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L’importance de choisir la bonne batterie pour les systèmes d’alimentation sans interruption

février 2020 par Enersys

Les centres de données actuels dépendent de systèmes d’alimentation sans interruption (ASI) pour assurer une alimentation propre et continue pendant toute la durée de vie du site. Tant que l’alimentation secteur est disponible, ASI protège les technologies sensibles de l’information et de la communication (TIC) des centres de données du bruit électrique et autres failles d’alimentation pouvant survenir sur le flux entrant. En cas de panne, la batterie de l’ASI prend immédiatement le relais et utilise l’énergie stockée pour répondre à la consommation jusqu’à ce que l’alimentation secteur soit restaurée, qu’un groupe électrogène démarre ou que les systèmes du centre de données puissent être désactivés en toute sécurité.

La capacité de la batterie d’une ASI à stocker de l’énergie de manière efficace et fiable en cours de fonctionnement normal, afin de la rendre immédiatement disponible en cas de coupure de courant, est essentielle à la sécurité des centres de données. Mark Coughlin, Responsable des applications des batteries stationnaires chez EnerSys® fait le point sur les technologies de batteries clés actuellement disponibles, afin d’en informer les prescripteurs commerciaux et techniques responsables du choix des batteries.

L’article commence par s’intéresser à l’incidence de l’évolution des centres de données sur les batteries. Il établit ensuite une comparaison entre les batteries plomb-acide, principalement utilisées dans les centres de données, et les technologies alternatives, en particulier le lithium-ion (Li-ion), qui suscite un intérêt croissant depuis quelques années. Enfin, il examine les raisons pour lesquelles les exploitants de centres de données devraient envisager la technologie de pointe Thin Plate Pure Lead (TPPL) pour optimiser les performances de leurs systèmes d’ASI et d’alimentation.

L’évolution des centres de données

Aujourd’hui, les centres de données font face à une augmentation des coupures de courant et des fluctuations du réseau dues à une urbanisation et une demande accrues. Dans le même temps, ils sont de plus en plus sollicités, avec le passage à des services d’hébergement multi-utilisateurs et des besoins accrus en capacité de stockage. Ces facteurs augmentent la nécessité de disposer de technologies de pointe et d’une alimentation fiable.

Les batteries d’ASI sont également directement concernées par des durées d’autonomie réduites, qui se situent généralement entre 30 secondes et 5 minutes, contre une moyenne historique d’environ 15 minutes. Cette baisse s’explique par le temps plus court nécessaire pour démarrer les générateurs et commuter les charges. Des temps de recharge plus rapides sont également souhaités, afin que les batteries puissent mieux faire face aux coupures de courant.

L’efficacité énergétique est devenue une préoccupation majeure pour tous les centres de données, non seulement en raison des répercussions financières de l’exploitation à grande échelle et de l’augmentation des coûts énergétiques, mais également en raison des pressions exercées par les parties prenantes, et de la législation, en faveur de politiques efficaces de réduction de l’empreinte carbone. Les préoccupations concernant les coûts énergétiques et la disponibilité de l’alimentation secteur suscitent un intérêt croissant dans l’utilisation de batteries d’ASI pour stocker de l’énergie, en vue de générer des revenus supplémentaires. Par exemple, dans des applications de Firm Frequency Response, les centres de données implantés au Royaume-Uni peuvent redistribuer sur le réseau électrique national l’énergie des batteries. Il est également possible d’utiliser les batteries pour effectuer un écrêtage, ce qui réduit les coûts énergétiques du centre de données en supportant les charges lorsque le prix de l’électricité est élevé, puis de recharger la batterie lorsque l’électricité est moins chère.

De telles stratégies peuvent permettre de réaliser d’importantes économies de coûts et de générer de l’argent en redistribuant de l’électricité sur le réseau. Il est toutefois nécessaire que l’autonomie des batteries dure plus que les cinq minutes généralement nécessaires pour l’ASI. Actuellement, peu de sites ont déployé cette stratégie. Néanmoins, des fabricants comme EnerSys® ont mené des essais sur des batteries qui prennent en charge ces applications.

Technologies de batteries et tendances

Les chimies de batteries actuellement disponibles pour les ASI de secours sont le plomb-acide, le lithium-ion (Li-ion) et le nickel-cadmium. Il existe également des technologies sans batteries comme les volants d’inertie et les supercondensateurs. Le présent article s’intéresse toutefois aux deux types qui dominent actuellement le secteur des centres de données : Le plomb-acide, qui représente plus de 90 % de part de marché des ASI, et le Li-ion, qui suscite un intérêt croissant en raison de ses prétendues performances et de son utilisation dans les véhicules électriques. Le Li-ion séduit par ses performances supérieures à celles des batteries VRLA au plomb-acide traditionnelles, qui contiennent généralement du gel ou des séparateurs en fibre de verre (AGM). Comparées à leurs homologues VRLA traditionnels, les batteries Li-ion offrent une durée de vie élevée avec un gain significatif de poids et de taille. Les batteries Li-ion présentent également une efficacité de charge élevée, avec une excellente tolérance de l’état de charge partielle. Une charge partielle est en fait préférable pour une durée de vie et de fonctionnement prolongée dans des conditions de floating. Le taux d’auto-décharge des batteries Li-ion est également faible, ce qui prolonge la durée de stockage lors des périodes d’inutilisation. Enfin, elles présentent de bonnes performances à haute et basse température et n’émettent aucun gaz.

Cependant, la comparaison des batteries Li-ion avec les VRLA traditionnelles fait ressortir certains enjeux en plus de ses avantages. Nous montrons donc comment la technologie TPPL, technique avancée de la chimie du plomb-acide, offre un certain nombre d’avantages par rapport aux batteries VRLA traditionnelles. Malgré des baisses de coût historiques, le prix des batteries Li-ion demeure un obstacle pour de nombreux utilisateurs. Avec des prix qui dépendent de nombreux facteurs, y compris des volumes d’achat et de la chimie exacte utilisée, le Li-ion est actuellement beaucoup plus cher que le plomb-acide. En outre, bien que le gain de place puisse être important dans les centres de données, le poids réduit qu’offrent les batteries Li-ion est rarement un facteur critique. De même, la capacité de cyclage élevée du Li-ion n’est pas un facteur déterminant dans les applications ASI, où les batteries sont en floating la plupart du temps dans un état de charge presque complet.

Bien que considérée comme une technologie sûre, toute solution Li-ion, contrairement au plomb-acide, doit inclure un système de gestion de batterie (BMS) qui assure une charge et une décharge sûres. Cela complique les choses et exige des utilisateurs qu’ils aient une connaissance approfondie de la technologie Li-ion. Toutefois, le système BMS fournit des diagnostics intégrés qui identifient la plupart des problèmes et permettent une maintenance minimale.

De plus, il faut tenir compte du MTBF (temps moyen entre pannes) des composants électroniques pris en compte dans les calculs de durée de vie des batteries Li-ion. Si la durée de vie annoncée est de 15 ans, la durée de vie utile n’est pas prouvée sur le terrain. À titre de comparaison, la technologie avancée TPPL, avec une durée de vie nominale de plus de 12 ans, offre une durée de vie réelle de huit à dix ans, tandis que les batteries VRLA traditionnelles d’une durée de vie nominale de 10 ans offrent généralement une durée de vie réelle de cinq à six ans.

La charge est un autre point important à prendre en compte. Tout d’abord, pour réaliser une charge rapide des batteries Li-ion, une capacité de charge supérieure, avec un coût plus élevé, peut s’avérer nécessaire. Dans de nombreux cas, l’architecture de charge doit en outre être remplacée ou modifiée pour être compatible avec différentes tensions de chargeurs de batteries Li-ion, de sorte que deux types de redresseurs ASI différents soient nécessaires dans un centre de données qui tente de déployer des batteries Li-ion et plomb-acide.
D’autres facteurs, quoique non spécifiques à l’environnement des centres de données, doivent également être pris en compte au moment de choisir une technologie de batterie. En matière de transport, les batteries Li-ion font l’objet de restrictions réglementaires, tandis que les batteries au plomb-acide, y compris les batteries AGM et TPPL, sont classées comme non dangereuses pour tous les modes de transport. En fin de vie, le plomb-acide a une valeur intrinsèque et est recyclable à environ 95 % par un réseau bien implanté de fonderies ; cette possibilité, cependant, n’est pas arrivée à maturité pour le Li-ion. TPPL : Performances optimisées sans les inconvénients Nous avons vu précédemment pourquoi les batteries Li-ion, en dépit de l’intérêt croissant qu’elles suscitent, ont mis du temps à pénétrer le marché des centres de données. Le développement en cours stimulé par le puissant secteur de l’automobile pourrait changer cette situation, mais la technologie de pointe TPPL offre aux exploitants de centres de données le meilleur des deux chimies. En tant que technologie de batterie à base de plomb-acide, la TPPL est fiable, éprouvée et facile à transporter, à manipuler et à recycler. Surtout, la technologie de pointe TPPL améliore considérablement l’efficacité énergétique, en réduisant jusqu’à 43 % la consommation d’énergie par rapport aux batteries VRLA traditionnelles grâce à la réduction des exigences en courant de floating. D’autres économies d’énergie sont possibles puisque ces batteries peuvent fonctionner, sous garantie, à des températures élevées, ce qui réduit les besoins en climatisation.

Par ailleurs, la technologie de pointe TPPL réduit la vulnérabilité des centres de données face aux multiples pannes de courant, grâce à des temps de recharge très courts et à un temps nécessaire réduit pour le cycle suivant. Par exemple, avec un courant de charge de 0,4C10 A en utilisant la méthode de charge rapide, la TPPL peut être entièrement rechargée, après une décharge d’une minute à 1,6 V/cellule, en 2,5 heures, et prête pour le cycle suivant en 22 minutes.

Les coûts de remplacement des batteries sont également réduits grâce à de faibles taux de corrosion interne, ce qui permet d’augmenter la durée de vie de la batterie de 25 % par rapport aux VRLA traditionnelles. De plus, la durée de stockage est augmentée de six à 24 mois en raison des faibles taux d’auto-décharge. La technologie de pointe TPPL est utilisée aujourd’hui dans de nombreuses applications critiques exigeantes. Les utilisateurs de centres de données peuvent bénéficier de la technologie TPPL grâce aux batteries XE DataSafe®, spécialement conçues pour les applications ASI. Celles-ci supportent des autonomies de moins de cinq minutes, tout en offrant toutes les fonctionnalités TPPL mentionnées ci-dessus.

Qu’en est-il de l’avenir ?

La technologie plomb-acide devrait dominer le marché au cours des prochaines années, bien que les demandes et les projets de niche adaptés au Li-ion continueront à croître. En particulier, les applications nécessitant un cyclage élevé seront à la recherche de solutions de pointe TPPL ou Li-ion.

En fonction de l’application, le Li-ion peut être le type de batterie privilégié. Néanmoins, avant d’opter pour la technologie Li-ion dans le cadre d’une application particulière, les exigences doivent être pleinement prises en compte. Il faut évaluer le coût total de possession, avec les avantages et les inconvénients du Li-ion par rapport aux autres technologies disponibles, y compris la TPPL.

Quelle que soit la technologie choisie, les systèmes de surveillance des batteries deviendront de plus en plus répandus en raison de la visibilité de l’état des batteries et des possibilités de maintenance prédictive qu’ils offrent. Les applications d’ASI seront également intégrées à l’environnement de plus en plus omniprésent de l’Internet des objets (IoT), ce qui les rendra visibles au sein de l’infrastructure plus vaste des centres de données.




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