Le moteur Stirling est un moteur à énergie externe. Le fluide principal est un gaz soumis à un cycle comprenant quatre 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 ce nom a vite été abandonné car 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, l'a muni d'une modification suffisamment importante pour lui donner un réel développement : un régénérateur entre les deux pistons qui a considérablement amélioré sa performance.

Histoire

Au début du XIX^e siècle, les chaudières à vapeur explosent assez souvent. Pour répondre à ce problème, Robert Stirling imagine un moteur, sans chaudière soumise à de trop fortes pressions où la chaleur est apportée de l’extérieur de la machine, ce qui réduit les risques d’explosions. Il découvre qu'il suffit de chauffer l’air ambiant par combustion pour alimenter ce moteur en énergie et c'est ainsi que Stirling dépose son brevet le 27 septembre 1816. Il est aussi l'inventeur d’un régénérateur dans la tuyauterie du moteur qui permet d’éviter trop de pertes d’énergie et améliore son rendement.

En 1843, son frère James « industrialise » ce moteur, pour une utilisation dans l'usine où il est ingénieur. Toutefois, en raison de différents bris et d’une puissance trop faible par rapport à la machine à vapeur ^{[réf. souhaitée]} et au moteur à combustion interne, le moteur à air chaud de Stirling n’obtint pas le succès escompté. Le moteur Stirling n'est alors plus qu’un objet d’étude pour les physiciens, qui comprennent 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].

À partir de 1878, John Ericsson se tourne vers une solution utilisant un cycle de Stirling avec son moteur « à air chaud » (moteur Ericsson) avec un déplaceur et construit en partenariat avec la DeLameter Iron Works puis la Rider-Ericsson Engine Company un nouveau moteur. Ce moteur sera aussi un succès, il sera produit aux États-Unis jusqu'au début de la Première Guerre mondiale. Parmi tous les moteurs à cycle Stirling conçus, c'est la version la plus commune, bien que rare car centenaire ; il est possible d'en voir à la vente chez des brocanteurs spécialisés dans les moteurs anciens.

En 1889 la société américaine Rider-Ericsson Engine Company^[3] sort sa première pompe hydraulique « à air chaud » ; elle en produira jusqu'au début 1900 et en exportera partout à travers le monde, jusqu'en France…

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 ch, avec un rendement supérieur à 30 % (comparable aux moteurs à essence actuels)^{[réf. souhaitée]}, 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 croissant pour les sources d’énergie alternatives. Effectivement le moteur Stirling peut fonctionner avec toute source d’énergie produisant de la chaleur: énergie solaire, énergie géothermique, énergie nucléaire, chaleur rejetée par les usines, etc.. En 1953 Philips sort sa génératrice de 180w : le MP1002CA^[5] conçue sur la base d'un moteur Stirling.

Dans une perspective écologique, cela peut être intéressant, d’autant plus que le régénérateur, parce qu’il préchauffe et pré-refroidit le gaz, permet de « recycler » de l’énergie. Ainsi, les avancées en science 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^[6].

La situation est telle que les moteurs Stirling, couplés avec des paraboles solaires géantes, utilisent l’énergie solaire avec un rendement supérieur aux cellules photovoltaïques, mais à un prix toutefois élevé. Cependant, en 2008, le record de conversion de l'énergie solaire est battu, avec un taux de conversion de 31,25 %, grâce à l'utilisation de miroirs paraboliques comme concentrateurs solaires^[7] .

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^{[réf. souhaitée]}.

Principe, avantages et inconvénients

Principe

Le principe est relativement simple : le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium) soumis à un cycle comprenant quatre 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 placé dans la chambre chaude, chauffée par une certaine source d’énergie : sa température et sa pression augmentent, ce qui produit une dilatation du gaz. Le piston de la chambre chaude étant en butée, le gaz se détend vers la chambre froide en repoussant le piston de celle-ci. L'énergie thermique est ainsi transformée en énergie mécanique qui est transmise à la roue. Ce mouvement de la roue est transmis au piston de la chambre chaude qui repousse presque tout le gaz dans la chambre froide. Lorsque c'est fait, le gaz arrivé dans la chambre froide se refroidit et son volume diminue, entraînant le piston froid dans l'autre sens. De nouveau, ce mouvement est transmis, via la roue, au piston de la chambre chaude qui recule alors vers sa butée. Presque tout le volume de gaz se retrouve alors aspiré vers la chambre chaude et le cycle recommence. 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, mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire, le bois ou l'énergie géothermique.

Cycle de Stirling

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 inversible ce qui signifie que si un travail mécanique est fourni, 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 gauche) :

• Points 1 à 2, détente isotherme. La zone de détente est chauffée 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 utilisée 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 vibrations 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^[8].

• En plus de la pollution sonore réduite, l'absence d’échange de gaz avec le milieu extérieur le rend utile dans les milieux pollués, ou les milieux où il ne faut pas amener de matière étrangère.

• Entretien facile : du fait de son absence d'échange de matière avec son environnement et l'absence de réaction chimique interne, ce moteur se détériore moins qu'un moteur à combustion interne.

• Bon rendement : il peut avoisiner les 40 %^[9], tandis que le rendement d'un moteur à explosion pour usage automobile peut atteindre 35 % pour l'essence et 42% pour le diesel. Les moteurs électriques, dont le rendement peut certes atteindre 99 %, ne sont pas comparables, car l'électricité est une forme d'énergie dont la qualité n'est pas comparable à celles thermiques et/ou chimiques utilisées pour les moteurs Stirling ou à explosion (voir la notion d'exergie). Par ailleurs, l'électricité est difficile à stocker et à transporter avec un rendement proche de 100 %, ce qui est une limite forte pour certaines applications. On peut également discuter du niveau de comparabilité des sources d'énergies utilisées entre moteur Stirling et moteur à explosion, et surtout des écarts de température entre source froide et source chaude pour lesquels sont annoncés les pics de rendement, relativement au pic de rendement de Carnot.

• Inversible. Le cycle de Stirling est inversible : un moteur Stirling entraîné par un autre moteur devient une pompe à chaleur capable de refroidir à −200 °C ou de chauffer à plus de 700 °C, selon le sens d'entraînement. Ceci, sans employer de gaz spéciaux avec des propriétés leur étant spécifiques, et 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 dans lesquels la combustion est imparfaite.

Inconvénients

• L'étanchéité des pistons doit être plus importante que dans un moteur à combustion interne mais est plus difficile à réaliser à cause des très fortes variations de température et de la nécessité d'utiliser un gaz le moins visqueux possible, afin de minimiser les pertes par frottement (en particulier dans le régénérateur). L'utilisation d'un gaz très faiblement visqueux, par exemple l'hydrogène, pose souvent des problèmes d'étanchéité.

• 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, au niveau 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 : l'un des inconvénient est le manque de réactivité. Pour faire varier la puissance du moteur on fait en général varier la puissance de chauffe. Or à cause de la grande Inertie thermique des échangeurs, l'augmentation de puissance est beaucoup plus lente que celle des moteurs à combustion interne courants. La variation de régime de ce moteur est difficile à réaliser, car elle ne peut se faire qu'en agissant sur le taux de compression du fluide de travail ou en augmentant la chaleur de la source chaude, ou en diminuant celle de la source froide. Cet inconvénient peut se corriger, à l'aide de procédés tels qu'une boîte de vitesses dans le cas de l'entraînement d'un arbre de transmission vers des roues, ou de changement de pas dans celui de l'entraînement d'une hélice. C'est pourquoi le moteur Stirling est considéré comme ayant une très mauvaise aptitude à produire une puissance et un couple variables, inconvénient considéré comme très important pour la propulsion automobile, notamment, alors que c'est justement cette application qui a fait la fortune du moteur à combustion interne. Cependant 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 ou un avion à hélice à pas variable, ceci n'est cependant pas un inconvénient. On pourrait également imaginer un robinet placé sur le tuyau séparant les deux pistons, qui pourrait au besoin diminuer le rendement, donc la vitesse, en étant plus ou moins fermé. Cette idée présente par contre le défaut de gaspiller de l'énergie thermique, puisque c'est le rendement qui diminue et qu'autant de combustible est consommé. Il faudrait donc pour les grandes périodes de ralenti coupler ce robinet à un réglage du débit de combustible de façon à progressivement diminuer la quantité de combustible et rouvrir le robinet de rendement jusqu'à une valeur relativement élevée (mais pas maximum, afin de garantir de la reprise lors d'une augmentation de puissance). Ainsi, lors d'une accélération, on pourrait avoir immédiatement un meilleur rendement, donc plus de vitesse, et peu après récupérer en plus l'énergie fournie par l'augmentation de carburant.

• Prix élevé : 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 matière de recherche et développement, ce qui ne lui permet pas de combler son retard (en supposant cela possible). 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.

• Utilisé comme générateur d'électricité en Islande, au Japon et dans les milieux extrêmes tels que les déserts australiens et arctiques par de nombreuses missions scientifiques et militaires.

• Il est utilisé par les marines suédoises, australiennes et bientôt les sous-marins d'attaque américains en tant qu'ensemble propulseur principal, notamment 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 bien 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, le système de refroidissement du réacteur nucléaire de nombreux sous-marins et porte-avions ainsi que des drones à grande autonomie.

• En raison de sa capacité polycarburant il a été testé avec succès par l'URSS sur quelques prototype de chars lourds dont "l'objet 167" avant d'être abandonné pour des raisons d'ordre politique autant qu'économique, lors du passage à l'économie de marché à la chute du bloc soviétique.

• La NASA compte l'utiliser pour fournir de l'énergie aux satellites et sondes spatiales.

• 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^[10].

• La plupart des grands constructeurs de chaudières proposent en 2009 une centrale de micro-cogénération utilisant un moteur Stirling. Ce type de 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^[11].

• Nombre d'exemplaires sont utilisés à des fins pédagogiques en classe de physique pour démontrer les principes de la thermodynamique. Certains fonctionnant grâce à la chaleur du Soleil concentrée par une parabole à l'instar des modèles utilisés dans certaines centrales solaires produisant de l'électricité, d'autres ne nécessitant que la chaleur d'une tasse à café ou celle de la paume d'une main pour fonctionner^[12]' ^[13].

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). Un récupérateur de chaleur est présent dans le tuyau, mais n'est pas représenté.

• 1. Le gaz de travail, chauffé au contact des parois du cylindre chaud, tend à occuper plus de place et repousse le piston chaud au fond de sa course (vers la gauche). Lorsqu'il est arrivé en butée, l'expansion du gaz se poursuit en direction du cylindre froid et repousse le piston froid (vers le haut). Ces mouvements sont transmis à la roue.

• 2. Le gaz est maintenant à son volume maximal. La roue transmet son mouvement au piston chaud (vers la droite), ce qui envoie la plus grande partie du gaz vers le cylindre froid, où il va se refroidir.

• 3. Presque tout le gaz est maintenant dans le cylindre froid et le refroidissement du gaz continue. La pression du gaz est à son minimum. Il se contracte et le piston froid redescend.

• 4. Le gaz est maintenant à son volume minimum et le piston chaud est tiré vers la gauche par la roue et les transmissions. Le gaz est ainsi aspiré dans le cylindre chaud. Comme il se réchauffe, son volume augmente et le cycle recommence.

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 ^{[réf. nécessaire]} ; l'inconvénient principal provient des pertes thermiques par conduction.

Il existe des moteurs Stirling à pistons coaxiaux, qualifiés également de moteur bêta, 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^[15] :

• Un moteur à piston libre et à alternateur linéaire, a été inventé par le thermodynamicien Hubert Juillet et breveté à l'INPI le 4 septembre 1967 sous le n^o P.V.190063. Ce moteur a été modifié par la suite en y ajoutant des pièces élastiques en remplacement de pièces mécaniques et opérant sous un cycle Stirling. (dessin de la NASA)

En 2015, ce générateur Stirling-Juillet est produit industriellement, par la Sté Microgen Engine Corporation limited et commercialisé pour la micro-cogénération par la Sté Wiessmann ^[16] et la Sté Dedietrich[^[17]

Voir aussi : Moteur à pistons libres

• On peut noter aussi le cas d'une pompe à moteur Stirling appelée fluidyne, dont les clapets sont les seules pièces mécaniques en mouvement^[18].
• Le montage de moteurs Stirling en série permet à chaque piston de jouer le double rôle de déplaceur et de moteur : Par exemple le moteur Franchot comporte deux pistons à double effet et le moteur Siemens quatre^[19].

• La transposition au moteur rotatif (voir quasiturbine) du principe du moteur Stirling permet de combiner des cycles en séries dans un mouvement rotatif unique.

• Une autre évolution est la mise en commun des fluides de travail : c'est le cas du moteur Stirling-Vuilleumier, mais le cycle thermodynamique n'est plus celui du moteur Stirling et aborde une autre catégorie de moteurs à combustion externe.