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Le Step Papin, une nouvelle organisation de la consommation d'électricité ? Vincent de Blois - 29 octobre 2025

L'énergie et l'intelligence sont aujourd'hui des ressources rares et chères. C'est vrai pour le pétrole et pour l'électricité, aussi bien que pour les savants à la pointe de certaines technologies. On sait déjà que grâce à l'Intelligence Artificielle, ces ressources vont devenir abondantes et très bon marché. Grâce à elle, l'énergie issue de la fusion nucléaire sera bientôt à portée de main. Grâce à elle également, les meilleurs savants pourront être multipliés, aussi facilement que l'on copie des fichiers. Les prolongements économiques de cette révolution technologique - la plus disruptive de l'Histoire de l'humanité - seront énormes. Beaucoup prétendent que c'est la fin de la pauvreté et de tous nos soucis sur Terre. Or ce progrès n'en sera pas un, si chaque humain, dont le travail aura été remplacé par une machine, veut occuper son temps en possédant cinq voitures, deux bateaux, trois maisons meublées, et avoir à son service une dizaine de robots. D'autres ressources deviendraient alors rares : le sable, les métaux, le bois...et les pollutions catastrophiques qu'engendre déjà l'activité humaine, alors qu'elle est encore contenue par ces raretés, se multiplieraient inévitablement. Dans ce panorama cauchemardesque d'une terre "poubelle", déjà mise en image par Ridley Scott ("Blade Runner 2049"), l'énergie joue un rôle central. Il n'y a donc pas d'autre solution, si l'humanité entend se survivre à elle-même, que de limiter nos consommations d'énergies à ce que nous pouvons extraire des courants de vent, d'eau, et de soleil.

La perspective d'une terre poubelle ((Blade Runner 2049)

Le problème est que certaines énergies renouvelables sont, à ce jour, incontrôlables. Lorsqu'il y a beaucoup de vent, ou beaucoup de soleil, l'électricité générée doit être immédiatement transportée et consommée. Elle est parfois même en surplus et on ne sait alors plus quoi en faire. Ou bien elle se réduit soudainement à presque rien quand le soleil s'efface, ou quand la vitesse du vent n'est pas suffisante. Une centrale doit alors intervenir pour compléter la demande, si bien qu'on peut se demander, si l'utilité des éoliennes et des panneaux solaires ne se résume pas aujourd'hui à économiser le carburant des centrales. Le "Step Papin" est une proposition visant à limiter ces problèmes, en étalant dans le temps la consommation des énergies issues du vent, du soleil, et des courants d'eau, ainsi que de toute autre source qui serait capable de "produire du vide".

Principe général du "step Papin" :

a) élever de l'eau à 100m en circuit fermé sans électricité
b) faire chuter l'eau dans une turbine en la poussant dans le vide
c) stocker cette énergie dans des volants d'inertie en série
d) convertir l'inertie en électricité en un lieu proche de la demande.

Un nouveau type d'éolienne est aussi proposé, pour déprimer l'air.

a) élever l'eau en circuit fermé à 100m sans électricité
On sait depuis Torricelli qu'un vide complet ne permet pas de faire monter l'eau au delà de 10,3m. Mais Denis Papin (vers 1685), proposait déjà une alternative à la machine de Marly, qui tentait de pousser l'eau pour s'affranchir de cette limite. Le moyen pneumatique proposé pour faire monter l'eau de la Seine à plus de 100m dans l'aqueduc était très innovant pour l'époque. Les moyens que nous avons aujourd'hui permettent de reprendre le principe de sa machine, et de la transformer pour faire chuter de l'eau en circuit fermé dans une turbine, et stocker cette énergie dans un ou plusieurs volants d'inertie. La machine de 1685 : des réservoirs espacés de 4m et de volumes identiques sont reliés entre eux par de gros tuyaux de montée d'eau surmontés d'une soupape. Lorsque les réservoir pairs (2,4,6,8,..etc) reçoivent de l'air déprimé, les réservoirs impairs (1,3,5,7...etc) reçoivent simultanément de l'air comprimé : l'eau monte donc des réservoir impairs vers les pairs . Une fois ce mouvement d'eau achevé(1), la course des deux cylindres de la pompe s'inverse peu à peu sous l'action du courant de la rivière : celui qui pompait comprime, tandis que celui qui comprimait déprime. Les réservoirs basse pression (BP) deviennent (HP) et réciproquement : l'eau montée dans les réservoirs pairs est maintenant poussée vers le haut dans les impairs. L'eau est montée de deux étages. Fin du cycle de la pompe

Machine à élever l'eau - Denis Papin (1685)

Le principe de cette ancienne machine autorise la montée de l'eau à une hauteur illimitée, par étapes de 4m. Elle n'a jamais été construite, mais Papin en avait déjà entrevu le défaut : il y avait une difficulté de synchronisation entre les cycles de pression/dépression de la pompe, et le temps que met l'eau pour monter d'un réservoir à l'autre.

Ce problème tient au caractère fermé de sa machine. La pompe travaille à déprimer ou à comprimer un volume d'air qui est toujours le même : celui enfermé dans les réservoirs, dans les tuyaux de communication, et dans les cylindres de la pompe. La "quantité" de dépression se trouve donc limitée par ce volume d'air enfermé et constant. Certes, lorsque le courant de la rivière se ferait plus rapide, les cycles de pression/dépression s'accélèreraient aussi, mais la machine butterait rapidement sur la période de temps minimale que prend l'eau pour monter d'un étage. La pression d'air en s'inversant alors dans les réservoirs avant d'avoir fini d'aspirer ou de pousser, gaspillerait alors l'énergie de la pompe en la faisant travailler contre elle-même.

Mieux vaut donc, dans une nouvelle machine, déprimer l'air d'un grand conteneur entourant ces réservoirs, et distribuer (électroniquement = au rythme que l'on souhaite) l'air déprimé de cette grande réserve aux réservoirs (pairs ou impairs) que l'on aura placés à l'intérieur. En faisant ainsi, la quantité d'air déprimé reste certes limitée par le volume de ce grand conteneur, mais le degré de dépression de cette réserve, lui, ne l'est pas. Cela convient mieux aux éoliennes d'aujourd'hui, qui sont capables de pomper un volume d'air bien supérieur à la pompe de l'ancienne machine. La nécessité de synchroniser la distribution avec la vitesse maximale de montée de l'eau d'un réservoir à l'autre demeure, mais cela n'est plus aussi pénalisant pour 2 raisons : premièrement parce que la "production d'air BP" dans le conteneur est dissociée de la "consommation d'air BP", grâce, comme on l'a dit, à la gestion électronique de la vitesse de distribution. Et deuxièmement parce qu'il y a toujours un nouvel air à déprimer qui entre dans la machine : à chaque distribution d'air déprimé (BP), les réservoirs recevant cet air libèrent en retour de l'air à la pression atmosphérique(PA), qui vient se mélanger à l'air (BP) du conteneur. Chaque montée d'eau dans ces réservoirs se fait donc au prix d'une hausse de pression dans ce conteneur, correspondant au volume d'air d'un réservoir sur deux, qu'il reviendra donc à nouveau de déprimer.

Dans cette nouvelle machine, la pompe à deux cylindres est remplacée par un extracteur d'air, qu'entraînerait une éolienne. Et puisque la partie des pales proche de l'axe d'une éolienne ne collecte presque aucune énergie, on pourrait assujettir ces pales sur une bague, que l'on ferait rouler sur l'entrée d'un gros tube de Bernoulli, et envoyer l'air s'échappant de cet extracteur vers la partie étroite du tube où l'air se déprime par grand vent. Et ainsi, le pompage de l'air du conteneur se trouverait facilité, car cet air s'échappera plus facilement dans de l'air déprimé, que dans de l'air à la pression atmosphérique. Ce dispositif aurait l'avantage de collecter l'énergie des vents de plus de 90km/h, car dans ces conditions, même si les pales mises "en rideau" ralentissent l'action de l'extracteur, la dépression continue que produira le vent en s'accélérant dans le tube de Bernoulli pourrait suffire à déprimer tout l'air du conteneur. Et ainsi, en abandonnant la production directe d'électricité, ce nouveau type d'éolienne pourrait collecter l'énergie des vents qui sont négligés aujourd'hui : celle des petits courants d'air très nombreux mais inférieurs à 15km/h, et celle des vents de plus de 90km/h, plus rares, et très chargés en énergie. Y-a-t-il un inconvénient à ce que l'air destiné à pousser l'eau (PA), ne soit plus comprimé, alors qu'il l'était dans l'ancienne machine ? probablement aucun, car en partant de la même force (la force du rotor), c'est la même chose d'utiliser 100% de cette force pour déprimer l'air, que de consacrer 50% de cette force pour le comprimer, et les 50% restants pour le déprimer : le décalage de pression ne s'en trouve pas diminué, sauf si on tente d'y déprimer l'air au delà d'une certaine limite.

la nouvelle machine
Voir en grand dans un nouvel onglet.

Signalons tout de même que la machine de Papin ainsi modifiée pourrait aussi fonctionner en mode inversé, c'est à dire en faisant monter la pression dans le conteneur. Par temps de canicule, il suffirait de l'isoler du réseau (BP), et on pourrait alors chauffer l'air du conteneur avec des grosses lentilles afin d'y faire monter la pression. On pourrait alors le distribuer pour pousser l'eau, tandis que l'air à la pression atmosphérique jouerait cette fois le rôle de la basse pression (BP). La seule différence serait que la montée d'eau se ferait cette fois au prix de la chaleur, puisque c'est le volume d'air atmosphérique (PA) d'un réservoir sur 2 qui serait libéré dans le conteneur à chaque consommation d'air HP, et c'est ce volume qu'il faudrait de nouveau chauffer dans le conteneur pour que la pression retrouve sa valeur de départ et que le processus continue. Cependant, c'est peut-être une complication inutile d'installer ces lentilles sur ces réservoirs, car il faudrait aussi que ces lentilles soient obstruables pour ne pas perturber le fonctionnement en mode "consommation de BP/PA".

Par l'une ou l'autre manière (consommation de [HP/PA + réseau HP] ou consommation [HP/PA isolé], ou, ce qui semble préférable, consommation de [BP/PA + réseau BP] ) ces « machine à élever l’eau » de Papin enfermées dans un conteneur et ces nouvelles éoliennes feraient monter l'eau en circuit fermé sans électricité, en profitant du moindre courant d'air.

b) faire chuter l'eau dans une turbine en la poussant dans le vide
Je définis par le terme de "rafale standard", une rafale de vent imaginaire, uniquement montante, et uniformément accélérée de 0 à 100 km/h. De telles rafales de vent n'existent pas dans la nature, mais si c'était le cas, elles seraient parfaites pour lancer ou relancer une toupie, qui réclame de produire avec sa corde une accélération régulière. Ce geste ne peut pas avoir pour origine directe une force trop changeante, et on s'accordera pour dire que si on est capable de stocker la force du vent dans une toupie, alors on pourra stocker la force de tous les autres courants, moins changeants que le vent, qui est tantôt fort, tantôt faible, tantôt régulier ou en rafales partant de différents paliers. Et si avec cette machine, le vent peut faire monter sans électricité l'eau à 100m dans un réservoir, alors on peut aussi la lâcher de toute cette hauteur, en s'efforçant d'imiter avec l'eau la "rafale standard". Aussitôt qu'un capteur signalerait que le réservoir supérieur est plein, on pourrait y injecter de l'air(PA), tandis qu'on injecterait de l'air(BP) dans le réservoir du bas et dans le tuyau de communication entre ces deux réservoirs, et chasser l’eau dans le réservoir le plus bas avec force. Mais l'eau, en se frottant sur les parois de ce tuyau de 100m, pourrait y perdre une partie de son énergie. Pour éviter cela, il faudrait que l'eau s'évacue du réservoir supérieur par une sorte d'entonnoir, autour duquel on viendrait souder le long tuyau de 100m, dont le diamètre serait plus large que la partie étroite de l'entonnoir. Et ainsi, l'eau chutant par cette partie étroite ne se frotterait pas contre la paroi de la conduite pour arriver à la turbine, pourvu que ce tuyau soit placé à la verticale parfaite. Cependant, de l'air BP pourrait ne pas suffire pour "aspirer" au mieux cette chute d'eau. Il serait donc préférable de vider complètement l'air de cette conduite, de la turbine, et du réservoir inférieur avant chaque lâché, pour éviter toute dispersion du jet, à cause du reste d'air qu'il y rencontrerait.

c) stocker cette énergie dans des volants d'inertie en série
Nous avons donc à ce stade un jet qui arrive compact, verticalement, et avec force sur les cuillères d'une turbine, accélérant son axe. Autrement dit la "rafale standard" recherchée, capable d'incuber de l'inertie à un volant, à intervalles de temps non réguliers. Aux mécaniciens de trouver quelle serait la meilleure jonction entre cet axe et le volant d'inertie, pour que ces incubations d’inertie soient toujours efficaces, dans les différentes conditions de rotation où il peut se trouver.

Quelles caractéristiques donner à ce volant d'inertie ? ci dessous une tentative de chiffrage, avec l'aide de l'Intelligence artificielle : De quelle quantité d'électricité renouvelable devrait-on pouvoir disposer, en plus de l'énergie hydro-électrique, pour se passer complètement des centrales ? Les estimations varient, mais un scénario réaliste dit que 3 à 4 semaines de stockage de la production d'énergies renouvelables (hors hydro) installées actuellement pourraient palier une période sans vent ni soleil. Cela représente 30 à 40 Twh par an qu'il faudrait pouvoir stocker, pour éviter de faire appel aux centrales.

Maintenant faisons l'hypothèse d'une unité de stockage d'énergies renouvelables, capable de stocker l'énergie d'un rotor d'éolienne d'un diamètre de 100m, pendant 3 jours de vent ininterrompu à 20m/s (72km/h). Cela représenterait 328 MWh d'électricité stockée par unité. 91 387 stockages de 328,3 MWh seraient donc théoriquement nécessaires pour couvrir ces 30 TWh et se passer totalement des centrales.

Cependant, les énergies renouvelables (hors hydro) produites en excédent en France en 2024, sont loin de couvrir ces 30 Twh. Avec les installations actuelles, il serait utile de pouvoir stocker seulement 7 à 10 TWh par an pour absorber l’excédent de ces énergies renouvelables, intermittentes par nature. Il faudrait donc chaque année effectuer entre 21 332 et 30 460 stockages de 328,3 Mwh. En faisant l'hypothèse que ces unités seraient capables de stocker 328 Mwh tous les 2 mois, ces 7 à 10 Twh d'excédents annuels pourraient être absorbés par 6 fois moins d'unités de stockage, soit 3 554 à 5 077 unités. Après lui avoir fait explorer différentes possibilités (carbone, acier, rempli d'eau, rempli de plomb..), j'ai finalement demandé à ChatGpt5 d'imaginer lui-même le volant d'inertie qui coûterait le moins cher en €/kwh de stockage, pour stocker ces 328 Mwh. Sa proposition : 27 volants d'inertie superposés en acier précontraint dans une enceinte sous vide :

Rayon : 18m Acier + précontrainte par frettes verre/carbone (peu de fibre).
Vitesse périphérique : 250 m/s.
Contrainte cerclage : ≈ 491 MPa (→ viser précontrainte ou acier plus résistant)
Énergie : 12 MWh
Masse en rotation : ≈ 1 382 t
Vitesse de rotation : ≈ 133 tr/min
Section d’anneau requise : A ≈ 1,56 m²
Exemple géométrie : t = 0,78 m, b = 2,0 m (A ≈ 1,56 m²)
Volume ≈ 176 m³ → masse ≈ 1 380 t (ok).
Capacité : ≈ 12 MWh (43,2 GJ) par module
27 modules ≈ 324 MWh.
Total par module 12 MWh : 6 à 9 M€

d) convertir l'inertie en électricité en un lieu proche de la demande. Des machines à élever l'eau ainsi modifiées, installées au plus près des lieux de consommation d'électricité, transformeraient " de l'air déprimé en inertie, puis - le plus vite possible pour en perdre le moins possible – elles convertiraient cette inertie en électricité. Comment cela fonctionnerait-il ? Imaginons un exemple de réseau simplifié entre les deux villes de Lille et Marseille, dotées chacune d'un accumulateur, reliés par une grosse conduite d'air basse pression (réseau BP) obstruable à mi-distance par une valve J. Et tout au long de cette conduite des appareils de différentes nature et puissances produisant de l'électricité (éoliennes, panneaux solaires, hydroliennes, moulins..) pour alimenter - individuellement ou en groupe - des extracteurs, ainsi que d'autres appareils pneumatiques pompant directement l'air de cette conduite - comme l'éolienne à tube Bernoulli évoquée ci-dessus.

Lors d'une tempête au Nord, occasionnant un surplus de production électrique (ou pneumatique) par rapport à la demande courante du Nord, il faudrait consacrer une partie de cette électricité pour déprimer l'air du demi-réseau Nord. On faciliterait ainsi le stockage de ce surplus dans les volants d'inertie de l'accumulateur de Lille, si une fois la tempête passée, on sait que la demande d’électricité autorise de l’écouler à Lille. Mais si le surplus a lieu au Nord, et que la demande dans un proche avenir ne permet pas d’envisager de l’écouler à Lille, alors il faudrait ouvrir la vanne J pour partager l'air BP-- du demi-réseau Nord avec l'air BP++ du demi-réseau Sud, et ainsi tenter de favoriser le stockage dans l'accumulateur de Marseille. Les pressions s’équilibrant, le demi-réseau Sud serait alors « crédité » de la moitié du décalage de pression entre ces deux demi-réseaux, s’ils sont de mêmes volumes. Mais si on voulait rapidement « charger » en inertie l’accumulateur de Marseille, alors il faudrait le relier au demi-réseau Nord par un tuyau beaucoup plus petit. Le « crédit » de décalage « envoyé » au Sud serait alors multiplié par 4, si ce tuyau était d’un diamètre 2 fois inférieur, puisque le volume du réseau Sud serait 4 fois moindre, par 16 si le diamètre de ce tuyau était 4 fois inférieur, etc. Cet exemple montre qu'un réseau plus complexe d'accumulateurs, reliés par des conduites constituées de tuyaux concentriques, joints par des vannes pilotables, permettrait de gérer ces surplus, pour qu’ils parviennent rapidement à la demande des grandes villes, selon une carte qui se superposerait, à peu de choses près, à celle des autoroutes. Signalons ce point important pour faire l'analyse de ces accumulateurs en réseau : le volume total de ce réseau BP n'aurait pas à être démesuré, justement parce que ces accumulateurs "consommeraient" de l'air BP et le transformeraient au fur et à mesure en inertie. Ce n'est donc pas en "stock d'air BP" qu'il faut raisonner pour le volume des tuyaux de ce réseau, mais en "flux d'air BP", dont la pression serait contrôlable "à la demande" par le stockage dans des volants d'inertie

De tels accumulateurs installés dans les villes, reliés par un réseau pilotable de tuyaux concentriques permettraient à la fois :
 de [différer/ déplacer géographiquement/répartir] les surplus avant stockage.
 d‘étaler dans le temps la production d'électricité issue de ces surplus.

Ce réseau d’air BP serait certes un investissement important, mais ses frais de fonctionnement seraient faibles, et il pourrait être mis en place portion par portion et géré par l’IA. Il faudrait en comparer les avantages avec ce qu’il permettrait d’économiser, en considérant les points suivants :

 6% des 450 TWh (≈ 27 TWh) produits annuellement sont perdus dans le transport.
 7 à 10 TWh par an de surplus « renouvelables » sont en partie bradés ou gaspillés.
 Le gain supplémentaire des vents de 90+ et de moins de 15 km/h
 Les économies potentielles en entretien du réseau électrique
 Les bénéfices potentiels de la vente de réseaux de ce type

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