Moteur Stirling

Histoire du moteur Stirling

Le moteur Stirling fut inventé en 1816 par Robert Stirling qui était un pasteur écossais qui possédait de solides connaissances en mécanique et en métallurgie. Cette solution est donc plus ancienne que le moteur à explosion dont l’invention date de 1856. A cette époque c’était l’âge d’or des moteurs à vapeur. Cependant, à la fin du 19ème siècle, les moteurs Stirling arrivaient à tirer leur épingle du jeu car ils ne présentaient pas de risque d’explosion comme c’était malheureusement très souvent le cas avec les chaudières des moteurs à vapeur. Par la suite, cette technologie est peu à peu tombée dans l’oubli jusqu’à ce que la société Philips se lance très sérieusement dans son amélioration durant les années 1930. Malgré un potentiel extraordinaire et un rendement supérieur à celui du moteur à explosion, le moteur Stirling reste jusqu’à nos jours cantonné à des applications industrielles, spatiales et militaires. Ce qui laisse à penser que rien n’a vraiment été entrepris pour qu’il se démocratise.

Moteur Stirling vintage

Le moteur Stirling est également appelé moteur à air chaud.

Fonctionnement schématique

Les moteurs Stirling fonctionnent par différence de température. Il y a donc un point chaud et un point froid qui permettent de produire une force mécanique. Dans les grandes lignes, on utilise un gaz de travail qui pour la majorité des cas est soit de l’air, de l’hélium ou de l’hydrogène. Sous l’effet de la chaleur ce gaz va se dilater et ensuite se contracter à nouveau lorsqu’il atteint une zone plus froide. C’est uniquement ce simple principe physique qui permet de créer le mouvement continu tant que le delta T requis est maintenu.

Schéma du cycle d'un moteur Stirling

Une fonction injustement méconnue de certains types de moteurs Stirling est leur capacité à se transformer en pompe à chaleur très efficace. A ce moment là, si on utilise par exemple un moteur électrique pour faire tourner le Stirling dans un sens on produit de la chaleur jusqu’à plus de 700 degrés. Et si on inverse le sens de rotation, on peut produire du froid jusqu’à – 200 degrés en fonction de l’optimisation.

Moteur Stirling pour faire du froid

Lorsque la chaleur est apportée au moteur Stirling par un combustible, on parle de moteur à combustion externe. Par opposition au moteur à explosion qui est à combustion interne. Outre cet aspect, un des grands intérêts du moteur Stirling c’est que l’on peut potentiellement l’utiliser avec toutes les énergies. Tant que l’on lui apporte de la chaleur, il tourne. C’est pour cela que l’on trouve aussi bien des modèles qui fonctionnent à l’énergie solaire qu’au gaz. Pour l’anecdote, avant la chute de l’union soviétique, la Russie travaillait activement sur un char d’assaut équipé d’un moteur Stirling dans l’idée qu’il puisse se ravitailler avec divers carburants. Ce qui aurait procuré un certain avantage sur le terrain. Hélas, ce projet n’a pas pu atteindre son terme faute de financement à la suite de effondrement de l’URSS.

Différents types de moteur Stirling

Comme vous pourrez le découvrir tout au long de cette formation, il existe différents types de moteur Stirling. Les plus communs sont les modèles Alpha, Beta et Gamma. Chacun de ces types possède ses propres spécificités. Par exemple le niveau de delta T pour fonctionner, la différence de couple ou la réversibilité. A coté de ça, il existe des configurations plus exotiques telles que les Stirling à piston liquide ou en mode turbine. Nous aborderons également quelques unes de ces options techniques, ainsi que la possibilité d’utiliser plusieurs moteurs en parallèle ou en série.

Les différents types de moteur Stirling

Les avantages des moteurs Stirling

Par rapport à un moteur à explosion, le gros avantage d’un moteur Stirling c’est d’être vraiment peu bruyant. Il y a également beaucoup moins de vibrations et pas besoin de soupapes, ce qui renforce grandement la fiabilité. Dans le cas de l’utilisation d’un combustible, ce dernier sera brulé à l’air libre ce qui permet une combustion totale avec un bon réglage du bruleur. A ce propos, il est important de souligner encore une fois que dans ce cas le moteur sera forcément poly-combustibles. Peu importe que sa chaleur soit apportée par du gaz ou du bois. Et par extension, le Stirling tournera de la même façon si la chaleur est apportée par de l’énergie solaire thermique ou par de l’électricité… Donc peu importe la source de chaleur et de froid, tant que l’écart de température est compatible avec les caractéristiques du moteur l’énergie mécanique qui est produite reste la même. Et pour finir, il faut aussi parler du rendement qui est excellent. A préciser sur ce point que le rendement final dépend de nombreux facteurs, il n’est donc pas possible de généraliser. Mais disons que pour un moteur bien manufacturé, un rendement de 40% est facilement atteignable. Ce qui est largement mieux qu’un moteur à explosion.

Moteur stirling fabriqué maison

Applications du moteur Stirling

Le gros point faible du moteur Stirling c’est son manque de réactivité par rapport à un moteur à explosion. C’est pour cette raison qu’il n’a jamais vraiment trouvé sa place sous le capot des voitures malgré un bien meilleur rendement que les moteurs gasoil ou essence. A mon humble avis, cette contrainte aurait pu être contournée si l’industrie automobile s’était vraiment penchée sur le problème. Mais il faut bien dire que pendant le 20ème siècle, presque tout le monde se foutait de la performance énergétique. Le carburant n’était pas cher, on pensait les ressources infinies… Et pour ne rien arranger, le moteur à explosion était incontestablement meilleur marché dans le cadre de sa fabrication. Mais avec l’avènement de la motorisation électrique, il n’est pas impossible que les moteurs Stirling se posent comme une très belle alternative pour recharger les batteries en mode hybride ou bien en mode rechargement à l’arrêt. L’avenir nous le dira. A noter au passage que la réponse lente à l’accélération ne pose pas spécialement de problème dans le domaine de la propulsion de bateau. Il en est de même pour les avions car leur moteur tourne quasiment toujours à pleine puissance. Malheureusement, une fois de plus, il n’y a pas beaucoup d’industriels pour se pencher sur le sujet.

Moteur Stirling pour voiture

Maintenant on va parler du gros point fort. En usage stationnaire, les moteurs Stirling font littéralement des merveilles. C’est donc une excellente solution pour remplacer un groupe électrogène ou pour produire de l’électricité par cogénération. Concrètement, on peut facilement imaginer une chaudière bois ou gaz qui produirait à la fois du chauffage et de l’électricité pour la maison. C’est d’ailleurs une solution qui a déjà été mise sur le marché par quelques petites sociétés. Malheureusement, les couts d’échelle font que le prix d’achat est bien trop élevé pour que cet astucieux système puisse enfin devenir aussi banal que des panneaux solaires. A coté de cela, on peut citer aussi la technologie DISH Stirling qui est utilisée pour produire du courant en concentrant la chaleur du soleil sur le point chaud du moteur. Il y a déjà plusieurs centrales en fonctionnement dans le monde. Dont la plus ancienne est située dans le désert de l’Arizona. Elle comprend plusieurs couples Stirling + parabole qui peuvent produire jusqu’à 25 KWh chacun avec un simple refroidissement à l’air ambiant. Au final, le rendement est nettement supérieur à celui du photovoltaïque actuel. Sans parler qu’il y a également possibilité de produire aussi la nuit en stockant la chaleur comme on le fait pour les centrales solaires thermiques à concentration.

Moteur Stirling solaire

En conclusion

Actuellement on peut trouver des moteurs Stirling dans des satellites, dans des sondes spatiales, dans des sous-marins,  en production d’électricité à grande échelle, en production de froid pour l’industrie de pointe… Bref, autant de domaines ou la fiabilité et les bonnes performances sont des critères de premier plan. En revanche, concernant l’autonomie des particuliers autant dire qu’il n’y a quasiment rien. C’est pour cette raison que l’on va vraiment se pencher sur le sujet pour changer la donne.

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