Moteur Stirling

Le principe est assez simple : le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium) soumis à un cycle comprenant 4 phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore puis compression isotherme.

L'objectif est de produire de l'énergie mécanique à partir d'énergie thermique. Au début du cycle, le gaz à l'intérieur du moteur est déplacé vers un lieu chauffé par une certaine source d'énergie : sa température et sa pression augmentent. Par la suite, on permet au gaz dans le piston de se dilater. Le gaz a par conséquent transformé son énergie thermique en énergie mécanique. En réalité, un gaz à haute pression qui se dilate sert à apporter énormément d'énergie mécanique. Cependant, le gaz ne peut pas se dilater illimitément : il faut compresser le gaz dans le piston jusqu'à son état d'origine (pour qu'il puisse se dilater de nouveau plus tard) en utilisant le moins d'énergie envisageable (car compresser un gaz demande de l'énergie mécanique). Pour ce faire, il faut déplacer le gaz du côté chaud au côté froid du moteur, diminuant ainsi la pression. En utilisant l'énergie mécanique auparavant apportée, on compresse le gaz : puisque compresser un gaz à basse pression demande moins d'énergie que ce que la dilatation d'un gaz à haute pression apporte, on récolte un surplus d'énergie mécanique à chaque fois qu'on répète le cycle de dilatation à haute pression – compression à basse pression. Bien sûr, il faut constamment alimenter le moteur en énergie thermique. ^[5] On appelle ce cycle thermodynamique le cycle de Stirling (bien que ce ne soit pas Stirling qui l'ait décrit). ^[6]

La source chaude du moteur (le piston rouge ci-dessus) est alimentée par une source externe quelconque : combustion externe de dérivés du pétrole, gaz naturel, charbon, bois, mais également énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.

Avantages

• Produisant peu de vibration grâce à l'absence d'explosion, l'absence de valves qui s'ouvrent et se ferment, l'absence de gaz qui s'échappent. Cela le rend silencieux et diminué les contraintes mécaniques.
• Entretien facile : de par son absence d'échange de matière avec son environnement et l'absence de réaction chimique interne, ce moteur subit moins de source de détérioration qu'un moteur à combustion interne.
• Bon rendement : il peut avoisiner les 40% (soit 80% du maximum du cycle de Carnot), contre à peu près 35% pour les moteurs à explosion : si la différence de 5 points parait faible, elle veut dire lorsque même près de 15% (5/35) d'énergie supplémentaire. Les moteurs électriques, dont le rendement peut certes atteindre 95%, ne sont pas identiques, car l'électricité est une forme d'énergie elle-même complexe à stocker ainsi qu'à transporter avec un rendement proche de 100%, ce qui est une limite forte pour certaines applications.
• Réversible. Le cycle de Stirling est réversible : un moteur Stirling entraîné par un autre moteur devient une pompe à chaleur capable de refroidir à - 200°C ou de chauffer à plus 700°C, selon le sens d'entraînement. Ceci, sans employer de gaz avec des propriétés spéciales qui leur confèrent des inconvénients pratiques ou chimiques (comme le fréon des machines frigorifiques d'anciennes générations, destructeur de la couche d'ozone). En pratique, d'ailleurs, c'est la fonction de pompe à chaleur efficace autorise quelques machines d'exister.
• Multi-source. Du fait de son mode d'alimentation en chaleur ce moteur peut fonctionner à partir de n'importe quelle source de chaleur (combustion d'un carburant quelconque, solaire, nucléaire, ou encore chaleur humaine)
• Faible pollution. La chaleur venant de l'extérieur il est plus aisé de créer cette chaleur de façon moins polluante que dans bien des moteurs thermiques où la combustion est imparfaite.

Inconvénients

• L'étanchéité du ou des pistons est plus importante que dans un moteur à combustion interne, et est complexe à réaliser. Les particulièrement fortes variations de température et l'obligation d'utiliser un gaz le plus léger envisageable compliquent ce problème.

• Conception délicate. Tandis que les moteurs à combustion interne produisent la chaleur directement au sein du fluide, particulièrement vite et de façon particulièrement homogène, un dispositif Stirling repose sur des transferts thermiques entre le gaz et les échangeurs (les deux sources, le récupérateur), tandis que les gaz sont des isolants thermiques où les échanges sont particulièrement lents. Qui plus est , il faut minimiser le volume "mort" (contenant du fluide qui n'accomplit pas le cycle et par conséquent ne contribue pas au rendement). Tout cela pose des problèmes de dynamique des fluides, problèmes complexes à résoudre, à propos des échangeurs, du récupérateur, des tuyaux ou du piston qui permettent le déplacement du gaz au cours du cycle (problèmes de diamètre, de longueur, de turbulences à créer ou éviter, etc. ).

• Complexe à commander. La variation de régime de ce moteur est particulièrement complexe à réaliser car elle ne peut se faire qu'en agissant sur le taux de compression du fluide de travail.

• Très mauvaise aptitude à produire une puissance et un couple variable. C'est un très gros inconvénient pour la propulsion (automobile, surtout), tandis que c'est précisément cette application qui a fait la fortune du moteur à combustion interne. Cet inconvénient pourrait se diminuer dans le cas d'un "dispositif hybride" (le moteur marche alors à régime constant, la modulation de puissance étant prise en charge par le dispositif électrique), mais ils sont toujours rares. Sur un bateau à hélice à pas variable, ceci n'est cependant pas un inconvénient.

• N'ayant actuellement que peu d'applications en grande série (voir générateurs Whispergen), contrairement au moteur à combustion interne, il est énormément plus cher ; qui plus est , pour la même raison, les industriels ne lui accordent pas le même intérêt en termes de recherche et développement, ce qui ne lui permet pas de combler son retard (en supposant cela envisageable).

Utilisation

Le moteur Stirling a des applications de niches, dans des situations où le coût d'origine du dispositif n'est pas un inconvénient grave comparé aux avantages (applications militaires, de recherche, de pointe)

• La principale application commerciale du Stirling est dans le domaine de la réfrigération industrielle et militaire. Il sert de machine pour la liquéfaction des gaz et comme refroidisseur pour les dispositifs de guidage militaire infrarouge.

• Il a été utilisé pour une classe de sous-marins suédois, non seulement à cause de son silence, propriété principale pour les sous-marins, mais également pour la bien plus faible production de gaz imbrûlés indispensable à l'apport d'un gradient thermique (une différence de température) à un moteur Stirling ; en effet, un sous-marin en plongée ne peut évacuer des gaz qu'en les comprimant à une pression au moins identique à celle du milieu ambiant, nécessitant (et par conséquent gaspillant) une part non négligeable de l'énergie disponible à bord.

• Ce moteur équipe aussi certaines classes de frégates américaines, et des drones.

• La Nasa l'a étudié pour apporter de l'énergie aux satellites et sondes spatiales car son rendement est meilleur que les panneaux solaires. Mais la fiabilité des panneaux solaires (ne comportant pas de pièces mobiles, leurs risques de pannes sont moindres que celles d'un moteur) les fait fréquemment préférer.

• Le constructeur de cartes mères d'ordinateur personnel MSI a présenté début 2008 un dispositif de refroidissement dont le ventilateur est actionné par un moteur de Stirling utilisant comme source de chaleur l'énergie dégagée par la puce à refroidir. ^[7]

• Le constructeur de chaudières Baxi propose en 2009 une mini-centrale de co-génération utilisant un moteur Stirling. Cette chaudière de la taille d'un chauffe-eau permet non seulement de chauffer de l'eau à utilisation domestique (chauffage, eau sanitaire) mais également de produire de l'électricité localement.

Stirling alpha

Un Stirling alpha contient deux pistons de puissance scindés, un piston «chaud», et un piston «froid». Le piston chaud est localisé près de l'échangeur avec la plus haute température, et le piston froid est localisé près du point d'échange de température la plus basse.

Ce type de moteur a un ratio puissance-volume particulièrement élevé, mais a des problèmes techniques, liés (souvent) aux températures trop élevées du piston chaud pour ses joints.

Ci-dessous un schéma de moteur stirling alpha.

1. Le gaz de travail est en contact avec la paroi chaude (en rouge) du cylindre de la partie chaude. Il est chauffé et voit par conséquent son volume augmenter. L'expansion du gaz pousse le piston chaud au fond de sa course dans le cylindre (ici vers la gauche). Le piston chaud pousse grâce à la bielle le piston froid (bleu) vers le bas. Le gaz froid remonte par le tuyau et concentre le gaz dans la partie chaude.

2. Le gaz chaud est désormais à son volume maximal. L'expansion du gaz ne peut plus se faire vers la gauche (piston chaud en bout de course), et se fait désormais (à droite) vers le cylindre froid (en bleu), dont le cycle est en retard de 90° comparé au cylindre chaud. Le piston chaud (rouge) envoie la plus grande partie du gaz vers le piston froid. Le piston bleu remonte, et par la bielle, pousse le piston rouge vers la droite, contribuant à la circulation du gaz vers le piston bleu. Dans le piston froid (bleu), la température baisse, et le volume du gaz diminue (il se contracte).

3. Presque tout le gaz est désormais dans le piston froid (bleu) et le refroidissement du gaz continue. La pression du gaz est à son minimum. Plus la différence de température entre les pistons est importante, plus les variations de pression sont fortes, et plus le moteur est puissant. Pour maintenir le point froid, le piston bleu est entouré d'un dispositif de dissipation thermique. Le piston froid, alimenté par l'inertie des pistons, commence à redescendre en re-compressant le gaz, et la pression du gaz recommence à augmenter.

4. Poussé par l'inertie des pistons en mouvement, le gaz remonte vers le cylindre chaud où il sera chauffé une fois qui plus est , recommençant le cycle.

Stirling bêta

Un Stirling bêta utilise aussi un volume de gaz délimité entre deux pistons. Ces deux pistons combinent :

• un mouvement relatif lors du changement de volume du gaz ;
• un mouvement commun qui déplace ce volume de la partie chaude vers la partie froide, et vice-versa.

Les volumes localisés de l'autre côté des pistons ne sont pas fonctionnels. Sur l'illustration du haut de page, on aperçoit d'ailleurs l'orifice de communication de l'un de ces volumes avec l'extérieur. Les pistons sont par conséquent l'ensemble des deux étanches. Le principe du moteur beta s'approche en réalité de celui du moteur gamma, à la différence que les deux zones chaude et froide sont localisées dans le même cylindre. Les avantages sont la compacité et l'absence de perte aérodynamique ; les inconvénients sont la perte thermique par conduction, et aussi l'impossibilité d'utiliser un régénérateur.

Il existe des moteurs Stirling à pistons coaxiaux, qualifiés aussi de moteur Beta, dont l'un des deux pistons n'est pas étanche : il joue alors le rôle de déplaceur, et le volume localisé au-dessus du déplaceur est fonctionnel. Ces moteurs s'apparentent par conséquent aux moteurs Gamma décrits ci-après, mais sans volume mort.

Stirling gamma

Un Stirling gamma est un moteur stirling pourvu d'un piston de puissance et d'un piston jouant à lui seul le rôle de déplaceur. Seul le piston moteur dispose d'un dispositif d'étanchéité.

Le déplaceur occupe successivement la zone chaude et la zone froide, chassant à chaque fois le gaz vers la zone opposée. Les variations de température que le gaz subit alors génèrent des variations de pression qui mettent en mouvement le piston moteur.

Le volume balayé par le déplaceur ne pouvant obligatoirement pas être balayé par le piston de puissance, il forme un volume mort. Pour cette raison, le moteur Gamma ne peut pas atteindre des rapports de compression élevés, ce qui limite les possibilités de rendement. Par contre, sa simplicité mécanique en fait un dispositif beaucoup utilisé, aussi sur les moteurs à plusieurs cylindres.

Certains moteurs Gamma ont un déplaceur étanche : le gaz emprunte par conséquent un circuit externe pour passer d'une zone à l'autre ; il est alors envisageable de placer un régénérateur sur ce circuit extérieur, augmentant le rendement.

Notes

1. ↑ Il existe un autre moteur à air chaud
2. ↑ [1]
3. ↑ [2]
4. ↑ (en) [3]
5. ↑ http ://www. sesusa. org/DrIz/isothermal/Schmidt. html
6. ↑ http ://www. moteurstirling. com/histoire. php
7. ↑ (en) Ventilateur Stirling de MSI

Bibliographie sur Wikipédia

• (fr) Bibliographie

Liens externes

• Animation d'un moteur Stirling Alpha
• (fr) Suivi en temps-réel de la Parabole-Stirling d'Odeillo (laboratoire PROMES-CNRS) et explications
• (en) Record de conversion d'énergie solaire en 2008 par Stirling Energy Systems