La présente invention se rapporte à un dispositif autonome de refroidissement d’un processus industriel, notamment d’un centre de données. Elle concerne également un centre de données utilisant un tel dispositif autonome de refroidissement.

De nombreux processus industriels produisent de la chaleur et certains processus nécessitent d’être refroidis. Un centre de traitement de données peut comporter plusieurs centaines de serveurs qui sont des ordinateurs très puissants disposant de nombreux microprocesseurs dans un espace confiné. La chaleur produite par les microprocesseurs doit être évacuée par des systèmes de refroidissement afin d’éviter une surchauffe qui est nuisible au bon fonctionnement des ordinateurs. Parmi les solutions de refroidissement, il est connu de placer des radiateurs à refroidissement liquide sur les microprocesseurs et de les relier à un système de circulation d’eau qui permet d’évacuer la chaleur tout en restant relativement compact. Idéalement de tels circuits de refroidissement permettent de maintenir la température de fonctionnement des microprocesseurs à une température optimale de fonctionnement de l’ordre de 40°C à 60°C.

Les systèmes de refroidissement par circulation d’eau ont pour avantage d’être relativement compacts et efficaces. La consommation d’énergie, principalement électrique, d’un système de refroidissement par circulation d’eau est relativement importante car il faut faire circuler une masse d’eau importante à travers les radiateurs des microprocesseurs disposés dans tous les serveurs d’un centre de données et également refroidir ladite masse d’eau. Cette consommation d’énergie s’ajoute à l’énergie de fonctionnement des serveurs du centre de traitement de données. A titre d’information, la consommation de tous les centres de données de la planète représente aujourd’hui près de 3% de la consommation électrique mondiale et ne fait que croître. Il est donc nécessaire de trouver des solutions pour réduire la consommation de ces centres de données.

Par ailleurs, il est connu des systèmes de refroidissement utilisant l’énergie calorifique des mers, océans, lacs ou rivières. De tels systèmes sont connus sous l’acronyme SWAC (de l’expression anglo-saxonne « Sea Water Air Conditioning »). Un SWAC permet des économies d’énergie de 80% à 90% par rapport à un système conventionnel utilisant l’air. Le principe d’un SWAC consiste à pomper de l’eau très froide, par exemple dans la mer, c’est-à-dire à une profondeur suffisante pour que la température de l’eau de mer soit de l’ordre de 5°C à 7°C, en entrée du système SWAC. Cette eau de mer est destinée à refroidir par échange thermique un réseau de fluide froid dont la température est de l’ordre de 10°C à 15°C, qui est utilisé, à son tour, pour refroidir l’air d’un système de climatisation ou les condenseurs d’un groupe frigorifique. Après l’échange thermique avec ledit fluide froid, l’eau de mer est renvoyée à la mer à une température qui s’est réchauffée, c’est-à-dire une température de l’ordre de 10°C à 12°C.

Un système SWAC peut être utilisé dans le cadre d’un refroidissement de centre de traitement de données situé à proximité de la mer, d’un lac ou d’une rivière. Cependant, le fluide que l’on cherche à refroidir qui circule dans un circuit de refroidissement d’un centre de données est à une température de 50°C à 60°C, voire supérieure. Par échange thermique avec ce dernier, l’eau de mer ainsi réchauffée et qui doit être rejetée après ledit échange thermique dans la mer, ne doit pas dépasser une température de l’ordre de 25°C. Pour limiter l’accroissement de la température de l’eau de mer avant son rejet, le débit d’eau de mer pompée en entrée du système doit être beaucoup plus important par rapport au débit du fluide circulant dans le circuit de refroidissement. Cet accroissement de débit d’eau de mer pompée, entraîne une augmentation significative de la consommation électrique d’un tel système.

Pour réduire la consommation électrique des centres de données, il est également connu d’y intégrer une source d’énergie renouvelable. Étant à proximité de la mer, il est connu de coupler un système SWAC à un système connu sous l’acronyme OTEC (de l’expression anglo-saxonne « Ocean Thermal Energy Conversion »). Le principe d’un système OTEC consiste à utiliser la différence de température existant entre une source chaude constituée d’une eau de mer prélevée en surface (dont la température peut être comprise entre 25°C et 30°C dans des zones tropicales) et une source froide constituée d’une eau de mer prélevée en grande profondeur (par exemple à près de mille mètres de profondeur) dont la température est d’environ 5°C. Un tel système OTEC consiste en outre à évaporer un fluide de travail à l’aide de la source chaude. La vapeur du fluide de travail entraîne un turbogénérateur. Après son passage dans le turbogénérateur, ledit fluide de travail est refroidi à l’aide de la source froide. Le fluide de travail peut être de l’eau de mer pour des systèmes OTEC dits en « cycle ouvert » ou un autre fluide pour les systèmes OTEC dits en « cycle fermé ».

Toutefois, un système OTEC nécessite d’avoir une température d’eau de mer en surface d’au moins 25°C, ce qui n’est possible qu’essentiellement dans des zones tropicales.

L’invention vise à réduire la consommation d’un système de refroidissement de type SWAC utilisable pour refroidir des processus industriels à des températures élevées, notamment pour des centres de traitement de données. A cet effet, le système de refroidissement récupère la chaleur dégagée par le processus industriel pour produire de l’énergie électrique, servant notamment à s’autoalimenter.

Pour cela, l’invention propose un dispositif de refroidissement qui comporte :

- un circuit fermé de refroidissement en connexion fluidique avec un premier échangeur thermique, ledit circuit fermé comprenant un fluide de refroidissement ;

- un sous-système de génération d’énergie électrique comprenant un fluide de travail circulant en circuit fermé entre un évaporateur qui chauffe ledit fluide de travail pour obtenir de la vapeur sous pression, un turbogénérateur transformant la vapeur sous pression en énergie électrique, et un condenseur qui refroidit la vapeur après passage dans le turbogénérateur afin de liquéfier le fluide de travail pour le fournir à l’évaporateur.

Pour réduire la consommation d’un tel dispositif de refroidissement utilisable et exploiter celui-ci dans des zones du globe autres que les zones tropicales, notamment pour refroidir des processus industriels à des températures élevées, un tel dispositif est agencé de sorte que :

- le condenseur est un deuxième échangeur thermique qui refroidit le fluide de travail à partir d’eau pompée dans la nature ;

- le premier échangeur thermique est en connexion fluidique avec le condenseur afin de refroidir le fluide de refroidissement avec l’eau pompée qui sort du condenseur ;

- l’évaporateur est un troisième échangeur thermique qui transfère de l’énergie calorifique au fluide de travail à partir de l’eau pompée qui sort du premier échangeur thermique.

Ainsi, l’eau pompée dans la nature assure la condensation du fluide de travail, le refroidissement du processus industriel et également l’évaporation du fluide de travail en utilisant la chaleur dégagée par le processus industriel. Un tel système peut être utilisé n’importe où sur le globe terrestre dès lors qu’une source naturelle d’eau froide est disponible.

De manière avantageuse, ledit fluide de refroidissement peut être de l’eau douce.

Afin d’assurer un changement d’état et une mise sous pression permettant de produire de l’énergie électrique, le fluide de travail peut être un fluide frigorigène.

Selon un mode de réalisation particulier, l’évaporateur peut être dimensionné de sorte qu’il chauffe le fluide de travail à une température supérieure ou égale à 29°C et qu’il refroidisse l’eau pompée qui sort du premier échangeur thermique à une température inférieure ou égale à 14°C. Toujours selon un mode de réalisation particulier, l’eau pompée dans la nature est de l’eau de mer. Un tel dispositif comporte à ce titre un circuit de circulation d’eau de mer en connexion fluidique avec le condenseur et agencé pour pomper ladite eau de mer à une profondeur telle que la température de ladite eau de mer pompée soit de l’ordre de 5°C en entrée dudit circuit de circulation d’eau de mer.

Pour assurer la climatisation en plus du refroidissement du processus industriel, un dispositif de refroidissement selon l’invention, peut comporter en outre un circuit fermé de fluide froid en connexion fluidique avec un quatrième échangeur thermique et un groupe de froid, le quatrième échangeur thermique refroidissant le fluide froid avec l’eau pompée dans la nature et fournissant l’eau pompée ainsi réchauffée au premier échangeur thermique.

L’invention propose également un centre de traitement de données comprenant une pluralité d’ordinateurs disposant d’au moins un radiateur de refroidissement à eau. Un tel centre de traitement de données comporte dès lors un dispositif de refroidissement selon l’invention, et dans lequel le au moins un radiateur de refroidissement à eau est en connexion fluidique avec le circuit fermé de refroidissement.

Afin de refroidir l’air ambiant en plus des ordinateurs, le groupe de froid d’un tel centre peut consister en une climatisation refroidissant l’air ambiant à l’aide du fluide froid.

L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et faisant référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

- la figure 1 illustre un premier exemple de réalisation d'un dispositif de refroidissement selon l'invention ;

- la figure 2 illustre un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. Afin de simplifier la description qui va suivre, une même référence est utilisée dans différentes figures pour désigner un même objet ou un élément similaire. Ainsi, lorsque la description cite un objet référencé, cet objet pourra être identifié sur plusieurs figures. En outre, les figures ainsi que la description sont données à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs de réalisation. Pour des raisons de représentation, les dessins ne sont pas réalisés à l’échelle afin de permettre de visualiser l’ensemble des éléments sur un même schéma.

De plus, il convient de noter que l’invention a vocation à être utilisée à proximité d’une source d’eau froide naturelle. Dans les exemples de réalisation, la mer est utilisée comme source d’eau froide, mais une autre source d’eau froide peut être utilisée comme un océan ou un lac.

La figure 1 illustre un premier exemple de réalisation d’un dispositif de refroidissement selon l’invention. Dans cet exemple, le processus industriel à refroidir est un centre de traitement de données 100 qui comporte une pluralité de serveurs S dont le refroidissement se fait par circulation d’un fluide de refroidissement, par exemple de l’eau douce. A cet effet, les serveurs S sont en connexion fluidique avec un circuit fermé de refroidissement 200, en d’autres termes, lesdits serveurs sont reliés fluidiquement à ce circuit fermé de refroidissement 200. Le circuit de refroidissement 200 est également en connexion fluidique avec un premier échangeur thermique 210 et avec une pompe de circulation 220. La pompe de circulation 220 assure la circulation de fluide entre le premier échangeur 210 thermique et les serveurs S afin de refroidir le fluide de refroidissement dans le premier échangeur thermique 210 et donc de refroidir les serveurs S.

Le dispositif de refroidissement de l’invention comporte également un circuit ouvert 300 de circulation d’eau, par exemple de l’eau de mer. Le circuit ouvert 300 comporte une pompe de prélèvement 310. La pompe de prélèvement 310 est une pompe qui permet de pomper de l’eau de mer en profondeur, par exemple à environ mille mètres de profondeur, et permet également d’assurer la circulation d’eau de mer dans le circuit ouvert 300. Une telle pompe 310 peut être composée d’une ou plusieurs pompes refoulantes cascadées selon une technique connue afin de permettre un tel pompage. A titre d’exemple, l’eau de mer est pompée à mille mètres de fond, ou du moins à une profondeur suffisante pour que la température de l’eau prélevée soit quasi constante toute l’année et de l’ordre de 5°C, ce qui permet d’avoir une eau relativement froide.

Le circuit ouvert 300 est en connexion fluidique avec le premier échangeur thermique 220 afin d’assurer un transfert de calories entre le circuit de refroidissement 200 et le circuit ouvert. Le transfert de calories permet ainsi de refroidir le fluide de refroidissement dans le premier échangeur thermique 210.

Afin d’assurer l’autonomie énergétique du dispositif de refroidissement, ce dernier comporte un sous-système de génération d’énergie électrique 400 qui comporte principalement un circuit fermé de fluide de travail 410, un deuxième échangeur thermique 420, un troisième échangeur thermique 430 et un turbogénérateur 440. Le circuit fermé de fluide de travail 410 est en connexion fluidique avec le deuxième échangeur thermique 420, le troisième échangeur thermique 430 et le turbogénérateur 440. Une pompe 450 peut assurer la circulation du fluide de travail à l’intérieur du circuit fermé de fluide de travail 410. Une telle pompe 450 est optionnelle si les deuxième et troisième échangeurs 420 et 430 sont positionnés verticalement et disposent d’une hauteur suffisante pour que la circulation se fasse naturellement sous l’action de la gravité. Dans ce premier exemple de réalisation, le fluide de travail est un fluide frigorigène ayant un point de vaporisation situé aux alentours de 25°C à une pression de l’ordre de 6 à 7 bars. A titre d’exemple, le fluide de travail peut être un tétrafluoropropène. Un tel tétrafluoropropène convenant à un système selon l’invention est vendu sous la marque Solstice® avec la référence yf(R-1234yf) par la société Honeywell.

Le turbogénérateur 440 est principalement constitué d’une turbine reliée à un générateur électrique. La turbine reçoit le fluide de travail sous forme de vapeur sous pression provenant du troisième échangeur thermique 430. La vapeur sous pression entraîne la turbine qui entraîne à son tour le générateur électrique qui produit ainsi de l’électricité. En traversant la turbine, la vapeur de fluide de travail perd de l’énergie, abaissant sa pression et sa température.

Le deuxième échangeur thermique 420 est également relié au circuit ouvert 300 afin de permettre un échange de calories entre l’eau de mer fournie par la pompe de prélèvement 310 et le fluide de travail circulant dans le circuit fermé de fluide de travail 410. Ainsi, l’eau de mer se réchauffe tout en refroidissant le fluide de travail. Le deuxième échangeur thermique 420 fonctionne en condenseur qui transforme le fluide de travail de l’état vapeur à l’état liquide par échange thermique avec l’eau de mer. Le dimensionnement du deuxième échangeur thermique 420 est réalisé afin de permettre une condensation du fluide de travail de l’état vapeur à une température de l’ordre de 18°C à un état liquide à 11 °C tout en ne réchauffant l’eau de mer que de 5°C à 9°C lors de l’échange thermique. Ainsi, la température de l’eau de mer sortant du deuxième échangeur thermique 420 peut être comprise entre 10°C et 14°C et préférentiellement 12°C. Un tel échange peut être atteint avec un volume de circulation de fluide de travail dix fois inférieur au volume de circulation d’eau de mer.

L’eau de mer sortant du deuxième échangeur thermique 420 est ensuite fournie au premier échangeur thermique 210 afin de refroidir le fluide de refroidissement. A titre d’exemple, le fluide de refroidissement sortant des serveurs S peut atteindre une température de 50°C et peut être refroidi à une température de l’ordre de 30°C dans le premier échangeur thermique 210. Avec un débit d’eau de mer de l’ordre de 1 ,5 fois le débit de fluide de refroidissement, l’eau de mer peut être réchauffée de 15°C à 25°C lors de l’échange de calories réalisé dans le premier échangeur thermique 210. Ainsi, la température de l’eau de mer sortant du premier échangeur thermique 210 peut être comprise entre 25°C et 40°C, préférentiellement supérieure à 35°C.

Le troisième échangeur thermique 430 est également relié au circuit ouvert 300 afin de permettre un échange de calories entre le fluide de travail circulant dans ledit circuit fermé 410 et l’eau de mer sortant du premier échangeur thermique 210, le fluide de travail se réchauffant tout en refroidissant l’eau de mer. Le troisième échangeur thermique 430 fonctionne en évaporateur qui transforme le fluide de travail de l’état liquide à l’état vapeur par échange thermique avec l’eau de mer. Le dimensionnement du troisième échangeur thermique 430 est réalisé afin de transformer le fluide de travail en vapeur sous pression à une température de 29°C tout en refroidissant l’eau de mer d’environ 15°C à 20°C lors de l’échange thermique. La température de l’eau de mer sortant du troisième échangeur thermique 430 est ainsi de l’ordre de 20°C. Cette eau peut ensuite être retournée à la mer sans impact pour l’environnement.

La production d’énergie électrique produite par le sous-système de génération d’énergie électrique 400 permet ainsi d’auto-alimenter le dispositif de refroidissement en réutilisant la chaleur produite par les serveurs S. L’homme du métier comprendra qu’il est possible d’adapter le dispositif de refroidissement en fonction des besoins exprimés. Notamment, le circuit de refroidissement 200 de l’exemple préalablement décrit prévoit une température variant de 30°C à 50°C, ces températures peuvent varier en fonction des besoins de refroidissement des serveurs S. Toutefois, afin de permettre une récupération d’énergie suffisante, il convient d’avoir une température de fluide de refroidissement en sortie des serveurs qui soit au moins égale à 45°C afin de pouvoir réchauffer l’eau de mer à au moins 25°C. Des températures supérieures à 50°C permettront de générer plus d’énergie électrique. Les débits des différents fluides ainsi que les surfaces d’échange de calories des échangeurs thermiques seront à dimensionner en fonction des températures souhaitées, l’important étant d’avoir un écart de température du fluide de travail supérieur à 15°C entre la température de sortie du deuxième échangeur thermique 420 et la température de sortie du troisième échangeur thermique 430.

Si le circuit ouvert 300 de circulation d’eau est alimenté par une source d’eau pompée dans la nature autre que la mer, tel que par exemple un lac ou une rivière, il conviendra de ne pas rejeter directement l’eau pompée dans ces sources afin d’éviter d’endommager l’écosystème. L’eau rejetée pourra, par exemple, être utilisée pour alimenter un réseau de distribution d’eau potable.

Malgré l’utilisation de refroidissement liquide dans les serveurs, la température dans un centre de données doit être régulée et nécessite une ventilation ou une climatisation afin de maintenir la température ambiante en dessous de 30°C pour le confort des personnes qui y travaillent. La figure 2 illustre un deuxième exemple de réalisation d’un système de refroidissement selon l’invention qui se différentie du premier exemple de réalisation par l’ajout d’une climatisation 500 dans le centre de traitement de données 100. La climatisation 500 est de type conventionnel et permet de refroidir l’air ambiant à partir d’un circuit fermé d’un fluide froid 510 selon une technique connue.

Selon l’invention, le circuit fermé de fluide froid 510 est en connexion fluidique avec un quatrième échangeur thermique 520 et avec une pompe de circulation 530 qui assure la circulation du fluide froid entre la climatisation 500 et le quatrième échangeur thermique 520. Le quatrième échangeur thermique 520 assure un échange de calories entre le fluide froid et l’eau de mer circulant dans un circuit de dérivation 540. A cet effet, le circuit de dérivation 540 est en connexion fluidique avec le circuit ouvert 300 et avec le quatrième échangeur thermique 520 afin de fournir de l’eau de mer provenant directement de la pompe de prélèvement 310 audit quatrième échangeur 520 et de fournir l’eau de mer sortant du quatrième échangeur thermique 520 au premier échangeur thermique 210. Ainsi, il est possible de maintenir le fluide froid à une température inférieure à 10°C tout en ne réchauffant l’eau de mer du circuit de dérivation que de 5°C.

La quantité d’eau dérivée dans le circuit de dérivation 540 est par exemple inférieure à 10% de l’eau de mer pompée. La quantité d’eau dérivée dans le circuit de dérivation 540 peut être constante et déterminée par la taille des tuyaux du circuit ouvert 300 et du circuit de dérivation 540, la circulation dans les deux circuits étant assurée par la pompe de prélèvement 310. Toutefois, pour assurer une régulation plus fine de la température du fluide froid, il est possible d’ajouter une pompe 550 pour réguler le débit d’eau de mer à l’intérieur du circuit de dérivation 540.

L’ajout du circuit de dérivation 540 n’a que peu d’effet sur le fonctionnement global du système et le reste du dispositif de refroidissement fonctionne à l’identique de ce qui a été décrit en relation avec le premier exemple de réalisation. L’homme du métier comprendra qu’il pourra adapter les différentes températures de fonctionnement à ses besoins comme indiqué précédemment.