Avoir plusieurs cordes à son arc

En effet, il existe plusieurs façons de produire de l'électricité. On peut, comme dans les cellules photovoltaïques, utiliser les grains de lumière, les photons, pour libérer un électron et créer ainsi un courant. On peut aussi, comme pour les turbines hydrauliques, faire tourner des électro-aimants afin de produire un courant par induction (on utilise le principe inverse pour faire fonctionner un moteur électrique). C'est cette approche que poursuivent la compagnie Stirling Energy Systems, Inc. (SES) et les laboratoires américains de la défense de Sandia (Sandia National Laboratories).

Fonctionnement du moteur Stirling. On chauffe d'abord le gaz, augmentant sa pression. Celui-ci pousse sur le piston. Puis on refroidit le gaz, permettant au piston de revenir en place.

L'idée est d'utiliser la lumière du soleil pour faire fonctionner un moteur à la chaleur, un moteur dit « Stirling », comme une génératrice afin de produire de l'électricité. Le concept du moteur Stirling n'est pas nouveau, il a été découvert il y a presque 200 ans, mais des développements technologiques récents permettent d'obtenir une efficacité nettement supérieure à celle des panneaux solaires rendant les nouveaux dispositifs presque compétitifs.

Avant d'aller plus loin, cela vaut la peine d'expliquer ce qu'est un moteur Stirling. Celui-ci fut inventé en 1816 par le pasteur et inventeur écossais Robert Stirling. L'idée est simple : le moteur est constitué d'un cylindre fermé contenant un gaz et un piston. On chauffe le gaz, ce qui augmente la pression; à un certain moment, celle-ci est assez forte pour pousser le piston, transformant la chaleur en énergie motrice. On met alors que le gaz en contact avec un réservoir froid, ce qui diminue la pression et permet au piston de revenir à sa position initiale, grâce à la pression extérieure (atmosphérique).

Le processus qu'on vient de décrire n'est pas facile à mettre en place, car il implique qu'on déplace les sources de chaleur et de froid. En général, le moteur Stirling est construit de telle sorte qu'une extrémité du moteur soit gardée au froid et l'autre chaud. Plutôt que de déplacer le moteur, on permet alors au gaz de se mouvoir en même temps que le piston. (Notez qu'on peut aussi l'utiliser à l'envers, c'est-à-dire mouvoir le piston, pour transformer le moteur Stirling en réfrigérateur.)

Le moteur Stirling connut un certain succès au milieu du XIXe siècle. Toutefois, la machine à vapeur et, plus tard, le moteur à combustion l'emportèrent, plus pour des raisons de coût que d'efficacité énergétique. Un des problèmes étant que le transfert de chaleur est un processeur relativement lent, ce qui ne permet pas des accélérations comparables au moteur à explosion, par exemple.

Cet engin a plusieurs avantages : comme il n'y a pas d'explosion comme dans le moteur à combustion interne, et que le cylindre contenant le piston est scellé, le mouvement est très silencieux et génère peu de vibrations. De plus, le rendement de ce moteur est très proche du rendement maximum théorique, dit « cycle de Carnot ». Finalement, cette technologie est très fiable, car il y a peu de pièces mobiles (seulement le piston). Malheureusement, les coûts de fabrication sont élevés et, comme je l'ai écrit plus haut, il n'est pas très flexible, préférant fonctionner à une puissance fixe.

Une autre difficulté technologique est que le transfert d'énergie thermique vers le piston est maximal avec un gaz d'atomes très légers. Le gaz idéal est donc l'hydrogène ou l'hélium (puisque l'hydrogène est généralement présent sous forme moléculaire H2<\inf>, les deux gaz ont la même efficacité de transfert, toutefois, l'hydrogène est beaucoup moins cher que l'hélium). Comme les molécules sont petites, elles se faufilent facilement dans les plus petites ouvertures. Il faut donc construire de systèmes très hermétiques, ce qui n'est pas chose facile. Il semble toutefois qu'on y soit parvenu récemment.

Il ne manque donc plus qu'une source de chaleur pour faire fonctionner ce moteur. C'est là que l'énergie solaire entre en jeu. Les gens de Sandia et de SES ont donc imaginé des miroirs paraboliques (ou presque) qui concentrent la lumière du soleil afin de chauffer une des extrémités des moteurs Stirling, l'autre bout étant refroidi à l'air ou à l'eau, et de générer ainsi de l'électricité. Étonnamment, cette technologie est déjà capable de produire de l'électricité avec un rendement net de près de 30 %, ce qui bat toutes les autres approches.

Des tests sont présentement en cours au Nouveau-Mexique et en Espagne afin de vérifier la possibilité d'installer ces structures à grande échelle. Quoi qu'il en soit, il est étonnant de voir qu'une technologie vieille de 200 ans pourrait bien jouer un rôle central dans le développement de sources d'énergie renouvelable fiables et écologiques. Encore une preuve qu'il est bon de garder ses options ouvertes...

L'information que je vous livre aujourd'hui n'est pas nouvelle. Elle date même un peu. Toutefois, elle n'est pas très bien connue et je dois remercier un de mes collègues, le professeur Richard Leonelli, de m'en avoir parlé.

Liens utiles:

Les moteurs Stirling

Le communiqué de presse de Sandia (en anglais, mais avec des photos).