Moteur Stirling

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Moteur Stirling

CONVERSION D’ÉNERGIE PHOTOTHERMIQUE AVEC UN MOTEUR STIRLING
CHARLES-ANDRÉ CARON
DENIS CHAMPAGNE
COLLÈGE ANDRÉ-GRASSET
VOLET PÉDAGOGIQUE
CATÉGORIE INNOVATION
29 JANVIER 2009
Charles-André Caron – Denis Champagne
Résumé
Le contexte énergétique mondial actuel est peu reluisant : l’utilisation prolongée et
croissante de combustibles fossiles a épuisé les ressources disponibles de cette source
d’énergie en plus de modifier l’équilibre thermique de la Terre par les gaz dégagés par
leur combustion. Ainsi, pour des raisons de santé environnementale, de changements
climatiques et d’économie, il importe de changer les habitudes de consommation
d’énergie de la société. Le développement d’énergies dites propres est dépendant de la
capacité à convertir l’énergie moyennant le plus bas coût possible tout en visant le
rendement le plus élevé, ce qui constitue un défi de taille pour les ingénieurs œuvrant
dans le domaine de l’énergie.
Il existe toutefois une machine bien intéressante, inventée au début du XIXe siècle, qui
semble très prometteuse en ce qui concerne la conversion de l’énergie thermique
provenant du Soleil : le moteur Stirling. En fait, il a un rendement supérieur aux cellules
photovoltaïques, et même aux moteurs à combustion interne… Bien que des détails liés à
sa nature peuvent sembler prohibitifs à certains égards (coût encore élevé, difficulté à
accélérer), il reste que son utilisation dans les centrales solaires des régions ensoleillées
s’avère profitable sur plusieurs plans. Certaines de ces centrales sont en construction en
Californie, par exemple. De plus, l’exploitation de l’énergie thermique n’autorise pas
seulement l’utilisation de l’énergie solaire : de nombreux processus industriels impliquent
de grandes pertes de chaleur, mais celle-ci peut être récupérée par le moteur Stirling.
Le but de notre projet est la construction d’un moteur Stirling à bas prix, en mettant à
profit une variété de matériaux recyclés. En prenant ce qui nous tombe sous la main, nous
pourrons alors fabriquer un engin qui pourra transformer l’énergie thermique en
mouvement et, si la luminosité le permet, à partir de la lumière du Soleil.
Ce document a été imprimé sur du papier recyclé à 100%.
ii
Table des matières
Introduction....................................................................................................................... 1
La problématique environnementale .............................................................................. 2
Le moteur Stirling : historique et fonctionnement ........................................................ 3
Notre moteur ..................................................................................................................... 5
Qu’est-ce que le principe 3RV-E? ................................................................................... 7
Comment notre moteur Stirling permet de recycler les matériaux et l’énergie ......... 8
Perspectives et applications des moteurs Stirling en général...................................... 10
Conclusion ....................................................................................................................... 13
Bibliographie ................................................................................................................... 14
iii
Introduction
Le contexte énergétique global dans lequel nous vivons exigerait que les énergies propres
et renouvelables constituent la majorité de nos sources d’énergie. Les sociétés
commencent à se poser toutes sortes de questions pour régler les problèmes d’ordre
environnemental et énergétique. Il conviendrait cependant d’affirmer qu’une partie de la
solution se trouve… dans le ciel! En effet, le Soleil est à la base de la quasi-totalité de
l’énergie que nous utilisons : il permet le cycle de l’eau, la photosynthèse, les courants
aériens, etc. Pourtant, nous n’utilisons que très peu l’énergie qui en provient directement
sous forme de lumière, alors il ne semble pas fortuit de dire que nous gaspillons
l’abondance de cette source d’énergie. Pour remédier à cette situation, il importe de
connaître comment exploiter les rayons du Soleil à leur plein potentiel!
Les cellules photovoltaïques, dont l’utilisation est de plus en plus courante, commencent
à être bien connues du public; toutefois, il y a un potentiel très grand dans l’énergie
photothermique. Pour l’exploiter, il existe une invention plutôt méconnue : le moteur
Stirling. Contrairement aux cellules photovoltaïques qui transforment le rayonnement en
électricité directement, le moteur Stirling utilise l’effet thermique de la lumière pour
produire du mouvement. En plus d’avoir un rendement considérablement élevé, le
fonctionnement simple du moteur permet de l’utiliser également pour l’énergie
géothermique, la chaleur dégagée par les équipements industriels ou l’énergie nucléaire.
Notre projet consiste donc à concevoir et à construire un moteur Stirling à coût modique
en recyclant des matériaux, ce qui consistera en une expérience en prise directe avec le
concept des 3RV-E.
Afin de comprendre le lien entre le développement de cette technologie de conversion
thermique et les problèmes environnementaux et énergétiques, il convient tout d’abord
d’analyser l’utilisation d’énergie dans le monde. Par la suite, le développement et le
fonctionnement du moteur Stirling en général, puis du moteur construit dans le cadre de
notre projet, seront traités afin de mieux cerner comment ce type de moteur pourrait
s’inscrire dans l’optique du développement durable. Enfin, nous verrons les perspectives
à long terme de toutes sortes d’applications du moteur Stirling.
1
La problématique environnementale
Avec l’augmentation de la population et l’essor des pays émergents, les demandes en
énergie ne cessent de croître. Actuellement, environ 37 % de l’énergie consommée
provient du pétrole, 25 % du charbon et 23 % du gaz naturel. Cela représente 85 % de
l’énergie totale consommée mondialement, alors que 0,5 % provient de l’énergie
thermique du Soleil et 0,04 % de l’énergie photovoltaïque.1 Nous sommes
malheureusement très loin de l’exploitation du plein potentiel de l’énergie solaire, qui est
propre et renouvelable.
Tout le monde sait que l’utilisation des combustibles fossiles comme le pétrole et le
charbon est très néfaste pour l’environnement. Toutes les étapes de l’utilisation de ces
formes d’énergie polluent l’eau et l’air, que ce soit durant l’extraction du charbon des
mines, l’extraction du pétrole des sables bitumineux, le raffinage ou la combustion dans
les moteurs de nos voitures. Les prix ne cessent de grimper et la demande aussi. En plus
d’être chère et polluante, cette énergie provient de ressources naturelles non
renouvelables. La pollution de l’eau et de l’atmosphère affecte tous les écosystèmes de la
planète. Les gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone, expulsés dans l’air par la
combustion contribuent au réchauffement climatique. Les autres gaz toxiques comme les
oxydes d’azote et de soufre entraînent des pluies acides et ont des effets néfastes sur la
santé de tous les vivants. Il est donc primordial d’investir dans la recherche et le
développement de technologies pour produire de l’énergie à partir de sources d’énergie
propres et renouvelables.
Il en existe une grande variété : l’énergie solaire, éolienne, hydraulique et géothermique.
La maîtrise de ces sources d’énergie est à notre portée et nous devons commencer à les
exploiter à grande échelle le plus rapidement possible. En réalité, plusieurs de ces
différentes formes d’énergie propre ont une source commune : le Soleil. C’est le Soleil
qui réchauffe l’eau et crée le cycle de l’eau que nous exploitons par nos centrales
hydroélectriques ou marémotrices. C’est aussi le Soleil qui réchauffe l’atmosphère et
engendre le mouvement des masses d’air, autrement dit le vent. Ces sources
renouvelables peuvent remplacer peu à peu les sources d’énergie traditionnelles, tout en
créant de nouvelles opportunités économiques. Prenons par exemple l’Allemagne où
14,2% de l’énergie provient de sources renouvelables. L’industrie de l’énergie
renouvelable a permis de créer près de 240 000 nouveaux emplois.2
Plus particulièrement, l’énergie solaire offre énormément d’opportunités intéressantes en
ce qui concerne l’énergie renouvelable. Ce que la majorité de la population a de la
1
WIKIPEDIA. World energy resources and consumption. [En ligne],
http://en.wikipedia.org/wiki/World_energy_resources_and_consumption (Page consultée le 25
janvier 2009).
2
MINISTÈRE FÉDÉRAL DE L’ENVIRONNEMENT, DE LA CONSERVATION ET DE LA
SÉCURITÉ NUCLÉAIRE DE L’ALLEMAGNE. Big boost for renewable energies. [En ligne],
http://www.erneuerbare-energien.de/inhalt/40791/5466/ (Page consultée le 25 janvier 2009).
2
difficulté à cerner, c’est le potentiel incroyable du solaire. Après tout, la plus grande
partie de l’énergie utilisée naturellement sur la Terre provient uniquement de l’énergie
reçue du Soleil, que ce soit la photosynthèse des plantes (et, indirectement, de la
formation des combustibles fossiles), les vents ou les courants marins. En fait, en
provenance du Soleil, on reçoit chaque année une énergie de 3,85 yottajoules sur la
surface de la Terre (3 850 000 000 000 000 000 000 000 joules, c’est-à-dire plus de
800 milliards de tonnes de TNT, en comparaison!). Cette quantité d’énergie annuelle est
si importante qu’elle représente le double de l’énergie pouvant être générée avec toutes
les ressources non renouvelables qui existent sur la Terre, comme les combustibles
fossiles.3 Cette abondante énergie peut être captée sous deux formes : l’énergie
photovoltaïque et l’énergie thermique. L’énergie photovoltaïque est obtenue à l’aide de
cellules photovoltaïques dans des panneaux solaires pour convertir la lumière en courant
continu. Malheureusement, ces cellules sont très coûteuses. L’énergie thermique du
Soleil, quant à elle, est beaucoup plus facile à capter. Il suffit de laisser un objet foncé au
Soleil pour remarquer qu’il se réchauffe. Avec une parabole réfléchissante, on peut
concentrer les rayons du Soleil au foyer et donc réchauffer un objet à ce point à de très
hautes températures. Et si on y plaçait un engin capable d’exploiter cette chaleur intense?
Cela s’avérerait peut-être beaucoup moins coûteux et beaucoup plus efficace que la
conversion de lumière en énergie électrique.
Nous voulons donc concevoir de façon abordable un système capable de démontrer qu’il
est possible de générer de l’énergie à partir du Soleil, la source d’énergie renouvelable
par excellence. C’est dans cette perspective que nous aborderons le moteur Stirling : une
machine nécessaire pour le développement durable, utilisant une source d’énergie saine
pour l’environnement et renouvelable (énergie photothermique ou l’énergie thermique
provenant des déchets industriels) et construite de manière à être le moins dommageable
possible pour l’environnement.
Le moteur Stirling : historique et fonctionnement
Pour convertir l’énergie photothermique, ou même simplement thermique, il faut un
moteur thermique. Il existe justement un type de moteur thermique nommé « moteur
Stirling » qui, de conception simple à la base, permet de convertir directement l’énergie
thermique en énergie mécanique de façon plutôt efficace. Le moteur Stirling est né en
1816, d’une brillante idée d’un pasteur écossais, Robert Stirling, qui souhaitait diminuer
le nombre d’accidents occasionnés par les machines à vapeur, pourtant en popularité
croissante.4 En effet, les machines à vapeur nécessitent des chaudières où règne une très
grande pression, susceptible de causer des accidents mortels. Le moteur Stirling présente
donc une innovation pour régler ce problème : l’utilisation de la combustion externe. La
chaleur est apportée de l’extérieur de la machine, ce qui réduit les risques d’explosions,
3
4
WIKIPEDIA. Solar Energy. [En ligne], http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy (Page consultée le 25
janvier 2009).
GRAS, Pierre. Le moteur Stirling. [En ligne], http://www.moteurstirling.com/histoire.php (Page
consultée le 13 octobre 2008).
3
car il est inutile de faire chauffer l’eau dans une chaudière à haute pression, puisque
chauffer l’air ambiant par combustion suffit pour alimenter ce moteur en énergie.5
Également, la mise en place d’une pièce appelée « régénérateur » dans la tuyauterie du
moteur permet d’éviter une trop grande perte d’énergie, améliorant ainsi son rendement.6
Toutefois, en raison de problèmes techniques et d’une puissance trop faible par rapport à
la machine à vapeur et, plus tard, au moteur à combustion interne, le moteur à air chaud
de Stirling n’obtient pas le succès escompté. Le moteur Stirling n’est plus qu’un objet
d’étude pour les physiciens.
En 1871, les progrès de la thermodynamique accomplis au XIXe siècle permettent à
Gustav Schmidt de décrire mathématiquement le cycle de Stirling.7 À la base, le moteur
utilise une différence de température entre deux points pour chauffer, dilater, refroidir et
compresser un gaz, et ce, par l’utilisation de réservoirs thermiques, de pistons et de
tuyaux permettant les échanges thermiques appropriés. Comment l’énergie mécanique
est-elle produite à partir de l’énergie thermique? Il suffit d’utiliser le principe suivant :
compresser un gaz demande de l’énergie, faire dilater un gaz fournit de l’énergie et plus
la pression du gaz est grande, plus ces échanges d’énergie seront importants.8 C’est la
différence de température qui permet de faire varier la pression selon l’étape du cycle.
Premièrement, on dilate le gaz à haute pression : cela fournit beaucoup d’énergie.
Deuxièmement, on envoie le gaz du côté froid et la pression diminue. Troisièmement, on
comprime le gaz à basse pression : cela demande un peu d’énergie, mais moins que ce
qui a été fourni à la première étape. Quatrièmement, on envoie le gaz du côté chaud et la
pression remonte. Puis, on recommence. Donc, le principe de base consiste à faire dilater
un gaz à haute pression, ce qui fournit beaucoup d’énergie, puis de le comprimer à basse
pression, ce qui demande de l’énergie, mais moins. Donc, à chaque fois que le cycle est
répété, on récolte un surplus d’énergie. Bien sûr, il faut constamment alimenter le moteur
en énergie thermique pour maintenir la différence de température et faire tourner le
moteur. On appelle cela le cycle de Stirling (bien que ce ne soit pas Stirling qui l’ait
décrit, car ce moteur fait partie des nombreuses innovations technologiques inventées
avant que la science soit assez avancée pour décrire le phénomène à la base de leur
fonctionnement).9
5
LYONNET, Daniel. Les moteurs Stirling. [En ligne], http://www.moteur-stirling.com/Index.htm (Page
6
URIELI, Israel. The Schmidt Analysis. [En ligne], http://www.sesusa.org/DrIz/isothermal/Schmidt.html
(Page consultée le 30 octobre 2008).
7
8
BENSON, Harris. Mécanique, Saint-Laurent, Éditions du Renouveau Pédagogique, 2004, 634 p.
9
GRAS, Pierre. Le moteur Stirling. [En ligne], http://www.moteurstirling.com/histoire.php (Page consultée
le 13 octobre 2008).
4
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.10 Les avancées scientifiques et
techniques développées depuis le début du XIXe siècle permettent en effet à Philips de
développer un moteur puissant, avec un rendement supérieur à 30 % (comparable aux
moteurs à essence actuels), mais pour des raisons de concurrence, cette technologie n’a
des applications qu’en cryogénie.11 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 grandissant de sources d’énergie alternatives. Effectivement, ce n’est pas parce
que Robert Stirling utilisait la combustion pour alimenter son moteur en énergie
thermique qu’il n’est pas possible d’utiliser d’autres sources d’énergie : énergie solaire,
énergie géothermique, énergie nucléaire, chaleur rejetée par les usines, etc. Dans une
perspective écologique, c’est extrêmement intéressant, d’autant plus que le régénérateur,
du fait qu’il préchauffe et prérefroidit le gaz, permet littéralement de recycler de
l’énergie! Ainsi, les avancées en sciences 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.12 La situation est telle que
les moteurs Stirling sont couplés avec des paraboles solaires géantes et utilisent l’énergie
solaire avec un rendement supérieur aux cellules photovoltaïques, à un prix élevé
toutefois.
Notre moteur
Le but de notre projet est de construire un prototype de moteur Stirling écologique
fonctionnel à prix modique. Cela permettra de faire connaître le moteur Stirling, qui n’est
pas vraiment familier au public. En effet, dans une perspective de développement
durable, ce moteur peut s’avérer très intéressant et c’est pourquoi il semble pertinent de
susciter un intérêt pour ce type de technologie. Le moteur que nous concevons et
construisons doit donc être constitué de matières majoritairement recyclées, sinon faciles
d’accès, afin de montrer la faisabilité d’un tel projet. Cela permet un coût et un impact
écologique moindres. Dans le cas de notre moteur, l’alimentation en énergie, afin de
répondre à un besoin sociétal croissant d’économie des ressources, doit permettre
l’utilisation de toute une gamme de sources d’énergie thermique, incluant l’énergie
solaire. Cela est permis par le chauffage d’eau dans un réservoir enrobant les pistons par
une source d’énergie quelconque.13 Dans le cas spécifique où l’on désire alimenter le
10
11
12
NASA. Composite-Matrix Regenerators for Stirling Engines. [En ligne],
http://www.techbriefs.com/content/view/2113/ (Page consultée le 30 octobre 2008).
13
GURSTELLE, William. Two-Can Stirling Engine. [En ligne],
http://www.make-digital.com/make/vol07/?pg=100c (Page consultée le 5 octobre 2008).
5
moteur en énergie solaire, il faut tout simplement placer un miroir parabolique en
direction du Soleil, avec un des deux réservoirs d’eau au foyer de la parabole.
La structure de base du moteur est en bois, celui-ci provenant, dans le cas présent, d’un
vieux meuble démantelé. Évidemment, le bois utilisé peut avoir n’importe quelle
provenance, et il n’en faut qu’une quantité limitée : l’important, c’est que tout tienne en
place. Les réservoirs d’eau et les pistons sont tout simplement des récipients de nourriture
qui bénéficient d’une seconde vie, c’est-à-dire deux petits barils de bière et des cannettes
en aluminium. Nous avons même utilisé des morceaux de K’NEX, un jeu de construction
similaire aux LEGO, pour notre assemblage de pistons. Le gaz de travail (qui se trouve
dans les pistons et la tuyauterie) est l’air : comment imaginer un gaz aussi peu polluant et
facile d’accès? Afin d’emmagasiner l’énergie thermique, on utilise de l’eau que l’on met
dans les réservoirs. L’eau joue en fait un double rôle : en plus de retenir très bien
l’énergie thermique, elle sert à emprisonner l’air dans les cannettes renversées dans l’eau.
On obtient alors un système fermé propice aux échanges de chaleur. Évidemment, de la
colle et des vis sont de mise.
Néanmoins, tout n’a pas pu être recyclé. Il a fallu acheter de la tuyauterie en CPVC (ainsi
que la colle correspondante), deux roues de métal et une longue tige de fer (c’est tout!).
Ainsi, plusieurs personnes peuvent très bien posséder déjà chez eux la majorité des
matériaux nécessaires à la construction d’un moteur thermique. On peut comprendre que
même si quelques matériaux utilisés ne sont pas recyclés, une bonne partie l’est et le
restant est très peu coûteux. Par contre, il faut l’avouer, la démonstration du
fonctionnement de notre prototype n’est pas très écologique en soi, car pour les fins de la
démonstration, nous emploieront une puissante lampe électrique pour recréer le Soleil à
l’intérieur de l’édifice. Nous utiliserons aussi une bouilloire pour préchauffer l’eau.
De cette manière, on obtient un moteur dit « à air chaud » qui, à défaut d’être efficace, est
tout de même fonctionnel. Pour en faire un moteur Stirling, il faut introduire un dispositif
appelé « régénérateur », qui en est la particularité la plus intéressante. Dans notre cas, le
régénérateur est simplement une multicouche de filets de fils de cuivre placés dans le
tuyau reliant le réservoir chaud au réservoir froid du moteur. Ainsi, lorsque l’air passe du
réservoir chaud au réservoir froid, il donne une partie de son énergie thermique au
cuivre : l’air est prérefroidi. On évite ainsi de réchauffer le réservoir froid au détriment du
réservoir chaud. Quand l’air, devenu froid, revient dans le tuyau vers le réservoir chaud,
il repasse dans les fils de cuivre, qui ont été réchauffés par le dernier passage. L’air est
donc préchauffé avant d’entrer dans le réservoir chaud, qui a maintenant besoin de
donner un peu moins d’énergie à l’air pour le réchauffer, car l’air froid a été tiédi par la
matrice de cuivre. Dans un moteur sans régénérateur, la chaleur aurait été transportée du
réservoir chaud au réservoir froid presque en totalité, diminuant la différence de
température (et donc le rendement) et exigeant un plus grand apport d’énergie. Ainsi, le
régénérateur permet de « mettre en attente » de l’énergie thermique. Cette énergie peut
donc être réabsorbée ou réémise par le gaz de travail selon l’endroit où l’on est dans le
6
cycle, sans être perdue. C’est pourquoi on considère que le régénérateur permet de
recycler de l’énergie.14
Financièrement parlant, pour un moteur Stirling simple, là où le bât blesse, c’est
lorsqu’on désire rendre le moteur solaire. Il faut compter aux alentours de 260 $ pour
obtenir un bon miroir parabolique, ce qui est bien plus que tout ce qui a été déboursé pour
avoir un moteur Stirling de base (il en existe à partir de 80 $, mais ils sont plus petits :
moins d’énergie est captée). En plaçant le foyer du miroir parabolique d’assez grandes
dimensions sur le réservoir chaud, on réussit à maintenir une bonne différence de
température, à condition que la source lumineuse soit assez intense. Toutefois, il est à
noter qu’un moteur Stirling de conception très simple, comme le nôtre, n’est pas des plus
efficaces avec un concentrateur solaire parabolique pour seul élément chauffant, le
montage ne permettant même pas de porter l’eau à ébullition. Cependant, dans un cadre à
la fois expérimental et éducatif, il est très intéressant d’étudier les paramètres du moteur
avec l’utilisation d’une parabole, car les moteurs Stirling les plus performants sont, dans
les faits, couplés à des miroirs paraboliques géants dont la qualité permet une excellente
performance du moteur.
Au cours des prochains mois, afin de confirmer le caractère expérimental du projet, nous
pourrons faire les premières analyses physiques : température, pression, puissance et
rendement. Après cela, nous construirons d’autres régénérateurs, avec des matériaux et
des formes différents (nous changerons le métal ou la forme du grillage utilisé), et
vérifierons, par les mêmes expériences, si la puissance a été modifiée (la modification de
la température et de la pression à l’intérieur du moteur nous aidera à comprendre les
processus physiques mis en jeu avec le nouveau régénérateur). Finalement, une
modélisation mathématique du moteur en fonction de nombreux paramètres serait
intéressante.
Qu’est-ce que le principe 3RV-E?
Avant de comprendre comment notre moteur Stirling solaire permet d’aider
l’environnement en promouvant les 3RV-E, il faut comprendre justement ce qu’est le
concept des 3RV-E. Cette abréviation englobe plusieurs sous-aspects, tous nécessaires
lors de la considération des solutions à nos problèmes environnementaux. D’abord et
avant tout, le premier R signifie la réduction à la source des déchets. Cette attitude a un
impact direct sur la pollution de l’environnement ainsi que sur le coût de gestion des
déchets. La diminution de déchets engendrés lors de la production de biens profite à
l’environnement en polluant moins l’air, l’eau et le sol. Par conséquent, l’industrie en
question contribue moins au réchauffement climatique ou à la disparition d’eau potable.
En ce qui concerne l’économie, les entreprises qui réduisent leurs déchets à la source
auront à investir moins dans la gestion de leurs déchets. Le consommateur peut lui aussi
réduire ses déchets à la source en optant pour une petite voiture hybride ou diesel
écologique, ou en choisissant des électroménagers qui consomment peu.
14
7
Le deuxième R signifie réemploi, c’est-à-dire la réutilisation d’objets n’ayant subi aucune
transformation. L’utilisation d’un objet pour la même fonction à répétition permet de
diminuer la quantité d’objets destinés aux sites d’enfouissement tout en éliminant les
effets néfastes liés à la production d’un nouvel objet ou à la transformation de cet objet
pour lui donner une autre fonction. Il y a de nombreux exemples de réutilisation dans le
cadre de la vie quotidienne. Nous pouvons, par exemple, utiliser les sacs Ziploc à
plusieurs reprises en les rinçant simplement. Cela permet non seulement de réduire
l’enfouissement de ces sacs en plastique très populaires, mais permet aussi de sauver
quelques dollars à l’épicerie.
Le troisième R a pour signification le recyclage. Le recyclage consiste à transformer un
objet pour le réintroduire sur le marché, souvent avec une autre utilité. Ce procédé permet
de diminuer la dépendance sur les ressources naturelles, mais engendre tout de même des
coûts, pour le triage ou la collecte par exemple. De plus, la transformation elle-même
requiert souvent des ressources naturelles comme de l’eau et beaucoup d’énergie.
Néanmoins, il est toujours préférable d’utiliser presque exclusivement un bac à recyclage
que d’avoir plusieurs sacs de déchets!
La valorisation est un autre concept important, mis en évidence par le V, et consiste à
utiliser les déchets à haute teneur énergétique comme source d’énergie avant de les
rejeter dans la nature. Ces déchets très énergétiques sont produits par bon nombre
d’industries, comme celle des pâtes et papiers ou l’industrie minière. Un bon exemple
d’usine qui exerce la valorisation est l’usine de Subaru en Indiana aux États-Unis. Cette
usine certifiée ISO 14001 produit des automobiles écologiques comme la Legacy PZEV
tout en réutilisant la totalité de ses déchets de production, soit en redirigeant la chaleur
des gaz émis ou en recyclant les déchets industriels : l’usine n’envoie rien au site
d’enfouissement.15
Finalement, l’élimination est utilisée en dernier recours, lorsque la réduction à la source,
la réutilisation, le recyclage et la valorisation s’avèrent impossibles. Elle doit être faite de
manière à nuire le moins possible à l’environnement.
Comment notre moteur Stirling permet de recycler les matériaux et l’énergie
Parce qu’il est construit avec des matières recyclées, notre moteur Stirling solaire
incorpore les concepts importants des 3RV-E et permet de valoriser les déchets
thermiques industriels ou de réduire la production de déchets à la source en profitant de
l’énergie du Soleil pour générer de l’électricité proprement.
Effectivement, la construction de notre moteur Stirling a été faite à partir de matériaux
recyclés ou réutilisés. Le recyclage et la réutilisation sont de bonnes habitudes à prendre,
car ils sont faciles à intégrer à la vie quotidienne et les bénéfices sont énormes. Par
15
SUBARU, Subaru Envrionmental Commitment. [En ligne], http://subaru-earth.com/ (Page consultée le
25 janvier 2009).
8
contre, la société nord-américaine ne recycle pas assez. Selon les statistiques de
l’Environment Protection Agency aux États-Unis, 75 % des déchets solides sont
recyclables tandis que seulement 30 % sont recyclés. Pour illustrer l’envergure du
problème, il est important de noter que 25 millions de bouteilles en plastique sont jetées à
chaque heure aux États-Unis. Par ailleurs, la quantité de bois et de papier jetée à chaque
année est suffisante pour chauffer 50 millions de maisons pendant 20 ans.16 Nous avons
donc jugé qu’il était important de fabriquer essentiellement notre moteur Stirling solaire
avec des matériaux qui ont été réutilisés. Le recyclage et la réutilisation permettent la
diminution de l’utilisation de ressources naturelles, évitent de remplir les sites
d’enfouissement, diminuent la quantité d’énergie nécessaire pour la production et, par
conséquent, diminuent la pollution atmosphérique, car il y a moins de pollution générée
lors de la production de l’énergie.
Dans une de leurs nombreuses applications, les moteurs Stirling permettent aussi la
valorisation en réutilisant l’énergie thermique émise par des processus industriels. En fait,
les centrales thermiques et les grandes industries manufacturières génèrent d’importantes
quantités d’énergie thermique qui sont simplement rejetées dans l’environnement en tant
que déchets, que ce soit dans la vapeur ou l’eau chaude rejetées par ces usines. La
valorisation des déchets industriels a le potentiel de réduire énormément notre
consommation de ressources naturelles pour produire de l’énergie. Par exemple, les
centrales thermiques ou nucléaires ont un rendement habituellement inférieur à 40 %, car
la majorité de l’énergie produite est sous forme de chaleur dissipée. Autrement dit, la
majorité de l’énergie est perdue.17 Sa récupération est pourtant relativement facile et
pourrait, selon une étude du Département de l’Énergie des États-Unis en 2007, générer
200 000 mégawatts d’électricité aux États-Unis seulement.18 La valorisation des déchets
industriels à haute teneur calorique permet non seulement la diminution de la quantité de
ressources nécessaires pour la production de biens ou d’énergie en augmentant
l’efficacité des moyens de production, mais aussi la diminution du réchauffement
climatique en récupérant une bonne partie de la chaleur rejetée dans l’atmosphère. C’est
une solution environnementale facile à instaurer, car l’installation d’un système capable
de valoriser ces déchets peut se faire facilement dans une usine ou une centrale existante.
Or, un moteur Stirling serait un des moyens envisageables pour transformer cette chaleur
en énergie mécanique, puis électrique, puisque son fonctionnement est basé justement sur
les différences de températures. Il suffirait de placer un moteur Stirling sur le toit d’une
usine et de rediriger les vapeurs chaudes des cheminées sur le piston chaud du moteur.
Aucun traitement des déchets thermiques n’est requis au préalable. De plus, puisque les
cheminées sont sur le toit de l’usine, une configuration solaire du moteur Stirling pourrait
16
GREENWASTE. Recycling Stats. [En ligne], http://www.greenwaste.com/recycling-stats (Page
consultée le 25 janvier 2009).
17
WIKIPEDIA. Cogénération. [En ligne], http://fr.wikipedia.org/wiki/Cog%C3%A9n%C3%A9ration
(Page consultée le 25 janvier 2009).
18
WIKIPEDIA. Energy Recylcling. [En ligne], http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_recycling (Page
9
fournir un surplus d’énergie thermique à cette installation. L’électricité créée à partir de
ces déchets thermiques peut non seulement être utilisée par l’industrie qui les produit,
mais aussi revendue sur le réseau de distribution public tout en faisant du profit.
De surcroît, il est intéressant de rappeler que le régénérateur, qui est à la base des
transferts thermiques au sein du moteur Stirling, permet de recycler l’énergie qui permet
sa mise en marche. C’est donc le principe même du recyclage qui lui permet de
fonctionner…
Perspectives et applications des moteurs Stirling en général
Notre moteur n’a pas été conçu dans un but pratique, mais plutôt expérimental, pour le
niveau collégial. Évidemment, les recherches actuelles, se déroulant essentiellement dans
de grands laboratoires américains (en particulier ceux de la NASA), développent des
appareils qui ne ressemblent pas du tout à ce que nous avons construit. Les « vrais »
moteurs ne sont pas faits de cannettes, n’ont pas de base en bois et contiennent de
l’hélium ou de l’hydrogène plutôt que de l’air en tant que gaz de travail. Ils n’ont bien
souvent qu’un seul piston, et la différence de température est induite entre les deux
extrémités du piston. Notons que tout cela n’exclut pas l’utilisation de matériaux
recyclés, comme cela devrait être le cas pour toute industrie moderne. Toutefois, les
« vrais » moteurs Stirling, puisqu’ils n’utilisent pas d’eau, peuvent fonctionner avec des
différences de température maximales de l’ordre de 3 000 °C (grâce à l’énergie solaire!) :
le rendement est excellent, mais cette situation nécessite l’utilisation de matériaux plus
coûteux pouvant y résister. Ce coût, que l’on pourrait qualifier de prohibitif, est un réel
obstacle à la commercialisation du moteur Stirling.
La situation est la même en ce qui concerne le régénérateur : les conceptions plus
évoluées de moteur Stirling font en sorte que des régénérateurs trop simplistes peuvent se
révéler néfastes. Or, l’intérêt d’une telle pièce réside dans la possibilité de réutiliser
l’énergie afin d’améliorer le rendement de façon substantielle. Il faut donc construire des
régénérateurs qui sont des matrices de matériaux composites nanostructurés qui, on peut
facilement l’imaginer, sont bien plus chers que des fils de cuivre. C’est une autre raison
pour laquelle le moteur Stirling semble confiné aux laboratoires, malgré le fait que
l’invention soit bientôt bicentenaire.19
Heureusement, on commence à voir apparaître ce moteur à quelques endroits. Fait
intéressant, un champ de 70 000 concentrateurs paraboliques géants couplés à des
moteurs Stirling est en construction en Californie (1750 MW)! Les miroirs, de très grande
taille, sont situés en plein désert, permettant d’atteindre des différences de température
immenses qui feraient certainement rougir (si elle le pouvait) la bouilloire que nous
utilisons dans notre projet.
19
10
Une autre application solaire est la pompe fluidyne, une pompe fonctionnant avec une
seule différence de température. Le fonctionnement thermodynamique est sensiblement le
même que le moteur Stirling. Cette pompe consiste simplement en un tuyau ascendant
rempli d’eau, avec deux clapets très simples (chacun n’est constitué que d’une bille) ne
permettant à l’eau que de monter. Entre les deux clapets, on permet à l’eau d’entrer dans
un U parallèle au tuyau, U dont les extrémités ont une température différente. Il y a donc
un mouvement d’oscillation d’eau dans le U, qui permet d’y faire entrer ou sortir de
l’eau, mais on tout temps, ces entrées et ces sorties font bouger l’eau du tuyau ascendant,
eau qui ne peut que monter. Si on place cette installation au soleil, on obtient alors une
pompe à eau solaire ridiculement simple très efficace dans les régions désertiques
ensoleillées mais non alimentées en électricité.
Le moteur Stirling a également un bel avenir dans l’espace, où un moteur pourrait
bénéficier d’une grande différence de température entre son côté faisant face au Soleil et
celui faisant face à l’espace. Il en est de même pour certaines usines, notamment celles où
règnent de hautes températures (par exemple en métallurgie). La différence entre certains
lieux dans l’usine et l’extérieur permet certainement de faire tourner un moteur Stirling et
de récupérer sous forme de mouvement, puis d’électricité, afin de réutiliser une partie de
l’énergie perdue pour continuer à chauffer en consommant moins d’énergie.
Toutefois, dans l’industrie automobile, le moteur Stirling pourra-t-il un jour remplacer le
moteur à combustion interne? Malgré les espoirs que l’on pourrait porter à cette cause, il
semble que ce ne sera jamais le cas, dans la mesure où il serait très difficile de changer la
vitesse du moteur (et donc d’accélérer), car il faudrait changer la différence de
température aux extrémités du moteur, ce qui ne se fait pas très rapidement autrement
qu’avec des combustibles fossiles. D’ailleurs, de tels essais ont été effectués par Ford
dans les années 1990, et se sont soldés par quelques problèmes techniques. Quant à
l’utilisation d’hydrogène comme combustible, si la technologie est mise au point,
l’utilisation du moteur à combustion interne sera encore plus appropriée pour
l’automobile, parce qu’il permet d’accélérer plus adéquatement qu’avec un moteur
Stirling. Ainsi, le moteur Stirling, même s’il permet d’obtenir un meilleur rendement que
les moteurs à combustion interne, ne répond pas vraiment aux besoins de l’automobile.
Son utilisation semble bien plus appropriée dans la construction de centrales solaires, où
son rendement élevé permet d’utiliser l’énergie du Soleil à son plein potentiel. En effet, le
12 février 2008, Sandia et Stirling Energy Systems ont établi un nouveau record pour
l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire en électricité pour le réseau de
distribution public. À l’aide de paraboles solaires munies de moteurs Stirling comme
générateurs, ils ont atteint une efficacité de 31,25 %, ce qui est beaucoup plus élevé que
l’efficacité des panneaux solaires sur le marché en ce moment qui est inférieure à 20 %.20
Les meilleures cellules photovoltaïques ont un rendement de 42,8 %, mais elles sont
20
SANDIA. Stirling Energy Systems set new world record for solar-to-grid conversion efficiency. [En
ligne], http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2008/solargrid.html (Page consultée le 14
janvier 2009).
11
encore au stade expérimental et sont extrêmement coûteuses. On est encore loin de la
production de masse.21 La combinaison d’un moteur Stirling avec une parabole géante
demeure donc une solution très prometteuse et de plus en plus populaire. Il y a même
deux sites de grande envergure comportant 70 000 de ces paraboles spéciales en cours
d’installation aux États-Unis qui, une fois terminés, produiront 1 750 MW d’énergie
électrique.22 Le haut rendement du moteur Stirling rend donc les technologies solaires
très compétitives, ce qui permet l’essor des centrales solaires dans les régions
ensoleillées. Quant à l’apparition de moteurs Stirling comme récupérateurs de chaleur
perdue dans nos usines, plusieurs se demandent encore qu’est-ce qui retarde leur
implantation…
21
UNIVERSITY OF DELAWARE, UD-led team sets solar cell record, joins DuPont on $100 million
project. [En ligne], http://www.udel.edu/PR/UDaily/2008/jul/solar072307.html (Page consultée le
25 janvier 2009).
22
SES STIRLING ENERGY SYSTEMS. Projects. [En ligne],
http://stirlingenergy.com/projects/default.asp (Page consultée le 25 janvier 2009).
12
Conclusion
Tout bien considéré, le moteur Stirling est une réelle solution pour résoudre certains
problèmes-clés du développement durable. Il ne peut certes pas servir à tous les usages
que nous faisons de l’énergie, mais il peut améliorer considérablement le rendement des
centrales solaires dans les régions où ces centrales sont appropriées, ainsi qu’accomplir
certaines tâches précises. Par la construction d’un moteur Stirling, nous tentons de
prouver qu’un moteur peut être construit simplement avec des matières recyclées; de
percer les mystères de cette technologie et de montrer qu’elle gagne à être connue. Grâce
à son miroir parabolique, notre moteur Stirling permet d’utiliser l’énergie thermique du
rayonnement lumineux pour générer un travail mécanique, pouvant éventuellement être
transformé en énergie électrique avec l’ajout d’un générateur de courant. De façon
générale, en utilisant efficacement l’énergie thermique du Soleil, on réduit notre
dépendance sur les combustibles fossiles polluants pour générer de l’électricité et, de ce
fait, on contribue à la réduction des déchets à la source.
Le rendement de notre prototype est faible, mais le but du projet est surtout de
sensibiliser le public et de lui permettre d’avoir l’esprit ouvert à l’idée qu’il existe
d’innombrables solutions aux problèmes environnementaux et qu’il faut être optimiste
pour l’avenir. Néanmoins, ces solutions, qui ne sont pas uniquement issues des travaux
des scientifiques, ont chacune leur spécificité et c’est pourquoi il ne sera jamais faux de
dire que chaque citoyen est invité à contribuer à un monde plus vert. Il faut simplement
mettre notre inventivité à profit.
13
Bibliographie
BENSON, Harris. Mécanique, Éditions du Renouveau Pédagogique, Saint-Laurent, 2004, 634 p.
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http://en.wikipedia.org/wiki/World_energy_resources_and_consumption (Page consultée le 25 janvier
2009).
14

Moteur Stirling

Transcription

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