Optimiser l’alimentation des datacenters pour réduire leur impact environnemental

Les datacenters consomment beaucoup d’énergie et leur empreinte écologique ne cesse de croître avec le développement du volume de données, du nombre de datacenters petits ou grands et de leur consommation en énergie souvent montrée du doigt. Il faut donc réduire leur empreinte carbone et améliorer l’efficacité énergétique de tous les équipements. Nous nous intéresserons ici à la réduction des consommations de leurs équipements d’alimentation électrique, depuis le réseau MT jusqu’à l’alimentation des serveurs dans les baies. Des réductions qui doivent se faire en conservant la sécurité et la continuité de cette alimentation vitale pour ces sites.

Le plan de sobriété énergétique publié par le Gouvernement le 8 octobre 2022 préconise des mesures pour l’industrie, le logement, les transports ou les collectivités territoriales qui visent à baisser notre consommation de 10 % d’ici 2024, et le numérique fait bien entendu partie des secteurs concernés. Trois types d’acteurs s’engagent à aller plus loin : les opérateurs de télécommunications, les entreprises de services numériques et les centres de données.

Les datacenters restent de gros consommateurs d’énergie, mais réduisent leur consommation. © Vertiv

Le même jour, France Datacenter, partie prenante du groupe de travail « Numérique » de ce plan de sobriété, a confirmé sa pleine mobilisation « pour répondre aux exigences énergétiques actuelles et face à un contexte de tensions sur les approvisionnements en électricité. France Datacenter a largement consulté ses adhérents, qui ont fait émerger des propositions sectorielles telles que l’augmentation des températures d’un à trois degrés dans les salles serveurs, après étude technique, et avec l’appui du Gouvernement, la réalisation d’audits énergétiques et l’utilisation de logiciels d’optimisation, le confinement des flux d’air, la densification des espaces serveurs et, enfin, dans la mesure du possible et en accord avec les clients, la coupure des serveurs « dormants » ».

Mais comme le souligne Jean-Pierre Tournemaine, country Manager de Vertiv France, « depuis des années, les effets de la consommation électrique des datacenters sont au cœur des préoccupations. Les opérateurs de datacenters s’engagent plus que jamais à répondre efficacement aux problématiques d’éco-responsabilité. À mesure qu’ils poursuivent des initiatives ambitieuses pour répondre à ces préoccupations sur la durabilité environnementale, ils tracent une voie pour le reste du secteur tout en tirant parti de leur envergure pour accélérer l’avancement de technologies qui permettent des opérations plus durables ».
Ces nouvelles technologies d’infrastructure proposées par les constructeurs vont concerner les équipements de refroidissement et de climatisation, très consommateurs d’énergie, mais aussi toute la chaîne de l’alimentation électrique et l’utilisation de cette énergie.

L’efficacité énergétique des onduleurs toujours en progrès
Les onduleurs ou UPS, associés à des batteries, restent un équipement indispensable pour assurer la continuité et la qualité de l’alimentation électrique des équipements informatiques, le coût d’une coupure de cette alimentation étant de plus en plus élevé. Les constructeurs ont donc travaillé à améliorer le rendement de ces alimentations, même si les derniers pourcentages de pertes sont difficiles à gagner lorsque le rendement de ces convertisseurs d’électronique de puissance complexes a vu ses pertes divisées par deux en l’espace de 15 ans, passant de 90 % à plus de 95 % avec des performances de régulation, de fiabilité et de densité de puissance au mètre cube également en hausse.

Comme le confirme Christophe Dorschner, expert des solutions d’ASI chez Socomec, « la qualité de l’alimentation constitue un autre enjeu crucial pour les exploitants de centres de données. En vue de réduire la consommation énergétique des ASI, il convient d’augmenter leur rendement. En d’autres termes, diminuer les pertes de l’ASI ainsi que l’énergie nécessaire pour évacuer les calories associées afin d’agir sur la consommation électrique du datacenter.

Nouvel onduleur Delphys XL 1200 kVA de Socomec. © Socomec

Parmi les technologies disponibles sur le marché des ASI, la double conversion (VFI) est très majoritairement utilisée pour les applications de moyenne et forte puissances. Leur rendement est généralement de l’ordre de 96 %. La large gamme d’ASI double conversion de Socomec comprend, entre autres, MODULYS XL, MODULYS GP, DELPHYS GP, ainsi que le tout dernier DELPHYS XL qui atteint un rendement de 97 %. Pour réduire la consommation énergétique des ASI, Socomec s’appuie sur différents modes de fonctionnement qui permettent d’optimiser les performances énergétiques en fonction du taux d’utilisation et de la qualité du réseau, aussi bien sur les onduleurs monolithiques que modulaires de dernière génération.

• Le VFI (technologie « on line – double conversion ») est le mode le plus sécurisé, avec une protection totale des utilisations contre tous les problèmes de qualité d’alimentation. La fonction Energy Saver développée par Socomec est particulièrement adaptée aux applications dont la puissance consommée est faible au regard de la puissance installée ou encore lorsqu’elle varie fréquemment. Elle optimise le rendement en permettant de mettre une partie des briques en veille. Seuls les convertisseurs nécessaires pour fournir l’énergie demandée sont actifs. Ainsi, lors d’une augmentation de la puissance consommée, les onduleurs adaptent automatiquement le nombre de convertisseurs pour répondre immédiatement à la demande.

• Le mode Smart Conversion permet, quant à lui, d’adapter le mode de conversion de l’ASI en fonction de la qualité du réseau d’alimentation. Il permet de basculer du mode VFI au « Line Interactive », mode qui consiste à alimenter la charge au travers d’un interrupteur statique associé à l’onduleur qui fonctionne en parallèle pour améliorer la qualité d’alimentation. En cas de perturbation ou de défaillance du réseau d’alimentation, le basculement vers la double conversion se fait alors de manière ultrarapide, sans risque d’interruption. Dans cette configuration, les pertes d’énergie sont drastiquement réduites puisque le rendement peut atteindre 99 % ».

« Les dernières gammes des onduleurs Schneider Electric ont vu leur rendement et efficacité énergétique augmenter, confirme Pierre-Antoine Louvot, Business Development & Offer Manager Secure Power de Schneider Electric France. Plus particulièrement sur la gamme GALAXY V series, qui dispose d’un rendement de 99 % avec la technologie ECOnversion certifiée classe 1 selon la norme onduleur IEC 62040-3. Cette performance permet aux clients d’économiser entre 3 et 7 % d’électricité. Les onduleurs actuels classiques disposent de rendement entre 93 % et 96 % en moyenne. Les onduleurs d’anciennes générations « années 2000 » ont quant à eux des rendements entre 90 % et 93 %, autant dire que la dernière génération des onduleurs apporte des économies importantes sur les coûts d’électricité. 

Par exemple, pour une charge de 100 KW, remplacer un onduleur d’ancienne génération ou de performance moyenne « 93 % de rendement » par un onduleur Schneider Electric Galaxy V series avec 99 % de rendement représente près de 16 000 € d’économies par an sur la facture d’électricité (prix du kW/H = 0,30 €), soit 160 000 € sur 10 ans.

La tension actuelle sur le marché de l’électricité ne fait que renforcer, voire augmenter la nécessité de changer de technologie ».

Nouvel onduleur Keor XPE de Legrand extensible de 600 kVA à 2,1 MVA. © Legrand

Legrand, pour son système d’onduleurs évolutif Keor XPE basé sur des unités de puissance de 250 ou 300 kVA pour une puissance maximale de 2,1 MVA, annonce un rendement en mode double conversion (VFI) de 96,4 %. Ces appareils disposent également d’un Ecomode permettant d’atteindre 99 % de rendement. La gamme d’onduleurs Keor HPE de 60 à 500 kVA utilise également une technologie IGBT à 3 niveaux de dernière génération qui lui permet d’atteindre des niveaux de rendement de 95 % à 96,4 % suivant la puissance de l’appareil.

Pour ces appareils, le rendement est maximal dès que le niveau de charge dépasse 30 %, ce qui rend le rendement peu dépendant des variations des charges informatiques.

Pour ces modes Eco, l’onduleur double conversion fonctionne en mode bypass alimenté par le réseau lorsque celui-ci délivre une tension et une fréquence dans les tolérances déterminées, et ne repasse en mode double conversion que lorsque le réseau sort de ces tolérances ou en cas de coupure du réseau.

Onduleur MegaFlex modulaire 250 kW à 1500 kW basé sur l’architecture parallèle décentralisée d’ABB. © ABB

ABB propose son offre MegaFlex (1 000-1 500 kW) avec plusieurs bénéfices clients, comme l’explique Hatem Bouzidi, responsable du segment Datacenter d’ABB France : « L’UPS MegaFlex est le plus compact du marché, avec une efficacité énergétique offrant des rendements de 97,4 %. De nos jours, l’aspect environnemental prend de plus en plus d’importance auprès des acteurs du datacenter et apporter un gain sur une économie d’énergie est clé. Le MegaFlex est aussi une solution modulaire et flexible : on peut installer dans un premier temps un ou plusieurs modules de 250 kW pouvant aller jusqu’à 1 500 kW. Cette offre s’inscrit dans le programme « pay-as-you-grow » d’ABB ».

Séverine Hanauer, Directrice Segments Stratégiques Telco & Déploiement Edge, Europe du Sud chez Vertiv, le confirme : « Nos dernières gammes de produits et services incarnent nos principes environnementaux et présentent des caractéristiques uniques, notamment en matière de rendement énergétique et de consommation d’eau, ainsi que d’autres aspects liés au développement durable. Vertiv propose des solutions d’alimentation éco-énergétiques qui consomment moins d’énergie que nos anciens modèles. Par exemple, notre onduleur Liebert EXLS1 avec mode online dynamique peut augmenter le rendement énergétique jusqu’à 5 % et réduire les pertes d’énergie jusqu’à 75 % par rapport à un modèle traditionnel. De plus, au sein de notre portefeuille, nous proposons des onduleurs certifiés ENERGY STAR dans huit gammes de produits, couvrant plus de 70 modèles.

Onduleurs parallèles Liebert EXM2 de Vertiv avec batteries Li-ion. © Vertiv

Les solutions Vertiv peuvent exploiter l’énergie provenant de sources renouvelables. Cela inclut notre convertisseur solaire Vertiv™ eSure™ qui connecte les panneaux solaires aux charges d’alimentation -48 V DC utilisées dans les réseaux de télécommunications. Nous utilisons également des technologies qui stockent l’excès d’énergie provenant de sources renouvelables, telles que des batteries lithium-ion éco-énergétiques qui se rechargent et se rétablissent rapidement.
Nous proposons, en outre, des services et des outils à l’échelle du système, qui aident les clients à réduire leur consommation d’énergie. Par exemple, il y a plus d’une décennie, nous avons introduit l’un de ces outils, Energy Logic, comme feuille de route open source qui aide les gestionnaires d’installations à identifier les moyens de réduire la consommation d’énergie au sein de leurs activités. »
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Les solutions modulaires vont aussi permettre d’améliorer l’efficacité énergétique
Les équipements modulaires sont une solution pour s’adapter à l’évolution des besoins des centres de données. Lors de la création d’un nouveau centre de données, il était habituel de dimensionner tous les équipements de l’alimentation électrique, des transformateurs aux onduleurs et batteries, en fonction de la puissance prévisionnelle du datacenter. Une puissance théorique qui ne sera peut-être jamais atteinte avec l’évolution rapide des matériels informatiques. D’où des équipements qui vont peut-être fonctionner à faible charge, donc faible rendement pendant des mois ou des années.

Mettre en œuvre des produits modulaires permet de réduire l’investissement initial et de suivre le développement des besoins réels du centre. Ce « Pay as you grow » peut se faire par l’ajout de modules complets ou de modules de puissance. Cet ajout pouvant parfois se faire sous tension, l’onduleur étant connecté et totalement opérationnel comme pour le Galaxy VL de Schneider Electric. Cette conception Live Swap assure une protection accrue des collaborateurs, qui n’ont plus à transférer l’onduleur sur le bypass de maintenance ou en mode batterie pendant l’installation ou le retrait de modules d’alimentation.

Installation d’onduleurs Galaxy VX de Schneider Electric en parallèle distribué. © Schneider Electric
Solution modulaire Galaxy VX de Schneider Electric. © Schneider Electric

Des solutions modulaires que Schneider Electric a retenues pour ses gammes nouvelles Galaxy VS (20 à 150 kW) et VL (200 à 500 kW) avec une fonction Live Swap qui permet le remplacement de modules pendant que l’onduleur est connecté et totalement opérationnel. Pour le Galaxy VX (500-1 500 kW), la puissance du système peut s’adapter à la charge en ajoutant des armoires électriques de 250 kW après l’installation initiale. « Les onduleurs actuels ont leurs performances optimales entre 75 % et 100 % de leur puissance. La modularité permet d’avoir la juste puissance et de faire fonctionner l’onduleur dans sa plage de rendement optimum et donc de faire des économies d’énergies », confirme Pierre-Antoine Louvot.

Pour Hatem Bouzidi, « les onduleurs modulaires ABB permettent une flexibilité sur l’évolution de l’installation ainsi que sur l’exploitation :
• installation facile à faire évoluer et réduction de l’emprise au sol ;
• la puissance nominale peut être ajustée à chaud par palier de 50KW pour la gamme DPA et 250KW pour le MegaFlex ;
• maintenance simple sans impact sur l’utilisation ;
• temps de maintenance et de réparation réduits ;
• redondance totale et erreur d’exploitation limitées grâce à la facilité d’utilisation ».

Socomec a développé une fonction Energy Saver sur ses onduleurs. « Cette fonction Energy Saver existe sur nos ASI depuis une vingtaine d’années. Disponible sur nos système ASI parallèles ou modulaires, ce mode de mise en veille automatique n’est pas toujours mis en service, mais il est possible de l’activer sur les installations existantes, notamment si la puissance d’utilisation est faible au regard de la puissance installée. Les bénéfices dépendent du nombre de modules présents, du taux de charge effectif et de la variabilité de la consommation, mais il est dans certains cas possible de gagner de 2 à 3 % sur la consommation globale de la chaîne critique – sans compromis sur le niveau de protection », souligne Christophe Dorschner.

Onduleur Vertiv Trinergy Cube de 1600 kVA. © Vertiv

Pour s’adapter à l’évolution des datacenters, Vertiv a développé le Liebert Trinergy Cube (150 kW à 3,4 MW), une solution UPS modulaire avec une densité de puissance par module de 200 à 400 kW, ainsi qu’une grande flexibilité d’installation. L’intervention sur ces modules peut se faire pendant que l’onduleur continue de protéger la charge.

Alimentation de baies par jeux de barres de puissance Starline-Legrand. © Starline

 

Avoir une bonne visibilité des consommations électriques dans le datacenter
Un système intelligent de gestion des alimentations et des consommations va permettre une visibilité en temps réel du fonctionnement des installations pour l’infrastructure d’alimentation, les jeux de barre, les onduleurs, les unités de distribution de l’alimentation (PDU) dans les racks et les baies. Des capteurs et compteurs connectés vont permettre de collecter et transmettre toutes ces données.

Schneider Electric a conçu pour le Edge Computing, le cloud et les fournisseurs de services, ses PDU de la série NetShelter 9000. Ces PDU, compatibles avec la plateforme EcoStruxure IT permettent par exemple, grâce à une connectivité sans fil, d’activer ou de désactiver des sorties à distance et de réinitialiser des serveurs.

Unités de distribution de l’alimentation (PDU) de Raritan. © Raritan

Raritan (Groupe Legrand) propose une offre de PDU intelligents, sa gamme PX déclinée en des centaines de configurations avec une surveillance prise par prise pour une meilleure efficacité de la consommation énergétique. Cela permet par exemple d’identifier les racks consommant plus d’énergie que nécessaire, d’augmenter l’efficacité opérationnelle rack par rack et d’avoir une meilleure planification et utilisation du système électrique. [photo 10]

Socomec accompagne ses clients avec un système complet de mesure et de surveillance de l’énergie : DIRIS Digiware. « Avec ce dernier, les paramètres et la consommation électriques sont désormais disponibles jusqu’au niveau des équipements. Les problèmes d’alimentation sont ainsi mieux identifiés et anticipés, et des économies tangibles sont réalisées, et ce, dès la mise en service. Installé dans les tableaux d’alimentation déportés (RPP) – également appelés unités de distribution d’énergie (PDU) – ou, pour plus de flexibilité, dans des unités de distribution (tap-off) montées le long des canalisations électriques préfabriquées, il participe activement à garantir une continuité d’exploitation et l’optimisation de l’installation électrique. Il permet notamment le calcul de PUE (Power Usage Effectiveness), l’analyse de la répartition des consommations entre les différentes salles IT, la surveillance de l’état des disjoncteurs sans contacts auxiliaires », explique Christophe Dorschner.

Pour suivre les consommations, explique Pierre-Antoine Louvot, « les solutions digitales EcoStruxure de Schneider Electric, avec la version Energy Management, permettent de suivre, de contrôler, de maîtriser et réduire les consommations des installations électriques industrielles, des datacenters et des bâtiments ».

Mieux utiliser l’énergie stockée dans les batteries
Les datacenters disposent de batteries qui stockent de l’énergie qui ne sera utilisée que dans les (rares) cas de coupure de l’alimentation du réseau et, pour les plus importants, de groupes électrogènes qui prennent le relais en cas de coupure longue.

L’idée est d’exploiter ces ressources en collaboration avec le gestionnaire du réseau électrique qui risque bien d’avoir à faire face à des pics de demandes à certaines heures de la journée l’obligeant à recourir à des achats de mégawattheures très coûteux.

Cette idée intéresse les exploitants de datacenters, comme le montre une étude internationale récente réalisée par S&P Global Market Intelligence pour Eaton : 47 % des répondants veulent améliorer le stockage de l’énergie et 34 % vendre de l’électricité au réseau ou fournir des services à ces réseaux.

Eaton a développé une technologie d’onduleurs EnergyAware. Comme l’explique François Debray, chef de produit onduleurs & solutions associées, responsable marketing datacenter d’Eaton France, « l’intérêt de la technologie EnergyAware est à la fois de réguler la fréquence du réseau électrique qui alimente le datacenter et d’utiliser davantage les batteries onduleurs que simplement en cas de coupure de courant. En effet, les batteries peuvent alors être utilisées comme « tampon » si le réseau ne suffit plus à alimenter le datacenter (pic de conso en hiver, par exemple) et dans le cas des EnR, si celles-ci ne sont pas présentes en quantité suffisante (jour sans vent pour l’éolien, par exemple) ».

EnergyAware va ainsi aider à :
• Utiliser l’énergie produite par les batteries des onduleurs pour réduire les pics de consommation d’électricité et ainsi réduire la facture énergétique.
• Pour les sites dont la tarification électrique varie en fonction de l’heure, utiliser l’énergie produite par les onduleurs pour les besoins du site en heures pleines, et les recharger pendant les heures creuses.
• Renforcer les méthodes existantes de réduction de la charge ou l’utilisation des générateurs si participation à des programmes de réponse à la demande parrainés par les services publics. Tirer profit des onduleurs pour multiplier les bénéfices des programmes de réponse à la demande.

Installation d’onduleurs Eaton avec solution EnergyAware du datacenter Bahnhof AB, en Suède. © Eaton

François Debray cite l’exemple du datacenter de Bahnhof AB en Suède, équipé d’onduleurs Eaton Power Xpert 9395P avec la fonctionnalité EnergyAware qui va contribuer à réguler la fréquence du réseau (Fast Frequency Response). « Lorsque la fréquence de l’alimentation du réseau est en dehors des points de consigne prédéterminés, l’onduleur Eaton Power Xpert 9395P s’active de manière transparente pour prendre en charge la stabilisation de la fréquence du réseau en utilisant l’énergie stockée dans les batteries connectées à l’onduleur. La charge critique est priorisée et seule la capacité de réserve de l’onduleur et du système de batterie est utilisée pour la fonction de support du réseau. »

« Et le choix de la technologie des batteries a son importance, surtout en termes de coût de possession (TCO), même si l’investissement est plus important, note Pierre-Antoine Louvot. Par exemple avec le choix de batteries Li-ion qui ont une durée de vie près de 3 fois supérieure au plomb VRLA, pour un investissement 1,2 à 2 fois plus important. Donc l’économie sera entre 30 % et 50 % sur 15 ans en termes de TCO. »

Certaines ASI de Vertiv sont dotées de fonctionnalités de support dynamique du réseau. Séverine Hanauer explique leur intérêt : « Ces solutions pourraient jouer un rôle dans la décarbonisation en facilitant la transition vers l’énergie verte. Elles fournissent un stockage d’énergie sur site qui peut être utilisé pour compenser l’imprévisibilité des sources d’énergie renouvelable et pour revendre l’énergie excédentaire au réseau. Vertiv Liebert EXL S1 avec fonction support réseau dynamique permet aux industries à forte consommation d’énergie d’utiliser les ASI de manière proactive et de soutenir la transition vers des sources d’énergie verte. Il assure alors la régulation statique et dynamique de la fréquence en contrôlant la puissance d’entrée et la charge/décharge des batteries en fonction de seuils d’activation de la fréquence. Il prend également en charge les services de gestion de la demande lorsque les commandes de modulation de la réponse de l’ASI sont liées à la flexibilité du contrôle de la demande. »

Groupe électro-hydrogène GEH2 de 110 kVA du fabricant français EODev. © EODev

L’utilisation des groupes électrogènes peut aussi permettre de réduire l’appel au réseau lors des pics de consommation, mais l’utilisation de groupes thermiques en zones urbaines n’est pas toujours bien acceptée du fait des émissions. La solution pourrait venir des groupes électro-hydrogène tels que ceux développés par le concepteur et fabricant français EODev. Plus silencieux que les générateurs diesel et n’émettant pas de CO2, NOx ou particules, ces groupes électro-hydrogène à pile à combustible équipent déjà des chantiers ou fournissent l’énergie lors d’opérations de maintenance du réseau par Enedis.

« Bien que la quantité de calcul dans les datacenters ait plus que quintuplé entre 2010 et 2018, la quantité d’énergie électrique consommée n’a augmenté que de 6 % sur la même période. Et ce, grâce à un effort de tous les acteurs du secteur pour améliorer leur efficacité énergétique », rappelle Xavier Mercier, directeur marketing chez Socomec.

Jean-Paul Beaudet

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