Moteur Stirling - Définition

Utilisation

Le moteur Stirling a des applications de niches, dans des situations 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 systèmes de guidage militaire infrarouge.

• Utilisé comme générateur d'électricité en Islande, au Japon et dans les milieux extrêmes tels que les déserts australiens et arctiques par de nombreuses missions scientifiques et militaires.

• Il est utilisé par les marines suédoises, australiennes et bientôt les sous-marins d'attaque américains en tant qu'ensemble propulseur principal, notamment pour les sous-marins suédois de Classe Gotland, 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, le système de refroidissement du réacteur nucléaire de nombreux sous-marins et porte-avions ainsi que des drones à grande autonomie.

• En raison de sa capacité polycarburant il a été testé avec succès par l'URSS sur quelques prototype de chars lourds dont "l'objet 167" avant d'être abandonné pour des raisons d'ordre politique autant qu'économique, lors du passage à l'économie de marché à la chute du bloc soviétique.

• La Nasa et d'autres agences spatiales l'utilisent pour fournir de l'énergie aux satellites et sondes spatiales en complément aux panneaux solaires qu'il contribue à orienter pour en optimiser le rendement.

• Le constructeur de cartes mères d'ordinateur personnel MSI a présenté début 2008 un système 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.

• La plupart des grands constructeurs de chaudières proposent en 2009 une centrale de micro cogénération utilisant un moteur Stirling. Ce type de 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.

• Nombre d'exemplaires sont utilisés à des fins pédagogiques en classe de physique pour démontrer les principes de la thermodynamique. Certains fonctionnant grâce à la chaleur du soleil concentrée par une parabole à l'instar des modèles utilisés dans certaines centrales solaires produisant de l'électricité, d'autres ne nécessitant que de la chaleur d'une tasse à café ou de celle de la paume d'une main pour fonctionner. et.

Principe, avantages et inconvénients

Principe

Le principe est relativement 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.

Le but 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 endroit chauffé par une certaine source d’énergie : sa température et sa pression augmentent. Ensuite, on permet au gaz dans le piston de se dilater. Le gaz a donc transformé son énergie thermique en énergie mécanique. En fait, un gaz à haute pression qui se dilate permet de fournir beaucoup d’énergie mécanique. Toutefois, le gaz ne peut pas se dilater infiniment : il faut compresser le gaz dans le piston jusqu’à son état initial (pour qu’il puisse se dilater de nouveau plus tard) en utilisant le moins d’énergie possible (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 précédemment fournie, 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 fournit, 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. On nomme ce cycle thermodynamique le cycle de Stirling (bien que ce ne soit pas Stirling qui l’ait décrit).

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 aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.

Cycle de Stirling

Le cycle de Stirling est un cycle thermodynamique que décrivent les moteurs Stirling. Cela inclut le premier moteur Stirling inventé, développé et breveté en 1816 par Robert Stirling et son frère.

Le cycle est réversible ce qui signifie que si un travail mécanique est fourni, il peut fonctionner comme une pompe à chaleur et fournir de la chaleur ou du froid (y compris du froid cryogénique). Le cycle est un cycle fermé régénératif utilisant un fluide gazeux. « Cycle fermé » signifie que le fluide travaillant est en permanence contenu dans la machine thermodynamique. Ceci catégorise également un moteur à combustion externe. « Régénératif » fait référence à la présence d'un échangeur de chaleur interne qui permet d'accroitre le rendement thermique de l'appareil.

Le cycle est le même que la plupart des cycles thermiques et comprend quatre phases ; 1. Compression, 2. Chauffage, 3. Détente, 4. Refroidissement.

Le cycle de Stirling théorique comprend quatre phases (cf. diagramme sur la droite):

• Points 1 à 2, détente isotherme. La zone de détente est chauffée par l'extérieur, ainsi le gaz suit une détente isotherme.
• Points 2 à 3, refroidissement à volume constant (isochore). Le gaz passe dans le régénérateur, se refroidit en lui transférant sa chaleur qui sera utilisée pour le cycle suivant.
• Points 3 à 4, compression isotherme. La zone de compression est refroidie, ainsi le gaz suit une compression isotherme.
• Points 4 à 1, chauffage isochore. Le gaz circule dans le régénérateur et prélève de la chaleur.

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 réduit les contraintes mécaniques.

• Entretien facile : du fait de son absence d'échange de matière avec son environnement et l'absence de réaction chimique interne, ce moteur se détériore moins 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 paraît faible, elle signifie quand même près de 15 % (5/35) d'énergie supplémentaire. Les moteurs électriques, dont le rendement peut certes atteindre 95 %, ne sont pas comparables, car l'électricité est une forme d'énergie difficile à stocker et 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 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)

• Pollution potentiellement plus faible. La chaleur venant de l'extérieur il est possible, grâce aux énergies non fossiles, de la fournir 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 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, au niveau 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. L'un des arguments prétexté à son encontre est le manque de réactivité : la variation de régime de ce moteur est très difficile à réaliser, car elle ne peut théoriquement se faire qu'en agissant sur le taux de compression du fluide de travail. Mais celui ci peut se corriger suivant les applications, à l'aide de procédés tels qu'une boîte de vitesses dans le cas de l'entraînement d'un arbre de transmission vers des roues, ou de changement de pas dans celui de l'entraînement d'une hélice. C'est pourquoi le moteur Stirling est considéré à tort comme ayant une très mauvaise aptitude à produire une puissance et un couple variable, inconvénient considéré comme très important pour la propulsion automobile, notamment, alors que c'est justement cette application qui a fait la fortune du moteur à combustion interne. Cet 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. Sur un bateau ou un avion à hélice à pas variable, ceci n'est cependant pas un inconvénient.

• N'ayant aujourd'hui que peu d'applications en grande série (voir générateurs Whispergen), 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 termes de recherche et développement, ce qui ne lui permet pas de combler son retard (en supposant cela possible). Prochainement^[évasif], cette situation pourrait évoluer favorablement avec le développement des recherches sur la production d'énergie et particulièrement sur celles concernant les énergies renouvelables.