Avec les exigences de refroidissement et d’alimentation électrique des data centers devraient doubler d’ici 2030, quelle voie d’avenir écologiquement responsable adopter pour l’infrastructure IA ?
Chaque watt qui alimente le calcul génère de la chaleur. Et les charges de travail de calcul haute performance (HPC) actuelles poussent les densités de rack au-delà de 140 kilowatts (kW) (voir Figure 1), avec certaines puces dépassant 1 000 watts (W) en enveloppe thermique (TDP). Les systèmes de refroidissement travaillent plus intensément pour gérer les charges thermiques croissantes, augmentant ainsi la consommation d’énergie. Et avec l’accélération de l’adoption de l’IA, la demande mondiale en alimentation des data centers devrait doubler d’ici 2030.
Figure 1. La densité des racks augmente, indiquant une concentration supérieure de serveurs ou d’équipements dans un espace défini. Source – Omdia, données de densité de rack
Les résultats ne constituent pas une recommandation de Vertiv. Tout tiers faisant usage de ces résultats en assume l'entière responsabilité et les risques associés.
Pour relever ce défi dans un contexte de contraintes énergétiques et de réglementations évolutives sur les émissions, les opérateurs se tournent vers des solutions énergétiques hybrides. En combinant des sources d’énergie alternatives ou non fossiles, avec d’autres ressources énergétiques distribuées (DER), les data centers peuvent réduire la dépendance aux réseaux électriques saturés. L’intégration d’énergie alternative avec les DER, tels que les piles à combustible à hydrogène, les systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS) et les alimentations sans interruption (ASI) interactives au réseau, peut améliorer l’efficacité énergétique et le bilan carbone.
Le refroidissement du data center ne peut pas faillir
L’instabilité électrique menace les systèmes de refroidissement du data centers et même de brèves interruptions peuvent déclencher des arrêts thermiques qui endommagent le matériel et provoquent des pannes coûteuses. Selon l’Uptime Institute, une panne sur cinq coûte désormais plus de 1 million de dollars, tandis que beaucoup d’autres dépassent 100 000 dollars (voir Figure 2). Avec l’IA soutenant des secteurs critiques tels que la finance, les administrations et la santé, même les courtes défaillances de refroidissement entraînent des risques considérables.
La demande dépasse l’approvisionnement
Mais même avec les solutions d’énergie hybride, les opérateurs sont toujours confrontés à une pression réglementaire mondiale. L’Europe impose des plafonds de capacité et des approbations par phases (par ex., l’Irlande) pour gérer la stabilité du réseau. Les États-Unis donnent la priorité aux incitations fiscales et à la modernisation du réseau, avec des mandats d’efficacité plus stricts. Dans les marchés urbains plus denses comme Singapour, des normes énergétiques élevées dictent la conception. Pour les opérateurs, le défi est clair : respecter les règles évolutives tout en faisant évoluer l’informatique.
Figure 2. Plus de la moitié (57 %) des personnes interrogées dans l’enquête 2025 de l’Uptime Institute ont déclaré que leur dernière panne significative avait coûté plus de 100 000 dollars, dont 20 % dépassant 1 million de dollars, en tenant compte des coûts directs, d’opportunité et de réputation. Source : Uptime Institute
Applications des énergies alternatives pour les data centers
L’intégration d’énergie alternative implique de connecter des sources d’énergie comme l’énergie solaire, éolienne et bioénergétique aux réseaux électriques existants. Cette approche nécessite la gestion de leur sortie variable pour maintenir une alimentation électrique stable et fiable. L’intégration d’énergie alternative utilise des technologies telles que le stockage d’énergie et les contrôles intelligents pour améliorer l’efficacité et la résilience du réseau électrique tout en réduisant l’impact environnemental.
Contrats d’achat d’électricité (PPA)
Les accords d’achat d’électricité (PPA) permettent aux data centers de contracter l’énergie solaire ou éolienne directement à partir de générateurs. Les opérateurs peuvent maintenir une électricité prévisible et respectueuse de l’environnement pour les opérations continues de refroidissement des data centers en sécurisant des contrats à capacité fixe. De plus, les PPA peuvent réduire la dépendance à l’alimentation électrique volatile du réseau et protéger contre les fluctuations de prix.
Microréseaux permanents grâce aux BESS
Les opérateurs peuvent déployer des microréseaux toujours actifs en intégrant la production d’énergie solaire ou éolienne aux BESS pour stabiliser l’alimentation des systèmes critiques, tels que le refroidissement des data centers. Les batteries stockent l’énergie excédentaire et la libèrent à la demande, éliminant les perturbations dues à la production intermittente. Cela maintient un refroidissement ininterrompu même lorsque la production en temps réel diminue. Au Centre d’Expérience Client Vertiv du Delaware, dans l’Ohio, Vertiv a mis en œuvre un réseau solaire photovoltaïque (PV) AC de 1 mégawatt (MW) et un BESS 1-MW dans un microréseau toujours actif (voir Figure 3).
Figure 3. Les systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS) Vertiv™ DynaFlex utilisent des batteries lithium-fer (LFP) pour fournir une alimentation électrique permanente à l’échelle du fournisseur d’énergie. Lorsqu’ils sont intégrés au Vertiv™ DynaFlex Energy Management Systems (EMS, systèmes de gestion de l’énergie), ces systèmes permettent une gestion énergétique sophistiquée, incluant la gestion de la demande et la possibilité de monétiser l'énergie excédentaire en la réinjectant dans le réseau. Cette intégration maintient des transitions transparentes entre diverses sources d’énergie, notamment l’énergie solaire ou éolienne, pour une efficacité et une fiabilité optimales.
BESS avec alimentations sans interruption (UPS) interactives avec le réseau
Lorsque la production d’énergie solaire ou éolienne d’un data center chute, une alimentation sans interruption (ASI) interactive avec le réseau bascule en toute transparence vers le BESS pour décharger l’énergie stockée. Simultanément, ces ASI stabilisent la fréquence du réseau électrique en ajustant rapidement les cycles de charge/décharge pour compenser l’intermittence énergétique. Cette double fonction de stockage et d’équilibrage du réseau électrique permet aux data centers de maximiser l’utilisation des énergies alternatives tout en maintenant la disponibilité, même avec une production d’énergie variable.
iles à combustible à hydrogène comme source d'alimentation de secours et d'énergie principale
Les piles à combustible à membrane électrolytique polymère (PEM) à démarrage rapide, installées au niveau de l’ASI, réduisent la dépendance au générateur diesel et maintiennent le refroidissement pendant les pannes. Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) peuvent remplacer l’entrée du réseau électrique, fournissant une puissance de charge de base stable pour les environnements de refroidissement à haut rendement (voir Figure 4). Au Centre d’Expérience Client Vertiv, les systèmes à piles à combustible ont été intégrés avec succès à l’ASI pour démontrer cette application dans des conditions de fonctionnement réelles.
Figure 4. Lorsqu’il est intégré aux piles à combustible, le Vertiv™ Liebert® EXL S1 peut maintenir la continuité pendant les fluctuations soudaines de puissance et soutenir les charges critiques. Les opérateurs peuvent connecter ces unités au réseau électrique à l’aide du mode Vertiv Dynamic Grid Support, fournissant de l’énergie depuis la pile à combustible et offrant des services réseau comme la régulation de fréquence et l’écrêtement des pointes.
Avantages de l’intégration d’énergie alternative sur le refroidissement des data centers
Stabilité du réseau électrique
L’intégration d’énergie alternative avec d’autres DER aide à réduire la demande de pointe sur les fournisseurs d'électricité et absorbe les fluctuations locales, améliorant ainsi la fiabilité de l’alimentation des systèmes de refroidissement du data center. Selon le ministère américain de l’Énergie, l’intégration de l’énergie solaire des data centers avec le BESS peut réduire jusqu’à 20 % la charge de pointe sur le réseau dans les zones à forte demande. Lorsque la production sur site dépasse les besoins en refroidissement et informatiques, les systèmes peuvent exporter l’énergie excédentaire vers le réseau, contribuant à la régulation de la fréquence et de la tension du réseau pendant les périodes d’instabilité.
Réduction des émissions de carbone
Les data centers peuvent remplacer l’utilisation du générateur diesel par des piles à combustible à hydrogène afin de réduire les émissions de scope 1. Les piles à combustible PEM produisent de l’électricité par conversion électrochimique, n’émettant que de l’eau. Contrairement aux générateurs diesel, ces piles à combustible peuvent fonctionner en continu avec un impact carbone quasi nul lorsqu’elles sont alimentées par de l’hydrogène provenant de sources alternatives. L’intégration de l’énergie solaire ou éolienne du data center pour produire de l’hydrogène par électrolyse aux niveaux de la production et de la sauvegarde est plus efficiente en termes d'émissions carbone (voir Figure 5).
Figure 5. Les phases 2 et 3 sont des objectifs à court et moyen terme pour l’indépendance énergétique des data centers : réduire les démarrages des générateurs diesel depuis le site du microréseau et les remplacer par des piles à combustible PEM et SOFC comme sources d’alimentation de secours et principales, respectivement.
Efficacité énergétique
Les piles à combustible et le BESS offrent une efficacité de conversion supérieure aux systèmes de secours traditionnels. Alors que les générateurs diesel fonctionnent généralement à un rendement de 30 à 35 %, les piles à combustible PEM et SOFC peuvent atteindre une efficacité de 50 à 60 % dans des conditions optimales. De plus, les DER permettent aux opérateurs de stocker une énergie alternative hors pointe ou produite sur site et de l’allouer directement aux charges de refroidissement du data center. Cela réduit les pertes inutiles de conversion et optimise la distribution d’énergie dans les data centers HPC.
Efficacité économique
Le refroidissement des data centers consomme environ 40 % de l’énergie d’un site, les charges de travail d’IA augmentant ce chiffre. Les prix de l’électricité ont augmenté de 17,2 % aux États-Unis, de 35,1 % en Allemagne et de 10,5 % au Japon depuis 2018, faisant de la gestion thermique un défi de coûts croissants. Les systèmes d’énergie alternative réduisent la durée d’autonomie du générateur, la consommation de carburant et les besoins de maintenance, permettant des gains d'efficacité économique à long terme tout en soutenant des opérations continues.
Fiabilité opérationnelle
Les DER peuvent améliorer la disponibilité en permettant l’indépendance du réseau électrique et en réduisant les démarrages du générateur diesel. Les microréseaux avec panneaux photovoltaïques, piles à combustible et BESS peuvent fonctionner en mode îlot, fournissant une alimentation constante aux systèmes de refroidissement même en cas de défaillance du réseau électrique. Les ASI agissent comme des hubs d’énergie dans ces configurations, en basculant de manière transparente entre les sources, en gérant les fluctuations de fréquence et en fournissant une commutation rapide en millisecondes pour l’infrastructure de refroidissement des data centers critiques (voir Figure 6).
Figure 6. Un écosystème énergétique dynamique ou hybride peut réduire la vulnérabilité d’un data center à un réseau instable en combinant plusieurs sources d’énergie et en rationalisant les mécanismes de stockage, de distribution et d’urgence.
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