Moteur Stirling - Définition

Introduction

Modèle de moteur de type alpha La source chaude est du côté rouge, la source froide est du côté bleu. Elle est entourée d'un système dissipant la chaleur (dissipateur thermique). On trouve souvent en plus sur le tuyau reliant les cylindres un récupérateur.

Coupe d'un moteur Stirling de type bêta
Source chaude côté rose, source froide côté gris, piston de déplacement en vert, piston moteur en bleu.

Le moteur Stirling est un moteur à énergie externe. Le fluide principal est un gaz soumis à un cycle comprenant 4 phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore puis compression isotherme. On l'appelait au début moteur à air chaud, mais il existe un autre moteur à air chaud.

Robert Stirling a inventé en 1816 le moteur à air chaud mais, pour améliorer son efficacité, il l'a muni d'une modification suffisamment importante pour lui donner un réel développement : un régénérateur entre les deux pistons qui a très considérablement amélioré sa performance.

Peu connu du grand public, mais une référence pour les spécialistes, ce moteur a de nombreux avantages. Il fut répandu au temps de la domination des machines à vapeur qui présentaient parfois le grave défaut d'exploser et de faire des victimes.

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

Histoire

Au début du XIX^e siècle, les chaudières à vapeur explosaient assez souvent. Pour répondre à ce problème, Robert Stirling imagina un moteur sans chaudière soumise à de trop fortes pressions. La chaleur est apportée de l’extérieur de la machine, ce qui réduit les risques d’explosions, car il est inutile de faire chauffer l’eau dans une chaudière à haute pression, puisque chauffer l’air ambiant par combustion suffit pour alimenter ce moteur en énergie. C'est ainsi que Stirling déposa son brevet le 27 septembre 1816. Également, la mise en place d’un régénérateur dans la tuyauterie du moteur a permis d’éviter trop de pertes d’énergie, améliorant son rendement. En 1843, son frère James « industrialisa » ce moteur, pour une utilisation dans l'usine où il était ingénieur. Toutefois, en raison de différents bris et d’une puissance trop faible par rapport à la machine à vapeur et, plus tard, au moteur à combustion interne, le moteur à air chaud de Stirling n’obtint pas le succès escompté. Le moteur Stirling ne fut alors plus qu’un objet d’étude pour les physiciens, qui comprendront le fonctionnement du moteur Stirling, bien après son invention, avec l’avènement de la thermodynamique.

En 1871, les progrès de la thermodynamique accomplis au XIX^e siècle permettent à Gustav Schmidt de décrire mathématiquement le cycle de Stirling. Il faut toutefois attendre les recherches de la compagnie néerlandaise Philips, dans les années 1930, pour que le moteur Stirling soit de nouveau étudié sérieusement et que son application dans toutes sortes de technologies soit testée : en 1938, un moteur Stirling de plus de 200 chevaux, avec un rendement supérieur à 30 % (comparable aux moteurs à essence actuels), y est créé. Cependant, cette technologie n’a des applications qu’en cryogénie. Ce n’est que dans les dernières décennies que les développements du moteur ont commencé à être intéressants pour l’industrie, à cause du besoin sociétal croissant pour les sources d’énergie alternatives. Effectivement, ce n’est pas parce que Robert Stirling utilisait la combustion pour alimenter son moteur en énergie thermique qu’il n’est pas possible d’utiliser d’autres sources d’énergie : énergie solaire, énergie géothermique, énergie nucléaire, chaleur rejetée par les usines, etc. Dans une perspective écologique, c’est extrêmement intéressant, d’autant plus que le régénérateur, parce qu’il préchauffe et prérefroidit le gaz, permet littéralement de recycler de l’énergie. Ainsi, les avancées en sciences des matériaux permettent maintenant d’utiliser des matériaux qui supportent des écarts de température très importants et des composites qui améliorent le transfert de chaleur au sein du régénérateur. La situation est telle que les moteurs Stirling sont couplés avec des paraboles solaires géantes et utilisent l’énergie solaire avec un rendement supérieur aux cellules photovoltaïques, à un prix toutefois élevé. Il a d'ailleurs battu, en 2008, le record de conversion de l'énergie solaire, avec un taux de conversion de 31,25 %, grâce à l'utilisation de miroirs paraboliques comme concentrateurs solaires .

Aujourd'hui, le moteur Stirling fait l'objet de nombreuses expérimentations autant par les amateurs que par des entreprises spécialisées en énergie ou par la NASA.