Stirling, ce moteur mystérieux

Rédacteur: Gilles Bordet

>> Notre éditorial du MSM 7 intitulé « Des performances qui dérangent » et qui avait pour sujet le moteur Stirling a suscité beaucoup de réactions de nos lecteurs. Certains n'en n'avaient jamais entendu parler et d'autres désiraient de plus amples renseignements à son sujet. Voilà de quoi combler toutes les interrogations concernant ce mystérieux moteur aux performances surprenantes.

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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)

Comme beaucoup de ses contemporains, Robert Stirling ne semblait pas destiné a une brillante carrière d'inventeur de génie. En effet ce pasteur écossais né à Methvin dans le Perthshire le 25 octobre 1790 avait des origines modestes, son grand-père paternel fabriquait de l'équipement agricole et son grand-père maternel était agriculteur. Cela ne l' empêcha pas de faire de brillantes études. En 1805 à l'âge de 15 ans il rentre à l'université d'Edimbourg et y étudie le latin, le grec, les mathématiques, la physique. Ensuite, il se tourna vers des études de théologie à l'université de Glasgow pour devenir pasteur. 3e d'une fratrie de 8 enfants, son frère James sera un associé de premier ordre pour la phase d'industrialisation de son fameux moteur à air chaud.

Il se maria le 10 juillet 1819 avec Jean Rankin et de cette union naquirent sept enfants : Patrick, William, Robert, James (tous ingénieurs), David (pasteur lui aussi). Quant à ses deux filles, l'une fit profiter ses frères de ses idées (Jane) et l'autre se consacra au métier d'artiste (Agnes).

La vapeur a eu raison de lui

La légende veut que, catastrophé par les accidents récurrents des chaudières à vapeurs décimant ses paroissiens, liés à l'absence de normalisation des matériaux, le pasteur Stirling, mit toute son énergie à améliorer les machines à vapeur, alors indispensables, pour créer le moteur à combustion externe portant depuis son «patronyme». Sa machine utilisait une nouvelle invention de son cru, un régénérateur, qu'il appela économiseur. En 1843, son frère James fit installer le moteur à air chaud inventé par Robert dans l'usine où il travaillait, qui furent plus tard remplacées, à cause de bris, par des machines à vapeur plus performantes.

Dans le contexte d’évolution des techniques métallurgiques du XIXe siècle, combustibles, foyer et chaleur étaient des éléments essentiels car l’acier et le fer ont des températures de fusion élevés. Wilhelm Siemens reprit l’idée de Robert Stirling brevetée en 1816, puis Friedrich Siemens prit un brevet en 1856 pour un appareil de régénération de la chaleur qui permit le réchauffage de l’air soufflé dans les hauts-fourneaux en utilisant les gaz récupérés du gueulard. Contemporain de la machine à vapeur, cette dernière malgré ses risques d'explosions fut préférée au moteur à air chaud pour diverses raisons, la principale étant son énorme couple dès le démarrage. Puis à la fin du 19e siècle l'arrivée du moteur à explosion et du moteur électrique scella définitivement la carrière du moteur Stirling. Il aurait put en être ainsi si Philips, en 1938, n'avait pas ressorti le moteur à air chaud des brumes où il était tombé. De ces travaux naquit un moteur de plus de 200 chevaux, compact avec un rendement exceptionnel pour l'époque de plus de 30% mais par manque de compétitivité il ne perça pas sur un marché déjà dominé par le moteur à explosion et les lobbyistes de l'or noir.

Principe de fonctionnement physique

Le moteur Stirling appelé aussi moteur à air chaud est une machine thermique à combustion ou chauffage externe avec un gaz interne qui transfère les calories en circuit fermé. Ce gaz subit 4 transformations par tour, 2 transformations à volume constant (Isochore) et 2 transformations à température constante (Isotherme). Généralement, les moteur Stirling se composent : d’un cylindre froid, d’un déplaceur chaud, reliées entre eux par un régénérateur, et d’un gaz qui transporte les calories et les converties en travail.

Toujours sur la base du même principe une grande quantité de machines très différentes les unes des autres ont été construites. Cette particularité ne se retrouve qu’avec les moteurs à air chaud. Les moteurs à combustion interne, électriques, les turbomachines ou même à vapeur n’ont jamais fait appel à une telle diversité de conception que celle atteinte par les moteurs Stirling. Ces moteurs offrent une particularité très intéressante, ils sont réversibles. En effet lorsqu’ils sont entrainés par un moteur électrique, ils produisent du chaud ou du froid. La production de chaleur n'a que peu d’intérêt mais la possibilité de faire du froid, et quel froid, 2,8 Kelvin (-271,2 C°) soit presque le zéro absolu est très intéressante. Utilisé comme « pompe à chaleur » il permet la liquéfaction des gaz, dans des appareils à usage médical et dans certains matériels militaires.

Les gaz, cœur du moteur à air chaud

Pour pouvoir comprendre de manière précise le fonctionnement de ces mystérieuses machines il faut réviser un peu ses notions de physique et d'histoire. Les recherches sérieuse sur les gaz commencent avec Robert Boyle et Edmé Mariotte. Ces 2 physiciens crée la loi dite de « Boyle-Mariotte », Boyle, physicien et chimiste irlandais, en 1662 et Mariotte, physicien et un botaniste français, en 1676 de manière totalement indépendante sans même connaitre les travaux de Boyle. Cette loi s'exprime de la manière suivante : P1 x V1 = P2 x V2, où P1 et V1 sont la pression et le volume d'un gaz dans un état initial, tandis que P2 et V2 décrivent un état final à la même température. Cette loi est exacte avec les gaz parfaits et approximative avec les gaz réels.

En 1808 Louis Joseph Gay-Lussac, un chimiste et physicien français, travaille sur la dilatation des gaz et découvre la constante suivante : « Tous les gaz augmentent de volume sous l'action de la chaleur. Leur volume double pour une élévation de température de 273° C, soit 1/273 pour 1° C ». Ces travaux seront validés et complétés par Henri Victor Régnault en 1847 ainsi que par Rudolph Clausius en 1857. Enfin Jacques Charles, en 1787, fut le premier à formuler la « loi de la dilatation des gaz », mais il ne publia pas ses résultats et c'est seulement quinze ans plus tard, en 1802, que Louis-Joseph Gay-Lussac les compila et les compara aux siens pour formuler la loi qui porte son nom. La découverte de Jacques Charles était la suivante : « si l'on chauffe un gaz dans un volume clos, sa pression augmente de 1/273 pour 1° C ».

Enfin pour pouvoir comprendre et fabriquer des moteurs à air chaud il restait encore une loi à découvrir. C'est Joseph Stefan, physicien et mathématicien austro-hongrois, qui en 1872 formula une théorie sur la conductibilité thermique des gaz. Elle est connue sous le nom de loi de Stefan ou plus couramment loi de Stefan-Boltzmann car c'est son élève Ludwig Boltzmann qui en fournira la justification théorique.

Cette dernière découverte revêt une grande importance dans le fonctionnement d’un moteur Stirling, en effet si ce dernier tourne à 1500 tr/min soit 25 Hz (1500 / 60 sec), il faudra que le gaz passe de la partie chaud à la partie froide 25 fois par seconde avec un delta T d’environ 500° C. Mais pour obtenir le meilleur rendement il faudra que sa conductibilité thermique soit bonne pour recevoir et restituer rapidement le maximum de calories. Les moteurs à air chaud standards travaillent principalement avec de l'air qui n'est pas optimal pour transférer des calories, l’hélium est 5 fois plus conducteur et l'hydrogène 7 fois. L’hélium coûte cher mais présente de bien meilleures caractéristiques que l'hydrogène, ce dernier est meilleur conducteur mais son inflammabilité le rend difficile d'emploi et dangereux.

Pour résumer un gaz double de volume quand sa température augmente de 273° C, sa pression double dans les mêmes conditions si ce dernier est emprisonné dans un volume clos. Pour finir tous les gaz ne sont pas égaux en ce qui concerne leur conductibilité thermique. Il faut encore savoir que l'énergie pour compresser un gaz à basse pression est moindre que celle qu'il faut fournir pour dilater ce même gaz à haute pression.

Le fonctionnement du moteur à air chaud dans la pratique

Le moteur à air chaud est à même de transformer n'importe quelle source de chaleur en travail mécanique. A l'instar des machines à vapeur c'est un moteur à combustion externe, sans explosions d'où son silence de fonctionnement. Pour essayer de rendre compréhensible à tous son fonctionnement l’analogie peut être faite avec une pompe à vélo ou une seringue en mettant le piston à mi-course et en bouchant l'extrémité. Imaginons ensuite que nous chauffions une extrémité du corps de la pompe, l'air se dilate et le piston est poussé en butée du côté opposé à la source de chaleur. Maintenant nous refroidissons le corps de la pompe en projetant de l'eau dessus, l'air se contracte et le piston retrouve sa position initial. En alternant ce cycle de chauffe et de refroidissement nous obtenons un mouvement de va-et-vient du piston très facilement transformable en travail mécanique rotatif par l’intermédiaire d'une bielle et d'un vilebrequin. Plus le delta T - la différence de température entre la partie chaude et la partie froide - est important, plus le rendement est élevé et le moteur performant. Pour améliorer le principe de base qui ne dispose pas d'un rendement exceptionnel, Robert Stirling inventa ce qu'il appela « l'économisateur » qu'on appel couramment le régénérateur ou encore « Heatsponge » chez les anglais, soit littéralement éponge à chaleur. C'est ce dernier qui permet de stocker et de restituer les calories du gaz pendant son transfert et améliore grandement le rendement des moteurs à air chaud. Il peut se trouver à l'extérieur, entre le cylindre chaud et le froid, ou alors être intégré à l'intérieur du cylindre. C'est cette dernière configuration qui rend un peu complexe la compréhension de son fonctionnement, mais nous verrons que le voile peut être levé sur ce mystère sans devoir disposer d'un bagage scientifique digne d'un prix noble !

Les éléments constitutifs du moteur Stirling

Les moteurs à air chaud sont tous constitués des même éléments de bases et pour beaucoup ses éléments sont très proche de ceux qui constituent les moteurs à explosions, piston, cylindre, bielle, vilebrequin, mais l'analogie s'arrête là. Car même l'association cylindre/piston classique peut être remplacé dans un moteur Stirling par une colonne de fluide, une membrane ou encore une colonne de gaz dans les moteurs termo-acoustique. Les moteurs à air chaud fonctionnent en circuit fermé, c'est à dire que le volume de gaz utile est enfermé dans le moteur est n'a nul besoin d'être régénéré. Cette configuration sans admission ni échappement n'a pas besoin de soupapes bruyantes qu'ils faut ouvrir et fermer alternativement. De plus les moteurs à air chaud fonctionne avec des basses pressions, c'est ce qui les rends si sécurisant par rapport aux machines à vapeur.

Le cylindre déplaceur chaud

Le cylindre déplaceur chaud, aussi appelé simplement déplaceur, travail toujours, comme son nom l'indique, à chaud. C'est lui qui reçoit toutes les calories et doit pouvoir supporter des températures comprises entre 700 et 800° C, les aciers inoxydables sont bien adaptés à cet usage. Le piston, qui se trouve donc à l’intérieur du cylindre, doit avoir au niveau de sa tête un dôme renforcé pour le protéger des hautes températures. Dans le cas d'un moteur Stirling classique, le piston est un cylindre creux rempli de divers matériaux qui se déplace dans le cylindre chaud. Le déplaceur du cylindre chaud fonctionne toujours sous de haute température est doit déplacer le gaz de la partie chaude à la partie froide. Le cylindre déplaceur chaud est en contact direct avec la source de chaleur externe qui donne au moteur son énergie motrice.

Le cylindre moteur froid

Le cylindre moteur froid ou piston moteur, travaille uniquement à froid, c'est lui qui fournit le travail mécanique du moteur. Il doit être monté de manière étanche et présenter le moins de frottement possible avec le cylindre. C'est un classique ensemble piston/cylindre comme on en retrouve sur beaucoup de machines, moteurs à explosion, compresseurs, pompes, etc. Le cylindre moteur froid est bien sûr le cylindre refroidi, par air sur les petits moteurs, principalement par l’intermédiaire d'ailettes de refroidissement comme celles présentes sur les cylindres des moteurs 2 temps. Il peut aussi s'agir pour les moteurs de plus grandes puissance d'un circuit de refroidissement liquide avec un radiateur comme sur les moteur 4 temps. Un flux constant d'eau peut aussi parfaitement servir au refroidissement.

Le régénérateur

C'est l'élément essentiel au bon rendement d'un moteur à air chaud. Son utilisation n’est pas obligatoire mais son apport est tellement important qu'il serait dommage de s'en priver. Il se situe généralement à l'extérieur du moteur entre le cylindre chaud et le cylindre froid mais il peut tout aussi bien se trouver dans le déplaceur. Son rôle est très important dans le cycle Stirling, il sert à stocker les calories du gaz dans son transfert chaud-froid et à les restituer dans le parcours retour, froid-chaud. Placé à l'intérieur du cylindre chaud, il ne doit pas freiner le passage du gaz, avoir le moins d'espace mort possible, avoir une grande surface en contact avec le gaz et être constitué d'un matériau avec une bonne conductibilité thermique.

Les composants mécaniques de transformation de mouvement

Le restes des éléments qui constituent un moteur à air chaud sont divers et variés. Il y a bien-sûr les bielles qui transmettent l’énergie du piston moteur à un vilebrequin. Ce dernier transforme le mouvement alternatif linéaire en mouvement rotatif continu. Le moteur Stirling n'a pas de soupapes et donc pas non plus de cames pour leurs ouvertures et fermetures. Néanmoins il existe des moteurs à air chaud équipé de soupapes, mais ces derniers sont plus le fruit de limitations posées par des protections de brevets sur les moteurs sans soupapes que d'un réel intérêt fonctionnel. Comme sur les moteurs à explosion on retrouve aussi un volant d'inertie et des systèmes de graissage centralisé. On trouve encore des roulements à billes, à rouleaux ou à aiguilles mais aussi des engrenages et d'autres éléments normalisés.

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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