Les applications du moteur de Stirling

Avantages et inconvénients du moteur de Stirling

Les avantages

• le silence de fonctionnement : il n'y a pas de détente à l'atmosphère comme dans le cas d'un moteur à combustion interne, la combustion est continue à l'extérieur du ou des cylindres. De plus, sa conception est telle que le moteur est facile à équilibrer et engendre peu de vibrations.

• le rendement élevé : fonction, il est vrai, des températures des sources chaudes et froides. Comme il est possible de le faire fonctionner en cogénération (puissances mécanique et calorifique), le rendement global peut être très élevé.

• la multitude de « sources chaudes » possibles : combustion de gaz divers, de bois, sciure, déchets, énergie solaire ou géothermique...

• l'aptitude écologique à répondre le mieux possible aux exigences environnementales en matière de pollution atmosphérique. Il est plus facile de réaliser dans ce type de moteur une combustion complète des carburants.

• la fiabilité et la maintenance aisée : la relative simplicité technologique permet d'avoir des moteurs d'une très grande fiabilité et nécessitant peu de maintenance.

• la durée de vie importante du fait de sa "rusticité".

• les utilisations très diverses du fait de son autonomie et de son adaptabilité au besoin et à la nature de la source chaude (du mW au MW).

Les inconvénients

• le prix : le frein à son développement est aujourd'hui probablement son coût, non encore compétitif par rapport aux autres moyens bien implantés. Une généralisation de son emploi devrait pallier ce problème inhérent à toute nouveauté. Après tout, s'il n'y avait pas eu autant de demandes en moteur essence et diesel, leur technologie ne serai probablement à l'heure actuelle pas plus développées que celle du moteur de Stirling !

• la méconnaissance de ce type de moteur par le grand public. Seuls quelques passionnés en connaissent l'existence.

• la variété des modèles empêche une standardisation et par conséquent une baisse des prix.

• les problèmes technologiques à résoudre :

• les problèmes d'étanchéité sont difficiles à résoudre dès qu'on souhaite avoir des pressions de fonctionnement élevées. Le choix du gaz "idéal", à savoir l'hydrogène pour sa légèreté et sa capacité à absorber les calories, se heurte à sa faculté de diffuser au travers des matériaux.

• les échanges de chaleur avec un gaz sont délicats et nécessitent souvent des appareils volumineux.

Les applications actuelles

A l'heure actuelle, le moteur Stirling n'est pas très connu et répandu, particulièrement en France. Cependant, on peut citer, de façon non exhaustive, les domaines d'application suivants :

• La recherche et le monde universitaire

Le moteur Stirling fait l'objet d'études théoriques et de travaux pratiques afin de mieux connaître son fonctionnement, d'améliorer son rendement et augmenter sa compétitivité vis-à-vis d'autres sources d'énergie. Ces travaux permettront de « modéliser » le fonctionnement du moteur, c'est à dire mettre en équations les échanges de chaleur, les écoulements des fluides, simuler certaines configurations sans à avoir à construire le moteur en question....

• Les usages militaires

Si l'armement permet de dissuader les pays de se faire la guerre (on peut rêver, non ?), alors on peut se réjouir de l'introduction des moteurs Stirling dans le domaine militaire.
- un sous-marin d'attaque suédois évolue grâce à ce mode de propulsion. Son silence de fonctionnement est un atout majeur dans cette application. La marine australienne l'a aussi adopté pour un sous-marin de 3 000 tonnes de déplacement.
- des bâtiments de surface militaires utilisent également cette technologie pour la propulsion de corvettes ou de bateaux de détection de mines ou de surveillance acoustique.
Outre l'utilisation du moteur Stirling comme source d'énergie principale, celui-ci est également utilisé comme un moyen auxiliaire et autonome de fourniture d'énergie (en cas de panne, par exemple, de la source principale afin d'assurer les fonctions vitales du bâtiment).

• Le domaine spatial et les applications solaires

Certains satellites se procurent de l'énergie grâce à un moteur Stirling. Le rendement est particulièrement élevé vu les grandes différences de température disponibles.
On utilise une parabole réfléchissante qui concentre les rayons du soleil en un seul point : le foyer de la parabole où on installe le moteur Stirling.
Aux États-Unis, on a installé dans le désert de grandes paraboles munies en leur foyer de moteur Stirling afin de produire de l'électricité sans acheter de combustible ! (NB : les panneaux photovoltaïques ont un médiocre rendement, environ 15%. Par conséquent, à puissance égale, leur surface est plus grande que celle des réflecteurs d'un moteur Stirling).

• La recherche et l'exploitation océanographique

Le SAGA (sous-marin d'assistance à grande autonomie) opérationnel au cours des années 1990, permettait de faire plus de 500 km de distance, de mener une campagne de 10 jours de travail par 300 m de fond. Il déplaçait plus de 500 tonnes en plongée et était mu par deux moteurs Stirling alimentés en fuel et oxygène liquide.

• Le monde industriel avec la cryogénie

La réversibilité du moteur Stirling est utilisé afin de produire du froid de façon industrielle. Son rendement est alors excellent.
Dans ce type de fonctionnement, on fournit de l'énergie mécanique au moteur. Le résultat est qu'on « pompe » de la chaleur à la source froide pour la restituer à la source chaude, comme un réfrigérateur domestique. Ce mode de fonctionnement est si efficace qu'on utilise ce type d'installation pour liquéfier des gaz.
Paradoxe : On peut utiliser le soleil pour produire de l'électricité qui à son tour entraînera un moteur Stirling pour faire du froid. Ou comment faire des glaçons sous un soleil de plomb, et grâce à lui !

• Les utilisations domestiques

De petites installations ont été développées afin de fonctionner en cogénération : fourniture d'électricité et chauffage d'habitations. On utilise le combustible de son choix pour faire sa propre électricité et chauffer sa maison. Si on est relié au réseau électrique, on peut vendre son courant quand on en produit trop (l'hiver), ou en acheter quand on n'en produit pas suffisamment (l'été).
Certains bateaux de plaisance sont équipés de la sorte.

• La motorisation automobile

Cette utilisation fait partie du passé (mais peut-être aussi de l'avenir). En effet, la société Philips a étudié au cours des années 1940 à 1980 diverses applications du moteur Stirling. Une de celle-ci consistait à équiper une Ford Torino, mais cet essai ne fut pas transformé et le projet abandonné.

• Les loisirs

Quelques passionnés ont réalisé de magnifiques modèles réduits qui ont une propulsion réalisée par un moteur Stirling miniature.

Comme on peut le voir ci-dessus, le spectre des moteurs Stirling va du micro-moteur de laboratoire, se contentant de 1°C de différence de température, au moteur de 1 000cv ou plus. Quant à l'énergie primaire, ce peut être le soleil, du pétrole, du bois, du gaz...

Les applications futures

• Dans le domaine militaire

Une généralisation de l'utilisation du moteur Stirling pour la propulsion des sous-marins et de certains bateaux de surface, à l'instar de ce qui est fait aujourd'hui dans les marines suédoise et australienne. Un choix adapté de combustible (oxygène et hydrogène liquides par exemple) permettra de réduire considérablement les risques de pollution en cas d'accident.

• Dans la marine marchande ou de plaisance

Pourquoi ne pas tirer profit des avancées réalisées dans le domaine militaire ? On peut penser également aux sources auxiliaires d'énergie. A titre d'exemple, la fourniture d'électricité et de chauffage sur des bateaux de plaisance.

• Dans le domaine médical

On peut tout à fait imaginer l'implantation de moteurs de Stirling miniatures en tant que coeurs artificiels, puisant leur énergie grâce à la chaleur du corps humain.

• Dans le domaine industriel

Une valorisation de toutes les énergies rejetées directement à l'atmosphère ou dans les rivières. En effet de nombreux processus industriels dans les secteurs de la chimie ou de la production d'électricité rejettent des quantités phénoménales d'énergie (notamment thermique) dans l'environnement. A titre d'exemple, une centrale nucléaire envoie deux fois plus d'énergie à la rivière que dans les fils électriques ! De plus, on estime à 7% l'énergie dissipée dans ces mêmes fils électriques. On voit ainsi l'intérêt de la cogénération (électricité + chaleur) et d'une production décentralisée au plus près des consommateurs et dimensionnée à hauteur des besoins.

• Dans le domaine domestique

C'est probablement là que le moteur Stirling se développera le plus. Ce sera un moyen de faire son électricité, de chauffer sa maison et de produire son eau chaude sanitaire. L'énergie électrique résidentielle représente aujourd'hui 8% de la production totale. Ceci autorise de belles perspectives d'avenir pour le moteur Stirling. De plus, la consommation nécessaire au fonctionnement des réfrigérateurs ou congélateurs peut représenter le quart de la consommation totale d'électricité. Si on remplace le cycle traditionnel par le cycle de Stirling, d'importantes économies sont à prévoir.

Cette utilisation peut se concevoir de façon autonome (chalet de montagne) ou au sein du réseau électrique avec vente ou achat d'électricité selon la saison.