Le stockage d'énergie thermique par réservoir offre un refroidissement efficace pour les centres de données.
infohightech ·
L'essor de l'intelligence artificielle, des plateformes cloud et du traitement des données entraîne une augmentation constante de la consommation électrique des centres de données à l'échelle mondiale. Si le fonctionnement des serveurs informatiques représente la part la plus importante de cette consommation, les systèmes de refroidissement arrivent en deuxième position. Une nouvelle étude menée par des chercheurs du Laboratoire national des Rocheuses (NLR) aux Etats-Unis, anciennement connu sous le nom de NREL, propose une solution potentielle pour réduire les pics de consommation énergétique. Le système RTES réduirait la consommation d'énergie et les coûts sur une période simulée de 20 ans.
Une analyse technico-économique publiée dans la revue Applied Energy en début d'année, menée par Hyunjun Oh, David Sickinger et Diana Acero-Allard – chercheurs au sein des groupes de stockage d'énergie et de calcul scientifique du NLR – a démontré l'efficacité et la rentabilité d'un système de refroidissement des centres de données. Cette approche, appelée stockage d'énergie thermique en réservoir (RTES : Reservoir Thermal Energy Storage ), consiste à stocker l'énergie frigorifique sous terre puis à l'utiliser pour refroidir les installations lors des pics de consommation.
Qu'est-ce que RTES ?
Le système RTES exploite l'air froid extérieur et l'électricité à bas coût pour stocker l'énergie. Lorsque les températures baissent, que ce soit en hiver ou la nuit, le système utilise des équipements tels que des refroidisseurs à sec ou des groupes frigorifiques pour refroidir l'eau avant de l'injecter sous terre. Par temps chaud, généralement en été, cette eau froide stockée est pompée à la demande et passe dans un échangeur de chaleur, où elle assure un refroidissement direct en absorbant la chaleur de l'eau chaude de retour du centre de données.
Cette eau réchauffée est ensuite réinjectée dans un réservoir souterrain distinct, spécialement conçu à cet effet. Elle n'est pas refroidie immédiatement, mais reste chaude jusqu'au prochain cycle de recharge, lorsque l'air froid extérieur et l'électricité en heures creuses sont à nouveau disponibles pour reconstituer la capacité frigorifique du réservoir. Ce cycle continu maintient l'équilibre du système et garantit un refroidissement fiable, tout en limitant les coûts énergétiques et en réduisant la pression sur le réseau électrique.
Les puits RTES sont généralement forés à une profondeur d'environ un kilomètre, voire moins – suffisamment profonde pour atteindre la nappe phréatique – bien que la profondeur réelle varie selon la géologie locale. Les aquifères saumâtres ou salins exploités par ces puits sont naturellement contenus par les couches rocheuses environnantes, ce qui les rend idéaux pour le stockage d'énergie thermique à long terme, car ils sont peu mobiles et chimiquement stables.
Scénarios d'étude
Dans l' étude publiée dans Applied Energy , l'équipe a conçu deux scénarios de refroidissement basés sur le stockage thermique en rayon (RTES), utilisant quatre puits forés à 275 mètres de profondeur, et a modélisé leurs performances pour le refroidissement de centres de données sur une période de 20 ans. L'étude a notamment simulé un cycle de recharge saisonnier : le déversement d'énergie frigorifique pendant l'été et le remplissage du réservoir avec de l'eau froide en hiver.
Les deux scénarios utilisaient des refroidisseurs secs, qui assurent un refroidissement « gratuit » en faisant circuler l'air sur un échangeur de chaleur grâce à des ventilateurs mécaniques. Aucun compresseur énergivore ni cycle frigorifique n'est nécessaire, ce qui réduit la consommation d'électricité. Contrairement aux tours de refroidissement, les refroidisseurs secs ne consomment pas d'eau sur site. L'un des deux scénarios comprenait également un système de récupération de chaleur qui captait la chaleur résiduelle du centre de données pour chauffer le bâtiment en hiver.
L'équipe a comparé les deux scénarios RTES à un troisième scénario témoin : un système de refroidissement conventionnel, sans RTES, utilisant des refroidisseurs secs associés à des groupes frigorifiques à compression de vapeur. Bien que les groupes frigorifiques soient généralement efficaces, leurs performances diminuent en été, car les compresseurs doivent fournir un effort accru pour maintenir des températures basses malgré la hausse des températures extérieures, ce qui entraîne une augmentation de la consommation d'électricité. Le système RTES s'affranchit de ce problème car il utilise de l'eau froide stockée sous terre, ce qui rend ses performances beaucoup moins dépendantes des températures extérieures.
Le principal enseignement : en éliminant ces cycles de réfrigération énergivores, le RTES s’est avéré près de sept fois plus efficace que les refroidisseurs traditionnels pendant les pics de l’été, avec un coefficient de performance de 16,5 contre 2,4, selon l’analyse de l’équipe.
« La consommation d'électricité des systèmes de refroidissement traditionnels est importante, surtout en été, tandis que le système RTES a permis de réduire considérablement cette consommation, offrant ainsi une méthode innovante et améliorée pour le refroidissement des centres de données », a déclaré Oh, ingénieur géothermique au NLR et auteur principal de l'étude.
Pour les centres de données soumis à des besoins de refroidissement continus, cela se traduit par une réduction des coûts énergétiques tout en maintenant des performances fiables 24h/24 et 7j/7.
Alors, de combien ces coûts énergétiques sont-ils réduits ? L’analyse a montré que le coût actualisé du refroidissement, une mesure qui évalue le coût total de production et de distribution du refroidissement réparti sur la durée de vie du système, est passé de 15 $ par mégawattheure (MWh) avec des refroidisseurs à seulement 5 $/MWh avec le RTES.
L'étude a finalement démontré que le système RTES pouvait refroidir de manière fiable un centre de données pendant plus de 20 ans, soulignant ainsi le potentiel des systèmes géothermiques pour le refroidissement en plus de leurs applications de chauffage plus connues.
Le tableau d'ensemble
Le Bureau des technologies géothermiques du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) a financé cette étude, qui fait partie d'un projet plus vaste du DOE avec le Laboratoire national Lawrence Berkeley et le Laboratoire national de l'Idaho visant à étudier la consommation d'énergie et d'eau ainsi que les coûts de refroidissement des centres de données de tailles et d'emplacements variés.
Le projet portait sur un centre de données de calcul haute performance de 5 mégawatts (MW) au Colorado, comme décrit dans l' article d'Applied Energy , ainsi que sur une installation de minage de cryptomonnaies de 30 MW au Texas et un centre de données hyperscale de 70 MW en Virginie. Le rapport technique multilaboratoire analyse les trois sites, notamment les économies d'eau, tandis qu'une publication distincte est consacrée aux installations du Texas et de Virginie.
Bien que cette étude n'ait pas modélisé explicitement la tarification de l'électricité en fonction des heures d'utilisation ni les conditions du réseau électrique régional, les recherches en cours du NLR – le projet Cold Underground Thermal Energy Storage ( Cold UTES ) – s'appuient sur ces résultats. Ensemble, ces projets démontrent à quel point le stockage d'énergie thermique en continu (RTES) peut réduire la consommation d'électricité, les coûts et même la demande en eau – des conclusions qui ont contribué à orienter les recherches du Département de l'Énergie (DOE) sur les technologies RTES pour l'exercice 2025.
Les recherches futures, menées au sein et en dehors du NLR, explorent actuellement comment le RTES pourrait tirer encore davantage parti de l'électricité hors pointe et moins coûteuse pour faire fonctionner les équipements de refroidissement conventionnels avec une très grande efficacité et stocker de grandes quantités d'énergie thermique froide sous terre pendant de longues périodes.
L'équipe du NLR collabore également avec des chercheurs de l'Université de Chicago, de l'Université de Princeton et du Laboratoire national Lawrence Berkeley afin d'étudier le stockage thermique en continu (RTES) en parallèle avec d'autres systèmes de stockage d'énergie à base d'eau, tels que le stockage d'énergie thermique en aquifère et en forage. Ces travaux permettront de mieux comprendre quels systèmes sont les mieux adaptés aux différentes conditions du sous-sol régional.