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LA MICRO COGENERATRICE STIRLING, UNE TECHNOLOGIE VIVANTE, LIBÉRATRICE ET DECENTRALISEE

I. INTRODUCTION: PRÉSENTATION DE LA MICRO COGENERATION

II. LE PRINCIPE DU MOTEUR STIRLING
A. Historique du moteur Stirling
B. Le cycle de Stirling
C. Classification du moteur St Stirling
1. Mode de fonctionnement
2. Agencement des cylindres
3. Le couplage des pistons

III. LES DIFFÉRENTES MICRO COGENERATRICES STERLING
A. La parabole Stirling ou H Dish Stirling " Soleil
B. La parabole Stirling Hybride Soleil Biogaz à alternateur linéaire
1. Récepteur hybride soleil biogaz
2. Alternateur linéaire
C. La chaudière Stirling à biocombustible

IV.L'AVENIR DU MOTEUR STIRLING
A. Un moteur domestique
B. Un moteur écologique
C. :Un moteur économique

V. CONCLUSION

VI. ANNEXES
A. Contacts
B. Sites Internet Stirling
C. Références bibliographiques

Le moteur Stirling est un système de micro cogénération qui permet à partir d'une source de chaleur (concentration solaire, combustion de biogaz et de biocombustible) de produire simultanément de la chaleur et de l'électricité pour un usage domestique avec un rendement global potentiel de l'ordre de 95 %.
Les puissances électrique et calorifique en micro cogénération s'étendent de quelques centaines à quelques dizaines de kW.

A. Historique du moteur Stirling

Le moteur Stirling, tient son nom de son inventeur écossais en 1816.
Il s'agit d'un moteur à combustion externe dans lequel le fluide de travail, qui actionne les pistons par simples dilatations et contractions thermiques successives, circule en circuit fermé.

La réalisation, elle, est plus complexe : la transmission du mouvement à l'extérieur tout en préservant l'étanchéité parfaite du système pose des problèmes techniques assez ardus, si bien que le moteur Stirling a été rapidement abandonné au début de ce siècle au profit du moteur à explosion.
Philips l'avait redécouvert à la fin des années 30 pour charger ses batteries et l'avait modernisé puis, à l'arrivée des transistors, avait vendu la licence à plusieurs compagnies américaines et européennes, dont des constructeurs automobiles qui souhaitaient développer un moteur moins polluant (déjà).
Mais son utilisation pour entraîner des véhicules exige des vitesses de rotation et des pressions internes élevées (plus de 3500 tr/mn et plus de 200 bar), ainsi que l'emploi d'un gaz de travail possédant à la fois une masse moléculaire faible et une conductivité thermique élevée, comme l'hydrogène ou l'hélium. Bref, l'idée s'est révélée trop chère.

De 1937 à 1979, l'histoire du moteur Stirling fut donc étroitement liée aux efforts de la société Philips.

Citons quelques développements et réalisations de cette société :

1937, début des développements visant à la conception d'un moteur Stirling pour faire tourner un générateur électrique alimentant un poste de radio ;

1938, réalisation du premier moteur Stirling de Philips, d'une puissance de 16 W à 1000 rpm ;

1940, réalisation d'un moteur Stirling de 500 W à 1500 rpm, utilisant de l'air à 5 bar comme fluide de travail ;

1941, réalisation d'un réfrigérateur atteignant -40oC basé sur le cycle de Stirling récepteur;

1943, réalisation d'un moteur Stirling à double effet à quatre cylindres, d'une puissance de 6 kW à 3000 rpm, utilisant de l'air à 10 bar comme fluide de travail,

1945, réalisation d'un réfrigérateur atteignant -200 °C utilisant de l'hydrogène comme fluide de travail;

1946, conclusion d'un contrat avec l'U.S. Navy pour réaliser des générateurs électriques entraînés par des moteurs Stirling;

1950, réalisation de 150 générateurs de 200 W, entraînés par des moteurs Stirling. Ce générateur ne sera pas commercialisé du fait de la mise sur le marché des postes de radio à transistors, pouvant être alimentés par des piles électriques ;

1953, invention du moteur " rhombique " par R.J.Meijer ;

1953, Philips présente son réfrigérateur à Paris;

1955, réalisation du premier moteur " rhombique ", utilisant de l'hydrogène comme fluide de travail, d'une puissance de 22,4 kW à 1500 rpm avec un rendement de 38% ;

1959, Philips réalise, pour " Allison Division Motors ", un moteur Stirling de 7,5 kW pour entraîner le générateur d'un satellite,

1960-70, Philips commercialise un réfrigérateur Stirling industriel d'une puissance de refroidissement de 25 kW à 77 kW ;

1958-70, contrat avec "Général Motors";

1972, contrat avec "Ford Motor Company";

1975, réalisation d'un moteur Stirling de 127 kW à quatre cylindres de type "Swashplate" pour la "Ford Totino";

1978-79, le dernier moteur Stirling construit par Philips qui est un moteur de 3kW pour entraîner une pompe à chaleur domestique.

La première invention du moteur Stirling à piston libre est attribuée à W.T. Beale, en 1969.
Un autre moteur Stirling à pistons libres (M 100) a été construit et commercialisé par Sunpower.
Sa puissance était de 100 W à 50Hz.
A présent ce moteur n'est plus disponible mais Sunpower propose d'autres machines, notamment pour la conversion énergétique de la biomasse, la cogénération domestique, le pompage, les pompes à chaleur, les cycles frigorifiques, cryogéniques, la compression de vapeur et la production d'électricité.
Depuis une centaine d'années, l'existence des moteurs à combustion interne restreint le développement des moteurs Stirling.
Dans le domaine de la traction automobile, les moteurs à combustion interne présentent, par rapport aux moteurs Stirling, deux avantages déterminants :
accélération rapide, mise en marche immédiate.
L'accélération d'une voiture mue par un moteur Stirling n'est correcte que si l'on utilise des dispositifs lourds et onéreux et pour mettre en marche un moteur Stirling, il faut d'abord chauffer le réchauffeur, ce qui empêche la voiture de circuler immédiatement.
Mais l'application des moteurs Stirling dans les véhicules hybrides présente toujours de l'intérêt.

B. Le cycle de Stirling

Le cycle de Stirling remonte à une date antérieure à la thermodynamique et au cycle de Carnot qui apparaît dans la publication de Nicolas, Léonard et Sadi Carnot : " Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance ", datant de 1824.
On définit classiquement le cycle de Stirling comme étant un cycle fermé au cours duquel une certaine masse de fluide de travail subit une succession de quatre transformations thermodynamiques, soit deux transformations isothermes (à température constante) et deux transformations isochores (à volume constant).
Ce cycle idéal est présenté dans un diagramme thermodynamique (P,V) (voir figure ci-dessous).
Au cours de ce cycle, le fluide de travail subit une action calorifique pendant chacune des quatre transformations mais ne subit un travail que lors des deux transformations isochores.

C. Classification du moteur Stirling

La classification généralement utilisée dans le domaine des moteurs Stirling identifie trois niveaux de catégorisation :

o Le mode de fonctionnement,
o L'agencement des cylindres,
o Le couplage des pistons.

1. Mode de fonctionnement

On peut distinguer trois types indépendants de modes de fonctionnement.

Un moteur Stirling peut fonctionner en :

o Simple ou double effet : selon que le piston travaille sur une seule ou sur ses deux faces ; les moteurs à double effet sont caractérisés par la possession d'un seul piston par cylindre ;

o Mono ou multiphasique : selon l'état thermodynamique du fluide, qui peut être diphasique par exemple dans les fluidynes ;

o Résonnant ou non résonnant : cette distinction n'est pertinente que pour les moteurs à piston libre et les fluidynes.

Le mode de fonctionnement résonnant correspond aux machines dont le déplaceur et le piston se déplacent de façon continue et, dans la plupart des cas, de façon sinusoïdale.
Le mode non résonnant ou surexcité ("over driven") correspond à un fonctionnement pour lequel le mouvement du déplaceur et/ou celui du piston sont discontinus. Ces deux modes de fonctionnement seront étudiés ultérieurement.

2. Agencement des cylindres

On distingue trois types de configuration selon la façon dont les différents cylindres sont disposés :

o Les moteurs de type alpha possèdent deux cylindres séparés, dans chacun desquels se trouve un piston hermétique.
Les variations de volumes chauds et froids sont créés séparément par les mouvements de piston distincts,

o Le terme bêta désigne un arrangement à un seul cylindre.
Le piston déplaceur et le piston de travail y sont en tandem et les volumes variables chaud et froid sont formés par l'action conjuguée des deux pistons,

o Le type gamma est en quelque sorte un hybride des deux précédents.
On y trouve deux cylindres comme dans le couplage alpha mais les volumes variables chaud et froid sont créés de la même façon que dans la configuration bêta.

3. Le couplage des pistons

On distingue trois types différents de couplage des pistons dans les moteurs Stirling :

o Le couplage rigide (moteurs cinématiques),

o Le couplage gazeux (moteurs à pistons libres),

o Le couplage liquide (fluidynes).

A. La parabole Stirling ou "Dish Stirling" Soleil

Le système "Dish Stirling" résulte de l'assemblage d'une parabole et d'un moteur Stirling.
Nous venons d'adapter à une parabole de 3 mètres de diamètre le moteur Stirling ST05G conçu et réalisé par Dieter Viebach, ingénieur mécanicien de Kolbermoor près de Munich en Allemagne.

Constatant qu'aucun système de micro cogénération utilisant la biomasse et destiné à des applications domestiques n'était disponible sur le marché, Dieter Viebach s'est tout d'abord lancé dans la réalisation de ce moteur gamma.
Fédérant autour de lui une cinquantaine d'amateurs qui se réunissent à l'Institut Universitaire de Mécanique de Munich, il a vendu 70 kits dans le monde entier à ce jour dont certains tournent effectivement sur des chaudières à gaz ou des fourneaux à bois.

Voici les caractéristiques du moteur ST05G de type gamma que nous utilisons :

o Fluide de travail : Air,
o Pression : 5 à 6 bars,
o Alésage du piston: 80 mm,
o Alésage du déplaceur : 96 mm,
o Courses: 75 mm,
o Vitesse: 600 T/mn,
o Puissance: 240 Watts,
o Rendement mécanique: 24%.

B. La parabole Stirling Hybride Soleil Biogaz à alternateur linéaire

L'objectif du groupe est de réaliser un stirling hybride soleil biogaz à alternateur linéaire de 3kW électrique (télévision, hi fi, électroménager, informatique, lumière) et de 6 kW de chaleur.
Cette polyvalence soleil biogaz assurera au système une alimentation continue en énergie renouvelables (24H/24).

Ainsi :
o Pendant la journée, la parabole Stirling produit de l'eau chaude et de l'électricité avec le soleil,
o Pendant la nuit ou lorsque le ciel est couvert, la parabole Stirling produit de l'eau chaude et de l'électricité avec le biogaz des eaux d'égout (production de biogaz multipliée par 16 par cycle biologique).

1. Récepteur hybride soleil biogaz

A ce sujet, le Centre Aérospatial Allemand (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt) effectue des travaux de recherche sur un système Dish Stirling (parabole + stirling) avec un récepteur à gaz en collaboration avec l'entreprise SOLO et son moteur 161.
La firme SOLO Kleinmotoren GmbH a produit 170 moteurs Stirling qui ont totalisé à ce jour 50 000 heures de fonctionnement.
Le dernier type connu de ce constructeur est le SOLO 161 de 160 cc, il produit 11 kW à 1500 T/mn pressurisé à l'hélium à 150 bars.
Le rendement mécanique du moteur équipé de son brûleur à gaz atteint 30 %.
A Alméria, en Espagne, un SOLO 160 utilisé en Dish Stirling, c'est à dire placé au foyer d'une parabole solaire de 8,5m de diamètre produit 10 kW avec un rendement de 31 % (Thermique>Electrique) soit 21% de rendement global entre rayonnement solaire incident et électricité.

2. Alternateur linéaire

Le centre d'écologie sociale de Langenbruck en Suisse travaille, en collaboration avec des partenaires industriels, sur la mise au point d'un Stirling alternateur linéaire (c'est à dire sans le système bielle manivelle) de 1,5 kW électrique, 3 kW chaleur fonctionnant au gaz biogaz. Ils souhaitent le commercialiser avec leur partenaire industriel en 2001, 20000 Stirling cogénératrices pour un logement ; 23000F pièce.

C. La chaudière Stirling à biocombustible

La chaudière Stirling à biocombustible remplace la chaudière classique avec son rendement performant à 95 %.
On peur utiliser comme biocombustible l'huile de tournesol.
L'entreprise KROLL commercialise un brûleur polycombustible série KG 20 qui peut brûler l'huile de tournesol, l'huile de colza et le fuel domestique.

A. Un moteur domestique

Pour un usage domestique, les cogénératrices Stirling (Parabole Stirling ou Chaudière Stirling) présentent plusieurs avantages :
o Le moteur Stirling est silencieux : ni bruit pulsatoire à l'échappement, ni vibrations, ni chocs, ni claquement de soupapes,
o Le moteur Stirling est pratique: peu de maintenance et une longue durée de vie, il ne comporte ni soupapes, ni bougies, ni injecteurs; les cylindres sont lubrifiés à sec; les parties mobiles ne sont pas en contact avec les gaz de combustion et ne sont donc pas contaminées par les résidus (on peut utiliser des paliers à roulements); il y a très peu de composants auxiliaires,
o Le moteur Stirling est peu polluant: la combustion extérieure et continue, à basse pression, peut être parfaitement contrôlée pour émettre peu de polluants (3 à 4 ppm de NOx),

B. Un moteur écologique

La Parabole Stirling soleil biogaz est une solution concrète aux problèmes posés par les 420 réacteurs nucléaires, par la destruction des 2000 ha de forêts et par la nonabsorption de 3 ,3 milliards de tonnes de C02 sur les 7,1 Milliards de tonnes.
La Parabole Stirling soleil biogaz est une technologie qui peut permettre de changer le cours des pollutions mondiales.

C. Un moteur économique

Le moteur Stirling fait aujourd'hui l'objet de nombreux programmes de R&D aux Etats Unis, au Japon et en Europe du Nord, où il y a déjà quelques opérations de démonstration en vraie grandeur, notamment en Allemagne (20 installations de 3 à 9 kW électrique) et aux Pays Bas (Gasunie a repris et adapté la technologie mise au point en 1995 par la société WhisperTech Ltd pour le chauffage et l'alimentation électrique des bateaux avec une puissance de 800 W électrique).

Parmi ces programmes, citons celui qui associe, dans le cadre de THERMIE, les sociétés Scottish Hydro Electric (GB), NESA (Danemark), Sigma Elektroteknisk AS (Norvège), TEM (Suède) et EA Technology (GB) pour démontrer la viabilité technique et économique du Siglma PCP (Personal Combustion Power Plant), lui même développé à partir du moteur mis au point dans les années 80 par la fondation TEM de l'université de Lund en Suède pour les véhicules hybrides.

Le Sigma PCP consomme 12,5 kW PCS de gaz naturel pour produire 9 kW de chaleur et 3 kW d'électricité, ce qui correspond à un rendement global de conversion de 95%. Le marché visé est celui du remplacement de vieilles chaudières dans le secteur domestique.
La simulation économique réalisée sur le marché britannique, actuellement le plus concurrentiel, montre que le surcoût du moteur Stirling Sigma PCP au gaz naturel (9 kW de chaleur, 3 kW d'électricité) par rapport à une chaudière neuve est rentabilisable en 4 ans grâce à l'électricité revendue au réseau. Cinq unités tests vont être installées dans des bâtiments représentatifs, deux en Ecosse, deux au Danemark et un en Norvège.
Selon les professionnels français du chauffage, du froid, de la climatisation et de l'aéraulique, la micro cogénération pourrait commencer à concurrencer de plus en plus sérieusement les chaudières traditionnelles pour le chauffage de locaux résidentiels ou tertiaires. Telle est l'une des impressions qui ressort d'un colloque sur l'avenir de la cogénération organisé à Paris les 3 et 4 février 1999.
Autre intervenant du colloque de l'ATEE, Gérard Beckers (ECN, centre de Recherche et Développement néerlandais) a affirmé que "la renaissance du moteur Stirling micro cogénération est imminente".
Il a précisé que, avec un prix "consommateur" de l'appareil d'environ 6000 F, le temps de retour brut était de quatre ans. M. Beckers estime à deux millions, en principe, le nombre de maisons qui, aux Pays Bas, pourraient être équipées d'un système de microcogénération. Chacune de ces maisons pourraient ainsi produire 2500 kWh/ an d'électricité.
Egalement à propos de la micro cogénération, Claude Servais, délégué du Club Cogénération de l'ATEE, l'Association technique Energie Environnement, a observé qu'il s'agissait d'un marché "grand public" similaire, pour ne pas dire concurrent du marché des chaudières de petite puissance.

Les systèmes de micro cogénération s'adressent potentiellement aux 22 millions de résidences principales en France car ils permettent de répondre aux besoins énergétiques domestiques (eau chaude, chauffage, électricité) avec un rendement meilleur et à un moindre coût que les énergies classiques (électricité d'origine nucléaire, chauffage au pétrole et gaz naturel, électricité photovoltaïque).

La micro cogénération permet donc la décentralisation de l'appareil de production énergétique.

A. Contacts

Brûleur polycombustible

KROLL
Chauffage par Récupération, Générateurs d'Air chaud
3, Rue du Moulin Bateau
94380 Bonneuil sur Marne
Tél. 0 1 43 77 03 64
Fax. 01 43 99 97 60

Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt
Institut fur Technische Thermodynamik
Postfach 800 320, D 70503 Stuttgart, Germany
Dieter VIEBACH
Entwicklungsbüro, Spielhahnstr.17, D83059 Kolbermoor

CENTRE D'ECOLOGIE SOCIALE LANGENBRÜCK
Ükozentrum Langénbruck
Schwengisstrasse 12
CH 4438 Langenbruck
Tel. + 41(0)62 387 31 11
Fax +41(0)62 390 16 40
E mail : http://oekozentrun@access.ch

Uwe MOCH
Stirling Motorenbau
Jordanstr 29
30173 Hannover

Entreprise SOLO Kleinmotoren GmbH
Postfach
D 71050 Sindelfingen
Tél. 07 031/301 0

B. Sites Internet Stirling

http://www.bboxbbs.ch/home/rich/tpphys/c1.html

http://www.mech.saitamau.ac.jp/kiriji/begin/index.html

http://www.stirlingtech.com/stirling/history.htm

http://www.solstice.crest.org/renewables/dishstirling/chapter6/direct.html

http://www.powerwrb.lerc.nasa.gov/stirling/home.html

http://www.stirlingthermal.com/

C. Références bibliographiques

Stirling Maschinen
Technik Anwendung
Martin Werdich

The Stirling Engine Manuel
James G.RIZZO

Stirling Engines
G.T.Reader C.Hooper

CONTACT - DIFFUSION

- L'exposition de bio-architecture sera mise sur le web ultérieurement par des étudiant(e)s.
- Si vous êtes intéressé par l'auto-garantie des nécessités vitales, cf brochure n°1 Habitat d'urgence (prix 60 F).

Cette brochure peut être librement reproduite, traduite et expérimentée sans indication d'origine.
Les résultats de ces recherches sont donnés à tous, pour l'autonomie de l'espèce humain Signalons que des modifications y seront apportées, dans les années qui vont suivre, rendant compte de l'évolution des recherches et des nouvelles découvertes.

Cette brochure a un coût de 100 F pour le cofinancement de la recherche écologique, et plus, pour l'entraide.
Pour se la procurer, écrire à C.J.L. - Energie B.P. 11- 34830 Clapiers

Elle sera aussi prochainement disponible sur le web au niveau mondial, dans une version comprenant l'ensemble des éléments proposés dans cette exposition sur la bio-architecture, sur le site suivant :
http://www.multimania.com/guilhem/chut.htm

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