L’énergie fatale issue du refroidissement des datacenters, un gisement permanent d’énergie

Les solutions de réduction des impacts des datacenters s’articulent autour de quatre axes :

• sobriété énergétique (ne consommer que l’énergie nécessaire) ;
• efficacité énergétique (mieux consommer l’énergie) ;
• valorisation des énergies renouvelables ;
• valorisation de l’énergie fatale par récupération.

Alors qu’un datacenter peut consommer en électricité l’équivalent d’une ville de plusieurs dizaines de milliers d’habitants, la récupération et la valorisation locale de la chaleur dissipée par les datacenters semblent indispensables… mais ne sontt pas pour autant devenues un réflexe dans le domaine : pourtant, plus d’un tiers de l’énergie consommée par un datacenter l’est au niveau de son système de refroidissement. Refroidissement des serveurs qui est en fait un simple transfert de chaleur de l’intérieur vers l’extérieur du datacenter, quel que soit le mode de climatisation choisi. Enfin, n’oublions pas que cette chaleur perdue peut aussi contribuer en été à la création d’îlots de chaleur.

Une valorisation possible, l’injection de la chaleur évacuée dans un réseau de chauffage urbain

Plusieurs cas en France et dans le monde sont réalisés : à Val d’Europe, la chaleur récupérée du datacenter alimente un réseau de chaleur. Dans ce cas, c’est l’opérateur du datacenter qui récupère la chaleur au niveau de ses groupes de refroidissement et qui la livre à l’opérateur du réseau de chaleur en limite de propriété. Citons également un autre datacenter à Aubervilliers où une partie de la chaleur d’un datacenter est récupérée pour chauffer une serre. En Europe, à Helsinki,un datacenter de 2 MW chauffe l’équivalent de 1 000 appartements.

La Maison de la RATP, à Paris, divise par 2 sa consommation énergétique

« Nous avons réussi à diviser par 2 en 5 ans la consommation énergétique du siège de la Maison de la RATP, avec un programme d’actions complet dont la récupération de chaleur issue du groupe froid des datacenters », déclare Grégory Rohart, chargé de mission Développement durable au sein de SEDP. Cette dernière est la filière immobilière de la RATP et a en charge l’exploitation des sites existants ainsi que la construction de nouveaux bâtiments. Très vite, sur ce projet, la récupération de la chaleur du groupe froid a été au cœur de notre réflexion ; logiquement, nous avons commencé par rapprocher le potentiel de récupération avec les besoins en chaleur qui pouvait être couverts, précise l’expert.

Quelques chiffres clés :

• Groupe froid : Carrier 550 KW de puissance calorifique pour 413 KW de puissance frigorifique (sortie eau froide à 7 °C). Montant matériel investi de 70 K€ . D’octobre à mars, le groupe froid couvre 100 % de l’intégralité du froid pour les 3 salles informatiques du siège, places névralgiques de tout un ensemble d’applications de suivi et de pilotage des différentes lignes de métro et RER.

En été, le réseau d’eau glacée prend le relais et le groupe froid est en secours en cas de défaillance.

• Rendement > 90 % (de 550 KW) ; avec un échangeur de récupération haut rendement et des calorifugeages très soignés. L’énergie récupérée vient réchauffer le circuit de retour de la boucle CPCU.
• Récupération de chaleur du groupe froid : couvre plus de 25 % du chauffage des 56 000 m² de bureaux. Pour l’intersaison, le groupe froid suffit à couvrir l’ensemble des besoins de chauffage. Un échangeur secondaire permet également de préchauffer une partie de l’ECS nécessaire pour les douches des agents RATP.
• Retour sur investissement (ROI) : < 4 ans, et, si l’on intègre les subventions, le TRI tombe à deux ans.
• Économies et suivi des économies : plus de 9 % d’économies du fait de ce dispositif ; le suivi est effectué en respectant le protocole IPMVP de mesure et comptage détaillé par usage.

« Enfin, nous avons pensé le dimensionnement du groupe froid en fonction de l’évolution dans le temps de nos besoins : le groupe froid tourne actuellement à 57 % de son rendement, ce qui permet de rafraîchir des salles supplémentaires, et de prévoir, demain, l’ajout de serveurs supplémentaires liés par exemple à l’automatisation d’une ligne ou tout autre projet nécessitant du stockage de données », ajoute Gregory Rohart.

« Pour nos projets neufs, nous avons un objectif de PUE de 1,2 et donc des objectifs de datacenters très performants : nous étudions systématiquement la récupération de chaleur fatale. Ainsi sur le site du futur datacenter RATP de Bagneux, une PAC sera installée afin de récupérer la chaleur des salles serveurs pour chauffer en partie le centre de maintenance des trains de la ligne 13. »

Et pourquoi pas demain systématiser la réalisation d’une étude des besoins de chaleur dans l’écosystème local d’un datacenter et soumettre les permis de construire à la présence d’un système de valorisation de chaleur non anecdotique basé sur un ratio (chaleur récupérée/chaleur émise), comme le souligne une étude réalisée par l’ALE de Plaine Commune ?

L’avis d’expert du bureau d’étude Cardonnel Ingénierie, avec l’illustration du principe de récupération des énergies fatales : « La récupération des énergies qui sortent du bâtiment est depuis quelques années un sujet prépondérant au sein de notre bureau d’étude et fait partie intégrante de l’approche globale du bâtiment en conception. » Christian Cardonnel, président de Cardonnel Ingénierie.

« Nous avons désormais un contexte favorable et balisé » : l’amendement proposé par la Commission énergies renouvelables et bâtiment du Syndicat des énergies renouvelables (SER) a été retenu (titre V, article 23 A). Il permet d’inscrire pleinement la production d’énergie de récupération dans l’ensemble des textes relatifs à la construction et à l’urbanisme, et en particulier dans les réglementations thermiques, énergétiques et environnementales des bâtiments, y compris les labels de performance, et ce au même titre que la production d’énergie renouvelable.

« Et également… beaucoup d’énergie à récupérer » : par exemple, la vie d’une goutte d’eau, c’est moins de 10 secondes entre la pomme de douche à 38 °C et son arrivée à l’écoulement à 35 °C. Il y a environ 15 kWh/m²/an d’énergie récupérable, l’enjeu est conséquent, illustre l’expert.

Pour exemple de la récupération d’énergie fatale, le bâtiment L’Avance à Montreuil intègre les récupérations sur : air extrait, eaux usées et dalles de parking. Aujourd’hui, la solution s’appuie sur le concept Smart Thermogène Grid® (médaille d’or de la gestion intelligente des énergies d’Interclima 2013), et se décompose en quatre éléments :

• Un module thermique d’appartement (MTA commercialisé par Viessmann) : alimenté en eau chaude à 60 °C, il assure le chauffage (radiateurs BT, plancher chauffant…), l’eau chaude sanitaire (jusqu’à 20 l/min), la gestion et la répartition de l’énergie en fonction du besoin de confort des usagers.
• Un système de gestion, régulation associé au module, qui effectue également le suivi du confort et des consommations d’énergie.
• Une boucle de transfert de chaleur à 60 °C vers les modules d’appartement : la boucle est associée à une génération collective traditionnelle (gaz condensation par exemple) et à une récupération de chaleur thermodynamique (PAC à absorption gaz eau/eau).
• Une boucle d’eau tempérée, thermogène (qui génère de la chaleur), valorise les différentes EnR fatales du bâtiment: chaleur de l’air extrait (récupération du flux sortant sur ventilation VMC Hygro B), eaux grises (avec système « power pipe » par exemple), la boucle d’eau en dalle active dans le parking qui sert de tampon d’énergie. Cette chaleur est ensuite élevée en température par la PAC Gaz.

« Enfin la conception, pour la totalité des éléments du bâtiment, doit intégrer des solutions économiquement pertinentes » : nous calculons toujours le ratio, quel que soit le système, entre l’investissement en € HT et les kWh économisés par an, un ratio exprimé en € HT/(kWh/an), idéalement inférieur à 2. D’ailleurs, la pertinence économique de la mise en place d’un système devrait être le sésame pour obtenir une aide financière à associer à un projet, conclut-il.

Dépolluer les eaux usées et traiter les déchets organiques tout en produisant de l’énergie

Le projet de la société Ennesys est basé sur le principe de l’économie circulaire : dépollution des eaux, production d’énergie, réduction des déchets.

Dans un photobioréacteur (cylindre en verre), du phytoplancton (algues) est mis en culture dans un substrat liquide constitué d’eaux usées, de déchets et de CO₂, puis exposé au soleil. Au bout de 48 à 72 heures, la concentration en algues (3 %) est satisfaisante et la filtration se met en marche. Les algues sont ensuite méthanisées par le système et sont transformées en biogaz, réutilisé pour produire de l’énergie. L’eau en sortie peut ensuite être réutilisée dans les sanitaires, pour le lavage ou l’arrosage.

« Notre procédé s’applique aussi bien à la ville durable (notamment les zones de forte intensité urbaine), qu’aux effluents industriels des industries polluantes comme les brasseries ou papeteries, ou bien encore les sites isolés (zones reculées ou isolées sans accès à de l’eau douce et/ou propre) », précise Pierre Tauzinat, président directeur général de Ennesys.

Application en site isolé, le cas des îles Maldives

Plutôt que d’importer par bateau-citerne du fuel pour alimenter la centrale de désalinisation d’eau de mer, pourquoi ne pas recycler les déchets organiques notamment issus de la nourriture, des eaux usées, pour les traiter et récupérer à la fois énergie et une eau dépolluée avec une station mobile et autonome ?

Quelques données clés sur le projet : le recyclage de 75 m³ d’eau par jour et 600 m³ de déchets organiques pour une population de 500 personnes. Avec à la clé un amortissement de l’investissement prévu à 36 mois. Première étape : réalisation d’un site entièrement autonome en énergie avec un pilote pour avril 2015. S’ensuivront 5 installations en 2016 et 70 autres d’ici mai 2019. Pas de nuisances olfactives, et le volume de l’installation est restreint (l’équivalent volume d’un semi-remorque).

Pour le cas de « l’île-hôtel » aux Maldives, le méthaniseur produit de la chaleur qui est utilisée pour les besoins en ECS et lingerie sur l’île.

En France, plus de 1,5 milliard de litres d’eau par jour sont évacués par la chasse d’eau

Cette eau, mais aussi une bonne partie de nos déchets organiques (restaurants d’entreprises par exemple), pourrait être dépolluée puis réutilisée.

« Avec la croissance urbaine énorme en Chine, ce processus est extrêmement intéressant pour réduire les besoins en eau et traiter de façon locale et simple la gestion des eaux à dépolluer, quelle que soit leur origine (grise, noire, industrielle). En France, le vecteur de décision pour ce type de projet est pour l’instant plutôt lié à un positionnement d’image durable, la problématique de récupération de l’énergie fatale et de dépollution au plus près de la source n’étant pas encore complètement d’actualité. Nous espérons que la loi sur la transition énergétique va contribuer à changer la donne, notamment en autorisant la méthanisation en zone urbaine », conclut Pierre Tauzinat.

Acteurs du bâtiment tertiaire ou industriel, collectivités, tout est donc prêt… pour avancer.

Récupération d’énergie des eaux usées, des procédés répandus et efficaces

Des millions de kilowattheures d’énergie thermique s’évadent toute l’année par les canalisations d’eaux usées. La récupération de cette énergie fatale est possible via une pratique connue mais pas assez répandue en France, et pour laquelle d’autres pays comme la Suisse ou le Canada ont acquis une expérience.

Plus de 25 % d’économie pour un chauffage et ECS à gaz condensation

On distingue deux technologies, l’une où l’échangeur est à plaque et l’autre basée sur un enroulement de cuivre autour de la tuyauterie. Toutes deux sont utilisables en neuf (titre V) comme en rénovation.

« L’énergie récupérée est importante (de 10 à 20 °C récupérés sur l’eau grise) ; l’efficacité est meilleure avec l’échangeur à plaque, mais, revers de la médaille, il y a un peu plus de maintenance et un coût à l’achat supérieur », indique Gérard Galleron, de Solenove.

Pour le cas du système à échangeur cuivre Power Pipe, son amortissement est court. « Ainsi, pour un gymnase avec 12 douches, l’installation d’une batterie de 6 Power Pipe a été amorti en moins d’un an et demi. Pour un process industriel, nous arrivons à des temps de retour sur investissement inférieurs à un an », ajoute Gérard Galleron. L’économie réalisée sur l’ECS varie de 25 à 35 % en fonction de l’installation et du type de générateur de chauffe. « Avec une chaudière condensation, on est aux environs de 25 %, avec une pompe à chaleur plutôt 35 % », précise Gérard Galleron. Suivant les systèmes, on récupère un peu plus de 50 % de la chaleur des eaux et cela peut aller jusqu’à 70 %.

Exemple d’un hôtel à Paris d’une capacité de 50 chambres. 7 Power Pipe sur le tuyau d’évacuation de 100 mm. Une économie sur l’étiquette énergétique d’environ 10 KwhEp/m²/an (en valeur RT 2012) pour un coût inférieur à 20 000 € hors pose (le système est fourni en kit prémonté). Plus de 25 % d’économie si l’on tient compte des eaux de la buanderie (hors calcul RT). TRI en moins de 18 mois.

100 % du besoin ECS avec la récupération thermodynamique sur eaux usées

« Nous proposons un système complet fournissant 100 % de l’eau chaude pour les logements, ou, pour citer un autre exemple, la cantine-restaurant d’entreprise ou bien des processus industriels. Toutes les eaux grises sont récupérées ainsi que les eaux grasses de vaisselle », indique Jean Sobocinski, ingénieur conseil Biofluides Environnement.

Ce qui permet une mise en place aussi bien dans le collectif que pour l’hôtellerie, la restauration, mais aussi piscines, hôpitaux, industries… « Nous avons trois tailles de cuves différentes qui peuvent être installées en série, et pour un immeuble de 100 logements, le système occupe environ 15 m². »

Le principe est simple, poursuit-il : « L’eau des logements, entre 28 et 30 °C, est évacuée en passant dans une cuve autonettoyante équipée d’échangeurs qui font l’objet de 4 brevets. À la sortie de la cuve, l’eau est aux alentours de 10 °C, et il n’y a aucun décalage entre le rejet et la production. Avec la nouvelle génération de PAC, nous obtenons un COP de 4,2 et nous pouvons aussi en parallèle puiser les calories issues d’autres sources, telles des condensats de réseau urbain de vapeur ou bien encore d’une moquette solaire. »

Pour 2015, ils vont proposer une solution de financement (leasing) afin de faciliter l’accès à leur technologie. Le fait d’installer l’ERS apporte également des économies en plus car la puissance de la chaudière est moindre du fait de la couverture à 100 % du besoin eau chaude, ajoute-t-il.

Exemple de réalisation sur le site de la SA Hainaut Groupe GHI (Aulnoy-lez-Valenciennes)

Sur ce site, notre système ERS est installé depuis le 15 Juin 2014. L’immeuble est composé de 47 logements de type 3 pour une surface de 2 900 m², indique-t-il.

La cuve récupère l’ensemble des eaux grises de l’immeuble (salle de bains, cuisine, lavabos). Cette cuve étant autovidangeable et autonettoyante, elle conserve ses capacités d’échange et donc ses performances tout au long de l’année.

La PAC qui y est couplée va puiser les calories dans les eaux grises et fournit 100 % de l’ECS à 55 °C avec un COP de 3,9 sur ce site. Tout cela avec une seule journée de maintenance annuelle.

Depuis 4 mois, l’ERS a déjà fourni 12,5 MWh pour une consommation de la PAC de 3,2 MWh. Grâce au télésuivi, l’exploitant et le maître d’ouvrage suivent avec nous en direct la production de l’installation et sont avertis automatiquement en cas de défaut du système.

L’éco-quartier récupère aussi les calories de ses eaux usées.

Le principe de récupération est similaire, avec un échangeur, souvent en forme de demi-cylindre sur plusieurs dizaines de mètres, situé sur la canalisation d’égout et couplé à une PAC. Ainsi, l’éco-quartier Boule/Sainte-Geneviève de Nanterre, du fait d’une densité urbaine adaptée, sera chauffé à 39 % par la valorisation des eaux usées avec une PAC de 800 KW.

Un principe mis en place avec succès chez nos voisins suisses depuis maintenant plus de 30 ans. L’investissement initial est plus important qu’avec une énergie fossile, mais les coûts d’exploitation plus faibles. Enfin, signalons que le système peut être réversible et apporter de la fraîcheur en été.

Récupérer la chaleur dégagée par un panneau photovoltaïque pour chauffer l’habitat

Cela est possible avec une circulation d’air sous les panneaux photovoltaïques, assurée grâce à un réseau de gaines installé dans les combles et un système de ventilation adapté. L’air préchauffé peut aussi être utilisé en couplage avec un ballon thermodynamique. Appelé encore « panneau hybride », c’est le procédé retenu par la société nantaise Systovi, qui réalise près de 70 % de son chiffre d’affaires avec son système R-Volt basé sur ce principe.

Jean Charles Lohe, bailleur social à Lorient (LB Habitat), qui a réalisé la mise en place de la solution (R-Volt Option ECS – Centrale aérovoltaïque couplée à une production d’eau chaude solaire) sur un petit collectif HLM de 4 appartements, indique : « L’avantage pour nous, c’est qu’on assure une partie du financement des travaux grâce aux panneaux photovoltaïques et à la revente d’électricité. L’avantage pour les locataires, c’est qu’ils réalisent des économies d’énergie au niveau du chauffage et de la consommation d’eau chaude sanitaire. L’ensemble nous permet d’améliorer nettement l’efficacité thermique globale des logements. »

La puissance de l’installation électrique est de 12 KWc pour une puissance thermique de 25,2 KW. Une efficacité thermique importante qui va au-delà de la performance d’une ventilation double flux : pour une température extérieure de 5 °C en décembre, par temps nuageux, l’air insufflé est à 22,5 °C pour un débit qui peut être modulé et atteindre jusqu’à 400 m³/h. Une efficacité et un confort salués par les locataires de la résidence de LB Habitat.

Des solutions matures associées à des processus innovants, un contexte désormais plus favorable avec la loi de transition énergétique, le bond en avant réglementaire nécessaire avec l’objectif du bâtiment positif, sont autant de facteurs favorables au développement de solutions de récupération des énergies fatales. Nous aurons donc l’occasion de réévoquer ces sujets au travers d’autres exemples détaillés de réalisations en cours.