Le développement du moteur Stirling a commencé comme une alternative à la machine à vapeur, motivé par sa plus grande sécurité et son efficacité dans certaines conditions. Contrairement aux moteurs à vapeur, qui fonctionnent à des pressions élevées d'eau surchauffée et présentent des risques d'explosion, le moteur Stirling utilise un cycle de combustion externe, ce qui le rend plus sûr et plus polyvalent dans son application.
Au fil du temps, cependant, les avantages qu'il offrait par rapport à la machine à vapeur n'étaient pas suffisants pour concurrencer l'essor des moteurs à combustion interne, tels que les moteurs Otto et diesel, qui présentaient une réponse plus rapide et une conception plus compacte. Ces limitations ont relégué le moteur Stirling à des applications spécifiques, telles que la production d’énergie dans des environnements où le silence, de faibles vibrations ou l’utilisation de sources de chaleur non conventionnelles sont requis.
Le moteur Stirling présente un certain nombre de caractéristiques qui peuvent être considérées à la fois comme des avantages et des inconvénients en fonction de l'application dans laquelle il est utilisé. Ses principaux atouts et limites sont analysés ci-dessous :
Avantages du moteur Stirling
- Rendement thermique élevé : Théoriquement, le moteur Stirling peut atteindre le rendement de Carnot, ce qui le rend plus efficace par rapport aux autres moteurs thermiques dans certaines conditions. Sa capacité à récupérer la chaleur perdue contribue également à son efficacité.
- Fonctionnement silencieux et sans vibrations : En n'utilisant pas de moteurs à combustion interne ni de soupapes d'admission et d'échappement, le moteur Stirling fonctionne plus silencieusement et avec moins de vibrations que les moteurs à combustion interne. Cette fonctionnalité le rend idéal pour les applications dans les sous-marins, les systèmes d’alimentation domestique et les appareils médicaux sensibles au bruit.
- Polyvalence dans l'utilisation du combustible : Il peut fonctionner avec n'importe quelle source de chaleur, y compris les combustibles fossiles, le biogaz, le bois, l'énergie solaire ou nucléaire. Cela en fait une option viable dans les environnements où l’accès à des carburants spécifiques est limité.
- Moins d'usure et d'entretien : Étant un moteur à combustion externe, ses composants internes sont moins exposés aux résidus de combustion et aux températures élevées. Cela réduit le besoin d’entretien fréquent et prolonge la durée de vie du moteur.
- Fonctionnement à basse température ambiante : Il est plus efficace dans les environnements froids par rapport aux moteurs à combustion interne, qui peuvent rencontrer des problèmes de démarrage à basse température. Cela le rend adapté à une utilisation dans les régions polaires et aux applications spatiales.
- Impact environnemental réduit : En permettant l’utilisation de sources d’énergie renouvelables et en générant moins d’émissions polluantes, le moteur Stirling est une alternative plus durable par rapport aux autres technologies de conversion d’énergie.
Inconvénients du moteur Stirling
- Volume et poids plus importants : En raison du besoin d'échangeurs de chaleur et d'isolation thermique, le moteur Stirling a tendance à être plus grand et plus lourd par rapport aux moteurs à combustion interne de puissance équivalente. Cela limite son utilisation dans les véhicules de transport où le poids est un facteur critique.
- Coût de fabrication élevé : Les matériaux nécessaires à la construction d’échangeurs de chaleur efficaces et résistants à la corrosion augmentent le coût de production. Cette caractéristique le rend moins compétitif dans de nombreuses applications commerciales, notamment par rapport aux moteurs à combustion interne produits en série.
- Démarrage lent et réponse limitée : Son fonctionnement dépend du transfert de chaleur à travers des échangeurs, ce qui implique des temps de préchauffage plus longs et une moindre réactivité aux changements de vitesse ou de charge. Cela le rend inadapté aux applications nécessitant des démarrages rapides, comme dans l'automobile.
- Risque potentiel de fuites et d'explosions : Certaines conceptions utilisant l'hydrogène ou l'hélium comme fluide de travail présentent des risques de fuite, nécessitant des systèmes d'étanchéité efficaces. De plus, certaines configurations peuvent générer des mélanges inflammables si elles ne sont pas conçues correctement.
- Difficulté de régulation de puissance : La puissance générée par un moteur Stirling dépend de la différence de température entre les sources chaude et froide. Ajuster cette différence rapidement et efficacement peut s’avérer difficile, limitant son applicabilité dans les systèmes qui nécessitent des changements de puissance constants.