Bois énergie

Cogénération biomasse

Moteur Stirling

Schéma de principe

Schéma du moteur Stirling

Principe

Le moteur Stirling est un moteur à air chaud dans lequel le mouvement du piston est obtenu par échauffement et refroidissement d’un gaz captif sous pression. En pratique, ce gaz est de l’air, de l’hydrogène ou de l’hélium. Le principe du moteur Stirling est très ancien mais la mise en œuvre industrielle, notamment en cogénération biomasse, est beaucoup plus récente.

Dans sa version la plus simple, le moteur Stirling comprend un cylindre renfermant un fluide de travail et un piston récupérant l’énergie mécanique. Le cycle thermodynamique du moteur comprend 4 phases élémentaires :

  • Phase 1 : Chauffage isochore (à volume constant). La pression et la température augmentent pendant cette phase.
  • Phase 2 : Détente isotherme (à température constante). Le volume du fluide augmente, tandis que la pression diminue. C’est pendant cette phase que le travail est produit.
  • Phase 3 : Refroidissement isochore. La température et la pression diminuent pendant cette phase.
  • Phase 4 : Compression isotherme au cours de laquelle la pression augmente. Cette phase est consommatrice d’énergie.

Exposer alternativement le cylindre dans lequel se trouve le fluide de travail à une source chaude, puis à une source froide, est impossible à réaliser en pratique. Pour s’affranchir de cette difficulté, on fait appel à un dispositif qui oblige le fluide de travail à se trouver alternativement en contact avec une source chaude, puis avec une source froide.

La figure ci-dessus est un exemple de moteur Stirling du type alpha. Ses principaux éléments constitutifs sont :

  • Une chambre de compression,
  • Une chambre de détente,
  • Un régénérateur,
  • Un échangeur pour l’apport de chaleur,
  • Un échangeur pour l’extraction de chaleur.

Par rapport au cas théorique exposé plus haut, les différentes phases du cycle sont moins bien différenciées, car le piston qui assure le déplacement du fluide et le piston de détente sont en mouvement de façon permanente.

  • Le chauffage est réalisé pendant le transfert du fluide de travail du cylindre de compression vers le cylindre de détente.
  • Dans la phase de détente, le fluide est en expansion dans le cylindre de détente, mais également dans le cylindre de compression.
  • Le refroidissement du fluide est réalisé lors de son transfert du cylindre de détente vers le cylindre de compression.
  • La compression est obtenue par un mouvement simultané des deux pistons vers leur point mort haut.

Avantages / Inconvénients

Par rapport au moteur à combustion interne, le moteur Stirling présente un certain nombre d’avantages :

  • Il produit de l’énergie avec n’importe quelle source de chaleur.
  • Il n’émet pas de substances polluantes. Celles-ci sont produites uniquement par la source chaude. A combustible identique, ces émissions sont plus faibles, car on les maîtrise mieux dans un système de combustion à flux continu que dans un système à flux alternatif.
  • Les rendements énergétiques sont du même ordre de grandeur que ceux des moteurs Diesel et supérieurs à ceux des moteurs à allumage commandé.
  • Il a une fiabilité accrue dans le temps et exige une maintenance limitée.
  • Il est plus silencieux.

Par contre, il souffre d’inconvénients comme :

  • Un prix élevé par absence d’effet de série.
  • Un encombrement plus important, lié à la présence des échangeurs de chaleur.
  • Des problèmes techniques encore mal résolus comme les problèmes d’étanchéité lorsque le moteur travaille à haute pression (> 50 bars) et/ou avec des fluides de travail très diffusifs comme l’hydrogène. La technologie des échangeurs de chaleur qui doivent être très compacts peut également constituer une difficulté.






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