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La solution éco performante
pour la sécurisation de l’alimentation électrique
des Datacenters à haut niveau de disponibilité
Alimentation Sans Interruption
en liaison avec :
Les échanges et besoins en
communication croissent à
une vitesse exponentielle.
Plus qu’une tendance, c’est un
véritable mouvement de fond
qui induit tout naturellement
une croissance similaire des
besoins en capacité de calcul
des Datacenters.
Extrêmement sollicités, ces
derniers sont confrontés à la
nécessité de garantir un très
haut niveau de disponibilité.
Or la disponibilité d’un
Datacenter repose pour une
grande part sur l’alimentation
électrique ; celle-ci doit en
conséquence être hautement
sécurisée.
Les différentes technologies
d’alimentation sans
interruption (ASI) offrent des
réponses à cette exigence.
Ce document met en évidence
les avantages et l’intérêt de
l’adoption d’une technologie
statique au travers d’un cas
concret de grand Datacenter :
• Robustesse fonctionnelle
• Disponibilité et évolutivité
• Maîtrise du coût global
sur la durée d’exploitation
• Contribution à une
démarche éco-performante
2
Qu’appelle-t-on
un ‘grand Datacenter’ ?
Un grand Datacenter comprend une ou plusieurs salles dédiées, d’une surface de l’ordre
de 1000 m2 par salle. Les puissances électriques
mises en jeu sont généralement comprises entre
500 kW et 3000 kW.
La performance en disponibilité d’un Datacenter
est exprimée par le TIER, une classification établie par une association américaine, l’Uptime Institute. Pour un grand Datacenter, le TIER est de
niveau 3 ou 4 – les niveaux les plus élevés de la
classification. Le TIER 3 exprime une disponibilité
de 99,982%, soit une indisponibilité potentielle
d’1 heure et 36 minutes d’arrêt par an. Dans le cas
du TIER 4, cette disponibilité passe à 99,995%, soit
24 minutes d’indisponibilité potentielle par an.
En termes d’alimentation électrique, le TIER 3
implique au moins une source de production redondante et le TIER 4 une double source.
ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE
La réponse
Tirée par les progrès des semi-conducteurs de
puissance, la technologie des ASI de grosse capacité a rapidement évolué au cours des vingt
dernières années (voir fig.1). Les bénéfices
fonctionnels qui en résultent sont significatifs
tant sur le plan de la robustesse que sur le plan
des performances.
Des nouvelles technologies
à haute efficacité énergétique
L’augmentation de la fréquence de découpage
des onduleurs à Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) a permis une réduction significative de
la taille du filtre de sortie dont le rôle est de fournir la tension sinusoïdale à la charge critique.
Les bénéfices sont multiples :
• Les onduleurs en technologie IGBT (insulated
gate bipolar transistor) sont capables d’alimenter les nouvelles charges informatiques
capacitives sans déclassement de puissance
active ;
• Grâce à la très faible impédance du filtre
de sortie, l’ASI statique peut alimenter des
charges non linéaires générant d’importants
courants harmoniques tout en maintenant une
très bonne qualité de tension (mesurée par le
taux de distorsion harmonique en tension, typiquement inférieur à 5%) ;
• L’ASI statique offre une excellente réponse dynamique aux variations brutales de charge :
la tension instantanée est rétablie à sa valeur
idéale en moins de 20 ms conformément à la
norme EN 62040-3.
Rendement
en double conversion
2000
Transistor IGBT
Très
bon
Bon
Moyen
fiable et
évolutive
à l’exploitation
des Datacenters
Une distribution électrique sécurisée
Pour satisfaire aux critères de disponibilité du
Datacenter, l’alimentation doit pouvoir éliminer
un défaut sur un des départs aval du Tableau de
Distribution Haute Qualité (TDHQ) en moins de
20 ms et sauvegarder ainsi l’alimentation des
charges alimentées par les autres départs.
Dans 99,9% des cas, le réseau de secours est
présent et la commutation instantanée sur le
circuit by-pass de l’ASI suffit pour éliminer le
court-circuit. L’ASI délivre typiquement 20 x In
pendant 100 ms, un niveau largement suffisant
pour déclencher instantanément un disjoncteur
divisionnaire aval.
1990
Transistor
bipolaire
Dans les rares cas où le réseau de secours n’est
pas disponible, c’est l’onduleur de l’ASI qui délivre
pendant 100 ms un courant valant typiquement
3 x In pour éliminer le court-circuit. En prenant
l’exemple d’un défaut en aval d’un disjoncteur divisionnaire calibré à In / 5, l’onduleur lui fournira un
courant de court-circuit égal à 15 fois son calibre
nominal. Un niveau suffisant ici aussi pour assurer
un déclenchement instantané.
2 kHz
Dans tous les cas, l’ASI a la capacité de fournir
un courant de court-circuit suffisant pour éliminer rapidement un défaut aval tout en préservant la continuité d’alimentation des autres
départs (fig.2).
1980
Thyristor
500 Hz
performante,
6 à 10 kHz
Fréquence de découpage MLI
Fig. 1 : Evolution de la technologie des ASI depuis 1980
ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE
3
Dans les ASI, l’association de nouvelles techniques
de régulation utilisant la technologie IGBT permet de
garantir un comportement de générateur de courant
de court-circuit très robuste, même dans le cas d’un
court-circuit directement sur le Tableau de Distribution Haute Qualité TDHQ (en particulier, les effets
électrodynamiques et les contraintes thermiques
sont limités par contrôle électronique) (fig. 2).
Réseau 1 Réseau 2
ASI 800 kVA
In = 1160 A
Réseau 2 indisponible
Un système moins sollicité
pour plus de fiabilité
En matière de disponibilité de l’énergie électrique,
la capacité de stockage de la batterie utilisée pour
effacer les coupures brèves constitue une caractéristique clé. Une autonomie de 5 à 10 min permet
de couvrir l’essentiel des perturbations du réseau
électrique sans nécessiter le démarrage systématique du groupe électrogène, ce qui limite les
contraintes appliquées sur le groupe et les coûts
de fonctionnement. De plus, dans le cas de coupures courtes et rapprochées, cette autonomie
autorise des prises en charge répétitives sans
incidence. Les méthodes de charge actuelles des
batteries et les systèmes de monitoring permettent d’en limiter le vieillissement et de prévenir les
défaillances. La batterie mise en œuvre dans un
environnement maitrisé permet donc d’assurer
un haut niveau de disponibilité.
Disponibilité
et fiabilité : les
avantages majeurs
de l’
Icc ASI = 3 In
3480 A 100 ms
TDHQ
Disjoncteur 250 A
In = 250 A
Im = 10 x In = 2500 A
Ouverture en 20 ms
Défaut aval
Départs
protégés
Fig. 2 : Traitement du court-circuit par l’onduleur
Un faible encombrement au sol
Les ASI statiques présentent de réels avantages en
matière de mise en œuvre et de temps d’intervention
lors d’une maintenance préventive ou corrective. En
effet, leur faible empreinte au sol et leur faible poids
par rapport aux puissances fournies (fig.3) limitent
les contraintes et facilitent l’installation.
Une maintenance aisée,
une charge protégée
De plus, l’ajout d’ASI en parallèle pour augmenter
la puissance en fonction de la demande est réalisable facilement, rapidement et sans coupure de la
charge critique. Par conception, le temps d’intervention pour une maintenance préventive ou corrective est optimum (typiquement moins de 4 h) et
1980
6,7
1995
2010
5,7
2,9
3,5 T
3,4 T
1,5
Fig. 3 : Evolution du volume et du poids d’une ASI de 500 kVA sans batterie
4
ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE
T
cette intervention peut être réalisée par une personne seule. Certains modèles d’ASI sont équipés
de systèmes de tiroirs à faible poids extractibles
à chaud.
Les ASI statiques offrent un autre atout majeur :
la présence d’un Bypass performant. Fiable et
rapide, le commutateur statique embarqué peut
faire passer la charge critique sur le réseau de
Bypass sans perturber cette dernière. Sa capacité à permuter sur un circuit de secours sans
interruption et son dimensionnement permet
d’augmenter significativement le MTBF* d’une
ASI jusqu’à une valeur d’environ 400 000 h. Si l’on
ajoute à cela un temps d’intervention MTTR* très
court (de l’ordre de quelques dizaines de minutes
dans le cas des systèmes modulaires), on peut
affirmer que le taux de disponibilité de l’ASI statique est des plus élevés.
Par exemple, si on considère un MTTR de 15 min
(0,25 h) avec un MTBF de 400 000 h, on obtient
une disponibilité du système de :
400 000
400 000 + 0,25
= 0,9999993 (soit 6 neuf)
*MTBF Mean Time Between Failure (temps moyen entre deux pannes)
*MTTR Mean Time To Repair (temps moyen de reparation)
L’évolutivité,
une exigence
de plus en plus
pressante
Face aux besoins croissants des applications informatiques, les serveurs voient leur puissance
augmenter constamment. En outre, l’arrivée des
nouvelles technologies comme la haute densité,
la virtualisation, le Cloud Computing, nécessite
la reconfiguration rapide des infrastructures des
Datacenters, de leur refroidissement et de leur
alimentation électrique.
D’importants moyens de recherche et développement en matière d’ASI statiques ont été mutualisés à l’échelle planétaire, aboutissant, d’une
part, à une réduction des encombrements, des
masses, des coûts d’acquisition et d’exploitation
et, d’autre part, à un accroissement de la disponibilité – la modularité engendrant une simplification des traitements curatifs.
Les ASI statiques permettent à chaque client de
bâtir une architecture sur mesure, évolutive au
rythme des besoins.
ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE
L’évolutivité des solutions basées sur un déploiement d’ASI statiques provient non seulement de la
conception technique de ces dernières, mais également de la facilité avec laquelle il est possible de
les mettre en œuvre ainsi que du peu de moyens
techniques nécessaires à leur manutention.
La criticité des applications et les enjeux financiers induits sont susceptibles de créer des
situations oppressantes durant lesquelles la
moindre interruption de service peut entrainer
des conséquences dramatiques sur l’activité et
l’image d’une entreprise. L’évolutivité des ASI
permet aux exploitants d’éviter ces situations
tout en anticipant leurs besoins au plus juste.
5
Un coût global
d’installation
maîtrisé
et prévisible
Un investissement progressif
De par sa modularité, l’ASI Statique s’adapte parfaitement au besoin d’évolution des Datacenters.
L’ASI Statique est une protection efficace et sûre
qui, par sa facilité de mise en œuvre, conduit à
une bonne maîtrise du coût total de possession du
Datacenter, également connu sous l’appellation
‘TCO’ (total cost of ownership).
Le TCO est la somme de deux catégories de dépenses : le CAPEX et l’OPEX.
• Le CAPEX (Capital expenditure) représente les dépenses
d’investissement
• L’OPEX (Operational expenditure) représente les dépenses
opérationnelles (énergie et coûts d’exploitation)
Faible coût d’exploitation
Le graphe TCO (fig. 4) compare les différences
de coûts selon qu’on adopte une architecture fixe
– c’est-à-dire dimensionnée dès le départ à la
puissance cible – ou une architecture évolutive.
Les chiffres illustrent le coût total de possession
sur 10 ans d’un Datacenter de 500 kW atteignant
3000 kW après 5 ans.
Les figures 5 et 6 montrent que l’ASI statique
(architecture évolutive) s’adapte parfaitement
au profil d’évolution des charges. L’énergie est
délivrée avec le meilleur PUE (power usage effectiveness).
PUE =
Energie totale consommée par le Datacenter
Coût (M€)
42
Largement diffusée à travers le monde (95% des
ASI installées), la solution ASI statique offre le
meilleur TCO, en grande partie grâce à une installation par paliers qui permet d’éviter un financement initial important (voir fig. 7).
24
Architecture :
fixe
évolutive
21,5
18
12
6
0
CAPEX
OPEX
Fig. 4 : TCO - répartition des coûts selon le type d’architecture
Capacité et charge (MW)
3,75
3,00
Architecture fixe
2,25
Architecture
évolutive
1,50
Charge potentielle
Charge cible
0,75
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
5
6
7
8
9
10
(Année)
PUE
3,00
Architecture fixe
Architecture évolutive
1,00
1
2
3
4
10
(Année)
Fig. 5 et 6 : Evolution de la charge sur 5 ans et calcul du PUE d’un
Datacenter dont la puissance évolue de 500 kW à 3000 KW en 5 ans.
Coût (M€)
30
24
Architecture
fixe :
évolutive :
18
Capex
Energie Maintenance
12
Opex : energy+maintenance
6
0
0
1
Fig. 7 : Coût
6
32,7
27,2
30
Energie consommée par les seules
applications informatiques
En outre, la flexibilité de cette installation permettra d’optimiser PUE sur l’ensemble du cycle
d’exploitation.
36,7
36
2
3
4
5
6
7
8
9
10
(Année)
ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE
Un investissement
adapté aux
exigences d’exploitation
Un Datacenter se caractérise par des exigences
opérationnelles comme la densité de puissance
des salles IT par m2, la disponibilité et l’évolutivité du Datacenter, la redondance des infrastructures, le rendement électrique du Datacenter ou
encore le retour sur investissement.
L’ASI statique propose des réponses adaptées à
ces différentes exigences.
S’agissant du rendement électrique, l’ASI statique
présente l’avantage d’assurer un haut niveau de
performance sur toute la plage de puissance (fig. 8).
Ce même rendement est supérieur à 90% à partir
de 25% de charge. Ce critère est significatif si l’on
veut optimiser le PUE des Datacenters en début
d’exploitation ou pour les architectures de type
Tier 4 (double chaînes séparées) qui fonctionnent
avec un taux de charge de l’infrastructure électrique de moins de 40% (cf. fig. 8).
Cette notion de haut rendement est intégrée à présent dans le référentiel Code of Conduct UPS (ASI)
qu’ont signé les constructeurs d’ASI statiques. Ces
derniers s’engagent à réduire les pertes énergétiques avec une obligation d’amélioration continue
des performances pour les années à venir.
Une réponse pertinente
en termes de dimensionnement
des installations
La dernière génération d’ASI statiques est parfaitement compatible avec les groupes électrogènes (GE). En effet, le prélèvement d’énergie en
amont de l’ASI statique est progressif et dépourvu
d’harmoniques. À la clé, de réelles économies sur
l’infrastructure de distribution et les GE.
L’ASI au plus proche de l’application
L’indépendance fonctionnelle entre le GE et l’ASI
statique donne la possibilité de séparer géographiquement les deux installations et de rapprocher
l’ASi de la charge : les GE peuvent par exemple
être placés en containers à l’extérieur du Datacenter. Outre qu’elle offre une grande liberté dans la
gestion des surfaces, en particulier celles dédiées
aux applications informatiques, cette disposition
réduit les contraintes de génie civil (charge au sol,
vibrations, risques incendie, bruit).
Rendement (%)
100
98
96
94
92
90
88
86
84
82
80
78
76
74
72
ASI Statique en mode économique
70
ASI Statique en mode double conversion
68
Autre technologie
66
64
62
60
0
20
40
60
80
100
Charge (%)
Fig. 8 : Plage de rendement
ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE
7
Les constructeurs d’ASI sont organisés pour
prendre en charge les batteries en fin de vie.
Des réglementations environnementales s’appliquent spécifiquement aux Equipements Electriques et Electroniques (EEE) et garantissent
une utilisation limitée de substances dangereuses ainsi qu’un traitement maîtrisé des produits et emballages en fin de vie.
Crédits photos : adhérents, Fotolia
Le recyclage de la batterie
est parfaitement maîtrisé
Batteries stationnaires
Fabricants de batteries industrielles
Batteries en exploitation
Une faible empreinte carbone
Plomb en lingot
Affineurs
Centre de
traitement
Plaques
de plomb
Acide
Recycleurs de
polypropylène
Collecte chez
les utilisateurs
Polypropylène
La batterie : un déchet valorisé
La batterie est un élément dont le cycle de vie
est contrôlé de sa conception à son recyclage.
Les usines de production (ISO 14001) travaillent
à minimiser leur impact sur l’environnement en
termes de rejet de CO2 et l’utilisation de matière
première brute. Elles se situent majoritairement
en Europe pour les fortes capacités.
Le recyclage des différents éléments constituant
la batterie (plomb, électrolyte, bac, etc..) est entièrement suivi et régulé. Ce point est essentiel
car 100% des batteries considérées sont ainsi
utilement retraitées. Le plomb même recyclé est
une valeur marchande importante.
Valorisation des déchets
Vidange-Cassage
Fig. 9 : Recyclage de la batterie et de ses composants
Ce document a été élaboré avec le concours des
membres de la Division A22 « Alimentations statiques » du Gimélec.
Groupement des industries de l’équipement électrique, du contrôle-commande et des services associés
www.gimelec.fr
11-17 rue de l’Amiral Hamelin - 75783 Paris cedex 16 - France - Tél. : +33 (0) 1 45 05 70 70 - Fax : +33 (0) 1 47 04 68 57 -
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Grâce à son autonomie de quelques minutes, l’ASI
Statique permet de réduire l’empreinte carbone
liée au fonctionnement sur groupe électrogène.
Lors d’une coupure brève du réseau électrique, la
batterie d’accumulateurs au plomb permet d’éviter de démarrer le groupe. Le moindre nombre
de démarrages du groupe par an engendre une
diminution de la consommation de gazole. Ce
mode permet également d’améliorer le PUE sur
l’installation globale en évitant le préchauffage
permanent nécessaire ainsi que le temps de refroidissement (20 à 30 minutes) après toute utilisation du groupe lors de micro-coupures.