ATELIER SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE
LYCEE JEAN JAURES LE CREUSOT
1998-1999

LA COGENERATION DOMESTIQUE : UTILISATION DU MOTEUR STIRLING POUR LA PRODUCTION INDIVIDUELLE D’ELECTRICITE

Bilan de l’atelier scientifique et technique 1995-1998 :

Depuis 3 ans, nous avons mis en oeuvre dans le cadre d’une pédagogie de projet, des activités pluri-et-transdisciplinaires, conduisant, à la réalisation de prototypes de moteurs Stirling. Les activités proposées ont porté sur l’histoire des techniques, la physique, la mécanique, l’électronique, la conception et la réalisation de 4 moteurs Stirling. Deux des moteurs réalisés sont des moteurs didactiques permettant l’étude du fonctionnement en laboratoire de sciences physiques, les deux autres sont des « moteurs solaires » permettant la transformation directe de l’énergie solaire en énergie mécanique . Pour permettre le suivi du soleil, l’un est installé sur une monture azimutale commandée par des moteurs pas à pas, l’autre sur une monture équatoriale motorisée par un moteur synchrone .
Par ces réalisations symboliques , nous voulions montrer que les voies de recherche et d’innovation sont nombreuses et que des solutions alternatives existent toujours en matière d’écologie. C’est avant tout un problème de volonté et d’imagination.
Nous avons aussi voulu montrer que la culture technologique est aujourd’hui au même titre que la culture générale, une composante indispensable à l’éducation du citoyen de demain .

Présentation du nouveau projet :

Nous souhaitons poursuivre cette démarche à travers un nouveau projet qui permettra de fédérer les énergies des équipes pédagogiques de sciences physiques, de sciences et techniques industrielles, et des élèves de première S et STI .
Ce projet devra nous permettre de participer aux Olympiades de physique le 24 octobre 1999.
Nous proposons comme thème de projet pour l’atelier scientifique et technique du Lycée Jean Jaurès pour l’année scolaire 1998-1999 :

La cogénération domestique : utilisation d’un moteur Stirling couplé à un alternateur pour assurer une production individuelle d’électricité.

Après les moteurs solaires nous voulons explorer les possibilités du Stirling dans le domaine de la cogénération .
Si la cogénération, c’est à dire la production d’électricité conjointement à la production de chaleur pour le chauffage, n’a rien de nouveau du point de vue industriel, c’est un procédé qui n’a jamais été développé dans le cadre d’une installation domestique .
Il s’agit d’optimiser la dépense énergétique de l’installation de chauffage central de la maison en plaçant dans le foyer de la chaudière un moteur Stirling qui transformera l’énergie calorifique en énergie électrique . Pour ce faire nous pensons réaliser un moteur Stirling à piston libre entraînant un alternateur linéaire.
Ce moteur Stirling serait refroidi par l’eau du circuit sanitaire participant ainsi à son préchauffage . L’alternateur couplé au réseau EDF par l’intermédiaire d’un système de comptage adapté permettra de fournir de l’électricité de façon permanente en période de chauffage . La quantité d’énergie produite venant en déduction de la consommation électrique du foyer on pourra ainsi amortir le surcoût de l’installation . A l’échelle nationale on peut imaginer que la période de chauffage correspondant à la période de consommation électrique maximale, ce système permettrait de délester le réseau et viendrait donc compléter la fonction des systèmes de tarification type EJP ou TEMPO permettant à EDF de mieux « lisser » la demande et donc de faire des économies de fonctionnement .


POURQUOI UN MOTEUR STIRLING ?

Robert Stirling, pasteur écossais du XIXeme siècle, imagina en 1816, un moteur thermique, proche des principes énoncés par le physicien Nicolas Carnot sur un cycle thermodynamique d’un moteur réversible. C’est le premier moteur à air chaud dont l’objectif est de produire un travail moteur avec une sécurité meilleure que les machines à vapeur qui travaillaient à des pressions élevées et qui avaient des risques d’explosion non négligeables. Il avait pour caractéristiques d’être fiable et sûr, plus silencieux , et d’avoir une bonne efficacité pour les petites puissances.
Cette invention du siècle présente encore au XX° d’importantes qualités et perspectives d’avenir : « Les recherches sur le moteur Stirling, qu’on appelait autrefois moteur à air chaud, ont débuté déjà chez Philips en 1938. A cette époque on cherchait à réaliser un générateur de courant alimenté par la chaleur, pour des récepteurs de radio ou appareils similaires, afin de pouvoir utiliser ceux-ci dans les parties du monde où il n’existe pas de réseau d’énergie et où le combustible nécessaire à un tel générateur d’énergie était plus facile à se procurer qu’une batterie d’accumulateurs (MEIJER « Le moteur Stirling Philips »1969).

Quelles sont donc les principales caractéristiques de ce « moteur à air chaud »?
Ses avantages et inconvénients ?
Son évolution et ses applications depuis le XIXe siècle?

I- DESCRIPTION ET PRESENTATION

Le moteur Stirling possède des caractéristiques différentes de celles des moteurs à combustion interne . Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe reposant sur un circuit fermé. Dans ce système, le fluide moteur ou gaz de travail est continuellement recyclé au contraire des moteurs habituels où ceux-ci sont libérés à l’échappement . Le travail moteur est produit par ce volume de gaz tantôt chauffé donc détendu, tantôt refroidi donc comprimé .
Pour un meilleur rendement on utilise de l’hélium ou de l’hydrogène.

II- LES AVANTAGES DU MOTEUR STIRLING

Au XIX° siècle :

Les moteurs Stirling avaient le précieux avantage de n’avoir pas besoin de chaudières sophistiquées et de pouvoir fonctionner sans eau ; c’est ce qui lui a assuré dans l’industrie certains emplois déterminés.
Ces moteurs avaient un fonctionnement sûr. Ils consommaient moins de charbon que les machines à vapeur de faible puissance qu’ils essayaient de concurrencer. Ils n’avaient pas un prix supérieur aux machines vapeur ; au contraire, ils limitaient le coût des chaudières.

Au XX° siècle :

1 - Apport de chaleur extérieur
Cet apport permet au moteur d’utiliser toutes les sources de chaleur possible sans la moindre modification. Pour les combustibles fossiles, on installe un brûleur universel et un préchauffeur, ce qui permet le passage d’un combustible à l’autre sans la moindre modification.
Grâce à la combinaison du moteur avec un accumulateur de chaleur ( alumine frittée ou un sel : fluorure de lithium ) on peut stocker de l’énergie calorifique en grande quantité pour la transformer en énergie mécanique ou électrique. Ce système peut être comparé à un accumulateur électrique et remplacer très avantageusement une batterie au plomb grâce à sa capacité massique ( 200 watt-heure /kg contre 20 watt-heure /kg )
Le moteur Stirling permet de transformer l’énergie solaire en énergie électrique avec un meilleur rendement que des cellules photovoltaïques.

2 - Gaz d ’échappement propres :
Etant donné la pollution de l’air provoquée par les échappements de moteurs , il est important de savoir qu’un moteur Stirling chauffé avec un combustible fossile émet des gaz d’échappement relativement propres . L’absence pratique d’oxyde de carbone et d’hydrocarbures imbrûlés est à attribuer au fait que la combustion s’effectue de façon continue dans une enceinte entourée de parois chaudes à la pression atmosphérique ou l’on a toute liberté pour choisir l’excès d’air pour éviter la production de restes gazeux imbrûlés . La quantité d’oxyde d’azote est aussi beaucoup moindre qu’avec les autres moteurs actuellement existants.

3 - Faible bruit et absence de vibrations :
Le chauffage extérieur fonctionne de façon continue ce qui ne cause pas de bruit d’échappement . Le moteur ne comporte pas de soupape d’admission et d’échappement donc il est silencieux. Quand on utilise l’entraînement rhomboïdal, les forces d’inertie d’un moteur à balayeur peuvent être exactement équilibrées . L’absence de vibrations est un gage de longévité mécanique et un avantage pour certaines applications, par exemple la motorisation des sous-marins.

4 - Bon rendement à pleine charge et à charge partielle :
Le plus souvent le réglage de la puissance est obtenu en faisant varier la pression du gaz contenu dans le moteur alors que la température du réchauffeur est maintenue constante à l’aide d’un système thermostatique . Le rendement d’un moteur Stirling de 40 chevaux à 2500 t/mn contenant de l’hélium à une pression de 140 bars est de 40% . Le rendement de ces moteurs est équivalent aux meilleurs moteurs Diesel .

5 - Grand domaine de vitesse et couple de rotation constant :
Le système thermodynamique du moteur Stirling est influencé par la vitesse de rotation ,et entre autre, par la résistance d’écoulement que subit le gaz de travail et les pertes dues aux fuites de gaz au niveau du piston de travail. Ceci se répercute sur le couple fourni. Aux vitesses élevées le couple chute par suite des pertes d’écoulement ; il en est de même aux vitesses basses par suite des fuites au piston.
Avec un moteur bien dimensionné, les influences citées sont faibles, ce qui fait la courbe de variation du couple est très plate dans un grand domaine de vitesses.

6 - Absence de consommation d’huile de graissage :
Il n’y a pas de consommation d’huile de graissage et grâce à la basse température du carter de manivelle, il n’y a plus aucune altération de l’huile . Cela apporte un avantage économique pour les gros moteurs et réduit la maintenance. Comme il n’y a pas de gaz délétères, il n’y a pas de pollution. Les vidanges peuvent être beaucoup plus espacées que pour un moteur à combustion interne .

7 - Importance de la cession de chaleur au refroidisseur et influence des conditions de température sur la puissance et le rendement :
A cause du système fermé, l’évacuation de chaleur inévitable doit s’effectuer pratiquement entièrement par le refroidisseur et ceci de préférence à une température aussi basse que possible. C’est un inconvénient mais qui a d’autant moins d’importance que le rendement du système est meilleur. Mais ce n’est plus un inconvénient dans les cas où l’on dispose de suffisamment d’eau de refroidissement et même cela peut être un avantage quand on sait utiliser cette chaleur. Si on est réduit au refroidissement par air, on a besoin d’un plus grand radiateur qu’avec les moteurs à combustion interne, lesquels évacuent beaucoup de chaleur par les gaz d’échappement.

8 - Richesse des solutions constructives et adaptabilité :
Le principe du moteur Stirling permet d’imaginer avec une grande liberté la structure de base tant pour l’agencement des cylindres que pour le couplage des pistons ce qui lui donne de nombreuses possibilités d’adaptation pour des applications très diverses.

9 - Démarrage du moteur :
Le moteur démarre toujours, pourvu qu’il y règne une pression de gaz suffisante et que le tube du réchauffeur ait une température assez élevée.Le démarrage dépend donc exclusivement de celui de l’allumage du brûleur. L’allumage à étincelle piézo-électrique combiné avec un pulvérisateur de carburant pour former l’ensemble brûleur, fournit à cet égard une garantie suffisante.

10 - Fiabilité, insensibilité à la poussière :
Grâce au réchauffage externe, la poussière de l’environnement qui arrive dans l’air du brûleur ne peut jamais pénétrer dans les cylindres, de sorte qu’il ne peut pas se produire d’usure supplémentaire des parties mobiles et graissées de l’entraînement. De plus, par suite des faibles vitesses de l’air, et des gaz d’échappement dans le préchauffeur, dans le brûleur, etc., il ne se produit pas d’érosion de ces pièces.

III- LES INCONVENIENTS DU MOTEUR STIRLING :

Les recherches sur les moteurs Stirling modernes initiées par la société Philips puis rejoint par Général Motors, Ford et MAN / MWM ont été reprises par la société suédoise United Stirling AB (USAB) et poursuivies jusqu’à 1980 .
D’autres sociétés poursuivent actuellement des recherches sur le Stirling tant dans le domaine spatial ( refroidisseurs cryogéniques SUNPOWER ) que pour la production d’électricité à partir du soleil ( CUMMINS, NASA ) ou par cogénération.
L’expérience acquise montre que les inconvénients du Stirling réside dans le fait que l’on a longtemps privilégié une architecture à cinématique classique proche d’un moteur à combustion interne. Cette conception à base de système bielle manivelle pose forcément des difficultés d’étanchéité au niveau des parties tournantes quand on sait que la pression à l’intérieur du moteur doit être de plusieurs dizaine de bars pour obtenir un rendement intéressant. De plus on a été souvent conduit à utiliser l’hydrogène comme gaz caloporteur pour ses avantages thermiques et chimiques qui conditionnent le rendement du moteur . Malheureusement l’hydrogène a de nombreux inconvénients . La très petite taille de sa molécule fait qu’il fuit très facilement par les joints et même à travers la masse des matériaux. Il fragilise les aciers courants ce qui oblige a utiliser des aciers spéciaux plus coûteux. Sa gestion entraîne une installation complexe et coûteuse.
Les solutions retenues pour l’adaptation rapide de la puissance à la charge, sont la variation de pression du gaz de travail ou la variation de la course du piston . Dans les deux cas cela conduit à des solutions relativement complexes .

IV- CONCLUSION :

Les technologies nouvelles et l’esprit d’innovation doivent permettre d’imaginer des solutions pour palier ces inconvénients . D’autres solutions constructives peuvent déboucher sur des solutions d’avenir .
La tendance actuelle est aux moteurs à piston libre et à l’utilisation de l’hélium comme gaz de travail . Une conception de type hermétique à l’image des groupes frigoriques de réfrigérateur doit être privilégiée .
De nombreuses sociétés et des laboratoires de recherche, notamment au Etats Unis au Japon en Allemagne et en Suède, explorent les possibilités du cycle Stirling . Pour s’en convaincre il suffit de taper « Stirling » sur Internet. Malheureusement la France est pratiquement absente sur ce secteur si ce n’est les travaux de recherche sur la modélisation des moteurs Stirling du laboratoire de l’ISITEM de Nantes et à un degré bien moindre les réalisations de l’atelier scientifique et technique du lycée Jean Jaurès !

Contacts :
Mr Liaboeuf Joël (
Génie Mécanique ) joel.liaboeuf@ac-dijon.fr

Mr Andrejewski Jean-Luc
( Génie Electrique )
Mr Grégoire Claude
( Physique ) Gregoiremc@aol.com
Mr Thierry Jean Marie
( Physique ) nthierry@club-internet.fr