start da tensioni nell’ordine di 30 mV, in funzione del trasformatore, dell’impedenza della sorgente e delle condizioni operative.

L’energia raccolta veniva immagazzinata in un condensatore da 20 mF. A valle era presente un Texas Instruments TPS62840, convertitore step-down con una corrente di riposo tipica dichiarata di 60 nA.

Il controllo era affidato a un microcontrollore NXP KL25Z4 basato su Arm Cortex-M0+, mentre la comunicazione utilizzava un Semtech SX1261 per collegamenti LoRa sub-GHz.

Cosa significa realmente “batteryless”

Nel contesto di questo esperimento, batteryless significa che il dispositivo non utilizza una batteria elettrochimica primaria o ricaricabile. Non significa però che il nodo possa funzionare senza alcun elemento di accumulo.

Il condensatore è necessario per raccogliere lentamente l’energia prodotta dal TEG e renderla disponibile durante i picchi di consumo. La trasmissione radio, infatti, richiede una potenza istantanea superiore a quella che il generatore può fornire direttamente in ogni momento.

L’elemento di accumulo permette quindi di separare due tempi differenti: una fase relativamente lunga di raccolta dell’energia e una fase breve nella quale il microcontrollore acquisisce i dati, prepara il messaggio e attiva il transceiver.

In un prodotto reale, la scelta tra condensatore, supercondensatore o accumulo ibrido deve considerare capacità, leakage, temperatura, durata, corrente di picco, comportamento ai cicli e tempo necessario per il cold start.

Il firmware decide in base all’energia disponibile

Uno degli aspetti più interessanti del prototipo è la logica firmware. In un sistema alimentato dalla rete o da una batteria sufficientemente grande, il software può acquisire e trasmettere a intervalli regolari. In un nodo alimentato tramite energy harvesting, questa strategia può causare reset o brownout quando l’energia raccolta diminuisce.

Nel sistema sperimentale il firmware controllava la tensione del condensatore. La trasmissione veniva avviata soltanto quando la tensione superava 2 V. Dopo aver completato l’invio, il nodo entrava in sleep per 20 secondi, lasciando al TEG il tempo di reintegrare parte dell’energia consumata.

L’intervallo tra i messaggi non era quindi imposto esclusivamente da un timer. Era una conseguenza diretta della potenza termica disponibile, dell’efficienza della conversione e dell’energia richiesta da ogni ciclo operativo.

Questo approccio viene spesso definito energy-aware duty cycling. L’energia disponibile diventa una variabile di stato del firmware e influenza la frequenza di acquisizione, elaborazione e trasmissione.

Un’implementazione destinata a un prodotto industriale dovrebbe inoltre gestire isteresi sulle soglie, rilevamento del brownout, watchdog, ripartenze sicure, dati parzialmente scritti, errori radio e variazioni improvvise della sorgente energetica.

La configurazione LoRa utilizzata nel test

Lo studio riporta in modo esplicito i parametri della comunicazione:

L’utilizzo di SF12 aumenta il tempo necessario per trasmettere un messaggio rispetto a spreading factor più bassi. La configurazione sottopone quindi il sistema a un carico radio relativamente impegnativo dal punto di vista energetico.

Questo non significa che SF12 sia la scelta ottimale per ogni installazione. In un prodotto reale sarebbe necessario valutare distanza, ostacoli, link budget, antenna, regolamentazione della banda, probabilità di ritrasmissione e consumo complessivo del messaggio.

Ridurre il tempo di trasmissione attraverso parametri radio più efficienti può migliorare sensibilmente il bilancio energetico, purché l’affidabilità del collegamento rimanga adeguata.

I risultati elettrici del generatore termoelettrico

Durante la caratterizzazione con carico resistivo, la tensione del TEG è aumentata progressivamente insieme al riscaldamento del motore.

Lo studio riporta una tensione massima di 89,6 mV, una tensione media di 64,2 mV, una potenza massima di 5,07 mW e una potenza media di 3,16 mW.

Questi risultati mostrano quanto la qualità del percorso termico sia importante. Nel test, il passaggio da 3 a 5 °C non ha prodotto un incremento marginale, ma ha portato la potenza da circa 1,26 a 4,72 mW.

Migliorare la posizione del modulo, il dissipatore, la pressione di contatto o il materiale di interfaccia può quindi cambiare in modo sostanziale la frequenza con cui il nodo riesce a completare una trasmissione.

Il test completo con microcontrollore e LoRa

La parte più significativa dello studio riguarda il funzionamento dell’intero nodo, non soltanto la caratterizzazione del TEG.

Durante un test di 9.612 secondi, pari a circa 2 ore e 40 minuti, il sistema ha raccolto energia e alimentato il nodo completo:

Il bilancio energetico è rimasto positivo per circa 0,12 joule. Il margine è ridotto, ma sufficiente per dimostrare che nelle condizioni sperimentali il nodo poteva continuare a funzionare senza una batteria elettrochimica.

Durante la fase stabile, gran parte degli intervalli tra le trasmissioni era compresa approssimativamente tra 170 e 220 secondi, con una mediana vicina a 200 secondi. Dividendo invece l’intera durata del test per i 41 messaggi, includendo avvio e fasi transitorie, si ottiene un intervallo medio di circa 234 secondi, pari a 3,9 minuti.

Tutti gli uplink programmati nella finestra di misura sono stati ricevuti correttamente. Gli autori precisano però che la valutazione è stata effettuata a livello di pacchetto e non attraverso una misura dedicata del bit error rate. Il risultato è quindi positivo, ma limitato alla durata e alle condizioni di quella prova.

Perché la potenza del TEG e quella del nodo sono differenti

La potenza media di 3,16 mW riportata durante la caratterizzazione del generatore e il valore medio di circa 0,64 mW ricavabile dal test del nodo completo non sono misure direttamente equivalenti.

Il primo valore deriva da una caratterizzazione del TEG con un carico resistivo adattato. Il secondo rappresenta il bilancio energetico del sistema completo e include conversione DC/DC, perdite nei componenti, accumulo, consumi a riposo, microcontrollore, trasmissioni radio, avvio e variazioni del gradiente termico.

Non sarebbe quindi corretto dividere semplicemente i due valori e presentare il risultato come efficienza complessiva della catena. Per calcolare un’efficienza attendibile servirebbero misure sincronizzate della potenza in ingresso e in uscita nei singoli stadi.

Questa distinzione è importante perché evita di confrontare dati ottenuti con configurazioni e metodi di misura differenti.

Il test termico esteso a 72 ore

I ricercatori hanno eseguito anche una prova di 72,23 ore, utilizzando in questo caso un condensatore da 1 F per analizzare la stabilità termica e la capacità di accumulo nel lungo periodo.

Dopo il transitorio iniziale, il gradiente termico ha mostrato una mediana di 4,918 °C e un intervallo interquartile di 0,043 °C. La tensione mediana del TEG era di circa 120,2 mV.

Il condensatore ha raggiunto una tensione massima di 5,161 V, corrispondente a circa 13,319 joule immagazzinati.

Con C = 1 F e V_bassa prossima a zero, la formula restituisce circa 13,32 J: è utile per stimare quanta energia rimane realmente utilizzabile tra due soglie di tensione.

Questa prova dimostra una buona stabilità termica ed elettrica nell’arco di tre giorni, ma non deve essere descritta come una validazione end-to-end di 72 ore della comunicazione LoRa. Per quel dataset non erano disponibili i log completi di successo o fallimento dei pacchetti.

Gli autori stimano circa 1.110 possibili trasmissioni sulla base dell’intervallo osservato nel test più breve, ma si tratta di una proiezione analitica e non di 1.110 uplink direttamente verificati.

Prestazioni misurate e prestazioni stimate

Il paper presenta anche una stima degli intervalli di trasmissione ottenibili a differenti gradienti termici:

Questi valori non derivano da test completi eseguiti per ogni temperatura. Sono estrapolazioni basate sulla potenza misurata e sul punto di funzionamento verificato sperimentalmente.

Possono essere utili per un primo dimensionamento, ma non devono essere interpretati come prestazioni garantite. Un dispositivo reale può essere influenzato da efficienza della conversione, temperatura ambiente, tolleranze dei componenti, condizioni radio, carico del motore, qualità del contatto termico e invecchiamento del sistema.

Cosa dimostra realmente l’esperimento

Lo studio dimostra che una differenza termica di circa 5 °C può generare potenza sufficiente per un piccolo nodo embedded con funzionamento intermittente.

Dimostra inoltre che una catena di conversione progettata per tensioni estremamente basse può trasformare poche decine di millivolt in un’alimentazione utilizzabile e che un firmware energy-aware può adattare la frequenza delle comunicazioni all’energia realmente disponibile.

Il valore del progetto non è quindi legato soltanto al TEG. Il risultato deriva dall’integrazione tra struttura meccanica, trasferimento termico, conversione elettronica, accumulo, firmware low-power e configurazione radio.

Un modulo termoelettrico installato senza un corretto dissipatore, un regolatore con consumo a riposo troppo elevato o un firmware che tenta di trasmettere a intervalli rigidi potrebbero rendere negativo l’intero bilancio energetico.

Cosa non è stato ancora dimostrato

Il prototipo non può ancora essere considerato una soluzione industriale pronta per la produzione. Il nodo completo è stato verificato per poche ore e la sperimentazione è stata condotta su un solo tipo di motore, in condizioni operative relativamente stabili.

Non sono state validate per mesi o anni la durata del TEG, la stabilità del condensatore, l’invecchiamento della pasta termica, la resistenza del montaggio alle vibrazioni e il comportamento durante numerosi cicli di riscaldamento e raffreddamento.

L’adattatore meccanico utilizzato è inoltre specifico per la geometria della carcassa. Un’installazione su motori differenti richiederebbe una nuova valutazione termica e meccanica.

Il margine energetico di circa 0,12 joule osservato nel test è sufficiente per dimostrare la fattibilità nelle condizioni sperimentali, ma un prodotto reale dovrebbe prevedere margine per variazioni della temperatura ambiente, ritrasmissioni radio, componenti con tolleranze sfavorevoli, sensori aggiuntivi, dispersioni e progressivo degrado delle interfacce.

La manutenzione predittiva è una possibile applicazione, non un risultato già ottenuto

Lo studio indica la manutenzione predittiva come possibile applicazione della tecnologia, ma la validazione sperimentale riguarda principalmente l’alimentazione del nodo e la comunicazione wireless.

Non viene dimostrato un algoritmo capace di riconoscere un cuscinetto danneggiato, classificare automaticamente un guasto o stimare la vita residua del motore.

Per realizzare un sistema di condition monitoring sarebbero necessari sensori adeguati, una strategia di acquisizione, l’estrazione di feature significative, dataset rappresentativi del funzionamento normale e delle anomalie, oltre alla validazione di falsi positivi e falsi negativi.

L’energy harvesting può alimentare la piattaforma di misura, ma non sostituisce il lavoro necessario per trasformare i segnali acquisiti in una diagnosi affidabile.

Quali applicazioni sono realistiche

Con una potenza media disponibile nell’ordine delle centinaia di microwatt, questa architettura è adatta soprattutto a dispositivi che lavorano per brevi intervalli e rimangono in sleep per la maggior parte del tempo.

Applicazioni realistiche includono la misura periodica della temperatura, il conteggio delle ore di funzionamento, il rilevamento di eventi sporadici, l’invio di statistiche aggregate, semplici allarmi e il monitoraggio di macchinari difficili da cablare.

Per il monitoraggio delle vibrazioni, una strategia possibile consiste nell’attivare periodicamente un accelerometro, acquisire una finestra breve e calcolare localmente indicatori come RMS, valore di picco, crest factor o energia in determinate bande di frequenza.

Il nodo può quindi trasmettere soltanto le feature estratte, evitando di inviare l’intera forma d’onda. Questa elaborazione edge riduce la quantità di dati e il costo energetico della comunicazione.

Con il bilancio energetico dimostrato nello studio non sarebbero invece realistiche acquisizioni continue ad alta frequenza, trasmissioni frequenti di forme d’onda complete, elaborazioni Linux permanenti, video o grandi quantità di dati.

Come valutare un proof of concept su una macchina reale

Un progetto di energy harvesting termoelettrico non dovrebbe iniziare dalla scelta del modulo TEG. La prima attività dovrebbe essere una campagna di misura sulla macchina reale.

Occorre rilevare la temperatura della superficie, la temperatura ambiente, il gradiente ottenibile direttamente sul modulo, il tempo necessario per raggiungere il regime, il comportamento ai diversi carichi e le condizioni durante avvio, arresto e funzionamento intermittente.

La seconda fase consiste nel costruire un modello energetico completo. Il budget deve includere cold start del convertitore, efficienza ai differenti punti di lavoro, leakage dell’accumulo, corrente di riposo dei regolatori, sleep current del microcontrollore, consumo dei sensori, energia richiesta dal radio, timeout e possibili ritrasmissioni.

La relazione non sostituisce le misure, ma rende esplicito il vincolo di progetto: la potenza media raccolta deve superare la somma tra il costo medio dei cicli operativi e i consumi continui a riposo.

La parte meccanica deve valutare pressione di contatto, adattamento alla curvatura, materiale di interfaccia, dissipatore, vibrazioni, contaminanti, protezione del cablaggio e compatibilità con la manutenzione ordinaria del macchinario.

Il firmware deve infine essere progettato per funzionare con energia intermittente. Sono importanti brownout detection, watchdog, soglie con isteresi, ripartenze sicure, transazioni atomiche in memoria non volatile, spegnimento controllato delle periferiche e frequenza operativa adattiva.

Come Silicon Logix può aiutare le aziende

Silicon Logix sviluppa soluzioni che integrano firmware embedded, sensori, elettronica low-power, connettività wireless, gateway Linux e dashboard operative.

Un progetto può partire dalla misura dell’energia realmente disponibile su un motore, una tubazione, un quadro o un altro asset industriale. Da questi dati è possibile costruire il power budget, selezionare il sistema di conversione, definire il tipo di accumulo e stabilire una frequenza realistica di acquisizione e trasmissione.

Il proof of concept può includere integrazione del TEG, power management, microcontrollore, sensori di temperatura o vibrazione, comunicazione LoRa o BLE, gateway di raccolta e visualizzazione dei dati.

L’obiettivo non è dimostrare soltanto che il dispositivo si accende, ma verificare in condizioni rappresentative il cold start, la stabilità del gradiente termico, il margine energetico, la frequenza utile dei messaggi e la capacità del sistema di ripartire correttamente dopo una temporanea mancanza di energia.

Se il test conferma la fattibilità, il prototipo può evolvere verso una scheda dedicata, un sistema meccanico adatto alla macchina, firmware aggiornabile, diagnostica energetica e integrazione con gateway o piattaforme aziendali.

Conclusione

Lo studio pubblicato su Sensors è interessante perché non si limita a mostrare una tensione generata da un modulo termoelettrico. Integra il TEG con power management, accumulo, microcontrollore, firmware e comunicazione LoRa, misurando un bilancio energetico positivo.

Il risultato conferma che il calore disperso da un piccolo motore può sostenere un nodo wireless duty-cycled, purché l’intero sistema venga progettato intorno a un budget energetico estremamente limitato.

Non significa che qualsiasi motore possa alimentare automaticamente un sensore senza manutenzione. La fattibilità dipende dal gradiente termico reale, dal montaggio, dalla dissipazione, dal profilo operativo della macchina, dal consumo del carico e dalla stabilità delle prestazioni nel tempo.

L’energy harvesting non elimina il lavoro di progettazione dell’alimentazione. Al contrario, richiede una maggiore integrazione tra meccanica, termica, elettronica, firmware e comunicazione radio.

Riferimenti tecnici

[1] K. Bancik, J. Konecny, M. Stankus, R. Hercik, J. Koziorek, V. Markevičius, D. Andriukaitis e M. Prauzek, Batteryless IoT Sensing Using Thermoelectric Energy Harvesting from Industrial Motor Waste Heat, Sensors, vol. 26, art. 1644, 2026. DOI: 10.3390/s26051644.

[2] Analog Devices, LTC3109 – Auto-Polarity, Ultralow Voltage Step-Up Converter and Power Manager, datasheet ufficiale.

[3] Texas Instruments, TPS62840 – 1.8-V to 6.5-V, 750-mA, 60-nA IQ Step-Down Converter, datasheet ufficiale.

[4] NXP Semiconductors, Kinetis KL25 Sub-Family – Arm Cortex-M0+ Microcontroller, documentazione ufficiale.

[5] Semtech, SX1261 LoRa Transceiver, documentazione ufficiale del prodotto.

[6] M. Prauzek, Batteryless IoT Sensing Using Thermoelectric Energy Harvesting from Industrial Motor Waste Heat, dataset e script di elaborazione pubblicati su Zenodo. DOI: 10.5281/zenodo.17670801.