Il est temps de reconnaître le potentiel de l’hydrogène en tant qu’alternative viable aux combustibles fossiles en termes de coût et d’efficacité – et parce qu’il peut réduire considérablement les gaz à effet de serre.
Ce n’est un secret pour personne que le centre de données moderne dépend d’un approvisionnement fiable en électricité. Des systèmes physiques qui la maintiennent froide à presque tous les composants d’une infrastructure informatique, l’électricité est le carburant de l’informatique d’entreprise, ce qui a fait de la protection de cette ressource un impératif pour les opérateurs de centres de données depuis le premier jour.
Aux États-Unis, nous avons pu faire confiance à la fiabilité de nos services électriques via le réseau national, mais même cela commence à être remis en question, car l’infrastructure électrique vieillit, la demande augmente et même les cybermenaces viennent s’ajouter aux défis existants pour fournir une électricité fiable. En outre, la réduction des gaz à effet de serre est de plus en plus recherchée dans tous les aspects de l’utilisation de l’énergie. Malheureusement, selon les calculs de l’EPA, la production d’électricité est le deuxième plus grand contributeur de gaz à effet de serre (GES), représentant 25 % du total des GES aux États-Unis seulement, selon une étude de 2020.
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Heureusement, il existe d’autres alternatives à l’électricité, notamment des choix écologiques comme la production hydroélectrique, solaire, éolienne et géothermique. L’utilisation de ces alternatives se développe lentement depuis des décennies, mais il est probable que la plupart des opérateurs de centres de données ne disposent que d’une poignée d’options traditionnelles à base d’hydrocarbures pour les services publics d’électricité, d’autant plus que la production d’énergie nucléaire est progressivement abandonnée aux États-Unis. Et bien que l’efficacité écologique des services publics locaux ne relève pas de la responsabilité des opérateurs de centres de données, leurs systèmes d’alimentation de secours le sont, et l’attention croissante portée dans le monde entier aux énergies vertes finira par s’étendre aux systèmes d’alimentation de secours des centres de données, si ce n’est déjà fait.
Cela ouvre la voie à l’hydrogène non seulement pour alimenter les systèmes de secours, mais aussi pour remplacer les combustibles fossiles dans les centres de données du futur.
Rester en vie quand le réseau est en panne
L’alimentation de secours est un impératif pour les exploitants de centres de données et, depuis des décennies, ils répondent à ce besoin par un écosystème bien compris de générateurs diesel de secours, d’énormes banques de batteries et de systèmes d’alimentation sans coupure (ASC) intelligents qui se mettent en ligne automatiquement lorsque l’alimentation normale est perdue. Un système complet d’alimentation sans coupure pour centre de données est conçu pour répondre instantanément au début d’une panne, ainsi que pour protéger l’infrastructure contre les variables d’alimentation nuisibles telles que le bruit de ligne, les fluctuations de tension, la distorsion harmonique, les interférences EMI/RFI et la protection contre les surtensions, ainsi que pour charger et convertir la tension continue fournie par les batteries afin d’alimenter l’alimentation principale CA manquante, selon les besoins, et de rebasculer sur l’alimentation publique lorsqu’elle revient.
Les systèmes d’alimentation sans coupure (ASC) sont généralement dimensionnés pour fournir une alimentation à la demande suffisante pour fonctionner pendant les 20 à 30 minutes nécessaires à un arrêt ordonné, pour transférer les charges de travail vers des sites de basculement ou pour passer à un générateur de secours pendant de plus longues périodes. Les centres de données en nuage modernes, qui peuvent contenir entre 80 000 et 100 000 serveurs, peuvent également consommer plusieurs mégawatts d’électricité lorsqu’ils fonctionnent à pleine capacité, ce qui rend les générateurs secondaires indispensables pour faire face aux pannes prolongées qui peuvent parfois durer des jours ou des semaines.
Ce sont ces systèmes de générateurs à prédominance diesel qui contribuent à la majorité des gaz à effet de serre provenant de l’énergie de secours, et la combustion du carburant diesel produit des quantités substantielles de dioxyde de carbone (CO2), de monoxyde de carbone (CO), d’oxydes d’azote (NOx) et d’hydrocarbures (HC), ainsi qu’une bonne dose de suie et autres polluants dangereux. Il existe également des options de turbines à gaz qui brûlent du gaz naturel ou du propane, mais ces combustibles génèrent toujours des GES en quantités substantielles.
L’hydrogène comme option verte pour la réduction des gaz à effet de serre
La NASA utilise l’hydrogène pour alimenter l’exploration de l’espace depuis les années 1940. Depuis les missions Gemini jusqu’à l’ère de la navette spatiale, en passant par les fusées modernes Delta III et Delta IV de Boeing, les étages d’accélération supérieurs sont tous basés sur des systèmes d’alimentation en hydrogène liquide/oxygène liquide qui génèrent la plus grande efficacité d’impulsion spécifique de tous les carburants. De plus, les piles à hydrogène ont fourni la majorité de l’énergie électrique pour presque toutes les missions spatiales habitées depuis le milieu des années 60.
Au sol, cependant, l’utilisation de l’hydrogène pour remplacer le pétrole dans les moteurs à combustion interne n’a pas connu beaucoup de succès, malgré le temps et les efforts consacrés à cette entreprise, notamment en raison de l’inflammabilité élevée de l’hydrogène, qui provoque un allumage prématuré dans les moteurs traditionnels, sans parler de son inadaptation totale aux moteurs diesel à allumage par compression. Même si l’on est parvenu à faire fonctionner un moteur à hydrogène, la combustion de l’hydrogène avec de l’air normal produisait encore de nombreux gaz à effet de serre que les initiatives vertes cherchent à éviter. Des recherches sont toutefois en cours pour combiner le gaz naturel avec jusqu’à 30 % d’azote afin de réduire au moins les émissions de GES.
D’autre part, la combinaison de la technologie des piles à combustible et de l’hydrogène pourrait s’avérer être le modèle idéal pour produire de l’électricité verte avec une production de GES proche de zéro. La beauté des piles à combustible est que l’hydrogène et l’oxygène y entrent, et que l’électricité et la vapeur d’eau en sortent ; en fait, l’eau produite par les piles à combustible du vaisseau spatial Apollo était suffisamment propre pour être bue. Un modèle de pile à combustible réversible peut produire de l’électricité selon les besoins en utilisant de l’hydrogène et de l’oxygène, mais lorsqu’il n’est pas nécessaire de produire de l’électricité, il peut extraire et stocker l’énergie sous forme d’hydrogène. Il est difficile de faire beaucoup plus écologique que cela.
Les systèmes de piles à combustible alimentés par de l’hydrogène, de l’alcool ou du méthane se révèlent aussi fiables que n’importe quel autre système de production d’électricité, et l’absence de pièces mobiles permet de réduire considérablement les coûts de maintenance dus à l’usure. Un inconvénient mineur de l’alimentation par pile à hydrogène est que l’électricité directement générée est en courant continu, alors que la grande majorité de l’infrastructure des centres de données fonctionne en courant alternatif. Ce n’est pas un problème majeur car il s’agit de la même technologie d’onduleur éprouvée que celle utilisée par les systèmes de sauvegarde à base de batteries, mais cela entraîne une légère réduction de 5 à 6 % de l’efficacité du système à pleine puissance.
Une turbine à gaz est un autre moyen d’utiliser l’hydrogène pour produire de l’électricité. Le roi actuel de la colline est la General Electric 7HA.03, qui produit 430 MW d’électricité par elle-même et peut aller jusqu’à 640 MW avec un rendement de 61 %. Pour une réduction maximale des émissions de gaz à effet de serre, elle peut fonctionner avec un mélange de carburants contenant jusqu’à 50 % d’hydrogène, l’objectif étant d’atteindre 100 % d’hydrogène dans un avenir proche. Même alimentée au gaz naturel dans un scénario d’essai où la GE 7HA.01 a brûlé 3,3 tonnes de mélange air/gaz naturel, l’essai n’a généré qu’environ 6,2 onces liquides de pollution.
Ce qui ajoute à l’efficacité relative d’un générateur à turbine à gaz est le fait qu’il génère du courant alternatif, ce qui élimine le besoin d’un système d’onduleur. Les turbines modernes peuvent tourner à pleine charge en moins de 20 minutes et être ramenées à moins de 30 % de leur capacité nominale tout en respectant les normes d’émission, un facteur important lorsqu’il s’agit de s’adapter aux fluctuations de la demande tout au long de la journée.
Et maintenant ?
Après plusieurs décennies de recherche et d’expérimentation, nous arrivons peut-être enfin au point de basculement où l’hydrogène devient une alternative viable aux combustibles fossiles en termes de coût, de disponibilité, d’efficacité et, surtout, de réduction des gaz à effet de serre. La pondération de ces préoccupations a évolué au fil des ans, tout comme la composition de l’informatique d’entreprise, mais la demande de plus en plus importante de services informatiques ne fera que croître, ce qui signifie que les opérateurs de centres de données auront bientôt besoin de gigawatts d’énergie de secours à la demande.
À ce stade, l’hydrogène a encore du chemin à faire en ce qui concerne l’économie de l’énergie de secours et l’alimentation du centre de données du futur, mais le potentiel de réduction massive des émissions de gaz à effet de serre grâce à l’utilisation de piles à combustible ou de turbines à hydrogène deviendra encore plus important à mesure que les nations continueront à sévir contre les émissions de gaz à effet de serre. Heureusement, des initiatives majeures sont en cours qui contribueront à faire pencher la balance en faveur de l’hydrogène, l’une des plus importantes étant le programme national Energy Earthshots du ministère américain de l’énergie, qui se concentre sur la R&D nécessaire au développement des énergies propres. Le premier Earthshot – le Hydrogen Shot, qui a été lancé en juin 2021 – a pour objectif public de réduire le coût de l’hydrogène propre de 80 % pour atteindre 1 dollar par kilogramme en une décennie. On espère que cette mission « 111 » donnera le coup d’envoi au développement du reste d’un écosystème viable de production, de stockage et de transport de l’hydrogène qui n’existe pas à ce jour, et qu’elle permettra d’identifier de nouveaux cas d’utilisation basés sur un approvisionnement en hydrogène vert hautement disponible et à faible coût.
De nombreuses recherches indépendantes sont également en cours pour atténuer d’autres problèmes liés à l’hydrogène, comme les piles à combustible réversibles mentionnées ci-dessus, qui peuvent produire de l’électricité en cas de besoin et revenir à l’électrolyse pour stocker l’énergie excédentaire lorsque la demande d’électricité diminue, et la poursuite du développement de l’électrolyse à haute température, qui peut utiliser la chaleur résiduelle des réacteurs géothermiques, solaires et même nucléaires pour améliorer considérablement le rendement en hydrogène de l’eau.
Des recherches sont également en cours pour trouver de nouveaux alliages aussi efficaces que les métaux précieux actuellement utilisés comme catalyseurs dans les procédés d’électrolyse à grand volume, ainsi que de nouveaux polymères et/ou des polymères plus efficaces pour servir d’électrolyte dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM). À cela s’ajoute la possibilité d’utiliser le froid profond du processus de regazéification du gaz naturel liquide pour prérefroidir l’hydrogène en vue de sa propre gazéification, et ce que je préfère peut-être, c’est la recherche sur une pile à combustible de dessalement qui pourrait produire simultanément de l’électricité, un acide, une base et de l’eau douce directement à partir de l’eau de mer. Imaginez à quel point une telle invention pourrait améliorer les conditions de vie d’un grand nombre de pays en développement.
La dépendance du monde à l’égard des combustibles fossiles ne peut pas durer éternellement. Selon certaines estimations, il nous reste moins de 50 ans avant d’épuiser une grande partie des réserves pétrolières mondiales. Grâce au développement de carburants alternatifs viables tels que l’hydrogène, nous pouvons dépasser les technologies dépassées, améliorer l’état de notre environnement et, peut-être, nous libérer de la mainmise de l’industrie pétrolière sur une grande partie de l’approvisionnement énergétique mondial. Nous devons évoluer, et adopter l’hydrogène pour le centre de données du futur est l’un des moyens d’y parvenir.
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