Le moteur Stirling est un type de moteur thermique à combustion externe qui fonctionne par l'expansion et la contraction d'un gaz enfermé à l'intérieur.
Son principe de fonctionnement repose sur le mouvement cyclique de ce gaz entre une source chaude et une source froide, provoquant des variations de pression qui génèrent un mouvement mécanique.
Comment fonctionne un moteur Stirling ?
Le moteur Stirling fonctionne selon un cycle thermodynamique régénératif, dans lequel le gaz de travail subit une compression et une expansion cycliques à différentes températures. Contrairement aux moteurs à combustion interne, où la combustion se produit à l'intérieur du cylindre, le moteur Stirling transfère la chaleur à travers les parois du moteur, permettant une plus grande efficacité et réduisant les émissions polluantes.
Le déplaceur du moteur Stirling déplace le gaz de manière cyclique entre les zones chaudes et froides. Lorsque le gaz est chauffé, il se dilate, augmentant la pression et poussant un piston pour générer un travail mécanique. Le gaz se refroidit ensuite et se contracte dans la zone froide, permettant au cycle de se répéter. Ce processus est synchronisé grâce à un vilebrequin avec un décalage de 90 degrés entre le piston et le déplaceur, assurant un fonctionnement efficace.
L'efficacité du moteur Stirling est déterminée par le cycle de Carnot, qui stipule que l'efficacité maximale dépend de la différence de température entre la source chaude et la source froide. Par conséquent, une plus grande différence de température améliore ses performances.
Le moteur Stirling est un cycle régénératif thermodynamiquement « fermé », avec compression cyclique et détente cyclique du fluide de travail à différents niveaux de température.
Avantages du moteur Stirling
Le moteur Stirling se distingue par plusieurs caractéristiques qui en font une alternative efficace et polyvalente par rapport aux autres moteurs thermiques :
Haute efficacité
Comparé aux moteurs à vapeur et aux moteurs à combustion interne, le moteur Stirling peut atteindre un rendement proche de celui du cycle de Carnot, limite théorique du rendement de tout moteur thermique.
Ses performances sont particulièrement élevées lorsqu'il fonctionne avec des sources de chaleur constantes et durables à long terme, telles que l'énergie solaire concentrée ou la chaleur résiduelle des processus industriels.
Fonctionnement silencieux
Contrairement aux moteurs à combustion interne, le moteur Stirling ne produit pas d'explosions ou de vibrations intenses, car son processus d'expansion et de compression du gaz de travail se déroule de manière fluide et continue.
Cela le rend idéal pour les applications où le bruit est un facteur critique, comme dans les sous-marins, les générateurs domestiques et les systèmes de réfrigération.
Utilisation de diverses sources de chaleur
L’un de ses plus grands avantages est sa capacité à fonctionner avec pratiquement n’importe quelle source de chaleur externe. Il peut utiliser des combustibles fossiles, de la biomasse, de l’énergie solaire, de la chaleur résiduelle industrielle, de l’énergie géothermique ou même la différence de température entre l’eau et l’air dans les environnements marins.
Faible émission de polluants
En ne nécessitant pas de combustion interne directe, le moteur Stirling réduit considérablement les émissions de gaz nocifs et de particules polluantes. Son impact environnemental est minime, surtout s’il est alimenté par des sources renouvelables ou par de la chaleur résiduelle.
Durabilité et faible entretien
Parce qu'il n'est pas soumis à des pressions explosives élevées ni à une usure intense de ses composants internes, le moteur Stirling a une longue durée de vie et nécessite moins d'entretien par rapport aux moteurs à combustion interne.
Sa conception étanche et hermétique minimise l’usure des pièces mobiles, réduisant ainsi les coûts d’exploitation et de maintenance à long terme.
Capacité à opérer dans des environnements extrêmes
Grâce à leur conception et à leur fonctionnement basés sur la détente d'un gaz de travail, les moteurs Stirling peuvent fonctionner dans des conditions de température extrêmes, comme dans l'espace ou dans les systèmes de production d'énergie des régions polaires.
Cycle de Stirling
Le cycle idéal d'un moteur Stirling se compose de 4 phases :
- Détente isotherme (1-2) : Le gaz est chauffé et se dilate par un processus isotherme, générant un travail mécanique.
- Refroidissement isochore (2-3) : Le gaz cède de la chaleur au régénérateur, réduisant son énergie interne à volume constant par un processus isochore.
- Compression isotherme (3-4) : Le gaz est refroidi et comprimé, ce qui réduit son volume et augmente sa densité.
- Chauffage isochore (4-1) : Le gaz récupère la chaleur du régénérateur et est chauffé à volume constant, redémarrant le cycle.
Applications du moteur Stirling
Les moteurs Stirling ont des applications dans divers domaines, notamment :
- Production d’énergie : Ils sont utilisés dans les systèmes d’énergie solaire thermique et dans la production d’électricité à partir de la chaleur résiduelle industrielle. Dans certains projets, ils ont également été mis en œuvre dans l’énergie nucléaire en tant que convertisseurs thermiques.
- Propulsion et automobile : des prototypes de moteurs Stirling ont été développés pour les véhicules et les navires, tirant parti de leur efficacité et de leur faible niveau sonore.
- Réfrigération et pompes à chaleur : Grâce à leur capacité à fonctionner en mode réversible, les moteurs Stirling peuvent agir comme des pompes à chaleur pour le chauffage ou le refroidissement, appliquées dans les systèmes de climatisation à haut rendement.
- Applications aérospatiales : la NASA et d’autres agences ont exploré l’utilisation du moteur Stirling pour la production d’énergie dans les sondes spatiales et les bases lunaires, tirant parti de sa capacité à fonctionner dans des environnements extrêmes.
Histoire et développement
Le moteur Stirling a été inventé en 1816 par l'ingénieur écossais Robert Stirling, dans le but de développer une alternative plus sûre à la machine à vapeur, qui présentait à l'époque des risques d'explosion en raison des hautes pressions de vapeur d'eau. Au départ, le moteur Stirling a été conçu comme un moteur industriel pour concurrencer la machine à vapeur. Cependant, son utilisation a été limitée aux applications domestiques et de faible puissance pendant plus d’un siècle.
Aujourd'hui, il reste un sujet de recherche et de développement, notamment en raison de sa capacité à fonctionner avec n'importe quelle source de chaleur externe. Cette polyvalence lui permet d’utiliser l’énergie solaire, la biomasse, la chaleur résiduelle ou même des sources géothermiques, ce qui en fait une option intéressante pour les applications durables.