Le courant continu va-t-il supplanter le courant alternatif dans les datacenters ?

© Business & Decision Eolas - Studio Eric Saillet

Le courant continu revient dans la distribution électrique haute et basse tension. Il est déjà très présent dans les énergies renouvelables, la recharge des véhicules électriques ou le transport d’électricité en très haute tension. Son retour dans l’alimentation sécurisée des datacenters et centres de télécommunications est plus récent, mais veut répondre à la demande des utilisateurs pour des installations plus économes en énergie et plus simples. Encore faut-il que des charges (serveurs, climatiseurs…) alimentées en courant continu soient disponibles et que les utilisateurs soient convaincus des avantages d’une solution encore peu utilisée.

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Les contraintes et besoins des exploitants de datacenters, mais aussi de centres de télécommunications, sont aujourd’hui bien identifiés : optimiser les investissements en équipements et la surface au sol tout en gardant un haut niveau de disponibilité, de résilience, de sécurité pour les personnels et de maintenabilité. Mais aussi, dans un contexte économique plus difficile, une exigence de diminuer drastiquement la consommation électrique : les TIC (Technologies de l’information et de la communication) représentent aujourd’hui plusieurs % de la consommation mondiale d’énergie et cette progression ne ralentit pas (croissance des réseaux et terminaux, demande de services à haut débit, déploiement massif d’Internet et des services associés dans le monde entier). D’où des installations électriques complexes, de l’arrivée HT jusqu’à la distribution terminale des équipements informatiques.

Ces installations incluent presque obligatoirement des solutions de secours en énergie pour pallier toute défaillance du réseau électrique : groupes électrogènes, onduleurs et batteries ainsi que des distributions redondantes de ces sources jusqu’à l’alimentation des équipements informatiques (serveurs, baies de stockage et de télécommunications). Ce sont de multiples étages d’adaptation ou de changement de tension alternative (AC), de conversion alternatif/continu (AC/DC) ou DC/AC dans des onduleurs pour arriver à des tensions continues très basses (entre 1,5 et 12V) au niveau de la « puce » électronique au cœur de l’équipement informatique. Ces multiples changements entraînent des pertes et ce sont des calories qu’il va ensuite falloir évacuer au niveau du refroidissement des locaux techniques et informatiques.

D’où l’idée des chercheurs, ingénieurs ou bureaux d’études, depuis quelques années, de repenser toute cette chaîne d’alimentation électrique et cela d’autant plus que l’intégration progressive des énergies renouvelables dans ces bâtiments apporte de nouvelles opportunités.

L’intérêt renouvelé pour le courant continu

Le courant continu n’est pas une nouveauté dans la distribution électrique depuis la fin du XIXe siècle lorsque les pionniers de l’électrotechnique Edison et Westinghouse misaient l’un sur le courant continu avec l’électrification de New York en 110 VDC, et le second sur l’invention du transformateur ou du moteur alternatif de Tesla, qui permettront au transport en courant alternatif de s’imposer. Pourtant, le courant continu n’a pas disparu en restant présent en haute tension continue dans le ferroviaire ou en basse tension de sécurité 48 VDC dans les télécommunications. Mais le véritable retour se fait à la fin des années 1990, aidé par le développement de l’électronique de puissance qui permettra la conception de convertisseurs AC/DC, DC/AC ou DC/DC de plus en plus puissants, performants en terme de rendement et de montée en tension. Des solutions qui ont permis le développement du transport en courant continu haute tension (HVDC) : des réalisations en Chine de plusieurs GW en 800 kV transportent l’électricité sur des milliers de kilomètres. Au début des années 2000, le 380/400 VDC est entré dans l’ère industrielle pour les alimentations des serveurs de datacenters et d’équipements télécommunications avec les premiers sites pilotes ou expérimentaux.

Des premières expérimentations aux derniers sites réalisés en courant continu

Pour Denis Finck, responsable Datacenters de Socomec, « le premier site important est probablement l’aéroport de Roissy où, dès les années 1990, ADP a retenu une solution avec une distribution en courant continu sur le site de l’aéroport, mais en conservant une alimentation finale en courant alternatif. Cette utilisation du courant continu avait surtout pour objectif de réduire les coûts des câbles et les pertes sur un site présentant de longues distances entre l’alimentation de secours centralisée (redresseurs et batteries) et les utilisations dispersées sur le site ». Peu de réalisations suivront avant les premiers petits datacenters en 380 VDC réalisés à l’Université de Californie à San Diego en 2003 ou pour Duke Energy en 2010. Les réalisations de datacenters en courant continu dépassant quelques dizaines de kW et quelques baies de serveurs ont vraiment vu le jour depuis 2011. Le plus puissant est sans doute celui de Steel Orca aux USA, d’une surface de 30 000 m2 et d’une puissance de 45 MW. Ce datacenter en service depuis mi-2014 met en œuvre une distribution mixte AC et 380 VDC. Plus près de nous, en Suisse, le datacenter de Green.ch, dont la première tranche a été mise en service en 2012, utilise deux architectures de distribution secourue, en courant alternatif pour 3 MW et 1 MW en courant continu. Le second module inauguré fin 2014, de 4 000 m2, est alimenté entièrement en courant continu 380 V et bénéficie de l’expérience d’ABB pour la première tranche. ABB annonce ainsi un gain de 10 % de consommation d’énergie par rapport à une distribution AC mesurée « du réseau à la puce » à 40-60 % de charge des serveurs.

© ABB France. La distribution en courant continu en sortie de redresseurs redondants va se faire par deux jeux de barres indépendants pour alimenter une entrée d’alimentations redondantes des différents équipements.

© ABB France. La distribution en courant continu en sortie de redresseurs redondants va se faire par deux jeux de barres indépendants pour alimenter une entrée d’alimentations redondantes des différents équipements.

Mais les réalisations les plus nombreuses se trouvent en Chine où China Telecom aurait plus de 1 000 sites alimentés en 240/300 V DC, et son concurrent China Mobile développe des sites de télécommunications alimentés en 380 VDC. Des opérateurs japonais font aussi le choix du courant continu 380/400 V, en particulier NTT dont le dernier site de Tokyo a une puissance de 4 MW. Globalement, la plus grande partie de ces nouveaux sites DC est aux USA et en Asie où des travaux de recherche sont menés depuis de nombreuses années au Lawrence Berkeley National Laboratory ou par NTT. En France, les travaux de recherche et premières mises en œuvre dans un datacenter sont à mettre au crédit d’Orange Labs qui s’implique beaucoup dans les travaux internationaux de normalisation.

Ces réalisations permettent d’avoir les premiers retours de terrain en terme de gains/disponibilité des matériels/réticences des acteurs du marché dans un domaine où le camp des acteurs de l’« alternatif » et les partisans du « continu » se sont souvent affrontés à coup de chiffres plus ou moins réalistes.

© Socomec

© Socomec

Quels gains/bénéfices attendre de ces nouvelles solutions ?

Il y a des gains qui découlent de la disparition d’étages de conversion (DC/AC) et à la simplification des schémas de distribution :

  • moins de matériel électronique installé ;
  • diminution de la surface utile de l’infrastructure d’alimentation ;
  • gain d’efficacité énergétique et de fiabilité ;
  • maintenance plus simple avec des redresseurs modulaires plus faciles à mettre en parallèle.

L’utilisation du courant continu est aussi intéressante en terme d’équilibre du réseau :

  • pas de problème d’équilibrage de la puissance consommée sur les phases ;
  • moins d’harmoniques et de rayonnement électromagnétique ;
  • pas de problème de synchronisation des sources ;
  • rendement des redresseurs constant sur une plage de charge très large.

Tous ces éléments techniques devraient se traduire par une réduction des coûts d’investissement (Capex) et des coûts d’exploitation (Opex).

Pour Didier Marquet, ingénieur expert senior Système d’énergie d’Orange Labs, des améliorations sont encore possibles : « Il existe un fort potentiel de gains sur le rendement des alimentations des serveurs. Des serveurs à alimentation universelle AC et DC ont une plage de tension trop large 200-420 V au lieu de 260-400 V pour la norme ETSI. Un étage avec correction de facteur de puissance est aussi inutile en DC. L’inversion de sources arrivée réseau AC et groupes électrogènes pourrait être remplacée par un couplage en courant continu sur le bus des redresseurs. »

Quels matériels disponibles en 380/400 VDC ?

Il existe plusieurs freins au remplacement du courant alternatif par le courant continu 380/400 V, le plus important étant la disponibilité des matériels du datacenter disponibles en tension continue et au premier rang les serveurs. Depuis 3 ou 4 ans, les principaux fabricants de serveurs (IBM, HP, Sun, Dell…) proposent des équipements à tension d’entrée 380 VDC, mais les gammes sont encore limitées. À noter que des essais ont été faits pour utiliser en 380 VDC des serveurs conçus pour une alimentation en courant alternatif. Dans certains cas, le serveur fonctionne (éventuellement avec une alarme), mais l’on peut se poser la question d’une incidence à long terme sur la fiabilité de son étage d’alimentation, dans d’autres cas le serveur ne fonctionne pas. Pour André Rouyer, délégué du Gimelec pour les datacenters, « cela pose un problème pour les rénovations de sites qui représentent une part importante du marché et pour lesquelles les clients ne veulent pas changer toutes les baies, serveurs ou climatiseurs alimentés en énergie secourue ».

Côté redresseurs dédiés à ce type d’applications, l’offre se développe. Emerson Network Power a ainsi lancé une gamme de redresseurs multi-baies NetSure 7100 et 8100 de conception modulaire et évolutive et ayant un rendement maximum de 96,2 %. Pour Mark Murrill, directeur des initiatives liées à l’alimentation DC 400 V d’Emerson, « les normes internationales nécessaires à la généralisation de l’alimentation DC 400 V sont désormais en bonne voie, comme le montre l’adoption de la norme EN 300 132-3-1 de l’Institut européen des normes de télécommunications (ETSI). Comme les fournisseurs sont de plus en plus nombreux à prendre en compte cette norme, l’adoption du courant continu 400 V progressera rapidement pour de nombreuses applications, et d’autres normes seront clarifiées et adoptées ». [voir encadré Normalisation]

D’autres constructeurs proposent des gammes de redresseurs souvent de faible puissance ou en 48 V issues de redresseurs développés pour des applications industrielles.

Toutefois, les professionnels concernés se rassemblent et travaillent dans le groupement EMerge Alliance, né aux USA, pour développer des normes et spécifications favorisant l’adoption du courant continu dans les bâtiments commerciaux.

Car, malgré les travaux en cours, les normes de produits, de sécurité, de mise en œuvre ne couvrent pas encore tous les besoins de ces nouvelles applications.

© DR. Tableau général basse tension en courant continu 380V/3000A sur le site de Green.ch (Suisse)

© DR. Tableau général basse tension en courant continu 380V/3000A sur le site de Green.ch (Suisse)

Les réponses des constructeurs d’onduleurs : un débat souvent animé

Les débats (techniques) ont souvent été assez animés entre les promoteurs de la nouvelle solution « tout courant continu » et les défenseurs des solutions alternatives qui ont fait leurs preuves dans l’alimentation sécurisée des datacenters. Le débat porte souvent sur le calcul des gains en rendement de toute la chaîne dans les deux configurations et sur les valeurs annoncées dans différentes études.

Ainsi, pour Neil Rasmussen, Senior VP of Innovation de Schneider Electric, « la comparaison des gains obtenus en passant pour un datacenter de l’alternatif à une distribution en courant continu va de 28 % pour l’étude LBNL à 15 % pour l’étude EPRI et 1 % seulement pour l’étude du Green Grid. Cette dernière valeur étant confirmée par l’étude de Schneider Electric ». La cause des écarts se trouve souvent dans la majoration des pertes des systèmes d’onduleurs actuels dans les études comparatives en faveur du courant continu. Le rendement de la chaîne redresseur-onduleur est souvent pris entre 80 et 90 %, alors que les nouveaux produits mis sur le marché dépassent souvent 96 %.

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Ce que confirme Patrick Bois, IT Business Development Director de Schneider Electric : « Les nouvelles générations d’onduleurs triphasés Galaxy VM qui viennent d’être lancées ont un rendement qui dépasse 96,5 % en mode double conversion grâce à un nouveau schéma multi-niveau, et ce rendement est supérieur à 95 % dès 25 % de charge. Et sur un réseau peu perturbé (zone urbaine), ces appareils disposent d’un nouveau mode de fonctionnement ECOnversion ™ programmable qui permet d’atteindre 99 % de rendement avec une correction des harmoniques. » Une voie suivie aussi par Socomec avec sa gamme Delphys GP Green Power 2.0 dont le rendement dépasse 96 % et dispose d’un mode Energy Saver pour optimiser le rendement des ASI en parallèle et de nombreuses fonctionnalités pour améliorer encore l’intégration dans l’environnement et la communication.

C’est aussi le choix fait par Eaton qui, comme l’explique Stéphane Levillain, Datacenter Business Development Director EMEA, « continue à faire le choix de l’alternatif et a développé une gamme Eaton 93E (80 à 400 kVA) adaptée aux datacenters, avec un rendement supérieur à 95 % et la possibilité d’utiliser un mode éco ayant un rendement de plus de 98,5 %. Et ces appareils ont aussi une gestion intelligente des batteries pour augmenter leur durée de vie ».

Ainsi, tous ces constructeurs d’onduleurs misent fortement sur l’augmentation du rendement qui n’est effectivement pas très loin de celui d’un simple redresseur, avec des appareils dont le courant d’entrée est sinusoïdal (pas d’harmoniques), une maîtrise de l’encombrement, de la modularité et de la communication avec l’environnement. Tout en reconnaissant que le courant continu prendra probablement une part de marché des datacenters dans le futur, pour les nouveaux sites et lorsque l’offre, aussi bien des redresseurs que des charges (serveurs…), sera complète et mature. Pour Denis Finck, « cela reste un marché de niche car les bureaux d’études ne sont pas familiers avec le courant continu et sa mise en œuvre qui pose des problèmes de sécurité spécifiques, d’autant que certaines normes internationales sont en cours de rédaction ». Mais Didier Marquet pense que les sites de télécommunications basculeront en 380 VDC avant les sites de services car le gain de cuivre est énorme par rapport au 48 V. Et, à terme, l’élargissement de l’usage du DC pourrait se faire à des sites commerciaux, tertiaires, voire résidentiels, et à des « micro-grids » liés aux énergies renouvelables.

 

AVIS D’EXPERT

DIDIER MARQUET, expert Groupe Orange en charge Énergie et Environnement technique

« Les normes internationales couvrant les équipements et la distribution en courant continu jusqu’à 400 V sont de plus en plus complètes. »

Les principaux travaux de normalisation se font à l’ETSI en Europe, l’ANSI/ATIS aux USA et au niveau international à l’UIT et à la CEI.

La première norme ETSI a été publiée en 2003 et révisée en 2012 en ETSI EN 300 132-3-2 pour prendre en compte tous les équipements TIC. Cette série de normes ETSI EN 300 132 est complète avec 6 parties couvrant les sources courant alternatif et continu jusqu’à 400 V.

L’UIT a en prépublication la norme L.1202 sur les performances comparées en efficacité énergétique et fiabilité/disponibilité. L’UIT-T travaille sur plusieurs normes sur l’évaluation de l’efficacité énergétique au niveau d’un site en collaboration avec ETSI. L’ANSI/ATIS est en train d’adopter pour les USA les normes ETSI et UIT-T, la Chine et le Japon font de même pour leurs normes nationales. La CEI, de son côté, travaille sur les normes produits pour les prises électriques 400 VDC, et une norme produit UPS DC est en cours d’étude.

ETSI : European Telecommunications Standards Institute.
UIT : Union Internationale des Télécommunications.
CEI : Commission Électrotechnique Internationale.

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