Le moteur Stirling

Le moteur Stirling est un moteur à énergie externe. Le fluide principal est un gaz soumis à un cycle comprenant quatre 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 ce nom a vite été abandonné car il existe un autre moteur à air chaud.

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

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 inversible 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 gauche) : 

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 vibrations 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. 

En plus de la pollution sonore réduite, l'absence d’échange de gaz avec le milieu extérieur le rend utile dans les milieux pollués, ou les milieux où il ne faut pas amener de matière étrangère. 

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 %, tandis que le rendement d'un moteur à explosion pour usage automobile peut atteindre 35 % pour l'essence et 42% pour le diesel. Les moteurs électriques, dont le rendement peut certes atteindre 99 %, ne sont pas comparables, car l'électricité est une forme d'énergie dont la qualité n'est pas comparable à celles thermiques et/ou chimiques utilisées pour les moteurs Stirling ou à explosion (voir la notion d'exergie). Par ailleurs, l'électricité est difficile à stocker et à transporter avec un rendement proche de 100 %, ce qui est une limite forte pour certaines applications. On peut également discuter du niveau de comparabilité des sources d'énergies utilisées entre moteur Stirling et moteur à explosion, et surtout des écarts de température entre source froide et source chaude pour lesquels sont annoncés les pics de rendement, relativement au pic de rendement de Carnot. 

Inversible. Le cycle de Stirling est inversible : un moteur Stirling entraîné par un autre moteur devient une pompe à chaleur capable de refroidir à −200 °C ou de chauffer à plus de 700 °C, selon le sens d'entraînement. Ceci, sans employer de gaz spéciaux avec des propriétés leur étant spécifiques, et 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 dans lesquels la combustion est imparfaite. 

Inconvénients L'étanchéité des pistons doit être plus importante que dans un moteur à combustion interne mais est plus difficile à réaliser à cause des très fortes variations de température et de la nécessité d'utiliser un gaz le moins visqueux possible, afin de minimiser les pertes par frottement (en particulier dans le régénérateur). L'utilisation d'un gaz très faiblement visqueux, par exemple l'hydrogène, pose souvent des problèmes d'étanchéité. 

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.) 

Prix élevé : n'ayant aujourd'hui que peu d'applications 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 matière de recherche et développement, ce qui ne lui permet pas de combler son retard (en supposant cela possible). Cette situation pourrait évoluer favorablement avec le développement des recherches sur la production d'énergie et particulièrement sur celles concernant les énergies renouvelables.

comment construire un moteur stirling