La transition écologique des centres de données fait partie de la stratégie d'Orange pour atteindre cet objectif. L'adoption de systèmes de refroidissement efficaces est l'un des axes d'amélioration principaux.
Le défi : contrôler la chaleur produite par les équipements
Quand ils sont en fonctionnement, les équipements de télécommunication et d’IT convertissent la majeure partie de l’énergie électrique reçue en chaleur. Cette chaleur doit être contrôlée afin d’éviter une température excessive dans la salle technique et de garantir un fonctionnement sécurisé et permanent des équipements.
Actuellement, les équipements ne sont pas optimisés, car la consommation d’énergie reste constante, quel que soit le trafic réseau. On constate une amélioration sur les processeurs des serveurs du fait de la baisse de leur consommation d’énergie en veille. Un équipement ITN à faible consommation d’énergie reste la principale solution pour réduire la consommation d’énergie de l’ensemble du réseau. Par conséquent, des objectifs doivent être définis dans l’appel d’offres.
Il est possible de réduire davantage la consommation d’énergie en optimisant les distributions de machines virtuelles dans les centres de données (les serveurs sont trop souvent sous-utilisés).
Les systèmes de refroidissement énergivores permettent de transférer cette chaleur de l’intérieur vers l’extérieur du bâtiment. Or ils représentent une part importante de la consommation énergétique totale – jusqu’à 60 % dans certains centres de données. La baisse de la consommation d’énergie du refroidissement constitue donc un axe d’amélioration important.
La recherche d’Orange s’est concentrée sur deux approches. La première consiste à concevoir des équipements qui peuvent fonctionner à des températures plus élevées afin de diminuer les besoins de refroidissement, ce qui permet de réduire la consommation d’énergie et d’améliorer la fiabilité. Cela permet également de faire face à l’augmentation des températures provoquée par le changement climatique.
La deuxième approche explore le concept innovant des systèmes de refroidissement. Comme les systèmes classiques de climatisation consomment beaucoup d’énergie et utilisent des gaz réfrigérants présentant un potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone, il est crucial de les supprimer ou d’au moins en limiter l’utilisation.
20 ans de travaux de recherche et de normalisation sur les systèmes de refroidissement
Depuis 20 ans, Orange explore le concept de refroidissement communément appelé « Free Cooling », qui consiste à privilégier l’air frais de l’extérieur lorsque sa température et son taux d’humidité sont conformes aux limites définies par les normes européennes, au lieu de recourir à des systèmes de climatisation traditionnels pour refroidir les salles d’équipements de télécommunication.
Les chercheurs d’Orange ont soulevé la question de la régulation thermique dans l’ensemble de l’écosystème européen, du secteur scientifique et des programmes de recherche à la normalisation et la mise en application. Ils se sont activement impliqués dans les organismes de normalisation concernés, en demandant notamment que les serveurs et équipements de télécommunication fonctionnent dans la même plage de température et d’humidité, en vue de réduire la consommation d’énergie. En parallèle, les chercheurs en énergétique d’Orange se sont aussi associés à d’autres parties prenantes européennes (fournisseurs et collectivités publiques) pour mener divers projets de recherche sur l’efficacité énergétique, comme Opera net 1 et 2 et SooGreen. Ces projets ont abouti à des solutions de refroidissement efficaces pour les salles réseau et les réseaux mobiles.
Concrètement, voici les missions qui ont été menées à bien :
- des expériences en laboratoire avec des calculs scientifiques prédictifs (publiés dans des articles spécialisés) menant à des conclusions scientifiques sur la conception globale de la solution de refroidissement, et à des moyens d’optimiser leurs paramètres ;
- une preuve de concept sécurisée réalisée sur le terrain, conduisant à l’adaptation et à l’amélioration des paramètres le cas échéant, en partenariat avec le fabricant de la solution ;
- la collaboration avec une start-up française qui a développé un nouvel équipement pour mettre en œuvre le brevet du système de ventilation amélioré d’Orange ;
- la mise en place d’un système de surveillance complet en interne, pour recueillir des données clés afin d’optimiser progressivement la solution ;
- une évaluation minutieuse du meilleur emplacement pour le nouveau site Orange, car les économies réalisées par le système de refroidissement par free cooling sont directement liées à la température extérieure, tout en tenant compte de sa connexion avec le backhaul d’Orange et le réseau énergétique, et en évitant les zones présentant des risques sismiques.
Une réduction de 50 % de la consommation d’énergie du refroidissement grâce à la solution innovante d’Orange pour son centre de données
Les recherches d’Orange ont mené à :
- l’élargissement des plages climatiques de l’équipement, passant de plages de température de [20-24 °C] et de plages d’humidité relative de [45-65 %], à des plages respectives de [24-28 °C] et [30-75 %], soit une diminution de 33 % de la consommation d’énergie ;
- le remplacement des systèmes de climatisation par des systèmes de refroidissement intelligents, soit une baisse de 90 % de la consommation d’énergie du refroidissement.
Concrètement, Orange a mis en place le système de refroidissement par free cooling en 2013 dans son nouveau Data centre de 5 000 m² en Normandie, dont l’ est de 1,3, en comparaison à celui de 1,8 pour les autres centres de données d’Orange en France. Cela représente une réduction de la consommation d’énergie du refroidissement de plus de 50 %. Orange a également mis en œuvre cette technologie dans d’autres centres de données en France, en Belgique et en Région Afrique de Moyen-Orient, comme le Cameroun.
Le refroidissement par immersion et refroidissement liquide, des solutions pour remplacer le refroidissement naturel
Comme les propriétés thermiques du refroidissement liquide sont plus intéressantes que celles du refroidissement par l’air et qu’elles fournissent de meilleurs échanges thermiques, le refroidissement par immersion avec un liquide diélectrique pourrait constituer une autre solution efficace. Ces solutions consistent à immerger les serveurs ou les appareils électroniques dans un liquide en contact direct avec les composants chauds, tandis que le liquide est rafraîchi par la température de l’air extérieur. La température extérieure pourrait être supérieure à 40 °C, ce qui signifie qu’il serait possible d’utiliser le refroidissement par immersion dans la plupart des pays où Orange est présent, sans recourir à un refroidisseur énergivore. Des chercheurs d’Orange ont réalisé des travaux expérimentaux avec deux fluides, monophasiques (huile) ou en diphasique. Les fluides monophasiques sont désormais bien connus et certains fournisseurs peuvent fournir les matériaux nécessaires. Le refroidissement liquide diphasique présente de meilleures performances, mais cette technologie en est encore au stade de la recherche, car il reste quelques problèmes à résoudre.
L’utilisation de solutions de refroidissement par immersion permet une réutilisation plus efficace de la chaleur que l’air en raison des propriétés thermiques des fluides.
Le refroidissement liquide direct de la puce
Le refroidissement liquide direct de la puce consiste à utiliser une plaque refroidie par le liquide pour contrôler la température des puces, directement sur les cartes électroniques.
L’efficacité énergétique globale est comparable à celle du refroidissement par immersion. Cette solution offre les mêmes possibilités de réutilisation de la chaleur.
La récupération de la chaleur perdue
Actuellement, la chaleur dissipée par les équipements est inutilisée. Le refroidissement par air ne permet pas une récupération efficace et bon marché de la chaleur : la température de l’air est trop basse, les coefficients de transfert thermique sont inefficaces et un échangeur de chaleur air-eau supplémentaire est nécessaire.
Au contraire, le refroidissement par liquide offre naturellement des capacités de réutilisation de la chaleur, car la température du liquide est compatible avec le chauffage de bureaux, de serres, etc.
Le contrôle du refroidissement par l’IA
Les installations de refroidissement complexes actuelles sont composées de plusieurs actionneurs avec quelques capteurs et de lois de contrôle basiques. Il peut être démontré que les installations de refroidissement existantes sont encore loin d’atteindre un contrôle optimal sur les installations réelles.
L’ajout de capteurs supplémentaires (ou l’utilisation de capteurs intégrés à des équipements IT) et le développement d’algorithmes d’IA pertinents pourraient entraîner des économies d’énergie considérables.
En effet, les techniques d’apprentissage par renforcement profond permettent d’ajouter une double contrainte sur les systèmes :
- assurer la conformité des plages climatiques,
- minimiser la consommation d’énergie.
Des chercheurs travaillent au développement et à la validation de tels algorithmes dans les laboratoires d’Orange.
Comment la réussite de cette innovation a-t-elle été rendue possible ?
La démarche de R&D à long terme d’Orange a été soutenue par une coopération solide et durable au sein de différentes entités Orange (R&D, unités opérationnelles) tout au long du processus, notamment pour évaluer les risques et pour adopter et mettre en œuvre une démarche audacieuse.
Une approche de test et d’apprentissage a permis de mettre en œuvre cette solution progressivement sur le terrain :
- une participation importante à divers projets et écosystèmes européens (universités, organismes de normalisation, programmes communautaires de R&D, etc.), essentiels en termes d’échelle ;
- le soutien des autorités publiques, permettant une coopération accrue entre les différents acteurs et un financement stable ;
- un alignement solide de l’engagement d’Orange en matière de transition écologique avec les objectifs européens et nationaux.
Les prochaines étapes
Désormais bien connue, la solution de refroidissement par free cooling est simple à utiliser lorsque les conditions climatiques externes et les équipements le permettent.
Cependant, il ne s’agit pas d’une solution universelle, car elle dépend de la température extérieure. Orange travaille donc sur d’autres solutions, comme le refroidissement par immersion ou liquide. Elles peuvent être testées, promues et co-développées avec d’autres parties prenantes du centre de données expérimental Orange, appelé Padus Lab.
Toutes ces recherches sont également intégrées dans le portefeuille de projets d’Orange pour le projet important d’intérêt européen commun (IPCEI) pour l’infrastructure et les services cloud qui devrait être lancé prochainement.
Pour soutenir la transition écologique du secteur numérique et la mise en œuvre de solutions innovantes, les entités publiques et privées européennes doivent collaborer afin d’étendre cette problématique mondiale à une échelle suffisante. D’autres travaux doivent être menés à bien, notamment en matière de normalisation pour améliorer les indicateurs communs, et par le biais de projets européens très importants tels que le IPCEI pour accélérer la recherche et la mise en œuvre de solutions innovantes.
En savoir plus :
https://ieeexplore.ieee.org/document/4018106?denied=
https://ieeexplore.ieee.org/document/4664117?denied=
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359431115002537
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2210537917304067
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.111790
