Cycle de stirling

Moteur Stirling

Pour les articles homonymes, voir Stirling.

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)

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

Le moteur Stirling est un moteur à combustion 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^[1] 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 explosion.

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. Alors, 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’obtient pas le succès escompté. Le moteur Stirling n’est 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^[2]. 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^[3]. 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 obtenu, en 2008, le record de conversion de l'énergie solaire, soit de 31,25%, par 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.

Principe, avantages et inconvénients

Principe

Moteur Stirling fonctionnant avec une faible différence de température

Le principe est relativement simple : le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium) soumis à un cycle comprenant 4 phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore puis compression isotherme.

Le but est de produire de l’énergie mécanique à partir d’énergie thermique. Au début du cycle, le gaz à l’intérieur du moteur est déplacé vers un endroit chauffé par une certaine source d’énergie : sa température et sa pression augmentent. Ensuite, on permet au gaz dans le piston de se dilater. Le gaz a donc transformé son énergie thermique en énergie mécanique. En fait, un gaz à haute pression qui se dilate permet de fournir beaucoup d’énergie mécanique. Toutefois, le gaz ne peut pas se dilater infiniment : il faut compresser le gaz dans le piston jusqu’à son état initial (pour qu’il puisse se dilater de nouveau plus tard) en utilisant le moins d’énergie possible (car compresser un gaz demande de l’énergie mécanique). Pour ce faire, il faut déplacer le gaz du côté chaud au côté froid du moteur, diminuant ainsi la pression. En utilisant l’énergie mécanique précédemment fournie, on compresse le gaz : puisque compresser un gaz à basse pression demande moins d’énergie que ce que la dilatation d’un gaz à haute pression fournit, on récolte un surplus d’énergie mécanique à chaque fois qu’on répète le cycle de dilatation à haute pression – compression à basse pression. Bien sûr, il faut constamment alimenter le moteur en énergie thermique^[2]. On nomme ce cycle thermodynamique le cycle de Stirling (bien que ce ne soit pas Stirling qui l’ait décrit)^[1].

La source chaude du moteur (le piston rouge ci-dessus) est alimentée par une source externe quelconque : combustion externe de dérivés du pétrole, gaz naturel, charbon, bois, mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.

Cycle de Stirling

Diagramme de Clapeyron du cycle de Stirling théorique. Dans les applications pratiques utilisant le cycle de Stirling, le cycle est quasi-elliptique

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 réversible ce qui signifie que si un travail mécanique est fournit, 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 droite):

• Points 1 à 2, détente isotherme. La zone de détente est chauffé 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 utilisé 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 vibration 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.

• Entretien facile : de par son absence d'échange de matière avec son environnement et l'absence de réaction chimique interne, ce moteur subit moins de source de détérioration qu'un moteur à combustion interne.

• Bon rendement : il peut avoisiner les 40% (soit 80% du maximum du cycle de Carnot), contre environ 35% pour les moteurs à explosion : si la différence de 5 points parait faible, elle signifie quand même près de 15% (5/35) d'énergie supplémentaire. Les moteurs électriques, dont le rendement peut certes atteindre 95%, ne sont pas comparables, car l'électricité est une forme d'énergie elle-même difficile à stocker et à transporter avec un rendement proche de 100%, ce qui est une limite forte pour certaines applications.

• Réversible. Le cycle de Stirling est réversible : un moteur Stirling entraîné par un autre moteur devient une pompe à chaleur capable de refroidir à - 200 °C ou de chauffer à plus 700 °C, selon le sens d'entraînement. Ceci, sans employer de gaz avec des propriétés spéciales 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 où la combustion est imparfaite.

Inconvénients

• L'étanchéité du ou des pistons est plus importante que dans un moteur à combustion interne, et est difficile à réaliser. Les très fortes variations de température et la nécessité d'utiliser un gaz le plus léger possible compliquent ce problème.

• 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, à propos 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.).

• Difficile à commander. La variation de régime de ce moteur est très difficile à réaliser car elle ne peut se faire qu'en agissant sur le taux de compression du fluide de travail.

• Très mauvaise aptitude à produire une puissance et un couple variable. C'est un très gros inconvénient pour la propulsion (automobile, notamment), alors que c'est justement cette application qui a fait la fortune du moteur à combustion interne. Cet inconvénient pourrait se réduire dans le cas d'un "système hybride" (le moteur marche alors à régime constant, la modulation de puissance étant prise en charge par le système électrique), mais ils sont encore rares. Sur un bateau à hélice à pas variable, ceci n'est cependant pas un inconvénient.

• N'ayant aujourd'hui que peu d'applications en grande série (voir générateurs Whispergen), 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 termes de recherche et développement, ce qui ne lui permet pas de combler son retard (en supposant cela possible). Prochainement, cette situation pourrait évoluer favorablement avec le développement des recherches sur la production d'énergie et particulièrement sur celles concernant les énergies renouvelables.

Utilisation

Le moteur Stirling a des applications de niches, dans des situations où le coût initial du système n'est pas un inconvénient grave par rapport aux avantages (applications militaires, de recherche, de pointe)

• La principale application commerciale du Stirling est dans le domaine de la réfrigération industrielle et militaire. Il sert de machine pour la liquéfaction des gaz et comme refroidisseur pour les systèmes de guidage militaire infrarouge.

• Il a été utilisé pour les sous-marins suédois de Classe Gotland, non seulement en raison de son silence, propriété cruciale pour les sous-marins, mais aussi pour la beaucoup plus faible production de gaz imbrûlés nécessaire à l'apport d'un gradient thermique (une différence de température) à un moteur Stirling ; en effet, un sous-marin en plongée ne peut évacuer des gaz qu'en les comprimant à une pression au moins égale à celle du milieu ambiant, nécessitant (et donc gaspillant) une part non négligeable de l'énergie disponible à bord.

• Ce moteur équipe aussi certaines classes de frégates américaines, et des drones.

• La Nasa l'a étudié pour fournir de l'énergie aux satellites et sondes spatiales car son rendement est meilleur que les panneaux solaires. Mais la fiabilité des panneaux solaires (ne comportant pas de pièces mobiles, leurs risques de pannes sont moindres que celles d'un moteur) les fait souvent préférer.

• Le constructeur de cartes mères d'ordinateur personnel MSI a présenté début 2008 un système de refroidissement dont le ventilateur est actionné par un moteur de Stirling utilisant comme source de chaleur l'énergie dégagée par la puce à refroidir^[4].

• La plupart des grands constructeurs de chaudières proposent en 2009 une mini-centrale de co-génération utilisant un moteur Stirling. Cette chaudière de la taille d'un chauffe-eau permet non seulement de chauffer de l'eau à utilisation domestique (chauffage, eau sanitaire) mais également de produire de l'électricité localement^[5].

• Une machine solaire originale a été présentée en 2008. La chaleur du soleil concentrée par une parabole actionne un moteur Stirling^[6].

Types de moteur Stirling

Stirling alpha

Un Stirling alpha contient deux pistons de puissance séparés, un piston « chaud », et un piston « froid ». Le piston chaud est situé près de l'échangeur avec la plus haute température, et le piston froid est situé près du point d'échange de température la plus basse.

Ce type de moteur a un ratio puissance-volume très élevé, mais a des problèmes techniques, liés (fréquemment) aux températures trop élevées du piston chaud pour ses joints.

Ci-dessous un schéma de moteur stirling alpha. (explications pour une rotation dans le sens horaire)

1. Le gaz de travail, chauffé au contact des parois du cylindre chaud (en rouge), a vu son volume augmenter. L'expansion du gaz a poussé le piston chaud au fond de sa course dans le cylindre (ici vers la gauche). L'expansion du gaz se poursuit alors vers le cylindre froid (en bleu), dont le cycle est en retard de 90° par rapport au cylindre chaud.

2. Le gaz est maintenant à son volume maximal. Le piston chaud (rouge) envoie la plus grande partie du gaz vers le cylindre froid (bleu), où s'amorce le refroidissement.

3. Presque tout le gaz est maintenant dans le cylindre froid (bleu) et le refroidissement du gaz continue. La pression du gaz est à son minimum : le piston froid descend.

4. Le gaz est maintenant à son volume minimum, va se réchauffer de nouveau dans le cylindre chaud : son volume augmente, il repousse ainsi le piston chaud, et le cycle recommence.

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Stirling bêta

Un Stirling bêta utilise également un volume de gaz délimité entre deux pistons. Ces deux pistons combinent :

• un mouvement relatif lors du changement de volume du gaz ;
• un mouvement commun qui déplace ce volume de la partie chaude vers la partie froide, et vice-versa.

Les volumes situés de l'autre côté des pistons ne sont pas fonctionnels. Sur l'illustration du haut de page, on aperçoit d'ailleurs l'orifice de communication de l'un de ces volumes avec l'extérieur. Les pistons sont donc tous les deux étanches. Le principe du moteur beta s'approche en réalité de celui du moteur gamma, à la différence que les deux zones chaude et froide sont situées dans le même cylindre. Les avantages sont la compacité et l'absence de perte aérodynamique ; les inconvénients sont la perte thermique par conduction, et aussi l'impossibilité d'utiliser un régénérateur.

Il existe des moteurs Stirling à pistons coaxiaux, qualifiés également de moteur Beta, dont l'un des deux pistons n'est pas étanche : il joue alors le rôle de déplaceur, et le volume situé au-dessus du déplaceur est fonctionnel. Ces moteurs s'apparentent donc aux moteurs Gamma décrits ci-après, mais sans volume mort.

Stirling gamma

Un Stirling gamma est un moteur stirling doté d'un piston de puissance et d'un piston jouant à lui seul le rôle de déplaceur. Seul le piston moteur dispose d'un système d'étanchéité.

Le déplaceur occupe successivement la zone chaude et la zone froide, chassant à chaque fois le gaz vers la zone opposée. Les variations de température que le gaz subit alors engendrent des variations de pression qui mettent en mouvement le piston moteur.

Le volume balayé par le déplaceur ne pouvant nécessairement pas être balayé par le piston de puissance, il constitue un volume mort. Pour cette raison, le moteur Gamma ne peut pas atteindre des rapports de compression élevés, ce qui limite les possibilités de rendement. En revanche, sa simplicité mécanique en fait un système largement utilisé, également sur les moteurs à plusieurs cylindres.

Certains moteurs Gamma ont un déplaceur étanche : le gaz emprunte donc un circuit externe pour passer d'une zone à l'autre ; il est alors possible de placer un régénérateur sur ce circuit extérieur, augmentant le rendement.

Autres évolutions du principe

De nombreuses déclinaisons ont été proposées^[7] :

• Des pièces élastiques remplacant les pièces mécaniques solides : membrane, gaz ou liquide, ils permettent d'obtenir des moteurs à pistons libre, à déplaceurs libre, ou les deux. On peut noter aussi le cas d'une pompe à moteur Stirling appelé fluidyne dont les clapets sont les seuls pièces mécaniques en mouvement
• Le montage de moteur Stirling en série permet à chaque pistons de jouer le double rôle déplaceur et moteur c'est le cas du moteur "double effet" par exemple.
• La transposition au moteur rotatifs (voir quasiturbine) du principe du moteur Stirling permet de combiner des cycles en séries dans un mouvement rotatif unique.

On trouve également comme évolution la mise en commun des fluides de travail, c'est le cas du Moteur Stirling-Vuilleumier, mais le cycle thermodynamique n'étant plus celui propre au moteur Stirling on aborde alors une nouvelle catégorie de moteur à combustion externe.

Notes

1. ↑ ^{a  et b} Robert STIRLING
2. ↑ ^{a  et b} (en)The Schmidt Analysis
3. ↑ (en)Composite-Matrix Regenerators for Stirling Engines
4. ↑ (en) Ventilateur Stirling de MSI
5. ↑ Revue La Maison écologique, numéro de février-mars 2009. (ISSN 1634-5460)
6. ↑ chez Sunmachine. Vidéo : cette machine est principalement didactique
7. ↑ http://www.moteurstirling.com/autres.php

Voir aussi

Articles connexes

• Moteur à combustion interne
• Moteur
• Propulsion alternative
• Thermodynamique
• Moteur Stirling-Vuilleumier
• Énergie solaire thermique
• Moteur Ericsson

Liens externes

• (fr) Suivi en temps-réel de la Parabole-Stirling d'Odeillo (laboratoire PROMES-CNRS) et explications
• (en) Record de conversion d'énergie solaire en 2008 par Stirling Energy Systems

Sources

• Source partielle :
• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Stirling cycle ».

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