Raccolta di energia nell'IoT: fonti, vantaggi e utilizzi

Immaginate una flotta di 10.000 sensori distribuiti su ponti, aziende agricole, magazzini e strade cittadine. Anche se ogni batteria durasse cinque anni, si tratterebbe comunque di circa 2.000 sostituzioni all’anno. Ognuna di esse comporta un intervento in loco, il tempo impiegato da un tecnico e il rischio che il dispositivo smetta di funzionare prima che qualcuno se ne accorga.

Per molti progetti IoT, è la batteria, non il sensore o la rete, a rappresentare il vero limite in termini di costi e scalabilità. L’energy harvesting cambia questa equazione. Anziché fare affidamento esclusivamente sull’energia immagazzinata, il dispositivo raccoglie piccole quantità di energia dall’ambiente circostante: luce, calore, movimento, flusso d’aria o onde radio.

Ecco come funziona, quali fonti vale la pena prendere in considerazione, dove trova applicazione e come abbinarlo alla connettività giusta.

Prima di addentrarci nell’IoT, che cos’è l’energy harvesting?

L’energy harvesting (chiamato anche energy scavenging o ambient power) è il processo che consiste nel catturare piccole quantità di energia già presenti nell’ambiente e trasformarle in elettricità utilizzabile.

Pensate a una calcolatrice solare o a un orologio a carica automatica. Nell’IoT, lo stesso principio alimenta sensori e dispositivi di tracciamento che necessitano solo di potenze comprese tra microwatt e milliwatt e trascorrono la maggior parte del loro ciclo di vita in modalità di sospensione.

Il punto fondamentale è che l’energia raccolta è esigua e spesso intermittente. L’energy harvesting funziona al meglio quando il dispositivo viene progettato tenendo conto di questa realtà sin dall’inizio.

In che modo l’energy harvesting aiuta i dispositivi IoT?

• Maggiore durata del dispositivo. Un sistema di raccolta può ricaricare continuamente una batteria o un supercondensatore, consentendo al dispositivo di funzionare per anni in più, talvolta per tutta la sua vita utile.
• Costi di manutenzione ridotti. Meno sostituzioni della batteria significano meno interventi in loco, il che spesso rappresenta il risparmio maggiore in luoghi difficili da raggiungere come le turbine eoliche o i ponti.
• Implementazioni prima impraticabili. I sensori possono essere installati dove il cablaggio è impossibile.
• Meno rifiuti. Solo negli Stati Uniti si utilizzano quasi tre miliardi di batterie a secco all’anno. Con decine di miliardi di dispositivi connessi in arrivo, ridurre l’uso delle batterie rappresenta un vero e proprio successo in termini di sostenibilità.

Fonti energetiche da sfruttare per alimentare i dispositivi IoT

La tabella riporta i dati di ordine di grandezza comunemente citati per ciascuna fonte. La resa effettiva dipende in larga misura dall’ambiente.

I valori riportati sono parametri di riferimento tipici ampiamente utilizzati nella letteratura sull’energy harvesting; le vostre misurazioni in loco sono sempre più attendibili di una tabella.

Solare

Due considerazioni pratiche sono fondamentali nella progettazione di sensori IoT alimentati a energia solare. Innanzitutto, in ambienti interni, una cella economica in silicio amorfo può superare in prestazioni una costosa cella cristallina, poiché gestisce meglio la luce artificiale di bassa intensità. In secondo luogo, nei Paesi nordici, la progettazione deve tenere conto delle condizioni di dicembre, non di giugno. Un sensore alimentato dal sole a Tromsø deve resistere a settimane di notte polare, quindi l’accumulo di energia e il ciclo di funzionamento sono importanti tanto quanto le dimensioni del pannello.

Termoelettrici

I generatori termoelettrici (TEG) trasformano una differenza di temperatura in elettricità. Hanno un’efficienza di solo il 2–5% circa, ma possono funzionare con differenze di appena pochi gradi. Necessitano di circuiti di amplificazione, poiché l’uscita grezza è spesso dell’ordine di decine di millivolt. Tubi caldi, motori, sistemi di scarico e reti di teleriscaldamento sono candidati naturali. Lo svantaggio principale è che spesso è necessario un dissipatore di calore per mantenere la differenza di temperatura, il che aumenta l’ingombro.

Flusso e vento

Le piccole turbine e i dispositivi di raccolta ad acqua o vento catturano l’energia dall’aria o dall’acqua in movimento: condotti di ventilazione, condutture, fiumi o strutture esterne esposte. Recenti revisioni scientifiche collocano la densità di potenza della raccolta eolica nell’intervallo di 10–200 mW/cm³ (Du et al., 2025). Funzionano al meglio dove il flusso è prevedibile.

Vibrazioni e energia cinetica

Macchine, veicoli, ponti e binari ferroviari sono tutti soggetti a vibrazioni. I raccoglitori piezoelettrici sono compatti ed economici, ma producono meno energia. I raccoglitori elettromagnetici ne forniscono di più, ma sono più grandi e costosi. I raccoglitori cinetici a “impatto”, come una leva che preme su una bobina, possono generare energia sufficiente ad alimentare un semplice sensore e una trasmissione wireless. È così che funzionano gli interruttori della luce autoalimentati.

RF / Elettromagnetico

Il recupero di energia RF cattura l’energia dai segnali radio quali Wi-Fi, rete cellulare o trasmettitori RF dedicati. La potenza RF ambientale è molto limitata e dipende fortemente dall’ambiente circostante. La tecnologia RF è particolarmente utile in presenza di un trasmettitore dedicato nelle vicinanze o per tag a bassissima potenza. Questa tecnologia costituisce anche la base dell’IoT ambientale.

Ibrido multisorgente

I sistemi ibridi combinano due o più fonti, ad esempio solare e termica, oppure vibrazioni ed eolico, in modo che il dispositivo continui a funzionare quando una fonte viene a mancare. I ricercatori hanno dimostrato che i raccoglitori ibridi triboelettrici-elettromagnetici possono produrre una potenza di picco che va da pochi milliwatt fino a circa 85 mW nei test eolici (Du et al., 2025). Il compromesso è che un numero maggiore di raccoglitori comporta un dispositivo più grande e una gestione dell’alimentazione più complessa.

Come funziona la raccolta di energia nell’IoT?

Un dispositivo IoT per la raccolta di energia è costituito da cinque elementi fondamentali che operano in sinergia:

1. Harvester (trasduttore). La cella solare, il generatore termoelettrico, l’elemento piezoelettrico o l’antenna che convertono l’energia ambientale in elettricità.
2. Circuito integrato di gestione dell’alimentazione (PMIC). Converte l’uscita grezza e fluttuante in tensione stabile. I PMIC di qualità utilizzano il tracciamento del punto di massima potenza (MPPT) per ottenere il massimo dal raccoglitore al variare delle condizioni.
3. Accumulo di energia. Un supercondensatore, una batteria ricaricabile o entrambi. L’accumulo colma il divario tra il momento in cui l’energia è disponibile e quello in cui il dispositivo ne ha bisogno, ad esempio durante la notte.
4. Il sensore e il microcontrollore. Il sensore IoT misura temperatura, vibrazioni, posizione, umidità o qualsiasi altro parametro richiesto dall’applicazione. Sono proprio i sensori a basso consumo a rendere possibile l’energy harvesting, poiché ogni microwatt risparmiato riduce la dipendenza dalla batteria.
5. Il modulo radio. Invia i dati al cloud. Nella maggior parte dei progetti, questa è la parte del dispositivo che consuma più energia.

Il processo è un ciclo semplice: raccolta → accumulo → attivazione → misurazione → trasmissione → sospensione. Il dispositivo rimane in sospensione per la maggior parte del tempo mentre il sistema di raccolta riempie l’accumulatore, poi si attiva, effettua una lettura, la invia e torna in sospensione.

L’energy harvesting è la soluzione giusta per il tuo dispositivo IoT?

L’energy harvesting è particolarmente indicato quando:

• Il dispositivo invia piccole quantità di dati a intervalli irregolari (da pochi minuti a qualche ora, non in pochi secondi)
• La sostituzione della batteria è costosa, rischiosa o fisicamente difficile
• Nel luogo di installazione è presente una fonte ambientale affidabile
• Il dispositivo è destinato a rimanere sul campo per molti anni

È meno indicato quando:

• Il dispositivo trasmette dati in modo continuo (video, telemetria ad alta frequenza)
• Il dispositivo necessita di una connettività in tempo reale e sempre attiva
• L’ambiente non offre una fonte affidabile (un armadio buio, immobile e a temperatura stabile)
• Le dimensioni e il costo unitario sono estremamente limitati

Una regola empirica utile: se il vostro dispositivo può funzionare con la modalità “invia dati quando c’è energia”, vale la pena valutare l’utilizzo del harvesting. Se invece deve inviare dati “a tutti i costi”, pianificate l’utilizzo del harvesting come prolungamento dell’autonomia della batteria, non come sua sostituzione.

Casi d’uso reali per l’energy harvesting nell’IoT

• Città intelligenti. Sensori di parcheggio alimentati a energia solare, sensori di livello di riempimento dei cassonetti e monitor della qualità dell’aria installati su lampioni e arredo urbano.
• Tracciamento delle risorse e logistica. Localizzatori alimentati dal sole su container, rimorchi e vagoni ferroviari che segnalano la posizione per anni senza bisogno di sostituire la batteria.
• Industria e produzione. Sensori alimentati da vibrazioni e calore su motori, pompe e compressori per il monitoraggio delle condizioni e la manutenzione predittiva.
• Energia e servizi pubblici. Sensori termoelettrici su condutture e reti di teleriscaldamento, e sensori autoalimentati su linee elettriche aeree.
• Agricoltura. Stazioni meteorologiche e di monitoraggio dell’umidità del suolo alimentate a energia solare distribuite su vasti campi.
• Edifici intelligenti. Sensori di temperatura, presenza e CO₂ alimentati dalla luce.

Opzioni di connettività per dispositivi IoT con limitazioni energetiche

Il modulo radio è solitamente il principale consumatore di energia in un dispositivo a raccolta di energia. Pertanto, la scelta della connettività non è una decisione a sé stante, ma fa parte del bilancio energetico complessivo.

LTE-M / NB-IoT

LTE-M e NB-IoT sono tecnologie cellulari progettate per l’IoT a basso consumo. Due caratteristiche le rendono particolarmente adatte all’energia recuperata:

• La modalità di risparmio energetico (PSM) consente al dispositivo di rimanere in stato di sospensione per ore o giorni pur rimanendo registrato sulla rete, evitando così di sprecare energia per riconnettersi da zero.
• La ricezione discontinua estesa (eDRX) permette al dispositivo di ascoltare i messaggi in arrivo solo a intervalli lunghi e prestabiliti.

LoRa / LoRaWAN

LoRaWAN consuma pochissima energia per messaggio e offre una lunga portata, il che lo rende interessante per i piccoli dispositivi di raccolta dati. Il compromesso riguarda l’infrastruttura: sono necessari dei gateway (con relativa alimentazione e backhaul), e la copertura dipende da chi li implementa. Funziona bene per implementazioni di tipo “campus”, come un’azienda agricola, un porto o un sito industriale, dove è possibile controllare i gateway.

Non sai quale soluzione sia più adatta al tuo dispositivo? Lo strumento di selezione della rete di Com4 può aiutarti a confrontare le diverse opzioni.

Sfide e limiti principali dell’energy harvesting nell’IoT

Densità di potenza e intermittenza

Le fonti ambientali forniscono piccole quantità di energia e raramente la erogano in modo continuo. Il sole tramonta, le macchine si fermano e il vento cala. Il dispositivo deve immagazzinare energia e pianificare le proprie attività in base a ciò che è effettivamente disponibile, anziché presupporre una potenza costante.

Dimensioni, fattore di forma e integrazione

Una maggiore potenza comporta solitamente un raccoglitore più grande. I pannelli solari richiedono superficie, i raccoglitori termici necessitano di dissipatori di calore e i sistemi ibridi aggiungono ulteriori componenti. Le revisioni scientifiche sottolineano che la combinazione di diversi raccoglitori porta a dispositivi più grandi e a una gestione dell’energia più complessa, e che non esiste ancora un approccio universale per l’integrazione di più fonti (Du et al., 2025).

Durata di vita dell’accumulo di energia

Le batterie ricaricabili si deteriorano con i cicli di ricarica e risentono del freddo, il che è importante negli inverni nordici. I supercondensatori sopportano molti più cicli ma immagazzinano meno energia. Spesso è proprio l’accumulo a determinare se un dispositivo durerà 5 o 15 anni.

Costo iniziale e complessità progettuale

Lo sviluppo e la realizzazione di un sistema di recupero dell’energia costano di più rispetto a un semplice sistema alimentato a batteria. Il vantaggio economico deriva dai minori costi di manutenzione nel corso della vita utile del dispositivo, pertanto deve essere calcolato sull’intero periodo di utilizzo, non per singola unità al momento dell’acquisto.

Requisiti normativi in Norvegia: RED e CRA

L’energy harvesting non modifica i vostri obblighi di conformità. Se il vostro dispositivo dispone di funzionalità radio connesse a Internet, potrebbe dover soddisfare i requisiti di sicurezza informatica della Norvegia previsti dalla Direttiva sulle apparecchiature radio (RED).

Secondo Nkom, l’Autorità norvegese per le comunicazioni:

• I requisiti di sicurezza informatica della RED si applicano in Norvegia dal 1° agosto 2025 alle apparecchiature radio connesse a Internet immesse sul mercato. Per dimostrare la conformità è possibile ricorrere alle norme armonizzate EN 18031-1, -2 e -3.
• La legge sulla resilienza informatica (CRA) introduce requisiti più ampi per tutti i prodotti dotati di elementi digitali. Gli obblighi di segnalazione a carico dei produttori si applicano a partire dall’11 settembre 2026.
• Il CRA si applica integralmente a partire dall’11 dicembre 2027, data in cui sostituirà i requisiti di sicurezza informatica della direttiva RED.

Per i team di prodotto, ciò significa che la sicurezza deve essere integrata nella progettazione sin dall’inizio, anche nei dispositivi a bassissimo consumo energetico, dove ogni microjoule in più per la crittografia e gli aggiornamenti è fondamentale.

Recenti progressi e tendenze della ricerca

Nanogeneratori triboelettrici e ibridi

I nanogeneratori triboelettrici (TENG) generano elettricità dall’attrito e dal contatto tra i materiali, proprio come l’elettricità statica. Sono economici, flessibili e scalabili. Nella ricerca sulle reti elettriche, una singola unità TENG rotante che raccoglie energia magnetica dalle linee di trasmissione ha raggiunto una tensione a circuito aperto fino a 1,5 kV e una potenza in uscita di 6,67 mW. I modelli ibridi che abbinano i TENG a generatori termoelettrici o elettromagnetici stanno già alimentando sensori autonomi per il monitoraggio del vento, delle vibrazioni delle linee e dello spessore del ghiaccio (Du et al., 2025).

Integrazione di IA/ML

L’intelligenza artificiale offre un doppio contributo. A livello di dispositivo, modelli leggeri di apprendimento automatico prevedono la quantità di energia disponibile (ad esempio, la luce solare di domani) e regolano la frequenza con cui il dispositivo effettua misurazioni e trasmissioni. Nella ricerca, l’IA accelera la scoperta e l’ottimizzazione di nuovi materiali per la raccolta di energia.

IoT ambientale

La Release 19 del 3GPP standardizza l’Ambient IoT: dispositivi a bassissimo consumo energetico, con un consumo di potenza di picco di circa 1 µW, che funzionano grazie all’energia raccolta e comunicano direttamente con le stazioni base cellulari (3GPP). L’attenzione iniziale è rivolta ai casi d’uso relativi all’inventario e al controllo in ambienti interni, mentre per la Release 20 sono previsti tipi di dispositivi più avanzati.

Come iniziare con il recupero di energia per l’IoT?

Partire dal caso d’uso e dall’ambiente

Definisci cosa deve misurare il dispositivo, con quale frequenza e dove verrà installato. Visita il sito. C'è luce? Calore? Vibrazioni? Come variano nel corso della giornata e dell'anno?

Quantificare il bilancio energetico

Calcola il fabbisogno energetico giornaliero (modalità sleep + rilevamento + trasmissione) e confrontalo con quanto fornito dal dispositivo di raccolta energia nel giorno peggiore, non in quello medio.

Scegliere il o i raccoglitori giusti

Adatta la fonte all’ambiente: luce per gli spazi illuminati, calore per le superfici calde, vibrazioni per le macchine. Opta per una soluzione ibrida solo se una singola fonte non è sufficientemente affidabile.

Dimensiona lo spazio di archiviazione in vista dei tempi difficili

Dimensiona il supercondensatore o la batteria in modo che il dispositivo possa superare il periodo di interruzione più lungo previsto nella raccolta di energia, come un inverno nordico, un fermo di produzione o una settimana nuvolosa.

Scegliete una connettività a basso consumo e ottimizzatela

Scegliete una tecnologia radio adatta alle vostre esigenze in termini di carico utile, mobilità e copertura, quindi utilizzate PSM, eDRX e intervalli di segnalazione intelligenti per ridurre il consumo energetico. Rendete il firmware sensibile al consumo energetico in modo che adatti la frequenza di segnalazione all’energia disponibile.

Realizza prototipi, effettua misurazioni ed esegui test sul campo

I dati di laboratorio raramente corrispondono alla realtà. Misurate il consumo effettivo ed effettuate test in loco in tutte le stagioni. Il laboratorio di prova di Com4 e il kit di test IoT gratuito vi consentono di verificare la connettività cellulare sul vostro hardware prima di passare alla produzione su larga scala.

Pianifica la conformità e la gestione del ciclo di vita

Integrate fin dall’inizio i requisiti di sicurezza RED/CRA e pianificate come monitorare e gestire i dispositivi da remoto una volta implementati, ad esempio con una piattaforma di gestione della connettività come Polaris CMP.

Conclusione

L’energy harvesting non eliminerà le batterie da tutti i dispositivi IoT, né è necessario che lo faccia. Il suo vero valore sta nel cambiare l’economia delle grandi implementazioni: meno visite in loco, maggiore durata dei dispositivi e la libertà di posizionare i sensori dove prima non sarebbe mai stato possibile.

I progetti di successo considerano l’energia come un vincolo progettuale sin dal primo giorno: analizzano l’ambiente, pianificano ogni microjoule e scelgono la connettività più adatta.

Se state realizzando un dispositivo con limitazioni energetiche e volete sapere quale opzione di connettività vi consentirà di sfruttare al massimo il vostro budget energetico, rivolgetevi a Com4. Vi aiuteremo a testarla su reti reali prima di prendere una decisione definitiva.