Le moteur Stirling

Tout le monde connaît les machines à vapeur, à piston ou à turbine, les moteurs thermiques à combustion interne, diesel ou essence, mais peu de personnes ont entendu parler des moteurs à air chaud ou à combustion externe. Ces derniers sont pourtant promis à un bel avenir, à une véritable renaissance. Merci la crise énergétique et environnementale pourrait-on dire.

Cet article va essayer de sortir ces engins de l'ombre dans laquelle ils sont plongés. Cet état de fait est assez spécifique à la France. Certains pays européens et surtout les USA ne les ignorent en aucune façon. Après les avoir redécouverts, aujourd'hui ils les industrialisent.

1. Les principes de fonctionnement d'un moteur Stirling 

C'est tout simple dans le principe. Dans un moteur à combustion interne, on envoie un mélange d'air et de carburant dans le cylindre. Après combustion de l'essence , du fuel ou du kérosène, l'air se dilate et on récupère ainsi de l'énergie mécanique.

Dans le cas des moteurs à air chaud, on chauffe également l'air emprisonné dans le cylindre mais de l'extérieur. Inutile de renouveler le gaz de travail, c'est toujours le même. Le gros intérêt de ce dispositif est qu'on peut ainsi utiliser comme moyen de chauffage tout ce qui brûle ! Les carburants qu'on trouve « à la pompe », le bois, le gaz, le soleil, les déchets végétaux... il suffit de produire de l'énergie thermique.

Il est cependant honnête de préciser que chaque moteur doit être adapté à son moyen de chauffage, mais le principe reste toujours le même.

Ci-dessous, nous allons décrire le principe de fonctionnement du moteur Stirling, le principal moteur à air chaud inventé.

1.1. un chauffage isochore (à volume constant) :

Le brûleur (la source chaude) cède de l'énergie thermique. On s'imagine aisément que la pression et la température du gaz augmentent durant cette phase.

1.2. une détente isotherme (à température constante):

Le volume s'accroît alors que la pression diminue. C'est pendant cette transformation que l'énergie motrice est produite.

1.3. un refroidissement isochore :

L'eau projetée (la source froide) récupère de l'énergie thermique. La température et la pression diminuent pendant cette phase.

1.4. une compression isothermique :

La pression du gaz augmente au fur et à mesure que son volume diminue. On doit fournir de l'énergie mécanique au gaz pendant cette période mais elle est moins importante que celle récupérée au cours de la détente. On a donc bien à faire à un moteur.

Et voilà, le cycle est terminé. Il n'y a plus qu'à recommencer.

Chauffage isochore	Détente isotherme	Refroidissement isochore	Compression isotherme

2. Les premières inventions

L'origine de ces moteurs à air chaud ou à combustion externe remonte au début du 19ème siècle, de la révolution industrielle. L'industrie de l'époque était en forte croissance et nécessitait de l'énergie et des matières premières peu chères. Les machines à vapeur furent considérablement améliorées à la fin du 18ème siècle sous l'impulsion, en particulier, de James Watt. Elles avaient cependant un gros défaut : faute d'être conçues avec des matériaux résistants tels que nous les connaissons aujourd'hui, elles étaient source de nombreux accidents.

Partant de ce dernier point, différents inventeurs, y compris français, imaginèrent un autre type de moteurs plus sûrs, fonctionnant à de plus faibles pressions tout en ayant un aussi bon rendement que les machines à vapeur. Les moteurs à air chaud ou à combustion externe précédèrent les moteurs à combustion interne. Le principe est de jouer sur la dilatation des gaz qui est fonction de leur température comme nous l'avons vu précédemment. Différents cycles furent imaginés : nous retiendrons principalement le cycle de Stirling et le cycle d'Ericsson. Les inventeurs respectifs de ces cycles et moteurs associés se livrèrent à une véritable lutte pour prendre l'autre de vitesse.

Moteur Stirling	Moteur Ericsson

3. Les développements du 20^e siècle

Sans prendre de parti pris trop évident, on peut affirmer, aujourd'hui, que ce sont les moteurs Stirling qui ont le mieux survécu. Au cours du vingtième siècle, ces derniers furent l'objet d'importants développement, principalement de la part de la société Philips. Si le succès commercial ne fut pas au rendez-vous à cette époque là, en ce début de vingt-et-unième siècle on récolte désormais le fruit de ces recherches.

On peut voir ci-contre le groupe électrogène 102C à base de moteur Stirling. Merci à Jean-Jacques, l'heureux propriétaire, pour cette photo.

Aujourd'hui, certains moteurs Stirling utilisent, après concentration par une parabole, l'énergie solaire avec de très bons rendements.

On commence à voir sur le marché des chaudières à gaz ou à bois pour faire à la fois son chauffage et son électricité en intégrant dans les chaudières des moteurs Stirling.

Le cycle de Stirling étant réversible (on fournit de l'énergie mécanique au moteur qui restitue alors de la chaleur et du froid), des applications mettent à profit cette caractéristique en transformant ce moteur en pompe à chaleur. L'utilisation première qui vient à l'esprit est de chauffer un local, un immeuble... mais, aujourd'hui, la plus grande utilisation du moteur Stirling en tant que pompe à chaleur est la production des grands froids nécessaires à la liquéfaction de gaz ou indispensables au fonctionnement des supra-conducteurs (dans les IRM par exemple).

Face à la grave crise énergétique à laquelle est confronté le monde, le moteur Stirling est une des meilleures solutions pour produire de façon décentralisée, locale, rentable et propre de l'énergie électrique ou mécanique. Produire et consommer localement.

Chaudière Sunmachine à granulés de bois		Moteur automobile P 40 développé par la NASA pour l'AMC Spirit

Pour en savoir plus sur ce merveilleux engin, on peut se renseigner sur internet grâce au site qui lui est consacré « Tout savoir sur le moteur Stirling » (http://www.moteurstirling.com)
ou se procurer l'ouvrage :

« Le moteur Stirling et autres moteurs à air chaud »
disponible sur ce site (cliquez sur le lien).