Moteur Stirling - Définition

coupe d'un moteur Stirling "beta"
source chaude coté rose, source froide coté gris, piston de déplacement en vert, piston moteur en bleu.

Le Moteur Stirling est un moteur à combustion externe, le fluide principal est un gaz à une modeste pression et est soumis à 4 cycles : chauffage, détente, refroidissement puis compression. On l'appelait au début moteur à air chaud ^[1].

Robert Stirling n'a pas inventé le moteur Stirling, mais il l'a muni en 1816 d'une amélioration suffisamment importante pour lui donner une réelle extension : un récupérateur entre les deux pistons.

Peu connu du grand public, mais une référence des spécialistes, ce moteur a de nombreux avantages. Il fut très répandu au temps de la domination des machines à vapeur.

Actuellement, on sait cependant construire des machines à air chaud ou moteurs Stirling dont le rendement dépasse de très loin celui des moteurs à explosion.

Principe, avantages et inconvénients

Principe

Le principe est relativement simple : le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium) à une modeste pression et est soumis à un cycle de Carnot à 4 temps, séparé par deux phases de déplacement : chauffage, détente, déplacement vers la source froide, refroidissement, compression, retour vers la source chaude.

• Alimentation : La source chaude du moteur peut être alimentée par une source quelconque : combustion externe de dérivés du pétrole, le gaz naturel, le charbon, le bois, etc. mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.

avantages

• Produisant peu de vibration grace 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 réduit 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 environ 35% pour les moteurs à explosion : si la différence de 5 points parait faible, elle signifie quand même près de 15% (5/35) d'économie d'énergie. Les moteurs électriques, dont le rendement peut certes atteindre 95%, ne sont pas comparables, car l'électricité est une forme d'énergie elle-même difficile à stocker et à produire avec un bon rendement, ce qui est une limite forte pour certaines applications.
• Réversible. Le cycle de Carnot est réversible, le moteur Stirling l'est aussi : entraîné par un autre moteur, il 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 usuelles, destructeur de la couche d'ozone). En pratique, d'ailleurs, c'est la fonction de pompe à chaleur efficace qui permet à 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.

inconvénients

• L'étanchéité du ou des pistons est difficile à réaliser. Les très fortes variations de température et la nécessité d'utiliser un gaz le plus léger possible compliquent ce problème.

• Conception délicate. Alors que les moteurs à combustion interne produisent la chaleur directement au sein du fluide, très vite et de façon très homogène, un système stirling repose sur des transferts thermiques entre le gaz et les échangeurs (les deux sources, le récupérateur), alors que les gaz sont des isolants thermiques où les échanges sont très lents. De plus, il faut minimiser le volume "mort" (contenant du fluide qui n'accomplit pas le cycle et donc ne contribue pas au rendement). Tout cela pose des problèmes de dynamique des fluides, problèmes difficiles 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.).

• Difficile à commander. La variation de régime de ce moteur est très difficile 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, notamment), alors que c'est justement cette application qui a fait la fortune du moteur à combustion interne. Cette inconvénient pourrait se réduire dans le cas d'un "système hybride" (le moteur marche alors à régime constant, la modulation de puissance étant prise en charge par le système électrique), mais ils sont encore rares.

• N'ayant pas aujourd'hui d'application en grande série, contrairement au moteur à combustion interne, il est bien plus cher ; de plus, pour la même raison, les industriels ne lui accordent pas le même intérêt en terme de recherche et développement, ce qui ne lui permet pas de combler son retard (en supposant cela possible).

Utilisation

Le moteur stirling a des application de niches, dans des situation où le coût initial du système n'est pas un inconvénient grave par rapport 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 système de guidage militaire infrarouge.

• Il a été utilisé pour une classe de sous-marins suédois, non seulement en raison de son silence, propriété cruciale pour les sous-marins, mais aussi pour la beaucoup plus faible production de gaz imbrûlés nécessaire 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 égale à celle du milieu ambiant, nécessitant (et donc 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 fournir 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 a toujours fait préférer.

Les trois types de moteur Stirling

• Un Stirling alpha contient deux pistons de puissance séparés, un piston " chaud ", et un piston " froid ". Le piston chaud est situé près de l'échangeur à la plus haute température, et le piston froid, est situé près du point d'échange de température la plus basse. Ce type de moteur a un ratio puissance-volume très élevé, mais a des problèmes techniques, liés (fréquemment) aux températures trop élevées du piston chaud pour ses joints.

• Un Stirling bêta a un simple piston de puissance placé coaxialement avec un piston de " déplacement ". Le piston de déplacement sert uniquement à propulser le gaz de l'échangeur de température chaud, vers l'échangeur de température froid. Sur un cycle complet, ce piston ne consomme pas d'énergie. Ce moteur ne requiert pas de " joint " mobile dans la partie chaude du moteur, et peut atteindre des rendements élevés de compression, grâce aux pistons qui sont capables de se chevaucher pendant leur déplacement. Il est à noter que des petits moteurs stirling ont été développés sans piston.

• Un Stirling gamma est un Stirling bêta, sur lequel le piston de puissance, n'est pas monté coaxialement avec le piston de déplacement. Cette configuration produit un rapport de compression plus faible, mais est généralement plus simple mécaniquement, et est souvent utilisé dans les moteurs Stirling à plusieurs cylindres.

Histoire

• Souvent les chaudières à vapeur explosaient, Robert Stirling imagina un moteur sans chaudière soumise à de trop fortes pressions.
• Stirling déposa son brevet le 27 septembre 1816.
• En 1843, son frère James "industrialisa" ce moteur, pour une utilisation dans l'usine où il était ingénieur.
• 1938, la société Philips investit dans un "moteur Stirling", un moteur de plus de 200 chevaux, avec un rendement supérieur à 30%.

Notes