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Les centres de données, grands pollueurs de l’ère numérique ?

Dématérialisation, solutions « cloud »… A voir ces termes, on en oublierait presque que derrière la révolution numérique se cachent des infrastructures bien réelles et un coût environnemental qui l’est tout autant. Les premiers visés ? Les data centers – ces lieux au sein desquels est stocké et transite l’ensemble de nos données – qui ne cessent de se multiplier pour répondre aux besoins exponentiels d’un monde toujours plus connecté. Etat des lieux et perspectives.

Les centres de données, un enjeu majeur du Green IT

L’explosion des data-centers, ces indispensables usines du futur

Le développement fulgurant des technologies, combiné à l’entrée dans l’ère numérique d’une partie du monde qui en était jusqu’à présent exclue, provoque depuis plusieurs années une explosion de la quantité de données échangées. Les chiffres donnent le vertige : d’après le Visual Networking Index de Cisco[1], nous sommes entrés en 2016 dans l’ère du zettabyte : plus de 1000 milliards de milliards de bytes ont été échangés ! Et ce n’est encore rien. Une croissance annuelle de 22% est prévue. Alors qu’en 2002, le trafic était de 100 GBps (Gigabyte par seconde), il était déjà en 2015 de 20 235 GBps et dépassera les 60 000 GBps à horizon 2020. Les vidéos représenteront à elles seules 82% du trafic.

Au sein de ce nouveau système numérique, les data centers constituent la clé de voûte. Il s’agit de lieux physiques qui regroupent l’ensemble des installations (serveurs, baies de stockage…) au sein desquelles sont stockées et traitées les données informatiques. Ils sont soit hébergés au sein même des entreprises propriétaires (environ 80% de la consommation totale) soit externalisés au sein d’immenses entrepôts. Fonctionnant 24/24 et 7/7, leur objectif est d’assurer la disponibilité permanente des données, tout en garantissant un haut niveau de sécurité. Pour répondre aux besoins, leur nombre ne cesse de croître. D’après le Data Center Map, on recense aujourd’hui plus de 4000 centres dans le monde, dont près de 1650 rien qu’aux Etats-Unis[2] ; la France, elle, en compte environ 140.

Une consommation énergétique colossale

Les data centers doivent être constamment alimentés en électricité ; pour fonctionner tout d’abord, mais également pour être refroidis. En effet, les installations d’un centre produisent énormément de chaleur, faisant de la climatisation un élément indispensable pour éviter la surchauffe et garantir une température qui permette aux appareils de fonctionner. Dire que les data centers sont gourmands en énergie est un euphémisme. L’alimentation électrique moyenne d’un centre est d’environ 30MW et les plus gros dépassent les 100 MW, soit l’équivalent de la consommation de villes de 25 à 50 mille habitants. On comprend dès lors l’importance de l’enjeu. 3% de l’électricité mondiale sert à les alimenter : d’ici 2030, ce sera peut-être 13%. En France, on estime que les data centers consomment entre 7 et 10% de la production électrique nationale !

Consommation énergétique des data centers  [3]

Dans la mesure où leur existence ne peut être remise en cause, il est urgent d’agir pour réduire leur empreinte environnementale. Si la préoccupation est d’abord d’ordre écologique, elle est également économique pour les hébergeurs, l’énergie représentant jusqu’à 50% des coûts d’exploitation d’un centre. Par ailleurs, verdir les centres apparaît désormais comme une nécessité en termes d’image, les clients étant de plus en plus soucieux de réduire leur empreinte écologique. Selon une récente étude[4], 70% des clients prennent en compte le critère de développement durable dans le choix de leur fournisseur de centre de données.

Verdir les centres de données, comment ?

Malgré le caractère alarmant des prévisions, la consommation énergétique des centres de données n’est pas une fatalité. En effet, leur potentiel d’efficacité énergétique est immense et nombreuses sont les solutions d’ores et déjà mises en œuvre pour limiter leur impact.

1/ Rationaliser l’usage des data centers

La première des solutions consiste à rationaliser l’utilisation de ces centres, c’est-à-dire à augmenter leur taux d’utilisation. Le développement du cloud computing depuis plusieurs années répond à ce besoin en se basant sur deux principes :

  • la virtualisation qui permet de limiter le nombre de serveurs physiques ;
  • la mutualisation (le partage des infrastructures entre clients) qui tend à diminuer fortement les coûts et à limiter la consommation énergétique à service égal.

2/ Optimiser la consommation énergétique des data centers

Outre l’usage de matériels plus efficients au sein des data centers – qui permettent de consommer moins d’énergie à niveau de performance égal – de nombreux progrès ont été réalisés notamment pour limiter l’usage de la climatisation.

Urbanisation des centres de données

En l’espace de quelques années, un important travail d’étude et de conception a été réalisé pour réduire la dépense énergétique nécessaire au refroidissement des installations. Exit les climatiseurs muraux, place aujourd’hui aux salles compartimentées où flux d’air froid et d’air chaud sont minutieusement étudiés pour être distribués le mieux possible et ne jamais se rencontrer. On parle ici de « confinement allées chaudes / allées froides ».

Free Cooling

La plupart des centres de données font aujourd’hui appel au « free-cooling », c’est-à-dire l’utilisation de l’air frais extérieur pour limiter le recours à la climatisation artificielle. Cette technique permet une réduction de la consommation électrique de l’ordre de 30 à 50%. C’est pour cette raison que certains acteurs privilégient l’installation dans des pays où ils peuvent facilement tirer parti de températures très basses pour refroidir leurs installations. Parmi ceux-là, Facebook, qui a ouvert en 2013 un immense centre de données en Suède, près du cercle arctique. Bien entendu, il est irréaliste d’imaginer que tous les datacenters se construiront dans les mêmes zones climatiques. En effet, si certaines entreprises peuvent librement choisir où installer leurs centres, c’est loin d’être le cas de toutes. La localisation sur le territoire national peut notamment être une exigence lorsque les données à traiter sont sensibles.

Augmentation de la température des centres

Un certain nombre de centres sont refroidis en deçà de la température qui permet leur bon fonctionnement. Les travaux de l’ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air conditioning Engineers) vont dans le sens d’une hausse de la température recommandée. Alors que le plafond se situait à 24°C en 2004, la température recommandée est aujourd’hui de 27°C, avec des maximales pouvant atteindre 45°C dans certains cas. Eviter de sur-refroidir les installations réduit ainsi le besoin en climatisation.

Des innovations toujours plus nombreuses…

Le développement des intelligences artificielles comme celle de la société Deep Mind laisse présager une meilleure gestion de la consommation des centres. Testée chez Google, elle permet d’adapter précisément le niveau de climatisation au niveau d’activité des installations. Dans un tout autre genre, des entreprises comme Green Revolution Cooling proposent de répondre aux besoins de refroidissement d’une manière nouvelle et extrêmement efficiente, par l’usage de fluides non conducteurs d’électricité dans lesquels sont immergés les équipements.

 

Evolution de la consommation énergétique des data centers aux Etats-Unis. On note une nette inflexion de la courbe permise par les importants progrès réalisés sur les deux axes décrits précédemment  [5]

3/ Réutiliser la chaleur des centres de données

100% de l’énergie électrique utilisée par les installations est convertie en chaleur. Il s’agit d’un gisement considérable encore largement sous exploité. Dans les gros data centers de près de 10.000 m2, la chaleur rejetée peut atteindre les 2 à 2,5 kW par m2. Que cela soit pour produire de l’eau chaude sanitaire ou pour chauffer des bâtiments, la valorisation de cette énergie calorifique est plus que souhaitable, d’autant que son prix est compétitif face aux énergies plus conventionnelles.  En France, des entreprises comme Qarnot Computing ou Stimergy  se sont lancées sur ce créneau. Cette dernière contribue depuis peu au chauffage de la piscine parisienne de la Butte aux cailles. Récemment, l’université de Bourgogne a annoncé chauffer une partie de ces locaux de cette manière tout comme Air France, qui chauffe désormais 8500 m² de bureau grâce à un data center nouvellement rénové.

4/ Alimenter les centres en énergies vertes

L’emploi d’énergies vertes pour alimenter les centres de données constitue enfin un axe majeur pour limiter leur impact environnemental. Fin 2011, Facebook est la première grande entreprise du numérique à s’engager officiellement pour une alimentation 100% EnR de ses centres. Le géant des réseaux sociaux sera suivi dès 2012 par Apple et Google. Outre l’envie de limiter leur impact, c’est le souci de conserver une image de marque favorable associé à la compétitivité croissante des EnR qui guident ces engagements. Cependant, l’accès à des sources d’EnR fait souvent défaut. Comme le souligne Green Peace dans son dernier rapport Clicking Clean[6], le nord de la Virginie (Etats-Unis) est aujourd’hui le lieu de la plus grande concentration de centres de données au monde. A cet endroit, le grand fournisseur d’énergie Dominion possède un taux d’énergie verte inférieur à 1%, ce qui pèse fortement sur la capacité des data centers à fonctionner de manière écologique. A ce sujet, l’Asie fait également l’objet d’une grande attention : alors que les data centers s’y développent à une allure fulgurante, le mix énergétique repose encore beaucoup sur des énergies fortement émettrices de GES comme le charbon. Si certains y verront le signe d’une catastrophe à venir, les plus optimistes y noteront à l’inverse une véritable opportunité pour impulser un virage vers les énergies vertes et catalyser la transition énergétique. Certaines entreprises comme Apple choisissent ainsi de construire en certains endroits leurs propres sites de production. D’autres signent des contrats d’achat à tarifs garantis qui encouragent les énergéticiens à mener davantage de grands projets d’ENR. D’autres encore comme Microsoft choisissent de s’impliquer directement dans le financement de projets.

Bien sûr se pose la question du stockage parfois nécessaire pour pallier l’intermittence des énergies renouvelables. Là aussi, des solutions innovantes voient le jour. Conçu dans le cadre du projet européen GreenDataNet faisant suite à la Cop21, un data center en Seine Maritime de la société Webaxys  est alimenté en partie par des panneaux voltaïques. La particularité ? L’énergie est stockée sur de vieilles batteries Nissan qui n’ont plus la puissance suffisante pour servir leur usage initial.

Un manque d’information qui limite encore la mesure des progrès

Agir pour verdir les centres de données est une chose, encore faut-il pouvoir mesurer et suivre les progrès pour chaque data center et pour chaque hébergeur. Jusqu’à présent, le principal indicateur utilisé était le PUE (Power Usage Efectiveness), norme conçue par le consortium The Green Grid. Il évalue sur un an la quantité d’énergie totale consommée par un site, par rapport à la quantité d’énergie nécessaire au fonctionnement des équipements informatiques (disques, serveurs, stockage…), le mieux étant d’obtenir un indicateur proche de 1. Alors que les anciens centres possédaient des PUE proches de 3, les nouveaux parviennent à passer sous la barre de 1,5, signe d’une nette amélioration.  Cependant, le PUE possède bien des lacunes. Il peut par exemple rester stable alors que les services rendus par le centre augmentent à consommation égale. Il ne tient par ailleurs pas compte de la réutilisation de la chaleur produite par le centre. Enfin, pour parler de Green IT, la consommation énergétique des data centers n’est pas suffisante. Bilan carbone, quantité d’eau consommée ou encore cycle de vie des composants utilisés devraient figurer parmi les éléments mesurés. C’est pour cette raison que d’autres indicateurs ont depuis été proposés[7]. Pourtant à ce jour, les outils pertinents et harmonisés de mesure de l’empreinte environnementale des data centers font encore cruellement défaut.

Lorsqu’il s’agit de permettre un suivi et une comparaison des performances des centres de données, on se heurte à un second problème : l’accès aux données. En effet, si de plus en plus d’entreprises du secteur publient leurs bulletins d’émission et fixent des objectifs clairs, l’opacité est encore à déplorer chez certaines. Green Peace a ainsi épinglé plusieurs entreprises parmi lesquels les géants chinois Baidu et Alibaba, ou encore Amazon Web Service. Aucune contrainte légale ne pèse aujourd’hui sur ces entreprises pour les obliger à faire preuve de transparence.

Pour conclure et répondre à notre question initiale 

Les centres de données sont certes de grands pollueurs mais ils sont aujourd’hui indispensables. Si de nombreux progrès restent à accomplir pour diminuer leur empreinte environnementale à l’échelle mondiale, il y a des raisons d’être optimistes. Il semble que nombre d’acteurs soient entrés dans un cercle vertueux qui pourrait même avoir des conséquences plus larges que la seule industrie numérique. Comme sur de nombreux sujets, il appartient également aux clients et aux législateurs d’encourager les bonnes pratiques et de sanctionner les mauvaises.

[1] http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/vni-hyperconnectivity-wp.html

[2] http://www.datacentermap.com/datacenters.html

[3] https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01325363/document

[4] Résultats d’une étude menée fin 2016 par le Data Center Knowledge

[5] http://datacenterfrontier.com/report-data-centers-are-energy-misers-not-power-hogs/

[6] Rapport Clicking Clean de Green Peace, janvier 2017

[7] Voir par exemple : https://www.greenhousedata.com/blog/beyond-pue-new-metrics-for-data-center-energy-efficiency

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