Chauffer une serre avec la chaleur fatale d’un centre de données
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L’expansion des infrastructures requises pour la gestion des données entraîne une augmentation soutenue des besoins en énergie des centres de données. Lors de leur opération, les centres de données rejettent une quantité importante de chaleur fatale qui pourrait être valorisée, par exemple, afin d’assurer le chauffage des serres au Québec en hiver. Cette étude présente la consommation énergétique et les émissions de gaz à effet de serre (GES) associées au chauffage d’une serre par un système de récupération de chaleur d’un centre de données utilisant une pompe à chaleur. Cette dernière est nécessaire pour rehausser la température de l’air rejeté par le centre de données afin d’obtenir un niveau adéquat pour le chauffage de la serre (60 °C). Les performances énergétiques et environnementales de cette serre innovante sont ensuite comparées à celles d’une serre classique équipée d’un aérotherme au propane. Le système de récupération de chaleur permet de réduire de 66 % la consommation énergétique et, prenant en compte les faibles émissions de GES de l’électricité produite en contexte québécois, de 91 % les émissions de GES associées à l’exploitation de la serre. Mots-clés : Serres, centre de données, récupération de chaleur, simulation thermique dynamique.
Consommation énergétique associée au chauffage de serres en contexte québécois.
Au Québec, la période de production des serres de petites tailles est souvent limitée à sept mois (avril à octobre) en raison de l’importante consommation énergétique en période hivernale associée au chauffage et à l’éclairage artificiel (MAPAQ, 2018). Un rapport de l’IRDA (2017) note qu’une serre de 1750 m2 à Ste-Hyacinthe, au Québec, nécessite 730 kWh.m-2 annuellement en chauffage pour maintenir la température de l’air intérieur à 18 ℃.
De plus, les systèmes assurant le chauffage des serres sont généralement alimentés par des combustibles fossiles, ce qui augmente sensiblement l’empreinte écologique du secteur serricole québécois (MAPAQ, 2018). Toujours selon le rapport de l’IRDA (2017), les émissions de GES causées par le chauffage au propane à 18 ℃ d’une serre de 1750 m2 à Ste-Hyacinthe sont d’environ 200 kg CO2 eq.m-2. La disponibilité d’un réseau d’électricité propre pourrait être mise à profit pour réduire les coûts de l’énergie et l’impact environnemental des serres au Québec.
Chaleur fatale provenant des centres de données
Les équipements (serveurs) installés dans les centres de données dissipent de la chaleur qui nécessite l’utilisation de systèmes de refroidissement dédiés. Au Canada, les centres de données consomment environ un pour cent de toute l’électricité annuelle consommée dont 40 % sert au refroidissement de ces espaces (Ressources Naturelles Canada, 2016). Les serveurs peuvent être refroidis par convection d’air ou par l’utilisation de composantes pouvant être refroidies à l’eau (Oró, Allepuz, Martorell, & Salom, 2018; Oró, Taddeo, & Salom, 2019). Dans tous les cas, il est techniquement possible d’y récupérer la chaleur dissipée, c.-à-d. la chaleur fatale.
Utilisation de la chaleur fatale d’un centre de données pour le chauffage d’une serre
Dans cette étude de cas, un modèle de simulation thermique dynamique de la performance énergétique d’une serre est développé sur TRNSYS pour évaluer le potentiel de la valorisation de la chaleur fatale d’une salle de serveur d’un centre de données pour le chauffage d’une serre. Le centre de données et la serre sont situés à Baie-Comeau au Québec (49,2°N; 68,2°O). La serre est une serre à arche gothique d’une superficie de 153 m2, ayant une enveloppe composée de deux épaisseurs de film de polyéthylène. La puissante de chauffage maximale de la serre est estimée à 96 kW (Cousin et Lekounougou (2020)).
Le refroidissement des serveurs du centre de données se fait par convection d’air frais; l’air chaud est évacué à travers des cheminées d’extraction. Une salle de serveur produit 1 MW de chaleur fatale (Cousin & Lekounougou, 2020). Il est proposé de récupérer cette chaleur fatale grâce au système de récupération illustré à la Figure 1. Celui-ci comprend un ventilo-convecteur (VC1) hydronique connecté à l’évaporateur d’une pompe à chaleur eau-eau (PC1). Cette pompe à chaleur permet de rehausser la température de l’eau à 60 ℃ pour le chauffage de l’air de la serre en utilisant la boucle d’eau du condenseur. La chaleur produite est stockée dans un réservoir d’eau chaude (R1) placé dans la serre. Cette eau chaude stockée alimente deux réseaux de tuyaux à ailettes (RA1, RA2) qui assurent le chauffage de l’air de la serre lorsque nécessaire.
Figure 1 : Système de récupération de chaleur du centre de données proposé
L’influence des plantes sur le bilan énergétique de la serre est aussi considérée puisque l’évapotranspiration cause un refroidissement de l’air dans la serre. Dans cette étude, un modèle énergétique de laitue est intégré au modèle de serre développé pour représenter cette influence (Talbot & Monfet, 2020).
Comparaison de l’exploitation du système de récupération à celle d’un aérotherme au propane
La consommation énergétique mensuelle par source d’énergie associée à l’exploitation des deux systèmes de chauffage pour maintenir la température de l’air dans la serre à 20 ℃ le jour et 18 ℃ la nuit est présentée à la Figure 2. Dans le modèle développé, il est considéré que le système de récupération de chaleur n’est pas disponible lors des périodes de délestage du centre de données par le fournisseur d’électricité. Ces périodes sont caractérisées par des températures extérieures inférieures à -15 ℃ aux heures de pointe (6 h à 9 h et 18 h à 20 h). Durant ces périodes, l’aérotherme au propane est utilisé comme source de chauffage d’appoint.
Figure 2 : Consommation énergétique d’une serre chauffée par un système de récupération de chaleur d’un centre de données (hachuré) et un aérotherme au propane (plein)
L’utilisation du système de récupération de chaleur du centre de données diminue de 66 % la consommation énergétique de la serre comparée à l’utilisation d’un aérotherme au propane. Ces réductions sont possibles par l’utilisation d’une pompe à chaleur pour rehausser la température de l’air rejeté par le centre de données afin de permettre son utilisation pour le chauffage de la serre. Les émissions de GES[1] sont réduites de 91 % en récupérant la chaleur fatale du centre de données (31 kg eq. CO2/m2) par rapport à l’utilisation d’un aérotherme au propane (348 kg eq. CO2/m2) pour le chauffage de la serre.
Autres considérations
Les résultats de cette étude comparative ont permis d’évaluer les avantages de la valorisation de la chaleur fatale d’un centre de données pour le chauffage d’une serre en contexte québécois, par rapport au chauffage habituel par combustion d’énergie fossile.
Toutefois, une analyse financière et une analyse du cycle de vie (ACV) permettraient de mieux évaluer les investissements et les émissions de GES associés à l’installation des différents équipements du système de récupération de chaleur. Ceci mérite d’être étudié puisque le système proposé est beaucoup plus complexe et nécessite tout de même l’installation d’un système de chauffage d’appoint.
De plus, le chauffage des serres en hiver au Québec n’est pas pertinent si l’éclairage n’est pas suffisant pour assurer la photosynthèse des plantes. L’impact énergétique de l’éclairage artificiel doit être considéré pour évaluer la compétitivité d’une serre hivernale en contexte québécois (MAPAQ, 2018). Le modèle de simulation thermique dynamique de serre développé dans le contexte de cette étude a aussi permis d’évaluer la consommation énergétique d’un éclairage artificiel minimal capable de soutenir la photosynthèse de la laitue en hiver à Baie-Comeau. Un compromis entre la consigne en chauffage et en éclairage artificiel pourrait être défini pour la laitue afin de maximiser le rendement énergétique de la serre (kg produit par kWh consommé).
Pour plus d’informations, veuillez contacter les auteurs.
[1] Les facteurs d’émission utilisés sont 0,0345 kg eq. CO2/kWh pour l’électricité (Levasseur, Mercier-Blais, Prairie, Tremblay, & Turpin, 2021) et de 0,181 kg eq. CO2/kWh pour le propane (Eggleston, Buendia, Miwa, Ngara, & Tanabe, 2006).
