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1 - POURQUOI LA CONSOMMATION DES DATA CENTERS AUGMENTE-T-ELLE ?

2 - COMMENT RÉDUIRE LA CONSOMMATION DES DATA CENTERS ?

3 - EXEMPLES DE DATA CENTERS ÉCONOMES EN ÉNERGIE

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : BE6003 v1

Pourquoi la consommation des data centers augmente-t-elle ?
Vers des data centers zéro émission et autonomes en énergie

Auteur(s) : Luigi BROCHARD

Relu et validé le 13 avr. 2021

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RÉSUMÉ

Cet article traite de la consommation énergétique des data centers. Il en explique les causes et présente de nombreuses solutions techniques pour la réduire : contrôle de la consommation des serveurs, refroidissement gratuit, refroidissement à eau, réutilisation de la chaleur, etc. Différents exemples de data centers économes en énergie et écoresponsables, incluant ceux des GAFA, sont analysés. Il est nécessaire de recourir conjointement aux énergies renouvelables et aux économies d’énergie pour atteindre le niveau zéro émission. Mais, vu la variabilité des énergies renouvelables, une autonomie énergétique n’est envisageable qu’en mettant en œuvre un stockage d’énergie, en particulier par hydrogène en utilisant des piles à combustible.

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ABSTRACT

Toward zero emission and energy autonomous data centers

This paper studies the data center energy consumption. It explains its root causes and the different technical solutions to reduce it: server power consumption control, free cooling, water cooling, waste heat reuse, etc. Different examples of data centers (including GAFA’s) which became energy efficient and eco responsible are analyzed. Renewable energy jointly with energy efficiency are the only way to reach zero emission. But, given the variability of renewable energy, partial or total autonomy can only be reached by storing energy, in particular using hydrogen and fuel cells.

Auteur(s)

  • Luigi BROCHARD : Président et co-fondateur de Luigi Brochard Consulting et Energy Aware Solutions S.L. ex-Distinguished Engineer chez IBM puis Lenovo

INTRODUCTION

Les data centers représenteront vraisemblablement 8 % de la consommation électrique mondiale en 2030 et leur consommation va croître de façon exponentielle si rien n’est fait pour la réduire. En 2014, le Conseil européen a adopté un cadre d’action énergie-climat pour la période 2021-2030. Il s’agit de réduire les émissions de gaz à effet de serre d'au moins 40 % (par rapport aux niveaux de 1990), de porter la part des énergies renouvelables à au moins 32 %, et d’améliorer l'efficacité énergétique d'au moins 32,5 %. En septembre 2020, dans le cadre du Green Deal , la commission européenne a proposé de porter l’objectif de réduction des émissions de gaz à effet de serre en 2030 de 40 % à 55 %, pour atteindre la neutralité carbone en 2050 . D’autres pays dans le monde suivent la même démarche y compris la Chine qui a annoncé vouloir atteindre la neutralité carbone en 2060 .

On ne peut y arriver qu’en réduisant la consommation d’énergie ainsi que l’utilisation des énergies fossiles.

Dans ce cadre, la neutralité carbone en 2050 ou 2060 ne pourra être atteinte sans la prise en compte des data centers.

Pour rendre les data centers moins consommateurs d’électricité, la première étape consiste à réduire la consommation des serveurs et des systèmes de refroidissement. Cependant l’électricité consommée par les serveurs et les équipements informatiques du data center est entièrement transformée en chaleur. La deuxième étape pour rendre un data center moins énergivore sera donc de réutiliser la chaleur fatale de ces équipements. Si ces solutions sont mises en œuvre, la consommation d’un data center peut être réduite de presque 50 %, et ce quelle que soit sa situation géographique.

À ce stade, un data center, quoique plus économe en énergie, n’est pour autant ni à zéro émission ni autonome en énergie. La troisième étape consiste à remplacer les énergies fossiles utilisées pour son alimentation par des énergies renouvelables. Cette électricité peut être achetée à des fournisseurs (ce qui est déjà fait par certains GAFA) ou produite localement par des panneaux photovoltaïques ou des éoliennes. Cependant la production d’électricité utilisant des énergies renouvelables est variable et la consommation d’un data center varie également. Pour gérer cette situation, le data center peut vendre cette électricité verte en situation de surplus et en acheter en situation de déficit. Ce data center sera ainsi à zéro émission et partiellement autonome en énergie. Pour rendre ce data center totalement autonome, il conviendra de stocker l’énergie quand il y a surplus et d’utiliser cette énergie pour produire de l’électricité quand il y a déficit. C’est ce qu’apporteront les piles à combustible qui stockent l’électricité sous forme d’hydrogène et produisent de l’électricité en réutilisant l’hydrogène stocké.

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KEYWORDS

GAFA   |   energy efficiency   |   carbon neutrality   |   servers cooling   |   waste heat reuse

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be6003

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1. Pourquoi la consommation des data centers augmente-t-elle ?

1.1 Fonction, consommation et refroidissement d’un data center

Un data center est un bâtiment qui abrite deséquipements informatiques connectés au monde extérieur par des réseaux. Sa mission est d’assurer le fonctionnement de ces équipements sans interruption en leur fournissant les sources électriques stables et redondantes pour leur alimentation, le refroidissement nécessaire à leur fonctionnement et la sécurité garantissant l’intégrité des données et un fonctionnement continu. Les data centers peuvent héberger des milliers de serveurs et consommer plusieurs mégawatt (un million de watt) voire plusieurs dizaines de mégawatts.

Les serveurs et systèmes de stockage sont situés dans une ou plusieurs salle(s) machine(s). L’alimentation se trouve dans une autre salle ou zone. Le refroidissement occupe une autre zone et même souvent plusieurs.

La figure 1 montre schématiquement ces trois zones avec les flux de l’alimentation électrique et du refroidissement nécessaires au fonctionnement d’une salle machine classique refroidie à l’air sans réutilisation de la chaleur.

La partie droite de la figure 1 décrit le système de production d’eau froide.

Pour un refroidissement classique à air, on trouve en périphérie de la salle machine des échangeurs de refroidissement qui aspirent l’air chaud de cette salle machine, le refroidissent en le faisant passer sur des circuits d’eau froide puis soufflent cet air froid dans la salle machine. Ce flux est schématisé ici par des flèches rouges et bleues.

Les échangeurs de la salle machine ont besoin d’eau froide pour leur fonctionnement et c’est le rôle du système de production d’eau froide de les alimenter avec une eau à la bonne température. Cette opération peut être très coûteuse aussi bien en termes d’investissement (équipements et leur installation) qu’en termes de fonctionnement (électricité consommée par ces équipements).

Les deux éléments principaux du système de refroidissement sont le refroidisseur à compression (compressor chiller ou simplement chiller) qui produit l’eau froide, et les tours de refroidissement (cooling tower) qui évacuent dans l’atmosphère la chaleur résiduelle provenant des compresseurs.

L’association ASHRAE (American Society...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - Commission Européenne -   A European Green Deal.  -  https://ec.europa.eu

  • (2) - Commission Européenne -   Cadre d’action en matière de climat et d’énergie d’ici à 2030.  -  (2014). https://ec.europa.eu

  • (3) -   La Chine surprend en s’engageant à atteindre la neutralité carbone d’ici à 2060.  -  (2020). https://www.lemonde.fr

  • (4) - ASHRAE Data Center Storage Equipment -   Thermal Guidelines, Issues, and Best Practices.  -  (2015). https://tc0909.ashraetcs.org

  • (5) - MOORE (G.E.) -   Cramming more components onto integrated circuits.  -  Electronics, Volume 38, Number 8 (1965).

  • (6) - DENNARD (R.H.), GAENSSLEN (F.), YU (H.), RIDEOUT (L.), BASSOUS (E.), LEBLANC (A.) -   Design of ion-implanted...

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