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Billet du lundi : Le data center, un hub au cœur du système énergétique

Source : https://unsplash.com/s/photos/data-center

Le ralentissement de l’activité économique par la mise à l’arrêt d’une partie de l’appareil productif a provoqué une baisse d’environ 20 % des consommations énergétiques journalières en France, comparativement à des mois de mars et avril « classiques ». La réduction des déplacements et la généralisation du télétravail pour certaines activités s’accompagnent d’une hausse d’usages numériques qui semblent, dans cette période si singulière, avoir initié de nouveaux comportements dont certaines entreprises envisagent la pérennité.

Les technologies de l’information et de la communication (TIC) sont un moyen d’accompagner la décarbonation et la sobriété énergétique, en se substituant à une partie des besoins de déplacements. Si les consommations énergétiques liées aux transports se réduisent, celles liées à l’usage d’outils numériques professionnels ou récréatifs ont tendance à augmenter. D’un point de vue climatique, ces évolutions comportementales favorables à l’usage d’outils numériques n’alourdissent pas le bilan dans un système où le mix électrique est fortement décarboné comme en France. Dans ce cas, le développement des usages numériques peut même être bénéfique s’il accompagne la réduction des besoins de transports individuels très largement dépendants des énergies fossiles.

Le développement, volens nolens, de ces nouveaux usages informatiques a mis en lumière les besoins de résilience de nos systèmes numériques par la maîtrise des infrastructures de télécommunication et de traitement de données, comme les data centers. Le trafic de données s’intensifie et les surfaces occupées par les data centers augmentent (serveurs informatiques qui stockent, traitent et protègent les données transitées en continu), ainsi que leurs besoins énergétiques et, par conséquent, leur production de chaleur. En effet, les data centers sont des unités de production de chaleur fatale importante qui peut faire l’objet de récupération ou de recyclage plutôt que d’être rejetée dans l’air ou dans les nappes phréatiques. Cette chaleur peut répondre aux besoins thermiques des sites sur lesquels ils sont implantés, ou être incorporée à des réseaux de chaleur pour alimenter en chauffage des infrastructures externes telles que les piscines, les parcs résidentiels, les zones industrielles ou commerciales.

1 – Concilier les besoins énergétiques des data centers avec les enjeux de sobriété

Selon RTE en 2014, la consommation électrique des data centers représentait 1 % du secteur tertiaire. En juin 2016, la France accueillait 182 data centers, dont 42 en Île-de-France raccordés au réseau électrique. RTE prévoit une hausse de plus de 86 % d’ici 2025, pour des puissances moyennes appelées de 5 MW par unité. L’ATEE considère que sur une durée de vie de 10 ans, 49 % du coût global des data centers est imputable à ses OPEX pour son alimentation énergétique. Ainsi, les solutions qui accompagnent leur efficacité énergétique sont des leviers importants d’optimisation des coûts et de compétitivité. À cet égard, le Conseil général de l’économie (CGE) recommande dans son rapport sur la « Réduction de la consommation énergétique du numérique » de décembre 2019, de lier la croissance des usages numériques avec des objectifs de sobriété. La récupération de la chaleur fatale des data centers est donc à la croisée des enjeux de développement d’infrastructures numériques critiques participant à la résilience de nos systèmes économiques, et des impératifs de transition énergétique.

Considérer et valoriser les capacités de production énergétique et thermique des data centers participe à une vision systémique de l’aménagement du territoire, ainsi que de l’exploitation et de la coordination des réseaux-multi-vecteurs. Dans le cadre de la poursuite de ses propres objectifs d’efficacité et de sobriété énergétique, le data center en tant que hub permet de faire le lien entre les réseaux d’électricité et de chaleur auxquels il apporte de la flexibilité.

Source : The Shift Project, Vers la sobriété numérique, mars 2019,
[https://theshiftproject.org/wp-content/uploads/2019/03/Lean-ICT-Report_The-Shift-Project_2019.pdf]

Selon une étude menée par l’Agence internationale de l’énergie, Green IT, Négawatt, France Stratégie, l’Ademe et The shift Project, entre 2017 et 2018 la consommation des TIC représentait 3,7 % des émissions de CO2 mondiales, en croissance constante. En 2017, d’après le Shift Project les data centers représentent 19 % de la consommation d’énergie dans le paysage du numérique et leur nombre est en croissance constante au niveau mondial : le fort développement des modèles numériques du pay-per-use, conduisant à ne plus démultiplier les logiciels au niveau des unités individuelles, mais à remonter les capacités de calcul et de traitement des données sur des ordinateurs centraux auxquels ont accès les clients via des API, accélère encore cette croissance.

Source : Conseil général de l’économie, Réduire la consommation énergétique du numérique, décembre 2019,[https://www.economie.gouv.fr/files/files/directions_services/cge/consommation-energique-numerique.pdf]

2 – Le verdissement des réseaux de chaleur

Depuis une dizaine d’année, les réseaux de chaleur et de froid ont vu la part des énergies fossiles qu’ils accueillent diminuer et sont aujourd’hui majoritairement alimentés par des énergies de source renouvelable. Dans les années à venir, ces réseaux devraient distribuer de plus en plus de chaleur fatale de récupération et s’adapter à l’intégration de chaleur à basse température. Le Plan de libération des énergies renouvelables lancé en 2018 par le ministère de la Transition écologique et solidaire a identifié l’importance de ces réseaux pour la valorisation d’énergies renouvelables et de récupération locales. Selon le plan d’action issu de ces travaux de concertation « 83 % des réseaux qui représentent 88 % des livraisons de chaleur, utilisent des énergies vertes pour produire de la chaleur », incluant la chaleur produite par les data centers.

La dynamique de verdissement des réseaux de distribution de chaleur fait partie intégrante de la politique énergétique française. Cette dernière ambitionne une multiplication par cinq des quantités d’énergie renouvelable et de récupération d’ici 2030 par rapport à 2012, inscrite dans la loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte. La Programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) qui vient d’être publiée prévoit une hausse de 74 % des livraisons de chaleur renouvelable entre 2017 et 2023. Ce contexte réglementaire est favorable à l’intégration des énergies fatales dans les réseaux de chaleur et bénéficie d’un soutien national, par le Fond chaleur de l’Ademe, et local via les mécanismes de subventions et de fiscalité incitative territoriaux.

Les réseaux de chaleur en France :

En France, la chaleur renouvelable et de récupération représente 56 % de la quantité de chaleur distribuée sur 760 réseaux qui s’étalent sur 5 397 kilomètres. Le développement de ces réseaux est une compétence des collectivités territoriales et s’intègre à leurs missions d’aménagement du territoire. Ces réseaux sont plus développés en zone urbaine et alimentent à 91 % des bâtiments résidentiels et tertiaires.

3 – Les data centers au service du système énergétique

3.1 Réutiliser les chaleurs fatales sur site pour favoriser les synergies

Le potentiel de valorisation de l’énergie consommée par les data centers est important, l’ATEE estime que 100 % de l’électricité consommée pour le refroidissement des équipements se transforme en chaleur, soit 1 kW d’électricité utilisée donne 1 kW de chaleur à traiter. Le refroidissement équivaut en moyenne à 38 % de la consommation énergétique des data centers. Selon Efficacity, ce poste est un important levier de performance énergétique. La chaleur ainsi dégagée peut ensuite être utilisée sur site pour alimenter des bâtiments résidentiels et tertiaires. Ce premier cas de figure suppose d’intégrer les data centers au sein de bâtiments exprimant des besoins en chauffage. La ville de Paris a ainsi décidé de chauffer les bassins de la piscine de la Buttes-aux-Cailles en récupérant la chaleur de serveurs informatiques installés dans son sous-sol. La ville estime ainsi avoir évité le rejet de 45 tonnes de CO2 par an pour le chauffage de l’eau et de 20 tonnes de CO2 supplémentaires pour la climatisation des serveurs.

La proximité entre les lieux de production et de consommation de la chaleur influence fortement le coût du transport et peut impacter la faisabilité économique de ces projets. Certaines startups, comme Qarnot-Computing, développent ainsi une vision innovante du data center pour dissiper l’énergie thermique qu’ils produisent directement dans les unités de chauffage individuelles. L’entreprise propose des radiateurs numériques composés de mini-serveurs embarqués qui exécutent à distance des opérations informatiques. Ce nouveau dispositif fait éclater le modèle centralisé du data center en installant les serveurs chez des particuliers qui bénéficient directement de la chaleur dégagée. Cette solution a été testée sur le parc d’habitat social bordelais en 2017.

3.2 Intégrer la chaleur fatale aux réseaux en développant les EnR&R

Dans le second cas de figure, la chaleur rejetée, en moyenne à une température de 60°C, peut être incorporée aux réseaux de chaleur de nouvelle génération (EnR&R) combinant des énergies de source renouvelable et de récupération à basse température. D’après Efficacity, les réseaux capables d’accepter de la chaleur à basse température représentent aujourd’hui 80 % des réseaux de chaleur français. C’est l’exemple du projet du réseau neuf « basse température » de Dalkia à Bailly-Romainvilliers en Seine-et-Marne soutenu par l’Ademe. Le projet lie au sein d’un réseau urbain, un data center de 8 000 m2 à une centrale d’énergie et à un réseau de chaleur, eux-mêmes reliés à un centre aquatique et aux bureaux d’une ZAC. Le data center délivre une puissance maximale de 7,8 MW thermiques qui répond aux besoins de chauffage du centre aquatique et de la ZAC. Dans ce projet, Dalkia est à l’interface entre l’offreur (exploitant du data center) et le demandeur (promoteur exploitant d’infrastructures) de chaleur. Ce modèle d’aménagement fonctionne économiquement et techniquement grâce à une planification de l’implantation du data center intégrée à l’évolution de l’aménagement urbain et économique de la zone.

Les freins à la récupération de ces chaleurs sont principalement économiques du fait des surcoûts d’installations et de transport de la chaleur. Lorsque les réseaux ne sont pas adaptés pour accueillir de basses températures, il faut alors la rehausser via l’usage de pompes à chaleur intégrant des productibles renouvelables, ou par un couplage de différentes sources de chaleur. Ces modalités sont source de surcoûts de dimensionnement.

3.3 Des potentiels de flexibilité pour le réseau électrique

Les data centers peuvent aussi être des acteurs sur le réseau électrique par la flexibilité de leurs installations et leurs choix d’utiliser, ou non, des énergies renouvelables. En devenant « prosomateur », ils participent à des opérations d’effacement ou de vente de leur production énergétique à des agrégateurs, et contribuent ainsi à la stabilité du réseau. Toutefois, la capacité des data centers à offrir de la flexibilité au réseau électrique est à contrebalancer avec leurs importants besoins de puissance appelée par ces infrastructures qui fonctionnent 24 heures sur 24 et dont les besoins de secours sont importants.

Les data centers s’inscrivent dans une logique d’économie circulaire de l’énergie et d’internalisation des émissions de chaleur fatale en accompagnant les objectifs de transition énergétique décrits dans les schémas d’aménagement locaux. Ils mettent en lumière le nécessaire besoin de planifier conjointement le développement de l’ensemble des réseaux et des infrastructures énergivores. La mutualisation de leur synergies accompagne la sobriété énergétique des territoires. Cette thématique couvre des enjeux larges de coordination technique, économique et de gouvernance que le groupe de travail n°2 « Nouvelles villes, nouveaux réseaux » du Comité de prospective de la CRE questionne dans sa saison 3.

Sources

Conseil général de l’économie de l’industrie de l’énergie et des technologies, Réduire la consommation énergétique du numérique, décembre 2019 [https://www.economie.gouv.fr/files/files/directions_services/cge/consommation-energique-numerique.pdf]

ENR’CERT, L’efficacité énergétique dans les data centers : étude des gisements du parc français, novembre 2016 [https://www.actu-environnement.com/media/pdf/news-27968-data-center-atee.pdf]

Institut Efficacity, Data center état des lieux, janvier 2017 [https://www.efficacity.com/wp-content/uploads/2017/12/170407_Rapport-Datacenter.pdf]

Ministère de la Transition écologique et solidaire, Réseaux de chaleur et de froid : un filière d’avenir, octobre 2019 [https://www.ecologique-solidaire.gouv.fr/sites/default/files/2019.10.07_eb_ew_dp_reseauxchaleurfroid.pdf]

The Shift Project, Vers la sobriété numérique, mars 2019, [https://theshiftproject.org/wp-content/uploads/2019/03/Lean-ICT-Report_The-Shift-Project_2019.pdf]

Filière 3E, Datacenters, « Vers une performance énergétique et opérationnelle toujours plus pointue », 25 mars 2020 [https://www.filiere-3e.fr/2020/03/25/datacenters-vers-une-performance-energetique-et-operationnelle-toujours-plus-pointue/]

N.B. Les « billet[s] du lundi » du Comité de prospective de la CRE présentent des sujets qui ont trait au secteur de l’énergie sur la base de synthèses documentaires ou d’observations sur des articles ou des documents élaborés par des tiers. Ces synthèses n’engagent pas le collège de la Commission de régulation de l’énergie. Elles ont pour but d’attirer l’attention des acteurs sur des éléments factuels auxquels ils peuvent réagir par retour de contribution à notre adresse : eclairerlavenir@cre.fr.