Vers des centres de calcul efficaces sur le plan énergétique et respectueux de l’environnement

Exploiter des centres de calcul de manière efficace sur le plan énergétique et respectueuse de l’environnement? Christoph Brechbühler partage dans cette interview ses réflexions et ses points de vue sur la thématique des fluides frigorigènes, l’utilisation de la chaleur résiduelle, les températures de départ élevées jusqu’à 105 °C ou le free cooling.

Les centres de calcul poussent comme des champignons. La raison: l’économie et la société ne sauraient exister sans données. D’après les prévisions de l’Office fédéral de l’énergie, le besoin en électricité des centres de calcul va être multiplié par deux en Suisse au cours des cinq prochaines années. Il est donc important de disposer d’une technique du froid efficace et respectueuse de l’environnement.  

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Christoph Brechbühler connaît le froid dans les moindres détails. Monteur-frigoriste qualifié, technicien ES Froid et ingénieur en économie (HES), il s’occupe aujourd’hui, en tant que responsable des ventes climat/froid chez CTA SA, de la vente et de la gestion des produits du domaine des groupes frigorifiques, des climatiseurs et des pompes à chaleur industrielles en Suisse.

Monsieur Brechbühler: le refroidissement des centres de calcul est de plus en plus gourmand en électricité. Compte tenu de l’attention de plus en plus importante accordée à la valeur de l’électricité, quelles solutions s’offrent à nous? 

Christoph Brechbühler: Les exploitants professionnels de centres de calcul, qu’on appelle colocators, savent exactement ce que représente le coût de l’électricité. Et ce, depuis très longtemps. Ils veillent scrupuleusement à ce que la part d’électricité totale que consomme l’infrastructure (en particulier, la production et la distribution de froid) soit la plus faible possible. Ces colocators essaient de réduire le besoin en électricité avec des températures d’air pulsé plus élevées pour le refroidissement des racks de serveurs et en particulier avec le Free Cooling également. 

 

Le Free Cooling permet déjà de réduire nettement la consommation d’énergie destinée au refroidissement. 

En tout cas, à première vue. Car, quand on y regarde de plus près, il présente quelques inconvénients. 

 

Pourquoi? 

Les centres de calcul et les salles de serveurs dans les entreprises n’ont pas besoin de refroidissement très «puissant». Une température de l’eau froide de 24 °C suffit pour assurer une température d’aspiration de 27 °C au niveau du serveur. Un Free Cooling indirect devient donc possible dès que la température extérieure est inférieure à 20 °C. Cette solution est vraiment tentante, mais uniquement si vous masquez ce qui sort «à l’arrière» du rack de serveurs. L’air chaud à environ 35 °C est de l’énergie pure. On peut parler de destruction d’énergie pure et simple quand cette chaleur maintenant avec le Free Cooling est rejetée sans que l’environnement n’en profite. Dans le contexte de la transition énergétique et de l’Objectif de zéro net d’ici à 2050, nous ne pouvons tout simplement pas nous permettre un tel gaspillage de chaleur. Cette chaleur doit donc être utilisée autant que possible. 

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Christoph Brechbühler,Ingénieur de conception

Energie nutzen statt vernichten

«On parle tout simplement de destruction d’énergie quand la chaleur résiduelle des centres de calcul avec Free Cooling est rejetée sans que l’environnement n’en profite.»

La récupération de chaleur est certes une chose, mais le réfrigérant joue aussi un rôle essentiel quand il s’agit de l’efficacité énergétique du refroidissement des centres de calcul. Quelles tendances se dessinent ici? 

Le choix du réfrigérant a une influence sur les coûts d’investissement, mais aussi sur les futurs coûts d’exploitation. Au-delà de la question des coûts, il y a en plus une dimension écologique. La première génération de réfrigérants synthétiques a endommagé la couche d’ozone. On a alors réalisé à ce moment-là que les réfrigérants avaient un fort effet de serre. C’est la raison pour laquelle on utilise aujourd’hui dans le refroidissement des centres de calcul presque uniquement le réfrigérant synthétique HFO, les réfrigérants naturels ammoniac ou propane, et encore de l’isobutane pour les pompes à chaleur dans cet environnement. Toutes ces solutions ont un effet de serre très faible, voire inexistant. 

Pourquoi le HFO est-il le plus répandu dans les centres de calcul? 

Le réfrigérant synthétique HFO a plusieurs avantages: un effet de serre quasi-inexistant, des coûts d’investissement bas et, en ce qui concerne la température de l’eau froide des salles de serveurs, une efficacité énergétique convaincante. De plus, par rapport aux concurrents «naturels» dans le domaine des serveurs (à savoir, le propane, l’isobutane et l’ammoniac), il n’est ni toxique, ni explosif. 

 Le choix pour les centres de calcul est donc évident: alors, feu vert pour le HFO? 

Malheureusement, les choses ne sont pas aussi simples. Il est vrai que le HFO s’est quasiment imposé comme la norme chez les exploitants internationaux de centres de calcul. Mais, cette tendance m’inquiète aussi. Car le HFO reste malgré tout un réfrigérant synthétique. Lorsqu’il est rejeté dans l’environnement, il se transforme en un produit de décomposition appelé acide trifluoroacétique. Cet acide n’est pas dégradable dans l’environnement et s’accumule dans l’eau. Le réfrigérant HFO n’est pas sans danger même s’il ne contribue que faiblement à la concentration totale d’acide trifluoroacétique. Concernant les centres de calcul également, nous devons donc changer de perspective sur le long terme et aller vers les réfrigérants naturels que sont le propane et l’ammoniac. 

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La chaleur résiduelle des centres de données est valable. Avec une bonne planification, elle profite aux entreprises industrielles et aux réseaux de chaleur. 

La récupération de chaleur n’est pas un concept nouveau; elle est largement utilisée dans de nombreux bâtiments, salles de serveurs et centres de calcul. 

Nous constatons que la chaleur générée par les centres de calcul est souvent bien utilisée au sein des bâtiments ou dans les limites de l’entreprise. La mise en réseau au-delà de ces périmètres semble toute autre. J’ai des exemples où la chaleur générée par le centre de calcul est détruite par le toit donnant sur un côté de la rue, tandis que de l’autre côté, la chaleur est extraite de l’air extérieur via une pompe à chaleur et ce, afin de chauffer le bâtiment. 

 

Ce cas de figure peut sembler extrême, mais dans la pratique, n’est-ce pas plutôt vrai que les exploitants de centres de calcul (et pas seulement eux) ne trouvent même pas de personnes intéressées par la chaleur? 

Vous avez raison. La planification des nouveaux centres de calcul doit justement adopter une vision globale. Ceci commence par le fait de réfléchir à l’emplacement optimal d’un point de vue énergétique. Dans la ville de Bâle, par exemple, il existe tellement de sources de chaleur (résiduelle) que la plupart du temps, personne n’attend la chaleur résiduelle d’un nouveau centre de calcul. En revanche, dans l’agglomération ou dans un quartier périphérique de Berne, un centre de calcul pourrait représenter une source de chaleur recherchée et précieuse permettant de chauffer des quartiers entiers. Il faut ici que quelqu’un extraie cette chaleur et l’injecte dans son réseau de chaleur. 

 

Existe-t-il une demande pour ce type de solutions? 

En tant que fabricant dans le domaine de la production et la distribution de froid et, des pompes à chaleur, notre devoir est de soutenir les concepteurs spécialisés et les entrepreneurs en énergie lors du développement de solutions pertinentes et durables. Cette collaboration est très fructueuse et offre d’excellentes possibilités d’action aux clients finaux. Certaines limites existent toutefois. La demande en températures de départ de l’eau chaude supérieures à 80 °C est très faible actuellement, même si nous pourrions atteindre facilement 100 °C (voir tableau). Des températures aussi élevées se prêtent aux réseaux de chauffage à distance, jusqu’aux processus industriels. 

La guerre en Ukraine a toutefois rebattu les cartes, les combustibles fossiles étant délaissés au profit des énergies renouvelables avec une utilisation raisonnable de l’énergie électrique. Dans l’environnement des entreprises, trois à six ans sont nécessaires entre le moment de la décision jusqu’à la mise en œuvre d’une telle solution, en passant par la planification. Je suis sûr que la demande en pompes à chaleur impliquant des températures élevées va considérablement augmenter au cours des prochaines années. 

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Valeurs COP des pompes à chaleur RZ à différentes températures d’eau chaude

Mais les réfrigérants naturels utilisés pour le refroidissement des salles de serveurs sont plus chers? 

En principe, il n’y a guère de différences selon que les groupes frigorifiques sont équipés de HFO, d’ammoniac ou de propane. Ces trois réfrigérants requièrent tous une ventilation tempête, un dispositif de détection de réfrigérant et un bon concept de sécurité. La production de froid avec de l’ammoniac est naturellement un peu plus coûteuse à la planification. En raison de la toxicité du réfrigérant, un calcul d’extension et une évaluation des risques en cas de défaillance sont donc nécessaires. On oublie de plus en plus toutefois que l’ammoniac est un réfrigérant éprouvé, fiable et sûr qui est utilisé dans les installations de réfrigération industrielles depuis plus de 100 ans. 

Nous pouvons recommander sans hésitations d’installer à l’extérieur un groupe frigorifique au propane, un réfrigérant explosif. Aujourd’hui, les progrès technologiques rapides permettent toutefois de les poser à l’intérieur. Dans ce cas, aucun compromis n’est fait en matière de sécurité. Un document clair relatif à la protection contre les explosions avec évaluation des risques est obligatoire ici. Les composants électriques doivent être aussi systématiquement séparés du circuit frigorifique, que ce soit au niveau spatial ou à l’aide d’un scellement hermétique de ce circuit frigorifique avec un boîtier. 

 

Après les louanges que vous venez de faire aux réfrigérants naturels, offrez-vous toujours des solutions basées sur le HFO? 

Nous proposons naturellement aussi des groupes frigorifiques et des pompes à chaleur avec le réfrigérant synthétique HFO. Le choix de la solution optimale doit toujours peser différents facteurs. Le HFO est une solution efficace sur le plan énergétique et intéressante économiquement pour des installations ayant une puissance frigorifique de 50 kW à environ 1 MW, mais comme évoqué, il a comme inconvénient d’être une contrainte écologique en raison de ses produits de décomposition. Nous sommes donc très attentifs à ce qu’aucun réfrigérant n’arrive si possible dans l’environnement. 

Dans les centres de calcul, les installations à l’ammoniac avec applications à l’eau froide sont à peu près aussi efficaces que celles au HFO, mais généralement, elles peuvent être rentables sur le plan technique seulement à partir d’une puissance frigorifique d’environ 500 kW. Du point de vue énergétique, l’ammoniac est très intéressant pour les grandes installations ayant une puissance d’à partir 1 MW et en combinaison avec une récupération de chaleur avec températures élevées (départ à 70 °C et plus). Lorsque la puissance frigorifique est inférieure à 500 kW, je vois plutôt le propane comme une alternative au réfrigérant HFO. Problème dans ce cas: le propane est moins efficace sur le plan énergétique et son coût d’exploitation est donc légèrement plus élevé. En outre, les coûts d’investissement liés au propane sont aujourd’hui légèrement supérieurs à ceux des installations au HFO qui bénéficient des effets d’échelle des grandes quantités. 

 

Que peut-on alors attendre du propane? 

Il n’y a pas d’autres solutions que le propane si on souhaite éviter les effets écologiques indésirables du HFO concernant des installations petites et moyennes allant jusqu’à 500 kW. La bonne nouvelle est que d’ici quelques années, les différences en matière d’investissement entre le HFO et le propane vont disparaître. 

En combinaison avec une utilisation de la chaleur produite, les déficits en matière d’efficacité énergétique pourront être compensés. Au final, les clients, doivent-ils se demander s’il est plus ou moins important pour eux de réduire les risques pour l’environnement? Pour y parvenir, sont-ils prêts à payer un surcoût? Et qu’en pensent les consommateurs finaux: préfèrent-ils un secteur informatique le plus écologique ou le plus rentable possible? 

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Comment est utilisée l’électricité dans les centres de calcul?

  • 50 % pour les serveurs

  • 13 % pour l’éclairage et l’installation ASI

  • 37 % pour le refroidissement et la ventilation 

Cet entretien a été publié en novembre 2022 dans le magazine spécialisé HK Gebäudetechnik. Il a été réalisé par Christian Werner. Supports visuels: CTA SA et Mitsubishi Electric Hydronics & IT Cooling Systems. 

 

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