ANNEXE 1
Le Datacenter en chiffres
Bien que le périmètre du document soit concentré principalement sur le territoire français et sur l’Union européenne, nous vous présentons ici quelques chiffres et données plus larges, pour vous permettre de visualiser l’impact global des Datacenters.
ANNEXE 2
Les impacts du numérique dans le monde
- La consommation électrique pour les équipements et infrastructures numériques en France est de 48,7 TWh, ce qui peut être comparé au 474,4 TWh total22² (Data & Statistics - IEA), ce qui signifie que les équipements et infrastructures numériques sont responsables de 10% de la consommation électrique française.
- Les émissions de gaz à effet de serre émises par les équipements et infrastructures numériques en France sont estimées à 16,9 Mt CO2 eq., ce qui peut être comparé au 66323 MT CO2 eq. total, ce qui signifie que les équipements et infrastructures numériques sont responsables de 2,5% de l’empreinte carbone de la France (approche mix de consommation – empreinte carbone). (AdEME & ARCEP 2022).
La plupart de ces impacts ont lieu en dehors du territoire national et sont importés tout au long de la chaîne de valeur des services numériques (extraction des ressources, transformation des matériaux, production des équipements, etc...).
ANNEXE 3
L’énergie thermique d’un Datacenter
- Fournir aux équipements IT une qualité d’air permettant leur bon fonctionnement en température ;
- Assurer un renouvellement d’air des locaux compatibles avec la réglementation et le confort ;
- Maintenir les équipements techniques à des niveaux de température, d’hygrométrie et d’empoussièrement leur permettant d’avoir la plus longue durée de vie ;
- Maintenir une surpression de la salle informatique vis-à-vis de l’extérieur, pour la préserver d’une contamination, comme par exemple la poussière.
La production de froid et l’évacuation de la chaleur des Datacenters sont donc des enjeux majeurs pour le bon fonctionnement des Datacenter. En effet, un arrêt de la climatisation peut entraîner une hausse brutale de la température des équipements, un arrêt de service et la dégradation des équipements techniques. Par ailleurs, quand on sait que le refroidissement peut consommer jusqu’à 40% de la consommation totale du Datacenter, l’optimisation de cette production de froid est un levier important de réduction de sa consommation énergétique.
Confinement en allée chaude/froide, refroidissement à air ou à eau ? Associé à une production d’eau glacée ou en dual-fluide ? A soufflage inversé dans le plénum du faux-plancher ou au niveau des baies haute densité ? Quel paramétrage choisir selon le type de Datacenter ?
Nous présentons dans ce chapitre les principales techniques de refroidissement ainsi que des pratiques communément mises en avant pour une optimisation énergétique des salles. Ces « bonnes pratiques » seront illustrées par quelques retours d’expérience suite à leur implémentation.
1. Quelques techniques de refroidissement
1.1 Confinement en allées chaudes/froides
Jusqu’au début des années 2000, l’urbanisation des Datacenters se faisait de manière anarchique et sans cohérence. Cela avait pour conséquence le développement de points chauds et l’arrêt inopiné de certains équipements IT.
Le concept de séparations des salles serveurs en allées chaudes et froides, désormais établi dans l’industrie du Datacenter, permet d’améliorer l’efficacité du système de climatisation en éliminant les points chauds. La face avant des baies, par laquelle l’air est aspiré, est ainsi orientée vers l’allée froide, tandis que la face arrière est orientée vers l’allée chaude.
Schéma de refroidissement de baies en allées chaudes et froides
Avec ce rangement des baies en allées chaudes et froides, la démarche usuelle consiste à placer un faux plancher qui recouvre la totalité de la salle informatique, et à créer un faux plafond au sommet de la salle. Les faux plafonds aspirent l’air chaud et cet air chaud est soufflé vers le faux plancher. Le principal avantage du système de distribution d’air par faux plafond / faux plancher, est qu’il permet de souffler l’air froid et de capter l’air chaud au plus près des baies informatiques. Toutefois, ce système ne permet pas de supprimer totalement les phénomènes de recirculation de l’air chaud.
Le confinement total en allée chaude/ allée froide est une autre technique d’amélioration du système de faux plancher/faux plafond, afin de supprimer totalement les risques de recirculation. Le principe du confinement est de séparer avec la meilleure étanchéité possible les flux d’air froid & chaud pour éviter le recyclage.
Les avantages du confinement sont nombreux (56) :
- Il permet d’éviter la recirculation d’air froid dans l’allée froide ;
- Il élimine également les points chauds et permet d’augmenter l’efficacité de la climatisation ;
- Les systèmes de refroidissement peuvent être réglés à une température d’alimentation supérieure, économisant ainsi l’énergie et augmentant la capacité de refroidissement. Ils continuent ainsi de fournir la charge avec des températures de fonctionnement sécurisées.
Par ailleurs, le confinement peut être réalisé de deux manières. Le confinement des allées froides et le confinement des allées chaudes. Le confinement des allées froides (CACS) permet d’isoler l’allée froide, permettant ainsi au reste du Datacenter de devenir un important plénum de retour d’air chaud.
Confinement des allées froides (CASC)
Un système de confinement des allées chaudes (HACS) entoure l’allée chaude pour recueillir l’air chaud évacué des équipements informatiques, permettant ainsi au reste de la salle de devenir un important plénum d’alimentation en air chaud.
Confinement des allées chaudes (HASC)
Par ailleurs, le principe de confinement en allée chaude ou froide constitue un prérequis indispensable pour les autres optimisations suivantes :
- Forte réduction des phénomènes de recyclage de l’air chaud par les serveurs ;
- Température en entrée des serveurs proche de celle à la sortie des armoires de climatisation ;
- Augmentation de l’écart de température entre le soufflage et la reprise qui permet une réduction de la consommation des armoires de climatisation ;
- Augmentation des températures de soufflages en salle, ce qui entraîne une augmentation du régime d’eau glacée et une réduction de la consommation des groupes froids.
Ainsi le confinement en allées chaudes/froides couplé à ces optimisations permet de réaliser d’importantes économies d’énergie. Cependant le confinement des allées chaudes est considéré par un grand nombre d’acteurs comme la solution préférée pour toutes les nouvelles installations. Selon l’étude de Schneider Electric, le choix du confinement thermique à allée chaude par rapport au confinement à allée froide peut permettre d’économiser 43 % au niveau du coût énergétique annuel du système de refroidissement.
Toutefois, toujours selon Schneider Electric, cette solution peut être difficile ou coûteuse à mettre à oeuvre dans l’hypothèse d’une hauteur de plafond basse ou d’un plafond inaccessible. Pour ces cas de figure, le confinement à allées froides pourrait être l’option la plus adaptée.
Sur la problématique financière, des aides de l’État sont disponibles sous forme de fiches d’opérations standardisées d’économies d’énergie (CEE). Les opérations standardisées d’économies d’énergie correspondent à des opérations couramment réalisées pour lesquelles une valeur forfaitaire de certificats d’économies d’énergie a été définie. Concernant le confinement, nous vous conseillons de regarder la fiche n° BAT-TH-153.
1.2 Production d’eau glacée « Free Chilling » (faire de l’eau glacée via l’air extérieur)
Le principe du free chilling repose sur le phénomène de refroidissement de l’air au travers d’un filet d’eau. Le free chilling consiste donc, à refroidir la boucle de retour d’eau glacée provenant des unités terminales en salle informatique, sans passer via le groupe froid par un système de tour aéroréfrigérante, lorsque la température extérieure le permet.
Sur les différents projets qu’ils ont mené ou observé, les acteurs du Datacenter ayant contribué à produire cette étude observent généralement qu’augmenter la température de soufflage permet de réaliser des économies de 2 à 3% par degrés sur la consommation électrique du groupe.
Voici les valeurs de PUE constatées avec les différents systèmes d’optimisation énergétique :
Attention : La réduction en pourcentage de la consommation énergétique du DC va dépendre du climat, de la zone géographique. La température moyenne sur l’année peut varier en fonction des régions du monde.
- Entre 1,8 et 2 - sur Datacenter non optimisé
- Environ 1,5 - sur Datacenter intégrant une optimisation par confinement
- Environ 1,3 - Sur Datacenter avec free chilling et confinement
Selon ASHRAE, la température du Datacenter ne doit pas dépasser 27°, donc la température de soufflage doit se trouver autour de 25°.
1.3 Free Cooling : refroidir l’air, sans eau
Les principes du free cooling est simple. Une fois que l’air se réchauffe près des serveurs, il est libéré dans l’environnement (entièrement ou en partie) et de l’air frais de l’extérieur est conduit à sa place. Dans de nombreux endroits du monde, l’air extérieur est en fait pendant la majeure partie de l’année plus froid que les températures enregistrées à l’intérieur d’un centre dedonnées. On distingue plusieurs types de free cooling :
- Free cooling direct : quand l’air extérieur est suffisamment froid, on le met directement dans le Datacenter via un système de filtre
- Free cooling indirect : on passe par un échangeur qui va permettre de refroidir l’air intérieur avec l’air extérieur, mais sans qu’il n’y ait de mélange d’air. La contrainte est que si l’air extérieur est trop humide ou trop sec cela peut abîmer les serveurs, donc il faut avoir un système de déshumidification, qui peut être consommateur d’énergie.
- Mode adiabatique : Pour passer de l’état liquide à l’état gazeux, l’eau a besoin d’énergie. La mise en contact de l’air avec l’eau permet l’évaporation de celle-ci et l’abaissement de la température de l’air. Un rafraîchisseur adiabatique permet l’échange entre l’air et l’eau et l’insufflation d’un air plus frais. On parle de refroidissement adiabatique car l’énergie totale de l’air reste la même. C’est la chaleur gratuite de l’air qui permet d’évaporer l’eau, d’où un bilan énergétique particulièrement favorable.
Ce mode peut être utilisé dans les 3 systèmes de refroidissement évoqués plus et est particulièrement adapté aux climats secs.
1.4 Autres systèmes de refroidissement
En plus des solutions mentionnées plus haut, les solutions suivantes peuvent être envisagées- Geocooling : À l’état naturel, le sous-sol garde une température constante de l’ordre de 10 - 12 °C à partir d’une profondeur d’une dizaine de mètres. Le sous-sol sert de source naturelle de froid. River Cooling (Voir REX Digital Realty (ex-Interxion)).
- Géothermie : une température de 10 -12 °C du sous-sol est une température intéressante pour servir de source froide à une pompe à chaleur, pour chauffer le bâtiment en hiver.
- Absorption : Intéressant dans les pays chauds car nécessite une source de chaleur à 90° C.
- Utilisation de l’intelligence artificielle.
2. Récupération de la chaleur fatale
Afin d’assurer la continuité du service rendu, les équipements informatiques d’un Datacenter fonctionnent toute l’année, 24 heures sur 24. À l’image d’un ordinateur allumé à la maison, leur fonctionnement génère une production continuelle de chaleur. Une partie de cette chaleur produite qui n’est pas complètement utilisée par ce dernier est appelée communément « chaleurfatale ». La valorisation de cette chaleur fatale, une énergie disponible et « déjà payée », constitue un enjeu stratégique pour l’industrie et plus particulièrement l’industrie du Datacenter. Nous proposons dans cette partie de présenter les techniques ainsi que les freins à la démocratisation de la récupération de la chaleur fatale.
2.1 Techniques
Plusieurs techniques de récupération existent. En voici quelques exemples, leurs avantages et leurs inconvénients :- Groupe froid à condensation par eau
> Inconvénient principal : combinaison difficile avec le free cooling
- Groupe froid à condensation par air
> Inconvénient principal : récupération partielle
- Pompe à chaleur sur retour d’eau glacée
> Inconvénient principal : CAPEX
- Récupération de l’air chaud en salle informatique
> Inconvénient principal : types de valorisation limités
2.2 Frein à l’adoption de ces techniques de récupération
Bien qu’étant un levier de performance environnemental la récupération de la chaleur fatale demeure encore peu mise en oeuvre, et ce pour plusieurs raisons :
a) Coût de l’énergie
Quand on parle d’optimisation énergétique, on a souvent tendance à recourir à des investissements élevés. Si l’énergie est peu chère comme en France, la mise en place de telles solutions coûterait plus cher que le surcoût de consommation énergétique. Le passage à l’acte n’est donc pas impératif d’un point de vue purement économique.
b) Contraintes techniques
La récupération de la chaleur fatale nécessite de réunir des conditions techniques précises. Il faut s’assurer de l’adéquation de la production de la chaleur générée par le Datacenter et le besoin des consommateurs de cette même chaleur.
Il faudrait également que le système de refroidissement soit compatible avec la solution de récupération, en particulier des réseaux à haute température.
Pour finir, la mise en oeuvre de ces techniques dépend fortement de la zone géographique, par exemple pour un air saturé en humidité on ne va pas avoir recours au free cooling direct.
Exemple 1 : Retour d’expérience d’une entreprise du secteur bancaire
La chaleur fatale devait être intégrée à un réseau de chaleur mais il fallait mettre en place deux grosses chaufferies pour réhausser la température de l’air distribué.
a) Valorisation externe
La récupération et la valorisation de la chaleur fatale requiert- L’existence d’un réseau de chaleur à proximité ;
- La mise en place d’un contrat entre le gestionnaire du Datacenter et les utilisateurs finaux.
b) Les freins politiques
Parfois adopter l’une ou l’autre des solutions est un choix politique.Exemple 2 : Deux projets de récupération de chaleur, qui ont des difficultés à aboutir
- Facteur principal de faisabilité = besoin en chaleur
- L’entreprise souhaitait offrir cette chaleur gratuitement. Malgré tout il y a des investissements à réaliser pour la réalisation du projet.
- Moins de subventions disponibles pour ce type de projet.
- Deux difficultés supplémentaires :
> Les fonds de garantie sur cette réduction de chaleur, car les fournisseurs Datacenter ne peuvent pas garantir la zéro panne. Les Datacenters doivent s’assurer face à cela, mais aucun contrat d’assurance ne couvre actuellement ce risque.
> Les réseaux de chaleur urbains en France sont tous sur des températures de plus de 60°.
3. Bonnes pratiques.
Pour conclure ce chapitre, pour optimiser l’énergie thermique du Datacenter, nous préconisons les bonnes pratiques suivantes par ordre de facilité :
- À minima augmenter les températures de soufflage. L’air frais que l’on produit doit passer librement et sans contrainte pour pouvoir refroidir.
- Free Chilling
- Free cooling direct
- Free cooling indirect
Cependant, chaque projet entraîne des contraintes différentes. Voici quelques exemples alternatifs de systèmes de refroidissement :
- River Cooling : Une source froide à proximité du Datacenter va être utilisée
- La trigénération peut aussi apporter une réponse à la production de froid, sans avoir forcément recours à l’électricité directe
> Selon GrDF, qui mène des projets d’envergure sur ce sujet, la trigénération gaz renouvelable présente une solution alternative de premier ordre. Le gaz renouvelable est 10 fois moins carboné que le gaz naturel. L’électricité, la chaleur et le froid sont produits localement et utilisés directement. Les temps de retour sur investissement sont compris entre 1 an (solutions moteurs gaz) et 3 ans (solution micro turbines) par rapport à une solution classique tout électrique avec groupes électrogènes de secours