Par : Somsubhra Ghosh, PE, AÉ LEED, Ingénieur principal en électricité | EXP
Alimenter les centres de données d’IA
L’industrie des centres de données est à l’aube d’une transformation majeure, amorçant ce qui pourrait être une seconde révolution. Qu’est-ce qui propulse ce changement ? L’intelligence artificielle (IA). On distingue deux grandes catégories d’infrastructures de centres de données. Le type A correspond aux plateformes traditionnelles, axées sur l’accès et le stockage de données avec une fiabilité élevée. Le type B, quant à lui, correspond aux plateformes offrant une capacité de calcul élevée, nécessitant des ressources considérables et une grande flexibilité, des caractéristiques essentielles à l’entraînement des systèmes d’IA.
Concilier ces deux types d’infrastructures tout en optimisant leur efficacité peut poser d’importants défis, en raison de leurs exigences techniques très différentes. L’infrastructure de type B, basée sur l’IA, est relativement récente. Selon les besoins en matière de flux de données, des améliorations peuvent encore être apportées avant que ces infrastructures n’atteignent leur pleine maturité.
Il est également important de connaître la quantité de puissance disponible dans le réseau pour soutenir ces infrastructures à haute intensité. Plusieurs exploitants doivent explorer des solutions non conventionnelles, comme la connexion directe à une centrale nucléaire ou le déploiement de petits réacteurs modulaires sur leurs sites. Ces solutions limitent fortement les options quant au choix des emplacements et complexifient la gestion des installations de production d’électricité. De plus, le déploiement de centrales électriques de grande envergure peut allonger de façon importante le calendrier de construction de ces centres de données.
Peut-on trouver une solution durable misant sur des composantes existantes et éprouvées ? L’intégration d’énergies renouvelables pourrait bien offrir une voie prometteuse. L’analyse qui suit porte sur différentes stratégies permettant d’intégrer efficacement la production d’électricité issue de sources renouvelables dans la conception et l’exploitation de centres de données de type B.
Comprendre le profil de charge des centres de données
Exigences en matière de haute densité de puissance[1] : La plupart, voire la totalité des serveurs d’IA, et plus particulièrement ceux équipés des derniers processeurs graphiques NVIDIA, peuvent afficher une consommation variant entre 700 et 1200 W par puce. Certaines configurations intègrent plusieurs processeurs graphiques par serveur, et plusieurs serveurs par baie, atteignant ainsi une densité de puissance impressionnante de 36 à 50 kW[2] par baie. À partir de 2027, ce niveau serait atteignable même avec des baies traditionnelles.
Demande énergétique variable : Contrairement aux centres de données traditionnels de type A, les charges de travail liées à l’IA peuvent être planifiées de manière à offrir une plus grande flexibilité. Ces centres mettent généralement moins l’accent sur le temps de disponibilité des serveurs. La redondance et la fiabilité sont prises en compte dans leur conception, mais elles ne sont pas aussi fortement priorisées. Cela s’explique par la possibilité de sauvegarder les données traitées sur des réseaux en grappe plus petits ou des serveurs hautement fiables.
Cette distinction importante permet aux fournisseurs de services infonuagiques à très grande échelle (hyperscale) de créer des infrastructures simplifiées, dérivées des modèles de type A, où une redondance N+1 de l’alimentation électrique suffit à répondre aux exigences de conception.
Stratégies d’intégration des énergies renouvelables
Selon le US Department of Energy et l’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, les centres de données consomment entre 10 et 50 fois plus d’énergie par surface de plancher que les immeubles de bureaux classiques, ce qui en fait l’un des types de bâtiments avec la plus grande densité de consommation énergétique construits aujourd’hui. À eux seuls, ils consomment environ 2 % de l’électricité du pays.
À l’échelle mondiale, les centres de données consomment entre 1 et 1,3 % de toute l’électricité utilisée [3]. L’Agence internationale de l’énergie rapporte[4] quant à elle que, depuis 2010, le nombre d’utilisateurs d’Internet a plus que doublé, tandis que le trafic en ligne a été multiplié par vingt.
La demande de services numériques et d’installations de centres de données ne cessera de croître. La manière dont nous les alimentons a donc un impact majeur sur l’environnement. Dans ce contexte, la recherche de systèmes modulaires de production décentralisée d’électricité et à déploiement rapide devient de plus en plus pressante. Parmi les solutions envisagées, les énergies renouvelables se trouvent en tête de liste. En 2024[5], elles représentaient 32,1 % de la production mondiale d’électricité et sont devenues une composante essentielle de l’industrie des centres de données.
L’utilisation d’énergies renouvelables, qu’il s’agisse d’énergie solaire, éolienne ou géothermique, permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre et la dépendance aux carburants traditionnels, comme le pétrole, le gaz naturel et le charbon. En plus de réduire les émissions de carbone, la production d’énergie renouvelable favorise la durabilité en réduisant les coûts énergétiques tout en soutenant les économies locales par la création d’emplois liés à l’installation de panneaux solaires ou d’éoliennes.
Nous devons nous efforcer d’intégrer davantage d’approches durables dans la conception des centres de données. Voici quelques considérations de conception, basées sur les pratiques exemplaires de l’industrie, relatives aux sources énergétiques renouvelables décentralisées courantes et stratégies d’intégration.
Accords d’achat d’énergie hors site
Les accords d’achat d’énergie hors site sont couramment utilisés par les promoteurs et propriétaires de centres de données à très grande échelle. Ils permettent de négocier des ententes pour qu’un promoteur tiers installe, possède et exploite un système de production d’énergie sur le site d’un client. Cette approche offre des avantages clés, dont :
Extensibilité : accès à des projets d’énergie renouvelable de plus grande envergure, sans les contraintes liées à l’espace disponible sur le site. La mise en œuvre à grande échelle a également l’avantage de devenir plus spécialisée et tend à être plus efficace que celles à plus petite échelle, offrant ainsi un plus grand facteur d’utilisation de la capacité et une économie d’échelle.
Tarification prévisible : avantage clé pouvant être intégré aux coûts dans le cadre de contrats à long terme offrant des prix de l’énergie stables.
Des considérations particulières doivent être prises en compte pour des facteurs comme la conformité réglementaire et l’interconnexion de réseaux, afin de garantir que l’énergie renouvelable contractée soit acheminée efficacement au centre de données.
Ressources énergétiques décentralisées (RED) sur site
Système de stockage d’énergie par batterie :
Systèmes solaires photovoltaïques
Exigences relatives à l’espace : pour chaque MW de capacité solaire photovoltaïque, il faut environ 2 hectares, ou 20 000 mètres carrés.
Rendement énergétique : dans les régions à fort potentiel solaire, les installations solaires photovoltaïques peuvent atteindre un taux d’utilisation de capacité de 18,6 %, soit une production annuelle d’environ 1 630 MWh par MW installé. Les centres de données à très grande échelle disposent généralement d’environ 92 903 mètres carrés de surface de toiture pour une capacité de TI d’environ 35 MW. Une installation solaire sur toiture peut théoriquement atteindre environ 4,5 MW de capacité et générer plus de 7 000 MWh d’énergie par année, ce qui représente une réduction importante de la consommation électrique du réseau. La figure 1 montre un exemple de schéma de réseau avec protection différentielle appropriée.
Figure 1 : Intégration d’un système de stockage d’énergie par batterie avec un système de panneaux solaires
Intégration technique : plusieurs centres de données sont équipés de systèmes de batteries de secours. Les centres de données de type B disposent généralement d’une capacité réduite en matière de stockage de batterie. Cependant, ces batteries sont tout de même utilisées en soutien au réseau et aux nœuds de stockage. Ces systèmes couvrent généralement environ 10 % de la demande totale et peuvent atteindre la capacité solaire mentionnée précédemment, réduisant ainsi le besoin d’infrastructures supplémentaires. Parallèlement, des équipements offerts par d’autres fabricants reconnus permettent d’intégrer un système d’alimentation sans coupure (ASC), un système de stockage d’énergie par batterie et l’énergie solaire en utilisant des onduleurs, des modules ASC à double conversion et des systèmes de gestion et de surveillance des batteries. Un exemple de schéma de ce type de système est présenté à la figure 2.
Figure 2 : Intégration de l’énergie solaire dans un système d’alimentation sans coupure
Système éolien
Comme c’est le cas pour les systèmes solaires photovoltaïques, les éoliennes tirent également avantage des mises en œuvre à grande échelle[6]. Pour les grands projets éoliens avec éoliennes de plus de 20 mètres de hauteur, il faut environ 34,40 hectares par MW installé. Cependant, seulement 1 % ou moins de ce territoire est utilisé pour les turbines et le reste peut être utilisé pour d’autres infrastructures. Les éoliennes capables de générer plus de 3 MW atteignent près de 100 mètres de hauteur avec un rotor de 140 mètres de diamètre[7]. Comme pour les panneaux solaires dans les régions ensoleillées, les éoliennes sont plus efficaces dans les zones exposées à de forts vents. À titre d’exemple, aux États-Unis, le Texas est en tête de liste pour la production d’énergie éolienne, suivi par l’Iowa et l’Oklahoma. Il y a également un énorme potentiel inexploité d’énergie éolienne extracôtière près des Grands Lacs.
Couplage direct à la source
Les systèmes de production peuvent également être directement connectés au réseau et créer un système de cogénération sans batterie. Cela peut permettre de réduire la consommation énergétique totale. Cependant, une coordination en ligne avec les contrôleurs de réseau et la déconnexion de ces sources pourraient être nécessaires pour maintenir la sécurité en cas de panne du réseau.
Considérations pour la conception de l’intégration du stockage par batterie
Intégration de systèmes à courant continu
Une solution consiste à intégrer un système de stockage d’énergie par batterie comprenant un système d’alimentation sans coupure fonctionnant à 480 V triphasé. Pour maintenir la redondance, il est recommandé d’adapter les points d’intégration à la capacité des modules ASC afin de préserver la redondance globale du système. La mise en œuvre peut être similaire au schéma présenté à la figure 2. Étant donné que les cellules solaires peuvent produire de l’énergie en courant continu (CC), l’utilisation des convertisseurs de puissance existants permet d’établir des connexions CC-CC stables pour recharger les batteries directement à partir de l’énergie solaire, sans ajustement de fréquence. Les contrôleurs intégrés des systèmes ASC peuvent être configurés de manière à moduler la charge des batteries provenant du réseau en fonction de la puissance disponible du convertisseur solaire. Une configuration similaire peut également être mise en place avec des éoliennes ou d’autres ressources énergétiques distribuées. Selon la source, des convertisseurs CA-CC distincts peuvent être nécessaires parce que les systèmes CC présentent une moins grande complexité pour le couplage et le partage de puissance entre différentes sources.
Systèmes de stockage d’énergie par batterie
Ces systèmes sont généralement intégrés aux installations et doivent avoir une importante capacité de stockage pour être viables. En raison de leur cycle énergétique et de leur capacité, les solutions de stockage d’énergie autres que chimiques, comme les systèmes à volants d’inertie, le stockage thermique dans une banque de sable et autres types de batteries solides, constituent aujourd’hui des options plus économiques malgré leur densité énergétique moindre. La figure 1 montre un exemple d’intégration d’un système de stockage d’énergie par batterie dans la conception, avec les exigences de protection appropriées. Ce type de système permet de stocker l’excédent d’énergie renouvelable pour l’utiliser en période de forte demande ou lorsque la production d’énergie renouvelable est faible.
Selon la configuration, ces systèmes peuvent être dimensionnés pour couvrir une fraction des besoins de l’installation (soutien partiel) ou correspondre à la taille complète de l’installation (soutien total). La capacité des batteries dépend également de la durée d’autonomie souhaitée lorsque le système doit fonctionner en mode microréseau îlôté, en cas d’instabilité ou de panne du réseau. Un élément clé de l’intégration consiste à choisir un système de gestion de l’énergie capable de coordonner les cycles de charge et de décharge et d’optimiser l’utilisation de l’énergie ainsi que les économies de coûts.
L’intégration à l’échelle du réseau repose sur la division de la charge en portions correspondant à la capacité disponible des batteries, ce qui permet d’éviter la surcharge en cas de panne. Cette configuration peut être adaptée, de manière à ce que, lorsque des capacités plus grandes deviennent disponibles, des liaisons supplémentaires entre les appareillages de commutation permettent l’alimentation de portions plus importantes de la charge à partir du système d’énergie solaire.
Un système combinant des composants renouvelables et un système de stockage d’énergie par batterie peut être intégré de manière fluide dans une distribution modulaire à moyenne tension, comme illustré à la figure 3.
Figure 3 : Stratégies d’intégration de ressources énergétiques décentralisées modulaires
Limitation de la consommation énergétique des centres de données
Les centres de données à très grande échelle ont réussi à faire baisser les coûts. Habituellement aménagés sur des sites ruraux pour des utilisateurs précis, ces centres disposent de suffisamment d’énergie pour alimenter des villes, ce qui permet de réduire les coûts pour les utilisateurs. Cependant, avec la demande énergétique en forte hausse, l’industrie se tourne désormais vers les centres de données en périphérie, considérés comme étant l’avenir.
Ces installations sont situées près des utilisateurs finaux et tendent à être plus petites. On y utilise des composants matériels et logiciels pour stocker temporairement les données, améliorant ainsi le temps de réponse des ordinateurs. Ce virage vers des centres plus compacts aura un impact majeur sur les modèles de consommation énergétique, alors que l’efficacité d’utilisation de l’eau devient le principal critère de performance et d’optimisation pour les propriétaires de sites. La majorité de l’électricité utilisée par les centres de données sert au maintien des serveurs, qui consomment environ 1 000 à 160 000 kWh par mètre carré par an. L’adoption de systèmes de refroidissement économes en eau, comme les refroidisseurs, indique une transition vers des systèmes plus denses en énergie, adaptés aux centres de données de périphérie, souvent limités en espace.
Les objectifs de conception pour ces plus petits centres de données diffèrent grandement de ceux pour les centres à très grande échelle. L’approche actuelle, qui consiste à intégrer la redondance au transport et à la distribution, évoluera vers une redondance intégrée directement dans les sites de déploiement, à mesure que les centres de données à petite échelle se multiplient. Cela soulève des interrogations quant à la capacité d’emboiter le pas de la production énergétique mondiale alors que ces centres se déploient rapidement.
Le risque est que les centres de données de périphérie dépassent largement la capacité de croissance énergétique, tout en étant plus denses en énergie et moins efficaces que les centres à très grande échelle.
L’énergie renouvelable pour les centres de données
La production des sources d’énergie renouvelable est intrinsèquement intermittente. Sans un important système de stockage par batterie, cette intermittence peut compromettre la fiabilité du réseau. La plupart des intégrations actuelles de l’énergie éolienne et solaire sont mises en œuvre au moyen d’onduleurs assujettis au réseau, qui fonctionnent bien lorsque le réseau est stable, mais ne contribuent pas à sa stabilité en l’absence de sources de production « bâtisseurs de réseau ». Combiné aux impacts liés aux conditions météorologiques et aux facteurs de conception de réseau, cela peut provoquer des pannes à grande échelle. Trouver l’équilibre entre une part accrue d’énergie renouvelable et la demande pour un réseau plus fiable rend cette option instable.
Une solution, compte tenu des contraintes de capacité du réseau, consiste à créer des microréseaux ilôtés composés de ressources énergétiques distribuées renouvelables et de centres alimentés localement. Lorsque ces microréseaux sont connectés à des centres de données périphériques extensibles, les différentes approches de production et de distribution de l’énergie commencent à avoir un impact significatif sur la stratégie nationale de production d’énergie renouvelable. Cela peut également agir comme une rétroaction positive pour créer une synergie entre la demande croissante de centres de données et la maximisation de la part d’énergie renouvelable utilisée par ces derniers.
Regard sur l’avenir
Il y a eu du progrès dans l’intégration d’énergie renouvelable dans les centres de données au cours des 20 dernières années. La question est de savoir si cela suffira pour suivre le rythme de la hausse prévue de la demande énergétique. La prolifération du calcul en périphérie de réseau crée un nouveau défi qui devra être étudié. Cela dit, chaque progrès compte.
L’intégration de sources d’énergie plus durables dans la conception des centres de données est une stratégie évidente que les propriétaires et exploitants doivent continuer à privilégier. L’énergie renouvelable est bénéfique pour l’environnement et possède un bon rapport coût-efficacité, ce qui en fait une situation de type gagnant-gagnant dans tous les scénarios.
Nous sommes prêts à aider nos clients à franchir de nouvelles étapes vers le progrès. Afin d’en savoir davantage sur la manière dont nous pouvons aider à la réalisation de votre prochain projet de centre de données, contactez-moi à l’adresse courriel somsubhra.ghosh@exp.com.
Sources :
- https://www.deloitte.com/us/en/insights/industry/technology/technology-media-and-telecom-predictions/2025/genai-power-consumption-creates-need-for-more-sustainable-data-centers.html (anglais)
- https://docs.nvidia.com/dgx-superpod/design-guides/dgx-superpod-data-center-design-h100/latest/index.html (anglais)
- https://www.iea.org/energy-system/buildings/data-centres-and-data-transmission-networks#tracking (anglais)
- https://www.iea.org/energy-system/buildings/data-centres-and-data-transmission-networks (anglais)
- https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/share-of-renewable-electricity-generation-by-technology-2000-2030 (anglais)
- https://css.umich.edu/publications/factsheets/energy/wind-energy-factsheet (anglais)
- https://www.energy.gov/eere/articles/wind-turbines-bigger-better (anglais)