En ce début d’année 2024, la France a été frappée par une vague de froid, c’est la plus importante qu’elle ait connue depuis 2018. En parallèle, Bruno Le Maire, le ministre de l'Économie, des Finances et de l'Énergie, a annoncé une augmentation d'environ 10 % des prix de l'électricité. Cette hausse intervient après la fin du bouclier tarifaire mis en place en 2022.
Cette vague de froid a entraîné une hausse de la consommation d'énergie, mettant plus de tension sur les réseaux énergétiques urbains. Dans un contexte de crise énergétique mondiale et de demande en électricité croissante, la concurrence pour l’alimentation énergétique s'intensifie entre les villes et les infrastructures numériques, en particulier les data centers. Ces derniers, essentiels à nos sociétés digitalisées, ont consommé près de 460 TWh en 2022, soit 2 % de la demande mondiale d’électricité. Non seulement ils sont d'importants consommateurs d'énergie, mais ils sont aussi producteurs de chaleur fatale, une source d'énergie souvent gaspillée. Dans un contexte européen où la moitié de la consommation énergétique est dédiée au chauffage,1 la chaleur fatale des data centers représente une opportunité sous-exploitée d'optimisation énergétique et de décarbonation du chauffage.
Grilles énergétiques saturées dans les villes : priorité aux habitants ou aux data centers
Crise énergétique : augmentation de la demande énergétique
L’explosion de la demande énergétique des data centers
Dans son dernier rapport, l’Agence Internationale de l'Énergie annonçait que la consommation d’électricité des data centers à l’échelle mondiale pourrait doubler d'ici 2026 et dépasser 1000 TWh, soit l’équivalent de la consommation d’électricité du Japon.
Dans son rapport sur les prévisions des data centers pour 2023, l'Uptime Institute avait anticipé l'augmentation de la demande de capacité de calcul et de stockage et son impact majeur sur la consommation d'énergie des data centers. Non seulement cette consommation d’énergie est coûteuse, mais elle génère également d’énormes émissions de carbone et exerce une pression sur le réseau électrique.
En Europe, la croissance galopante des data centers a conduit plusieurs villes à adopter des moratoires et de nouvelles réglementations pour contrôler l’implantation des data centers, en réponse à la saturation des infrastructures électriques dans certaines zones. Amsterdam, par exemple, avait instauré en 2019 un moratoire sur la construction de nouveaux data centers jusqu’en 2020. Aujourd’hui, la ville autorise la construction de nouveaux data centers à condition que les opérateurs puissent justifier d’un apport positif à la ville tout en respectant les normes environnementales en vigueur. [Voir l'article sur la ville d’Amsterdam et les data centers]
En Irlande, selon les estimations de l’IEA, la demande d’électricité des data centers en Irlande pourrait représenter 30 % de la demande nationale en 2026. Afin de préserver la stabilité et la fiabilité du système électrique irlandais, la Commission de régulation des services publics d'Irlande a défini fin 2021 de nouvelles conditions pour raccorder les data centers au réseau électrique. Ces exigences sont fondées sur trois critères : la localisation des data centers en fonction des contraintes du réseau, leur capacité à produire ou stocker l'énergie nécessaire à leur fonctionnement, et leur flexibilité de consommation. Ces mesures visent à encourager une utilisation plus efficace du réseau et l'intégration d'énergies renouvelables, reflétant l'engagement du gouvernement envers la décarbonation. Elles sont d’autant plus importantes qu’en juin dernier, le système électrique irlandais a émis une alerte sur le risque que la production d’électricité ne puisse répondre à la demande.2
Alimentés en électricité en permanence, les data centers se classent parmi les plus gros consommateurs d’énergie au monde. Leur consommation d'énergie se divise principalement en deux postes : l'alimentation électrique continue des serveurs informatiques et leur refroidissement (climatisation, immersion, systèmes d'eau glacée, et évaporation). En effet, en fonctionnant, les serveurs génèrent de la chaleur qui doit être évacuée pour assurer le bon fonctionnement du matériel informatique et la sécurité des équipements. Le refroidissement représente en moyenne près de 40 % de la consommation d’électricité d’un data center.3
Alors que la consommation énergétique des data centers est un enjeu majeur, une question se pose : comment transformer la chaleur, perçue comme un déchet, en une ressource valorisable ? Est-il même possible d’exploiter la chaleur des data centers là où elle est utile ?
Besoin de chauffage des villes en constante augmentation
Depuis le début de la guerre en Ukraine, de nombreuses crises ont bouleversé le marché mondial de l’énergie. En France, la facture énergétique du pays a doublé entre 2021 et 2022, malgré la protection du bouclier tarifaire. Et le premier poste de consommation d’énergie, devant les transports, est la chaleur. Quand on sait que la chaleur représente près de la moitié de l’énergie consommée en France, et qu’elle est encore fortement carbonée (aujourd’hui produite à 60 % par des énergies fossiles)4, la réutilisation de la chaleur fatale est une voie prometteuse pour décarboner le secteur.
Déchet pour les data centers, ressource pour les réseaux de chaleur : que faire de la chaleur fatale informatique ?
Les réseaux de chaleur, une solution vertueuse pour exploiter la chaleur fatale
Les réseaux de chaleur représentent une solution innovante et durable pour récupérer et valoriser la chaleur fatale produite par les data centers. Ils peuvent être raccordés aux data centers, pour en distribuer la chaleur excédentaire vers des bâtiments et autres installations, offrant ainsi une alternative plus écologique et économique aux systèmes de chauffage traditionnels.
Les réseaux de chaleur sont très répandus en Europe du Nord. La ville de Stockholm, par exemple, utilise la chaleur des data centers pour alimenter son réseau de chauffage urbain. Ce système, qui fournit de l'eau chaude pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire (ECS), réduit considérablement la dépendance aux énergies fossiles, les émissions de CO2 et offre une stabilité des coûts de chauffage pour les consommateurs.
Le réseau de chaleur est actuellement le seul vecteur massif de décarbonation de la chaleur dans les logements, à un prix compétitif.
Réseaux de chaleur : la France en quête de progrès ?
En France, les réseaux de chaleur représentent seulement 5 % de la chaleur consommée en 2023.5 Pourtant, ils présentent de nombreux avantages et s’avèrent particulièrement efficace pour contribuer à la transition énergétique :
1 - Contrairement aux prix du gaz et de l'électricité qui ont beaucoup fluctué depuis 2021, ceux des réseaux de chaleur demeurent plus stables.
2 - Les réseaux de chaleur sont alimentés à au moins 50 % par des énergies renouvelables ou de récupération (ENR&R). En 2021, 62,5 % de l'énergie entrante dans les réseaux de chaleur était d’origine renouvelable et de récupération. D’après la Fedene, l’utilisation d’EnR&R au-delà des 65 % permet de privilégier une chaleur faiblement carbonée, durable et de proximité.
3 - Ils jouent également un rôle clé dans l'économie circulaire en récupérant et distribuant la chaleur qui serait autrement perdue, ce qui renforce la compétitivité des territoires.6
Etat des réseaux de chaleur en France7 :
Pour répondre aux ambitions de la France en termes de réduction de consommation énergétique, de recours aux énergies renouvelables et de réduction des gaz à effet de serre, la Stratégie Nationale Bas-Carbone vise à réduire la consommation individuelle des logements et à tripler le nombre de ceux connectés à des réseaux de chaleur d'ici à 2035. En effet, la SNBC préconise de « développer les réseaux de chaleur urbains et d’orienter la production vers la chaleur renouvelable et la récupération de chaleur fatale ».
En 2019, le Ministère de la Transition Écologique lançait vingt-cinq actions pour accélérer le déploiement des réseaux de chaleur et de froid renouvelables.
Pourquoi est-ce si difficile pour les data centers de réutiliser cette chaleur ?
Si de plus en plus de réglementations européennes exigent que les nouveaux data centers gagnent en durabilité, comme la Directive Européenne sur l’efficacité énergétique qui contraint les nouveaux data centers d’une puissance totale supérieure à 1 MW à utiliser la chaleur fatale, les initiatives restent rares et coûteuses.
Réutiliser cette chaleur n’est pas simple pour plusieurs raisons :
D’abord, les coûts d’installation sont conséquents pour des projets de réutilisation à grande échelle.
Ensuite, la chaleur fatale émise par les serveurs dépasse rarement les 30 °C, une température trop basse pour être exploitée. Il est donc nécessaire d’installer une pompe à chaleur coûteuse pour rehausser cette chaleur et pouvoir la transporter.
Par ailleurs, les data centers sont souvent implantés loin de sites consommateurs de chaleur. Comme la chaleur se transporte mal, la convoyer sur de longues distances s’avère relativement inefficace.
Malgré les défis techniques et financiers liés à la réutilisation de la chaleur fatale des data centers, des solutions innovantes émergent.
Le modèle Qarnot : mutualiser une source d'énergie pour deux usages
Changer le paradigme des data centers traditionnels
Pour répondre à la consommation énergétique colossale des data centers traditionnels, Qarnot a développé une alternative distribuée et durable en déployant ses serveurs directement là où la chaleur fatale informatique peut être valorisée : près des sites grands consommateurs de chaleur.
Le modèle Qarnot a été conçu dans l’optique d’optimiser la consommation énergétique du data center, en l’envisageant, non pas comme un consommateur, mais plutôt comme un producteur d’énergie. Qarnot déploie des data centers nouvelle génération, sous forme de clusters de calculs, assimilables à des baies informatiques, conçus pour récupérer la chaleur fatale informatique.
Les clusters prennent la forme de chaudières numériques QBx et permettent de chauffer de l’eau jusqu’à 65 °C afin de produire de la chaleur à destination de bâtiments et de sites industriels (réseaux de chaleur, piscines, entreprises…).
Puisque la chaleur est captée dans l’eau, Qarnot ne consomme ni eau ni énergie pour assurer le maintien en température des serveurs. Le modèle fonctionne ainsi en circuit fermé, et toute l’eau qui est utilisée, plutôt que d’être gaspillée, sert in fine à chauffer des bassins de centres aquatiques, des douches, ou des sites industriels.
Cette technologie hautement innovante et brevetée de direct water cooling permet de récupérer jusqu’à 95 % de la chaleur dégagée par les serveurs informatiques.
Qarnot : concrètement, comment ça marche ?
Les clusters de calculs QBx, qui embarquent des serveurs, sont refroidis par un circuit d’eau qui collecte les calories émises lors du calcul. C’est grâce à des échangeurs thermiques brevetés que la dissipation passive de la chaleur émise par les processeurs opère pour chauffer l’eau qui circule. L’eau serpente dans des tuyaux de cuivre de gros diamètre et se réchauffe au contact de la chaleur dégagée par l’activité informatique. En sortie, la température de l’eau monte jusqu’à 65° C et alimente un circuit d’eau en continu. Les installations sont dimensionnées pour valoriser la chaleur toute l’année le talon de consommation d’eau chaude, quels que soient le site d’installation et le cas de figure (boucle, préchauffage…), sans impact de la saisonnalité sur la capacité informatique.
Le modèle fonctionne ainsi en circuit fermé, et toute l’eau qui est utilisée, plutôt que d’être évaporée et gaspillée, sert in fine à chauffer des réseaux de chaleur, des piscines, des douches ou des sites industriels. À titre d’exemple, les clusters de calcul Qarnot sont déjà installés dans des réseaux de chaleur, des piscines municipales ou des sites industriels.
Réduire l’empreinte du numérique En alimentant ses serveurs et en produisant de la chaleur bas carbone et de récupération avec la même énergie, Qarnot permet à ses clients cloud de réduire l’impact carbone de leurs activités de 80 % en moyenne (comparé à un data center traditionnel européen).
Europe : vers une mutualisation des efforts de décarbonation
Alors que le chauffage et la climatisation représentent une part considérable de la consommation énergétique de l'Union Européenne, majoritairement dépendante des énergies fossiles, le potentiel des réseaux de chauffage urbain émerge comme une piste prometteuse pour la transition énergétique. En France, la loi relative à la transition énergétique datant de 2015, prévoyait la multiplication par cinq la quantité de chaleur et de froid renouvelables et de récupération livrée par rapport à 2012.
Face à ces enjeux, la réutilisation de la chaleur fatale des data centers pour alimenter ces réseaux de chaleur permet de contribuer à la transition énergétique, de répondre aux défis de la crise climatique et d’encourager une économie circulaire et durable.
Par ailleurs, les réglementations et améliorations technologiques, y compris en matière d'efficacité, seront cruciales pour modérer la hausse de la consommation énergétique des data centers. La Directive révisée relative à l'efficacité énergétique de la Commission Européenne, adoptée en juillet 2023, vise à renforcer la transparence et la responsabilité des opérateurs de data centers afin d’optimiser la gestion de la demande en électricité. À partir de 2024, les opérateurs seront soumis à des obligations de déclaration relatives à leur performance énergétique. Les data centers dont la puissance totale nominale est supérieure à 1 MW seront dans l’obligation de réutiliser la chaleur fatale.
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Sources
(1) https://www.observatoire-des-reseaux.fr/les-reseaux-de-chaleur-en-europe/
(2) https://www.iea.org/reports/electricity-2024
(3) ibid.
(4) https://www.carbone4.com/publication-chaleur-renouvelable
(5) https://fedene.fr/lenquete-2023-sur-les-reseaux-de-chaleur-froid-en-france/