Lorsque vous regardez un film en streaming, sauvegardez une photo ou posez une question à ChatGPT, quelque part, un centre de données travaille d’arrache-pied et chauffe. Le refroidissement de ces installations consomme déjà une part importante de leur électricité, et près de la moitié de cette énergie est rejetée sous forme de chaleur résiduelle à basse température qui est simplement évacuée dans l’air.
Une nouvelle étude de l’université Rice montre comment transformer la chaleur résiduelle en énergie.
« Il y a un fleuve invisible d’air chaud qui s’écoule des centres de données », explique Laura Schaefer, titulaire de la chaire Burton J. et Ann M. McMurtry de génie mécanique à Rice et co-auteure de l’article. « Notre question était la suivante : pouvons-nous augmenter légèrement la température de cette chaleur à l’aide de la lumière du soleil et en convertir une plus grande partie en électricité ? La réponse est oui, et c’est économiquement intéressant. »
Publiée dans Solar Energy, cette étude présente un nouveau cycle organique de Rankine (ORC) à amplification solaire thermique, un système électrique compact qui utilise un fluide de travail sûr pour produire de l’électricité à partir de la chaleur. La nouveauté réside dans l’ajout de capteurs solaires plats à faible coût sur le toit afin de réchauffer le flux de refroidissement du centre de données avant qu’il n’atteigne l’ORC. Ce « coup de pouce solaire » supplémentaire permet de surmonter ce qui constituait jusqu’à présent le principal obstacle technique : la chaleur résiduelle des centres de données est généralement trop faible pour permettre une production d’électricité efficace.
Les centres de données consomment déjà des centaines de térawattheures par an, ce qui équivaut à peu près à la demande d’un pays de taille moyenne, et la croissance de l’IA accélère cette courbe.
« Les gains d’efficacité sont dépassés par la demande », a ajouté Kashif Liaqat, étudiant diplômé en génie mécanique à Rice. « Si nous voulons que l’économie numérique soit durable, nous devons récupérer une partie de l’énergie qui est actuellement gaspillée. »
Les solutions traditionnelles, comme l’utilisation de pompes à chaleur électriques pour augmenter la température avant la récupération, peuvent annuler les avantages car elles consomment beaucoup d’énergie supplémentaire.
« L’énergie solaire thermique nous permet d’augmenter la température sans alourdir la charge électrique », explique M. Schaefer. « C’est une solution plus propre et plus simple. »
MM. Schaefer et Liaqat ont créé des modèles thermoéconomiques détaillés, qu’ils ont validés à l’aide d’outils industriels, afin de tester les performances dans deux des plus grands centres de données américains situés dans des climats très différents : Ashburn, en Virginie, et Los Angeles. Ils ont modélisé des capteurs solaires installés sur les toits alimentant un ORC de taille appropriée relié à une boucle de refroidissement liquide représentative.
Les résultats ont été frappants. Le système a récupéré 60 à 80 % d’électricité en plus par an à partir de la même chaleur résiduelle, avec une augmentation de 60 % à Ashburn et de 80 % à Los Angeles. Il a également atteint un rendement ORC supérieur de plus de 8 % pendant les heures d’ensoleillement maximal, ainsi qu’une augmentation du rendement annuel moyen. De plus, cette approche a permis de réduire le coût de l’électricité provenant de l’énergie récupérée de 5,5 % à Ashburn et de 16,5 % à Los Angeles.
« Los Angeles a obtenu de meilleurs résultats en raison de ressources solaires plus importantes. Mais même à Ashburn, où les hivers sont plus froids et plus nuageux, le système hybride augmente considérablement le rendement et réduit les coûts. » a précisé M. Liaqat.
Un avantage inattendu : cette approche est particulièrement efficace dans les conditions qui prévalent déjà dans la plupart des centres de données, où les serveurs informatiques modernes sont refroidis à l’aide de systèmes liquides qui ne chauffent pas excessivement.
« Ce que l’industrie considère comme une faiblesse devient un atout dès lors que l’on ajoute l’énergie solaire. C’est une excellente nouvelle pour les centres de données modernes. » ajoute t-il.
Schaefer et Liaqat ont conçu leur système pour utiliser des capteurs solaires simples, abordables et discrets (comme ceux que l’on voit souvent pour chauffer l’eau) montés sur les toits et connectés directement au système de refroidissement du centre de données — une utilisation innovante d’une technologie disponible dans le commerce. Comme l’ORC se trouve du côté de la chaleur résiduelle, l’énergie récupérée compense directement la consommation du réseau pour l’installation.
« Considérez cela comme l’ajout d’un générateur propre, derrière le compteur, qui devient plus puissant lorsque le soleil brille, c’est-à-dire lorsque les charges de refroidissement sont les plus élevées », indique encore M. Schaefer.
Les chercheurs ont déclaré que les prochaines étapes devraient inclure la mise à l’essai du système hybride sur un site opérationnel et l’exploration du stockage thermique, qui pourrait stocker la chaleur solaire pendant la journée afin d’augmenter la récupération pendant la nuit. Ils prévoient également d’évaluer d’autres types de capteurs pour les régions plus froides.
« Nous ne disons pas que cela remplace le travail d’efficacité sur les serveurs ou le refroidissement, qui est également crucial. Mais nous ajoutons un nouvel outil à la panoplie, un outil qui transforme un handicap en atout. » », a t-il conclu.
Article : « Techno-economic analysis of a solar thermal-boosted organic Rankine cycle system for data center heat recovery » – DOI : 10.1016/j.solener.2025.113893
