La solution éco performante pour la sécurisation de l alimentation électrique des Datacenters à haut niveau de disponibilité

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1 La solution éco performante pour la sécurisation de l alimentation électrique des Datacenters à haut niveau de disponibilité Alimentation Sans Interruption en liaison avec :

2 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

3 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. performante, fiable et Rendement en double conversion Très bon Bon Moyen 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 Thyristor 500 Hz 1990 Transistor bipolaire Fig. 1 : Evolution de la technologie des ASI depuis Transistor IGBT 2 khz 6 à 10 khz Fréquence de découpage MLI 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. 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. 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). ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE 3

4 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). 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. Réseau 1 Départs protégés Réseau 2 Fig. 2 : Traitement du court-circuit par l onduleur ASI 800 kva In = 1160 A Réseau 2 indisponible 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 Disponibilité et fiabilité : les avantages majeurs de l 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 ,7 5,7 2,9 3,5 T 3,4T 1,5 T Fig. 3 : Evolution du volume et du poids d une ASI de 500 kva sans batterie 4 ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE

5 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 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 h, on obtient une disponibilité du système de : ,25 = 0, (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. 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. ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE 5

6 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 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. 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). Coût (M ) 42 36, , ,2 Architecture : 24 21,5 fixe évolutive CAPEX OPEX Fig. 4 : TCO - répartition des coûts selon le type d architecture Capacité et charge (MW) 3,75 3,00 2,25 1,50 0,75 0 PUE 3,00 1,00 Coût (M ) Architecture fixe Architecture évolutive Charge potentielle Charge cible (Année) Architecture fixe Architecture évolutive (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. Architecture fixe : évolutive : Capex Energie Maintenance Opex : energy+maintenance (Année) Fig. 7 : Coût 6 ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE

7 Un investissement adapté aux exigences d exploitation Un Datacenter se caractérise par des exigences opérationnelles comme la densité de puissance des salles IT par m 2, 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 (%) ASI Statique en mode économique ASI Statique en mode double conversion Autre technologie Charge (%) Fig. 8 : Plage de rendement ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE 7

8 Le recyclage de la batterie est parfaitement maîtrisé 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. Une faible empreinte carbone 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. 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 CO 2 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. Acide Batteries stationnaires Fabricants de batteries industrielles Centre de traitement Plomb en lingot Affineurs Plaques de plomb Recycleurs de polypropylène Polypropylène Valorisation des déchets Vidange-Cassage Fig. 9 : Recyclage de la batterie et de ses composants Batteries en exploitation Collecte chez les utilisateurs Gimélec Promotion - Tous droits réservés - Edition fév Crédits photos : adhérents, Fotolia 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 rue de l Amiral Hamelin Paris cedex 16 - France - Tél. : +33 (0) Fax : +33 (0)

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