Et si on récupérait la chaleur des datacenters ?

Les datacenters sont aujourd’hui l’un des piliers du développement des TIC, leur nombre augmente tous les ans ainsi que leur consommation d’énergie électrique. Or toute cette énergie est transformée en chaleur qui, dans la plupart des cas, va être dissipée dans l’atmosphère. Mais des développements sont en cours pour récupérer une partie de cette chaleur, même s’il existe sur le terrain des freins ou des difficultés pratiques.

Le nombre de datacenters en France doit dépasser 140 ou 150 et augmente tous les ans de 4 à 5 %. Leur consommation d’électricité, pour les plus importants, peut dépasser celle d’une ville de 50 000 habitants pour une surface de 10 000 m2 et leur consommation globale doit représenter 2 à 3 % de l’électricité produite en France. Toute cette énergie est consommée par les groupes froid, la distribution électrique sécurisée et, à 60 à 90 %, par les serveurs et machines informatiques. Mais au final toute cette énergie est transformée en chaleur qui dans la plupart des cas est rejetée dans l’atmosphère. Les concepteurs et exploitants, ainsi que les fabricants de serveurs, travaillent à réduire ces consommations, en particulier au niveau du poste important du refroidissement et du taux de charge des serveurs, mais l’idée de récupérer toute ou partie de ces calories et chauffer des locaux ou équipements publics se développe même s’il subsiste de nombreuses difficultés techniques, voire financières.

Datacenter de CFI Informatique avec récupération d'une partie de la chaleur des équipements de free cooling (source : Schneider Electric).
Datacenter de CFI Informatique avec récupération d’une partie de la chaleur des équipements de free cooling (source : Schneider Electric).


Des réalisations en nombre encore limité

Des réalisations avec récupération de la chaleur fatale d’un datacenter existent, mais en nombre encore assez limité et rarement avec une récupération totale de la chaleur car celle-ci pose souvent des problèmes techniques, financiers, voire contractuels, qui peuvent rebuter leur exploitant.

Le cas de récupération le plus fréquent est une utilisation sur le site de cette chaleur. C’est la solution retenue par le fournisseur d’accès Internet Celeste pour son datacenter Marilyn de Marne-la-Vallée. Dans un bâtiment à la conception architecturale innovante (les salles sont sur 5 niveaux avec un effet de tirage naturel vertical), le refroidissement se fait par free cooling à l’air extérieur mais une partie de l’air chaud sortant des machines sert à chauffer les bureaux. Une utilisation que l’on retrouve à une plus grande échelle sur le Technopole de Bouygues Telecom à Meudon-la-Forêt. Pour ce bâtiment de 57 000 m2 hébergeant 3 500 personnes, un système de récupération d’énergie installé dans la centrale de production de froid des salles informatiques couvre 60 % des besoins de chauffage en hiver et 100 % de l’eau chaude sanitaire.

Cette récupération peut aussi se faire lorsque le refroidissement du site est en free cooling indirect, comme l’explique Damien Giroud, directeur France Solutions Datacenter de Schneider Electric : « CFI Informatique, pour son datacenter de Civrieux (01), va à partir d’un module de free cooling Ecobreeze chauffer l’air neuf des VMC double flux des bureaux et diviser par deux son besoin de chauffage en hiver ». 

Dijon, Marne-la-Vallée, Grenoble : trois réalisations différentes

L’Université de Bourgogne (uB), à Dijon, a fait un choix plus ambitieux pour son nouveau datacenter de calcul scientifique opérationnel mi-2015. Celui-ci sera installé près de l’ancienne chaufferie du campus, et le bâtiment sera connecté au réseau de chauffage via un échangeur et chauffera ainsi une partie des locaux de l’uB. Pour Claude Dos Santos, directeur général de la société Jerlaure, maître d’œuvre de ce nouveau datacenter évolutif,  « l’uB bénéficiera à terme de 800 kW de chaleur gratuite pour chauffer ses locaux. Le retour sur investissement supplémentaire pour cette récupération est de 2,5 ans, mais le projet est éligible à des aides (Certificats d’économies d’énergie- CEE) qui ont absorbé la plus-value. Et comme il s’agit d’un centre de calculs universitaire, il va démarrer à 80 % de sa puissance nominale ».

Une des réalisations les plus importantes est sans doute celle de Val d’Europe, à Marne-la-Vallée, où un réseau de chaleur urbain est alimenté par une énergie de récupération d’un datacenter bancaire. Un échangeur permet de récupérer la chaleur dégagée par les groupes froid et c’est une eau à 55 °C qui est envoyée en sortie d’échangeur dans les canalisations du chauffage urbain du parc d’activités. Pour Dalkia, qui a conçu et réalisé ce réseau, il est 100 % sécurisé, car en cas d’arrêt du datacenter la production nécessaire au chauffage peut être secourue par des installations fonctionnant au gaz naturel. Ce projet qui, à terme, devrait alimenter 450 000 m2 de bâtiments, a bénéficié d’une aide de l’Ademe de 1 M€ et comporte un taux d’EnR&R très important (> 90 %) et permet de maîtriser dans le temps le coût de la chaleur.

C’est une autre solution qui a été retenue par Schneider Electric pour le nouveau datacenter performant et « vert » Pilsi (Pôle d’innovation pour les logiciels et systèmes intelligents) de l’Université de Grenoble d’une puissance de 300 kW dans un bâtiment de recherche d’une surface de 15 000 m2 de bureaux, espaces de séminaires, laboratoires. Cette puissance de 300 kW représente plus de 10 fois la puissance nécessaire au chauffage des bâtiments, mais une partie de l’air chaud repris dans les allées chaudes des salles sera envoyé vers des pompes à chaleur air/eau assurant le chauffage et dont l’efficacité sera améliorée. Cela permet pour Damien Giroud « de combiner le free cooling  air direct-confinement thermique allée froide et allée chaude avec récupération d’une partie de la chaleur et également l’utilisation de la géothermie à partir de la nappe phréatique pour le refroidissement ou le chauffage des bâtiments ».

Légende Le réseau d’eau de refroidissement du datacenter de Business et Decisions de Grenoble permet de chauffer des locaux, y compris à l’extérieur. (Source : Business et Décisions)

De nombreuses difficultés limitent encore le développement de cette récupération

Ces quelques exemples montrent que des solutions existent et sont mises en œuvre, mais elles sont loin d’être généralisées ou étudiées systématiquement dans chaque nouveau projet, leur mise en œuvre étant encore plus difficile sur des sites existants. Pour Claude Dos Santos, « peu de clients sont intéressés pour des raisons financières, mais il faut aussi des conditions d’environnement favorables : cela marche bien s’il y a des logements ou bureaux proches avec un réseau d’eau récent  basse température 30-50 °C ou dans un contexte de « smart city ». C’est plus compliqué si l’on doit s’adapter à des réseaux existants à haute température 70-80 °C, mais c’est ce qui se fera pour la première fois à l’Université de Bourgogne. Dans d’autres cas, cela ne se fait pas car il faudrait mettre en place des partenariats avec des gestionnaires de réseau de chauffage et s’engager sur des contrats à long terme alors que la production de chaleur peut dépendre de la charge du datacenter durant son exploitation ». Ce qui est intéressant pour de petits centres de calculs peut se révéler beaucoup plus difficile pour de gros centres de 10 à 50 MW qui produisent de la chaleur toute l’année avec de l’air moyennement chaud difficile à transporter. « Les objectifs du gestionnaire de datacenter sont différents de ceux d’une compagnie de chauffage, sa préoccupation est la qualité de service (SLA) vis-à-vis de ses clients, et ses objectifs de rentabilité (TCO) ne sont pas les mêmes. Le problème se pose également en phase de démarrage d’un datacenter qui peut être peu chargé, donc ne pas fournir toute la quantité de chaleur demandée par le réseau. Se pose également le problème d’un arrêt du centre (travaux, rénovation) qui ne pourrait plus remplir son contrat », confirme Damien Giroud.

On voit que le problème n’est pas simple pour ces très gros datacenters qui représentent  pourtant des productions de chaleur fatale très importantes, et souvent en région parisienne. Les opérateurs préfèrent souvent produire du froid à moindre coût par le free cooling ou le free chilling air/eau et réduire ainsi leur PUE.

Et si d’autres solutions se développaient ?

L’idée est de transporter non pas la chaleur de l’informatique vers l’utilisateur, mais d’installer des serveurs près, voire chez le consommateur de chaleur. C’est la proposition sous 2 formes différentes de deux start up innovantes. La jeune société grenobloise Stimergy a inventé la « chaudière numérique ». Une chaudière est constituée de serveurs (jusqu’à 20) plongés dans un bain d’huile pour les refroidir : installée dans la chaufferie d’un immeuble, elle va réchauffer l’eau chaude sanitaire. Pour Christophe Perron, fondateur de Stimergy, « l’eau chaude sanitaire est un besoin constant sur toute l’année, et la chaudière va fournir 30 à 60 % des besoins car un serveur produit 80 l d’eau chaude par jour. Le complément est assuré par la chaufferie classique, mais l’utilisateur ne paye pas ces calories, simplement un “droit de raccordement” pour financer une partie de l’installation ». La première installation de 5 serveurs fonctionne depuis 18 mois dans un immeuble de Grenoble et fournit 30 % des besoins en eau chaude. Et, en décembre 2014, l’Université Lyon 3 a inauguré sa chaudière de 6 serveurs reliés à la bibliothèque et qui fournissent 40 % de l’énergie du ballon d’eau chaude du bâtiment. Cette idée a valu à son inventeur Christophe Perron le grand prix 2013 du concours Énergie Intelligente d’EDF.

De son côté, Qarnot Computing, start up parisienne, propose d’installer chez des particuliers des microprocesseurs montés sur un radiateur, qui chauffent le logement tout en traitant des données de calculs facturés aux entreprises utilisatrices, un système de répartition des calculs se fait automatiquement pour réguler la température. L’utilisateur du « radiateur » Q.rad ne paye rien : sa facture d’électricité lui est remboursée. Rien ne distingue ces radiateurs-ordinateurs de simples convecteurs, mais ils sont connectés à Internet. Une expérimentation grandeur nature s’est faite dans le parc de HLM de Paris, et Paul Benoît son inventeur prévoit d’en installer à terme plus de 100 000. On va passer du free cooling au free heating.

Schéma du Q.rad. (Source Carnot Computing)
Schéma du Q.rad. (Source Carnot Computing))

Toutes ces initiatives vont dans le bon sens si l’on veut atteindre les objectifs 2020 du paquet européen climat-énergie concernant les énergies renouvelables et la récupération d’énergie. Le gisement est à notre porte, mais il faut maintenant l’exploiter.

 

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