La consommation énergétique des centres de données, un enjeu environnemental notable

LA CONSOMMATION ÉNERGÉTIQUE DES CENTRES DE DONNÉES, UN ENJEU  ENVIRONNEMENTAL NOTABLE

Les centres de données sont des sites physiques qui hébergent les systèmes nécessaires au fonctionnement d’applications informatiques. Ils permettent de stocker et de traiter des données et sont constitués de composants informatiques – comme les serveurs, les unités de stockage de données et les équipements de réseau de communication – et d’éléments non informatiques comme les systèmes de refroidissement (ADEME, 2017). Les centres de données regroupent jusqu’à plusieurs milliers de serveurs informatiques. Un serveur est un ordinateur mis en réseau, souvent directement sur internet, pour héberger des données. Jusqu’au début des années 2000, ces serveurs étaient localisés directement dans les locaux des entreprises qui en avaient besoin, tandis que la plupart des particuliers stockaient leurs données en local sur leur ordinateur. Aujourd’hui,  tout a changé : on peut accéder à ses fichiers où que l’on soit. Par exemple, avec Google Drive ou Microsoft OneDrive, depuis son domicile, son lieu de travail, son smartphone, … Les assistants vocaux comme Siri, Google Home ou encore Alexa fonctionnent également de cette façon : ils doivent se connecter à des serveurs distants sur internet. En fait, le stockage des données est externalisé par des sociétés spécialisées qui se chargent des aspects opérationnels et matériels. Ce qui permet aux entreprises de faciliter l’administration des serveurs en les confiant à des professionnels, et surtout de réduire les durées d’interruption lorsque des pannes se produisent. C’est ce qu’on appelle le « cloud computing », c’est-à-dire l’informatique dématérialisée (Sciences et avenir, 2018). À noter qu’il existe tout de même encore aujourd’hui des « petits » centres de données installés directement dans les locaux d’entreprises de petite taille. Ce ne sont donc pas des infrastructures indépendantes, ils font partie d’un bâtiment dont le but premier n’est pas la gestion et le stockage de données. Ainsi, dans cette étude, les centres de données seront définis comme des bâtiments indépendants et uniquement dédiés au stockage et à la gestion des données informatiques. La multiplication et le développement de ces centres de données s’inscrit dans le contexte de la croissance du secteur du numérique. En effet, celui-ci, qui comprend également la consommation des équipements terminaux comme les ordinateurs ou les téléphones portables, des antennes, ou encore des routeurs, produisait en 2015 près de 4% des émissions de gaz à effet de serre et consommait entre 6 et 10% de la production électrique mondiale. Environ 30% de cette consommation électrique serait imputable aux centres de données (CNRS Le Journal, 2018) et leur capacité de stockage devrait encore être multipliée par quatre, par rapport à 2018, d’ici 2021 (Sciences et avenir, 2018).

Une consommation énergétique difficile à évaluer

Les chiffres concernant la consommation énergétique des centres de données différent énormément selon les sources. En effet, il est très difficile, pour des raisons de sécurité, d’obtenir des données précises sur ces équipements, les chiffres que l’on peut trouver dans la littérature et les différentes études se basent donc sur des estimations, estimations qui se sont récemment révélées être fausses. Par exemple, dans un rapport intitulé “How to deal with technical and economic constraints to recover waste heat in France?” (Leang S., Berthou M., Jumel S., 2017), on estimait que la consommation des centres de données en France en 2013 représentait sept térawattheures d’électricité – principalement destinée à l’alimentation des serveurs et au refroidissement – et que plus de la moitié de cette consommation, 3.6 térawattheures, était gaspillée car rejetée sous forme de chaleur sans être valorisée, ce qui représentait 3% de l’énergie thermique gaspillée en France la même année. En 2018 dans Sciences et avenir, on estimait cette fois que la consommation des centres de données français s’élevait à environ trois térawattheures en 2015, soit davantage que la consommation électrique de la ville de Lyon selon l’Union française de l’électricité. Enfin, selon RTE, les consommations énergétiques des centres de données représentaient déjà près de 4% de la consommation électrique mondiale en 2018 et auraient une croissance annuelle de 5%. Mais une étude publiée en mars 2020, intitulée « Recalibrating global data center energy-use estimates” (Masanet E. et al., 2020) permet de nuancer les chiffres alarmants des dix dernières années, qui ont en fait été surévalués. Selon cette étude, en 2010, à l’échelle mondiale, les centres de données consommaient 194 térawattheures d’électricité. En 2018, la consommation est passée à 205 térawattheures. Cela représente une légère hausse de 6%. Pourtant, dans le même temps, l’activité des centres de données a augmenté de 550% et, finalement, leur consommation représente aujourd’hui « seulement » 1% de l’énergie consommée à l’échelle mondiale. Cette différence entre cette étude et les chiffres présentés depuis plusieurs années s’explique simplement par le fait que, selon ses auteurs, les analystes avaient extrapolé le lien entre la croissance de l’informatique dématérialisée et la consommation d’énergie des centres de données : les progrès d’efficacité énergétique n’auraient pas  été mesurés à leur juste niveau au cours des dernières années. Par exemple, la puissance nécessaire pour stocker un téraoctet de données aurait été divisée par neuf en dix ans. La consommation d’électricité des centres de données aurait ainsi été peu à peu sensiblement découplée de la croissance du volume de données traitées au sein de ces installations. Par ailleurs, les petits centres de données, majoritaires en 2010, ont laissé la place à des installations de grande taille, appelés centres de données hyperscale et à un recours croissant à l’informatique dématérialisée permettant de « solliciter les centres de données à la pointe de l’efficacité énergétique ». Au total, « l’intensité énergétique des centres de données dans le monde aurait diminué de 20% par an depuis 2010, une progression spectaculaire par rapport à d’autres grands secteurs » (Connaissance des énergies, 2020).

Il est également difficile de connaître le nombre exact de centres de données dans le monde et en France. Il y en aurait à l’heure actuelle environ 4600 dans le monde (Brut, 2020), dont près de 2500 en Europe : 429 au Royaume-Uni, 428 en Allemagne, 252 en France, 251 aux Pays-Bas, 50 en Irlande, … (Vox Pop – ARTE, 2020). Selon Global Security Mag qui publie chaque année une cartographie des centres de données français, en 2020, la majeure partie des 252 centres de données français, 215 – dont 28 sont en construction – soit presque les trois quarts, sont des centres de données neutres, c’est-à-dire qu’ils n’appartiennent pas à un opérateur de service mais en abritent de nombreux. Pour ces 215 centres de données, on dispose généralement d’une localisation relativement précise, au moins le nom de la commune sur laquelle ils sont ou vont être implantés. À l’échelle nationale, c’est l’Île deFrance qui concentre le plus grand nombre de centres de données, 76 dont sept en construction (Global Security Mag, 2020). On remarque par ailleurs que plus de la moitié des centres de données dans le monde se situent en Europe. En effet, leur refroidissement représente aujourd’hui 30 à 40% de leur consommation totale en électricité lorsque l’on utilise des climatiseurs plutôt que des technologies de refroidissement naturel (Vox Pop – ARTE, 2020). Pour maximiser le refroidissement naturel et faire des économies, les géants de l’internet comme Facebook ou Google ont délocalisé leurs serveurs dans des pays nordiques comme la Suède (Sciences et avenir, 2018).

L’indicateur d’efficacité énergétique, un indicateur incomplet

Depuis quelques années, le développement de méthodes de refroidissement naturel permet donc de limiter le recours aux systèmes de refroidissement classiques. Ce développement est largement soutenu par les géants du web car il permet d’améliorer l’indicateur d’efficacité énergétique, en anglais Power Usage Effectiveness ou PUE, qui est aujourd’hui l’indicateur le plus couramment utilisé pour qualifier l’efficacité énergétique d’un centre de données (Wikipédia, 2020). Ainsi, Google par exemple peut afficher un PUE moyen inférieur à 1.1, ce qui signifie que la quasi-totalité de l’énergie consommée par le centre de données l’est par les équipements informatiques. Mais cet indicateur est de plus en plus critiqué car il est incomplet, il ne prend notamment pas en compte la réutilisation éventuelle de la chaleur produite par les serveurs. À ce titre, l’ADEME préconise justement en priorité « la valorisation des calories rejetées par les centres de données […] pour d’autres projets à son voisinage […]. Le recours au géo-cooling (technique de refroidissement naturel, nda.) ne sera envisagé que s’il est impossible de trouver une valorisation des calories perdues du centre de données vers des clients voisins, car l’efficacité énergétique globale du centre de données en énergie primaire est souvent moins bonne avec le géo-cooling que dans le cas de la valorisation locale de la chaleur » (ADEME, 2017). Cela permet de souligner un aspect important : le refroidissement naturel, bien que permettant de ne pas dépenser de l’énergie en climatisation et donc globalement de faire des économies d’énergie, diminue l’efficacité énergétique d’un centre de données. Il serait donc finalement plus efficace d’un point de vue énergétique de valoriser la chaleur produite par les serveurs plutôt que d’avoir recours à des techniques de refroidissement naturel. Surtout, cela permettrait de ne pas gaspiller la chaleur produite par les serveurs mais plutôt de l’utiliser pour subvenir à d’autres besoins et donc diminuer la quantité d’énergie thermique à produire pour d’autres secteurs. Le PUE peut donc être contre intuitif puisqu’il ne reflète pas l’efficacité énergétique réelle. Le DCEM, pour Data Centre Energy Management, corrige les défauts du PUE en prenant en compte non seulement la consommation d’énergie et le coefficient d’efficacité énergétique, mais aussi la part des énergies réutilisées et renouvelables (Wikipédia, 2020). Cependant, ce n’est malheureusement pas ce dernier qui est aujourd’hui privilégié par les acteurs du domaine, principalement pour des raisons économiques car il serait plus coûteux et plus difficile de mettre en place des technologies de récupération de la chaleur fatale que des technologies de refroidissement naturel.

Table des matières

Introduction
I. La consommation énergétique des centres de données, un enjeu environnemental notable
1) Une consommation énergétique difficile à évaluer
2) L’indicateur d’efficacité énergétique, un indicateur incomplet
3) Refroidissement naturel, énergies renouvelables, valorisation : comment articuler ces solutions pour minimiser l’impact environnemental des centres de données ?
II. Les réseaux de chaleur, un mode de chauffage d’avenir
1) Un mode de chauffage écologique
2) Un mode de chauffage au fonctionnement relativement simple
3) Un mode de chauffage qui possède des limites
III. Calcul des besoins en chaleur d’un ensemble urbain
IV. Etude de l’effet de la mutualisation de la chaleur fatale d’un centre de données sur les besoins en chaleur d’un ensemble urbain
1) Estimation du potentiel thermique valorisable
2) Calcul des besoins unitaires d’un ensemble urbain
3) Application de la méthode
Conclusion
Bibliographie
Annexe 1 : Définitions
Annexe 2 : Calcul des besoins en chauffage selon la RT1989
Annexe 3 : Détermination de la distribution temporelle des besoins en chauffage
Annexe 4 : Estimation des besoins en ECS d’un ensemble urbain
Annexe 5 : Calcul des besoins en chaleur tenant compte de la mutualisation de la chaleur fatale d’un centre de données
Annexe 6 : Etude de sensibilité sur la période de construciton des bâtiments
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