Dans le contexte actuel où les données sont devenues une ressource précieuse, les datacenters (centres de données) représentent le noyau de l'infrastructure numérique. Ils requièrent des puissances de calcul élevées, des capacités de stockage importantes et des besoins énergétiques conséquents. Néanmoins, avec l'accroissement de leur empreinte et de leur consommation énergétique, des défis significatifs émergent en matière d'efficacité, de gestion thermique, empreinte au sol et d'impact environnemental.

La demande de services numériques monte en flèche. Depuis 2010, le nombre d'internautes a plus que doublé et le trafic internet mondial a été multiplié par 25. Malgré cette croissance, les progrès réalisés en matière d'efficacité énergétique ont permis de maintenir la demande d'énergie des datacenters (centres de données) et des réseaux de transmission de données entre 1 et 1,5 % de la consommation mondiale d'électricité. Les études suggèrent que la consommation d'énergie des datacenters (centres de données) devrait atteindre 10 % de la consommation mondiale d'électricité d'ici 2030.

Malgré les améliorations des performances des datacenters (centres de données), il est impératif de poursuivre les efforts en termes d’efficacité énergétique, de R&D, de décarbonation de l'approvisionnement en électricité et des chaînes d'approvisionnement. Ces actions sont essentielles pour atteindre l’objectif de neutralité carbone d’ici 2050 (NZE).

La transition vers des datacenters (centres de données) plus respectueux de l'environnement repose sur deux stratégies clés : l'utilisation de sources d'énergie renouvelables et la réduction de la consommation d'énergie grâce à la mise en œuvre de technologies plus efficaces.

Câbles supraconducteurs pour les datacenters hyperscale (centres de données de très grande taille): relever les défis de l'infrastructure et accélérer la transition énergétique

À mesure que l'économie numérique se développe, les datacenters (centres de données) deviennent essentiels à l'infrastructure numérique mondiale. Les datacenters hyperscale (centres de données de très grande taille), ayant une capacité de plusieurs gigawatts, émergent pour répondre à la demande croissante en services informatiques, notamment en raison de l'IA, des services cloud et de l'analytique avancée. Ces nouvelles installations redéfinissent les limites de l'infrastructure électrique traditionnelle, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur du datacenter (centre de données).

La demande énergétique augmente rapidement, notamment avec la conception de nouveaux datacenters hyperscale (centres de données à grande échelle) ayant des capacités électriques approchant ou excédant les 5 gigawatts, nettement supérieures à celles des installations précédentes. Cette situation présente plusieurs défis, notamment en matière de fourniture d'énergie, de gestion thermique, d'utilisation des sols, d'émissions de carbone et d'investissement en capital. La dépendance actuelle aux systèmes de câblage conventionnels à base de cuivre devient de moins en moins viable.

Les câbles supraconducteurs, en particulier les câbles supraconducteurs à haute température (HTS), offrent une solution viable et convaincante. Grâce à leur résistance électrique nulle, leur capacité de transmission très élevée et leur empreinte compacte, les câbles supraconducteurs peuvent simplifier de manière significative l'infrastructure électrique, réduire les charges thermiques et ainsi soutenir des objectifs plus larges de durabilité et d'électrification.

#1. Un défi croissant : alimenter les infrastructures à grande échelle

Le développement des technologies axées sur les données a fait des datacenter (centres de données) parmi les installations les plus consommatrices d'énergie au monde. Les infrastructures à grande échelle modernes ne se satisfont plus de centaines de mégawatts – elles visent désormais des alimentations électriques de l'ordre du gigawatt.

Les principaux défis sont les suivants :

• Complexité de l'architecture électrique : ces installations nécessitent l'intégration de systèmes haute tension (HT), moyenne tension (MT) et basse tension (BT), ce qui contribue à accroître les coûts, l'espace nécessaire et la complexité opérationnelle.
• Densité énergétique élevée : l'informatique accélérée par l'IA, en particulier les GPU et le silicium personnalisé, crée des clusters denses nécessitant une alimentation massive et localisée.
• Gestion thermique : les câbles conventionnels en cuivre génèrent une chaleur importante, impliquant l'installation de davantage de systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation et pénalise l’efficacité opérationnelle.
• Exigences accrues en terme de développement durable : avec un contrôle croissant des émissions de carbone et de l'utilisation des sols, les approches traditionnelles peinent à atteindre les objectifs ESG.

#2. Des limitations à l'extérieur de l'infrastructure : distribution d'électricité HT et MT

L’acheminement de puissances à l'échelle du gigawatt depuis le réseau jusqu'aux datacenters (centres de données) requiert des infrastructures importantes :

• Extension des sous-stations HT-MT : les nouvelles constructions nécessitent l'acquisition d'un grand nombre de terrains, l'obtention de permis complexes et des investissements importants.
• Vulnérabilité des lignes aériennes : ces lignes sont de plus en plus exposées aux phénomènes météorologiques extrêmes, ce qui augmente le risque de pannes et de problèmes de fiabilité à long terme.
• Saturation des réseaux MT souterrains : les réseaux MT nécessitent l'ouverture de tranchées larges, ce qui nécessite beaucoup de terrain, est coûteux et accentue l’empreinte carbone. Les environnements urbains et semi-urbains sont particulièrement contraignants.

#3. Contraintes internes : câblage, refroidissement et espace

À l'intérieur de l'installation, les limites du câblage traditionnel sont tout aussi critiques :

• Encombrement des câbles MT : les salles électriques sont submergées par le volume de câbles en cuivre nécessaires aux circuits électriques à courant fort, ce qui crée des problèmes d'espace et d'acheminement.
• Impact thermique : les câbles en cuivre dissipent continuellement de la chaleur, ce qui alourdit les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation et augmente la consommation d'énergie.
• Inefficacité de la distribution basse tension : le câblage CA BT des GPU haute performance et des racks de calcul nécessite de grandes longueurs de câbles à travers les plafonds et les sols, ce qui augmente le poids, la complexité et la charge thermique.

En résumé : trop de câbles, trop de chaleur, trop d'espace consommé.

#4. Une solution révolutionnaire : Les câbles supraconducteurs à haute température (HTS)

Les câbles supraconducteurs ne présentent aucune résistance électrique, permettant ainsi d'obtenir une densité de puissance élevée dans une conception compacte. Cela offre des avantages significatifs pour la transmission et la distribution d'énergie, ainsi que pour la conception des infrastructures.

Principaux avantages :

• Aucune perte électrique : contrairement au cuivre, les câbles HTS n'ont pas de pertes résistives, ce qui améliore l'efficacité énergétique globale.
• Densité de courant ultra-élevée : Les systèmes HTS transportent 5 à 10 fois plus de courant que les câbles en cuivre et ce dans une fraction du volume.
• Avantages thermiques : la production minimale de chaleur réduit la charge des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation et les coûts énergétiques associés.
• Efficacité de l'espace : des volumes de câbles plus petits libèrent de l'espace au sol et au plafond, ce qui permet d'augmenter l’espace réservé aux opérations d’exploitation.
• Durabilité : réduction des matériaux, des travaux de génie civil et l'amélioration de l'efficacité énergétique contribuent à la réduction des émissions de carbone et au respect des principes ESG.

Transmission d’énergie : Efficacité des câbles supraconducteurs et conception compacte pour les datacenters (centres de données) modernes

Distribution d’énergie dans la salle de données : Une nouvelle efficacité grâce aux câbles supraconducteurs pour l'alimentation des racks

Protection : Améliorer la résilience avec les limiteurs de courant de défaut supraconducteurs

Transmission d'énergie réinventée: efficacité des câbles supraconducteurs et conception compacte pour les datacenters (centres de données) modernes

Les datacenters (centres de données), en constante évolution vers des installations à très grande échelle consommant plusieurs centaines de mégawatts, voire même des gigawatts, doivent désormais faire face à la problématique essentielle de fournir une alimentation électrique efficace et fiable, surtout dans des environnements où l’espace est restreint.

De telles puissances acheminées à la sous-station primaire représentent un défi croissant pour les EPC et les développeurs.

La transmission d’énergie via des câbles conventionnels en cuivre ou en aluminium semble de plus en plus inadaptée – en raison des limitations liées aux pertes résistives, des inefficacités thermiques et un encombrement non négligeable.

Les câbles supraconducteurs - systèmes supraconducteurs à haute température (HTS) - offrent une solution efficace pour la transmission de l'énergie à l'intérieur et autour des grands datacenters (centres de données). Ces conducteurs permettent de transmettre l'électricité avec une résistance pratiquement nulle, réduisant ainsi les pertes énergétiques et la production de chaleur associées aux systèmes traditionnels à base de cuivre.

Par exemple, un datacenter (centre de données) de 500 MW peut être alimenté en moyenne tension avec seulement 2 câbles HTS de 34,5 kV @4,5 kA. Pour la redondance, 2 câbles HTS de rechange seront nécessaires et  enterrés dans le sol avec une tranchée de 70 cm de large et 50 cm de profondeur. A l’inverse, il faudrait compter des dizaines de câbles XLPE résistifs conventionnels et des tranchées plus larges et plus profondes qui complexifient la construction de l'infrastructure et la sécurité du travail sur le site.

En fonction de leur architecture électrique, certains datacenters (centres de données) utilisent un anneau de distribution MT à l'intérieur du datacenter (centre de données). L'utilisation de câbles HTS de 12kV à 34,5kV permet d'éviter une étape de transformation potentielle, ce qui représente un avantage majeur pour le gestionnaire de l'installation en termes d'architecture électrique et de CAPEX.

De tels systèmes sont en service en Allemagne, à Essen, avec le projet AmpaCity, un système de 10kV 40MW qui fonctionne depuis 7 ans et, depuis 2021, en soutien à ComEd Chicago avec un système REG de 12kV 62MW.

L'un des autres avantages de la technologie supraconductrice réside dans son sa compacité. Les câbles supraconducteurs peuvent transporter jusqu'à 10 fois plus de courant que les conducteurs conventionnels de même taille, ou fournir la même quantité de puissance au travers d’une section beaucoup plus petite. Cette capacité permet aux datacenters (centres de données) de réduire considérablement le volume des câbles à installer, libérant ainsi un espace précieux dans les conduits, les colonnes montantes, les plénums de sol et les salles électriques. Il en résulte une infrastructure plus rationalisée et plus évolutive, capable de supporter une croissance future sans qu'il soit nécessaire de procéder à un recâblage important ou d'agrandir les armoires électriques.

Distribution d'énergie à l'intérieur de la salle de données: alimenter les baies de façon plus efficace grâce aux câbles supraconducteurs

La distribution d'énergie basse tension (BT) est nécessaire pour alimenter les baies en distribuant l'énergie électrique à 400-680 V CA.

Avec la demande énergétique des datacenters (centres de données) atteignant des centaines de mégawatts voire des gigawatts, les systèmes basse tension conventionnels montrent leurs limites.

L'augmentation de la puissance à basse tension nécessite une augmentation correspondante du courant. Cela se traduit par des câbles en cuivre plus volumineux, des pertes d'énergie plus importantes, une plus grande production de chaleur et une flexibilité réduite dans l'acheminement des câbles en raison des problèmes de chute de tension. Cela engendre donc augmentation des coûts d'exploitation et complexification de l'infrastructure à l'intérieur du centre de données. Les datacenters (centres de données) de plusieurs gigawatts ont désormais besoin d'une alimentation BT à haute intensité, entre 6 et 10 kA.

La seule option est d'augmenter le nombre de câbles BT en raison de leur limitation en termes de courant.

Courant continu et supraconductivité : une combinaison puissante pour une distribution d'énergie sans pertes

Une évolution significative dans l'infrastructure électrique contemporaine consiste en la transition vers la transmission et la distribution en courant continu (CC). Cette approche est particulièrement préconisée dans les contextes où l'efficacité énergétique et la fiabilité de l'approvisionnement sont des critères essentiels, tels que le secteur éolien offshore, les centres de traitement de données, les systèmes ferroviaires et les installations industrielles de grande envergure.

Les câbles supraconducteurs, en particulier les systèmes supraconducteurs à haute température (HTS), offrent un avantage stratégique dans cette transition. Associés à des systèmes en courant continu, les câbles supraconducteurs à haute température peuvent fournir de l'électricité sans perte électrique, ce qui permet d'atteindre de nouveaux seuils d'efficacité et de performance.

En conditions normales, les systèmes de transmission d'énergie subissent des pertes minimales comprises entre 3 et 5 %, principalement dues à la résistivité des câbles en cuivre ou en aluminium ainsi qu'aux diverses étapes de conversion entre courant alternatif (AC) et courant continu (DC). Ces pertes tendent à augmenter proportionnellement à la distance parcourue, à la chute de tension et à la densité du courant, entraînant ainsi des inefficacités notables dans les infrastructures à grande échelle.

En revanche, les systèmes de câbles CC HTS éliminent les pertes résistives, quel que soit le niveau de courant ou la longueur du câble. Ils sont donc particulièrement adaptés aux transmissions longue distance de grande capacité, les environnements urbains denses et les infrastructures critiques telles que les centres de données à grande échelle.

Les principaux avantages de la technologie HTS dans les applications de courant continu sont les suivants 

• Transmission sans perte sur les réseaux haute tension (HT), moyenne tension (MT) et basse tension (BT).
• Réduction de la consommation d'énergie, amélioration de la durabilité et diminution des coûts d'exploitation.
• Encombrement réduit, permettant des installations compactes dans des espaces restreints.
• Fiabilité accrue, avec une réduction de la production de chaleur et des exigences simplifiées en matière de refroidissement.

Une illustration concrète de la mise en application de cette technologie est le premier système de câble à courant continu supraconducteur au monde déployé par SNCF Réseau à la gare Montparnasse à Paris, en France. Cette installation démontre que les systèmes supraconducteurs à courant continu contribuent à moderniser les infrastructures critiques, augmentant les capacités de transmission du réseau d’énergie, réduisant les pertes et favorisant une utilisation plus efficace de l'énergie.

Pour les datacenters (centres de données), où chaque kilowatt compte et où l'efficacité énergétique est étroitement liée au coût, à la durabilité et au temps de fonctionnement, la transmission CC alimentée par HTS représente une solution d’avenir - combinant performances de pointe et avantages pratiques dans toute l’infrastructure électrique

En ce qui concerne les câbles supraconducteurs à courant continu, BEST PATHS a permis de valider la possibilité de transmettre des gigawatts d'énergie sur de longues distances en testant un système de câble monopolaire MgB2 de 320 kV capable de transporter 3,2 GW ! Un record mondial qui confirme le potentiel élevé et l'efficacité de la technologie à courant continu.

Les câbles supraconducteurs : une avancée significative

Les câbles supraconducteurs à haute température (HTS) peuvent transporter des courants nettement plus élevés sans pratiquement aucune résistance électrique. Cela signifie qu'ils peuvent fournir jusqu'à 10 fois plus de puissance que les câbles en cuivre conventionnels de même taille, sans chaleur, perte ou encombrement.

L'intégration de câbles supraconducteurs dans la distribution d'énergie basse tension dans la salle de données offre des avantages clés:

En combinant la sécurité et la simplicité des systèmes à basse tension avec la densité de puissance et l'efficacité de la supraconductivité, les câbles HTS permettent une architecture plus compacte, plus souple et plus économe en énergie, mieux adaptée aux exigences des datacenters (centres de données) modernes à haute performance.

En bref, la transmission et la distribution d'énergie supraconductrice ne constituent pas seulement une amélioration progressive, mais une avancée stratégique qui permet de relever les principaux défis physiques et énergétiques à l'extérieur et à l'intérieur des datacenters (centres de données).

Protection des installations: amélioration de la résilience grâce aux limiteurs de courant de défaut supraconducteurs

Un avantage important mais souvent négligé de la technologie supraconductrice est son rôle dans la protection électrique, en particulier grâce à l'utilisation de limiteurs de courant de défaut supraconducteurs (SFCL). Ces dispositifs améliorent considérablement la qualité de l'alimentation, la résilience du système et la sécurité opérationnelle dans les centres de données.

En cas de court-circuit ou de défaut, les SFCL limitent instantanément et automatiquement le courant excessif sans nécessiter d'intervention mécanique. Contrairement aux dispositifs de protection classiques, qui reposent sur l'ouverture d'un circuit pour interrompre le flux de courant, les limiteurs de courant de défaut supraconducteurs utilisent les propriétés intrinsèques des supraconducteurs pour passer rapidement d'un état supraconducteur (résistance nulle) à un état résistif. Cette transition se produit en quelques millisecondes, ce qui permet aux SFCL d'absorber et de limiter le courant de défaut avant qu'il n'endommage l'équipement en aval.

Cette capacité offre plusieurs avantages clés pour les opérations des datacenters (centres de données):

Dans le contexte des installations à grande échelle et à l'échelle du gigawatt - où les perturbations électriques peuvent avoir des conséquences opérationnelles et financières importantes - les SFCL offrent une solution intelligente et évolutive qui assure une fiabilité 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, une infrastructure électrique à auto régénération et des besoins de maintenance réduits.

En résumé, l'intégration de limiteurs de courant de défaut supraconducteurs dans l'architecture électrique offre une approche moderne et automatisée de la protection et du conditionnement, qui répond aux besoins des datacenters (centres de données) résilients de la prochaine génération.

Objectif transition énergétique

Alors que les systèmes énergétiques mondiaux évoluent vers l'électrification et la décarbonation, les centres de données doivent s'aligner sur les principes de la transition énergétique. La technologie HTS soutient directement cette trajectoire :

• Réduire les pertes sur le réseau
• Permettre une intégration plus efficace des sources d'énergie renouvelables
• Soutenir la conception d'infrastructures compactes, modulaires et résilientes
• Aider les opérateurs de centres de données à respecter les normes réglementaires et environnementales

Nexans de par son histoire et les nombreux projets auxquels le Groupe a pris part est aujourd'hui un leader mondial des câbles supraconducteurs pour les réseaux électriques. Nexans est ainsi le premier acteur industriel européen et mondial à posséder la technologie prête à répondre à tous les besoins des applications de centres de données. En d'autres termes, pour les câbles HT, MT et BT, Nexans est actuellement le seul fabricant au monde capable de répondre à tous ces besoins, tout en offrant une solution aux fabricants de centres de données qui cherchent à augmenter leur puissance électrique au-delà de 1 GW.
 
De plus, Nexans ne se limite pas à couvrir l'ensemble des câbles pour les différents réseaux dans le monde, que ce soit aux Etats-Unis, en Europe ou même en Asie. Les câbles proposés par Nexans répondent non seulement aux contraintes environnementales mais aussi aux défis du génie civil à savoir réduire les coûts de construction et ainsi accélérer la réalisation des projets - tous les câbles fournis par Nexans ont un diamètre qui ne dépasse pas 250 mm.

Conclusion : il est temps d’agir

Le secteur des datacenters (centres de données) est à un point charnière. Les développements à grande échelle, notamment ceux dépassant le gigawatt, ne peuvent plus s'appuyer sur l'infrasturcture électrique du 20e siècle. Les câbles HTS (Haute Température Supraconducteurs) représentent une avancée majeure en raison de leur maturité technique, viabilité commerciale et alignement avec les objectifs globaux en matière d'énergie et de climat.

L'adoption et l’intégration précoces de cette technologie dans les datacenters (centres de données) de nouvelle génération prépareront le terrain pour un déploiement plus large. Les opérateurs, les fournisseurs d'infrastructures et les décideurs politiques doivent collaborer dès maintenant pour accélérer le passage aux architectures constituées de câbles supraconducteurs, afin de garantir un avenir numérique évolutif, durable et sûr.

Nexans est un acteur mondial qui propose des câbles supraconducteurs adaptés à tous les niveaux de tension des datacenters (centres de données), offrant une solution compacte, des capacités de transmission supérieure et une flexibilité optimale, tout en répondant aux exigences environnementales et aux contraintes du génie civil.