Moteur Stirling

Le Moteur Stirling est un moteur à combustion externe, peu connu du grand public, mais une référence pour les spécialistes, ce moteur a de nombreux avantages. Il fut créé au temps de la domination des machines à vapeur. On l’appelait au début « moteur à air chaud ».

Petit moteur Stirling

Robert Stirling vécu au dix-neuvième siècle, sa curiosité naturelle et son pragmatisme le poussèrent à inventer « le moteur à air chaud ». Le brevet fut déposé le 27 septembre 1816 et fut effectif le 20 janvier 1817.

A cette époque, il arrivait fréquemment que des chaudières à vapeur explosent et fassent des victimes. Les problèmes de conception, la qualité encore médiocre des matériaux, une quasi-absence de règles d’utilisation et de maintenance sont à l’origine de ces sinistres. Ceci a probablement motivé Robert Stirling à imaginer un moteur sans chaudière soumise à de trop fortes pressions.

Principe

Cycle 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 :

1. détente isotherme (à température constante)
2. refroidissement isochore  (à volume constant)
3. compression isotherme (à température constante)
4. chauffage isochore (à volume constant)

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 quand 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. De plus, 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.