Stirling, ce moteur mystérieux

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Le cycle de Stirling

Le diagramme de Stirling (voir illustration 1)

Illustration 1 - Le diagramme de Stirling permet de bien se représenter le travail du moteur. TC représente le déplaceur et TF le cylindre froid, le calage du déplaceur avec le moteur est de 90°.
Illustration 1 - Le diagramme de Stirling permet de bien se représenter le travail du moteur. TC représente le déplaceur et TF le cylindre froid, le calage du déplaceur avec le moteur est de 90°.
(Image : MSM)

est le cycle thermodynamique que décrivent les moteurs Stirling. Dans le principe du moteur Stirling, le calage du déplaceur avec le moteur est de 90°, théoriquement pour un rendement optimum, le déplaceur et le moteur doivent marquer un temps d'arrêt en fin de course. Avec les déplacements bielles-manivelles, on obtient un mouvement en sinusoïdale qui s'éloigne de l'idéal théorique. Mais certains systèmes actuels comme le Ringbom ou le piston libre se rapproche de l'idéal théorique.

Les principaux types de moteurs Stirling existants.
Les principaux types de moteurs Stirling existants.
(Image : Rudy Mémin)

Dans la pratique il existe plusieurs type de configurations pour un moteur à air chaud, le type Alpha (illustration 3-A) où le cylindre chaud et cylindre froid ont des volumes égaux (illustration 1), le type Bêta ou Gamma (B) avec un montage coaxial, le type gamma (C) avec 2 cylindres séparés de volume inégaux, le type Franchot (D), dérivé de l'Alpha mais à double action et le type Siemens (E) à quatre cylindres et doubles actions. Il existe encore des moteurs à pistons libres (F) qui fonctionnent avec un ressort ou la compression d'un gaz, ces moteurs démarrent tout seul et sont utilisé avec un alternateur linéaire, pour produire du froid ou comme pompe. Il y a encore le type pendule (G), inventé en 1978 par Horace Rainbow et le type Ringbom (H) de 1907 où le déplaceur est libre. Le type Martini (I) comporte un déplaceur entrainé par un moteur annexe, électrique en général. La dernière catégorie est la plus étrange, se sont des moteurs sans pièces mécaniques mobiles, il y a le type fluidyne (J), inventé par West en 1970 où le déplaceur et le moteur sont liquides, il démarre seul , il est utilisé comme pompe. Le système Thermoacoustique (K), invention récente, permet un fonctionnement sans aucunes pièces mécaniques ni liquide, que du gaz, il est utilisé comme pompe à chaleur. Il existe encore un type de moteur, c'est le type rotatif à l'instar des moteurs à explosion de type Wenkel.

En détail

Illustration 2 - Le cycle d'un moteur à air chaud, la partie rouge c'est le cylindre chaud, la bleue le cylindre froid et la lettre R réprensente le régénérateur.
Illustration 2 - Le cycle d'un moteur à air chaud, la partie rouge c'est le cylindre chaud, la bleue le cylindre froid et la lettre R réprensente le régénérateur.
(Image : MSM)

L'illustration 2 montre en détail le fonctionnement d'un moteur à air chaud de type alpha, où les 2 cylindres sont séparés physiquement, ne pas oublier que le calage est de 90° entre le déplaceur et le cylindre moteur. Phase 1 : Le gaz est chauffé au niveau du cylindre chaud, il commence à se dilater et pousse le déplaceur en arrière (vers la gauche). Phase 2 : Le gaz a atteint son volume maximal, le gaz passe du cylindre chaud au cylindre froid, la partie chaude voit sa température baissée. Phase 3 : La presque totalité du gaz est maintenant dans le cylindre froid et sa température descend encore, la pression du gaz a atteint son minima, le piston moteur (froid) redescend. Phase 4 : Le volume du gaz a maintenant atteint sa valeur minimale, le gaz est chauffé, il se dilate, repousse le déplaceur et le cycle recommence. Dans le cas d'un moteur de type Bêta où le cylindre est unique est les pistons coaxiaux, le déplaceur fait aussi office de régénérateur, il est monté avec du jeu pour permettre le passage du gaz de la partie chaude à la partie froide. Seul le piston moteur est monté de manière étanche dans le cylindre.

Les limitations des moteurs à air chaud

Bien que plein de qualités, les moteur Stirling souffrent de quelques limitations, ils ne peuvent pas démarrer leur cycle tout seul, à l'instar des moteurs à explosions ils nécessitent une impulsion au démarrage. En général ils sont simplement lancés à la main en donnant une petite impulsion au volant d'inertie ou avec un moteur électrique, un système pneumatique ou hydraulique en fonction de leur taille et de leur puissance. Cela n'est pas valable pour les moteurs de type fluidyne ou à pistons libres qui démarre seul. La principale limitation de ces magnifiques engins est la latence au démarrage, en effet il faut que le cylindre chaud atteigne une certaine température avant de pouvoir fonctionner. Ensuite comme expliqué ci-dessus il doivent être démarrés avec une légère impulsion, ce qui n'est que peu limitatif comme contrainte. La dernière limitation est assez similaire au moteur diesel, ils fonctionnent avec le meilleur rendement en régime établi, ils ne peuvent pas être sollicités comme un moteur à essence ou un moteur électrique avec des montées et des descentes en régime qui alternent sans cesse.

Les avantages du moteur Stirling

Son silence de fonctionnement, pas d'explosion, très peu de bruit généré par les éléments en mouvement, pas de cames ni de soupapes, pas d’échappement d'air et très peu, voir une absence totale (selon la configuration) de vibrations. Une combustion externe qui permet de brûler presque entièrement voir totalement le combustible, pas d’imbrûlés. La possibilité d'utiliser tous les matériaux combustibles possibles et imaginables, mais aussi de l'énergie solaire thermique, de récupérer de l'énergie thermique perdue et même de travailler avec des éléments radioactifs comme source de chaleur. Mis à part la combustion du matériau de chauffe ce moteur fonctionne en cycle fermé, ne génère en tant que tel aucun gaz à effet de serre ni de particules fines. Utilisé avec un système de chauffe au gaz naturel son impact environnemental est très faible, avec du solaire thermique il devient même nul.

Mais une de ses plus grande qualité est sont rendement, de l'ordre de 40 à presque 45% suivant la technologie utilisée et le gaz (gaz interne du moteur) choisi. Bien mis en œuvre (risque d'explosion)l'utilisation de l'hydrogène permet grâce à sa très bonne conductibilité thermique de très bon rendements. Si la différence avec un moteur à explosion moderne n'est que de 5 points environ (35% pour les meilleurs moteurs à explosion), l'énergie supplémentaire est elle de 15% ce qui est déjà très important. Et encore si Philips n'avait pas dès 1938 investi massivement dans le développement de cette technologie, les moteurs Stirling auraient des performances bien inférieures aux moteurs à explosion. Le rendement fut amélioré de 150% par Philips et aujourd'hui encore, toutes les sociétés qui se lancent dans le Stirling arrivent encore à grappiller quelques point de rendement ici et là. Celà vient surtout du fait que les études sérieuses sur la nature et les dimensions des régénérateurs ne sont pas suffisantes. Chaques améliorations à ce niveau augmentent encore le rendement de la machine et l'outil informatique permet aujourd'hui des simulations encore impossibles hier, l'avenir nous réservera surement des surprise dans le domaine des moteurs à air chaud.

Applications civiles et militaires

Les militaires ne recherchent pas le rendement économique ni des parts de marchés mais l'efficacité, la performance ou encore la fiabilité. Ils ont très vite compris l’intérêt de ces drôles de machines. Les moteurs Stirling sont utilisé pour faire du froid, c'est ce qu'ils font le mieux, ils sont utilisés pour refroidir des systèmes embarqués. Mais on les retrouvent aussi comme générateur couplé à un alternateur pour produire de l'énergie électrique qui servira à la propulsion de sous-marins d'attaque. L'Allemagne et le Japon se virent interdire de construire des machines à propulsion nucléaire et la Suède qui ne voulait pas se lancer dans un couteux programme, ont choisi la configuration Stirling-électrique.

Moteur Stirling Kockmus utilisé comme générateur pour les sous-marins, son silence de fonctionnement est un atout pour ce type d'applications. Le constructeur suédois SAAB l'utilise sur ses sous-marins.
Moteur Stirling Kockmus utilisé comme générateur pour les sous-marins, son silence de fonctionnement est un atout pour ce type d'applications. Le constructeur suédois SAAB l'utilise sur ses sous-marins.
(Image : SAAB)

La France a essayé avec succès le moteur à air chaud sur son sous-marin d'exploration Saga lancé en 1987, il pouvait plonger à 600 m avec une autonomie de 2 semaines ! Siemens développa une torpille marine à 4 cylindres double action et avec un système « swash plate » de transformation du mouvement alternatif linéaire en mouvement rotatif continu à même de faire tourner l'hélice. Ils équipent aussi certaines classe de frégate américaine, servent au refroidissement des réacteurs nucléaires de sous-marins et portes-avions mais servent aussi à la propulsion de drones à grand rayon d'action. Les soviétiques ont même équipé des chars d'assaut avec des moteurs Stirling.

Le domaine civil fait appel bien plus souvent que l'on pourrait le penser au moteur Stirling. Stations de productions d' électricité en milieux hostiles, dans les déserts australiens ou encore pour des missions en arctique. Le Japon et l'Islande les utilisent pour produire de l’énergie électrique. Son utilisation spatiale est très intéressante, la Nasa travaille dessus depuis pas mal d'année déjà. Les panneaux solaires ne sont viables que lorsqu'il y a de la lumière en quantité et encore leur rendement est vraiment faible. Plus l'on s'éloigne de la Terre en direction opposée du soleil, plus il faut trouver d'autre moyens de produire son énergie. La pile atomique à ses limitations et reste dangereuse en cas d'accident au décollage mais aussi en cas de retour sur terre lors d'une mission habitée par exemple. Il faudrait larguer la pile avent la rentrée dans l'atmosphère, mais pas trop près de la terre non plus. Cette solution n'est viable que pour les missions automatique lointaine comme les sondes Voyager 1 et 2 par exemple. Les turbines à vapeur organiques seraient parfaites si elles ne généraient pas d'effet gyroscopique, le moteur à air chaud lui ne vibre pas et n'induit aucune perturbation dans le fonctionnement de la sonde.

Mais c'est surtout à Philips

En 1970 les transports publiques suédois ont exploité des bus électriques avec un générateur Stirling. Projet développé entre Philips et DAF.
En 1970 les transports publiques suédois ont exploité des bus électriques avec un générateur Stirling. Projet développé entre Philips et DAF.
(Image : MSM)

que nous devons toutes les applications civiles les plus intéressante. Autobus, tondeuses à gazon, voitures, bateaux et bien d'autres encore, il est malheureusement difficile de trouver des informations détaillées à ce sujet, peu de publications récentes, il faudrait se plonger dans les archives du fabricant. Opel proposa en 1970 une Kadett hybride Stirling, une hybride bien avant l'avènement de cette technologie au début du 21e et sa démocratisation au cour de la décennie suivante. On le retrouve encore là où on ne s'y attendrait pas comme dans des cœurs artificiels. De grands groupes comme Siemens, General Electric, SAAB, USAB (United Stirling AB), ont utilisé et grandement amélioré le principe de fonctionnement du moteur Stirling. Les dernières innovations en sciences des matériaux et simulation thermodynamique permettront encore biens des avancées dans le développement de moteur à air chaud toujours plus performants.

Actualités et environnement

Sans revenir sur l'utilisation militaire des moteurs Stirling, c'est dans le domaine énergétique et le développement durable qu'il retrouve un second souffle. Il est désormais accessible au public pour produire de l'électricité à bas coût, le système de micro-cogénaration de la société allemande Sunmachine GmbH (www.strom-prinz.de) avec une chaudière à pellets de 3 kg produit un kilowatt heure dès plus bon marché.

La Sunmachine à pellets permet une totale autonomie énergétique en produisant à très faible coût sa propre électricité, système compact, performant et silencieux.
La Sunmachine à pellets permet une totale autonomie énergétique en produisant à très faible coût sa propre électricité, système compact, performant et silencieux.
(Image : MSM)

Une autre société allemande, Stirling-GmbH (www.striling-gmbh.com) propose aussi des système de cogénération très performant. Il semblerait que sur ce secteur du marché l'Allemagne soit en tête. En France il n'existe qu'une société qui a eu le courage de se lancer sur ce marché porteur, il s'agit d'Eosgen-Technologies (www.eosgen-technologies.com ), un site en français à visiter. David Crane, PDG de NRGenergy (www.nrg.com), en collaboration avec Dean Kamen, inventeur du Segway a développé le « Beacon 10 » d'une puissance de 15 kW de la taille d'une machine à laver et fonctionnant au gaz. Dean Kamen à quant à lui développé la Revolt, une petite voiture finlandaise modifiée avec un moteur Stirling qui recharge des batteries, le même concept que ceux de Philips et GM mais plus de 45 ans après. A peine sur la voie de la démocratisation les moteurs à air chaud font leur retour timide certes, mais certain sur le devant de la scène.

Mais c'est surtout dans le développement durable et plus spécialement dans les pays émergents du sud que leur avenir est tout tracé. La possibilité de les combiner avec de multiples source de chaleurs prend ici tout son sens.

Sunmachine propose aussi un système mobile de production d'électricité avec panneau solaire thermique totalement autonome.
Sunmachine propose aussi un système mobile de production d'électricité avec panneau solaire thermique totalement autonome.
(Image : MSM)

Énergie solaire thermique, chauffage au bois, charbon, essence, huiles minérales et végétales, gaz, bio-masse, déchets divers et variés ( excrément de bétail, résidus de pressage d'oléagineux, gangue et coques de fruits, marc de café, etc.). Ils permettraient d'apporter de l'énergie électrique aux plus démunis, l'accès à la lumière, aux médias, la recharge de piles et de batteries diverses mais aussi la possibilité de faire fonctionner des appareils bien plus gourmands en électricité comme des réfrigérateurs mais aussi des machines pour les artisans. Un dispensaire de brousse alimenté avec un moteur Stirling pourrait conserver ses médicament au frais, climatiser ses locaux, stériliser ses instruments, dématerialiser les dossiers papier de ses patients, communiquer et s'informer avec l'extérieur ou encore utiliser tout le matériel médical moderne qui demande une alimentation électrique. Le moteur à air chaud reste une mystérieuse machine mais plein de promesses pour un avenir proche, très proche.

Vraiment comprendre le moteur Stirling

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