Perspectives industrielles du courant continu à basse tension (< 400V) pour les TIC et les bâtiments 15 Mai 2013, Paris Didier Marquet OLNC/OLN/SRG/REE Expert du groupe Orange en Energie/Environnement
Sommaire Historique Courant Continu (CC) général et TIC Les pertes en CA dans le cas des TIC Solution 400VCC datacenter selon Orange Résultat de test et potentiel de gain pour les TIC en 400VCC Expérimentations et vision Orange Carte mondiale des expérimentations TIC en CC NTT, ABB, Emerge Alliance, Greenbuilding, Normalisation Composants en CC Perspectives pour Orange
Bref historique du CC, un succès Telecom et plus CC: Volta Planté Gramme, Siemens Edison (+ Tesla) CA: Tesla + Westinghouse + Gaulard(inventeur Français du transformateur faible pertes) Un réseau CA HT et BT externe: Des utilisations finales TIC en CC TSF en CC, sur pile, batterie, réseau CC (USA, Suède, ) 80 à 25000VCC interne Premiers ordinateurs à tube puis quelques VCC avec les transistors, les écrans plats Survie et retour du CC: Métro, trains (< 1500VCC), industrie (100 à 300VCC) TIC : 48VCC depuis 170 ans dans les lignes et sites télécom : 10 GW en 48V haute fiabilité et, 4 Gkmde Cu -jusqu à 10% conso domestique soit 50 GW mondial dont les pertes dans les alimentation CA/CC Eclairage hallogènepuis LED 12 ou 24 VCC PV, éolien < 1500 VCC Véhicules électriquse < 400VCC Ventil/clim à variateur de vitesse 300-400VCC interne 115 MW Toul >10 GW (RTE scenario) : 100 membres des 5 continents
Histoire récente du CC Telecom/Datacom Années 80-85 projet FT CNET GEODE avec une dizaine d industriels de l énergie dont Schneider/MGE, le CNES, SERI Renault pour la fiabilité système Etide300VCC avec l industrie presentéeà IEEE/intelecmais difficile de détrôner le 48V à une époque sans ordinateurs. Triomphe des systèmes modulaires48vcc (redresseurs et batteries étanche) décentralisés près des équipements, gain de 10% de rendement en distribution tension haute, conversion HF (étude SUPELEC) et gain de cuivre d un facteur 10 Projet FT TENOR 93-97(Chloride, Socomec, SAFT, 2H, ) But : unifier et réduire le coût de la chaine modulaire d alimentation et batterie et centralisée avec des ASI offline (rendement > 97%) et des alimentation CA/CC 48V Telecom ou 12V informatique. Brevet microstockage très court réparti (cf IEEE/intelec 1993) Succès sur le coût mais trop complexe % chaines 48VCC et encore peu d informatique Années 2000 Alcatel + SAFT lance une solution CC (36-360VCC) et la normalisation ETSI EE 2003: Berkeley/intel/EPRI/Emerson expérimente et promeuve une solution 400VCC 2004-2011: beaucoup d articles intelec/ieee, DC workshop avec l Allemagne la Suède, le Japon, les USA et France Telecom 2009: début normalisation mondiale UIT-T 2010: IBM relance sa solution d alim CC de 1990, HP, Sun suivent 2011: La chine démarre (1000 sites Telecom en 300V DC- 2012 datacenters 400VCC ) 2012, 2013: sites ABB, Vodafon etc projet Eu (Philips, Emerson, Siemens)
Où sont les pertes dans l alimentation d un datacenter? by Courtesy of
Entree Entrée site 1,4 : 1,2 to to 1,9 1,5 x Px P 400VCC ASI : comparaison simplifiée Gain en énergie: 5to 20% avec le refroidissementcc Gains directs : pas d onduleur ni contacteur statique, haut rendement CC/CC, pertes câbles Solution Gains indirects: actuelleavec pas de clim d onduleur, ASI double moins de dissipation conversion dans les (on sallesline) serveurs Gains environnementaux: moinsde matériel, duréede vie batteries augmentéesans ondulation, moins de déplacement pour maintenance Transfo HT/BT + Diesel 3% Redr. onduleur CS + by pass 3% 4-8% 1% 1% Clim équipement Ventilationénergie Entrée serveur: P Entrée serveur: 0,96 P Redr. CFP 1% 0,5% 2-6% CC/CC serveur Clim Clim redondée serveurs serveurs redondée pour pour : 0,96 P P 400Vdc
Expérimentations Orange et Estimations de gain Plusieurs expérimentations Orange en Datacenter, Site Telecom et tertiaires de quelques de dizaines de kw Résultats mesure Labo 2011(Lannion) Rendement redresseur 94 à 96% selon marque (NetLab, Emerson) de 20 à 100% charge -2 à -6% de conso serveurbladeibm modifié en CC et donc autant en dissipation Résultats Terrain 2012 (Velizy, Bordeaux, Issy) - Rendement tableau CA BT ------380VCC : 94% à partir de 5-10% de charge de baie - Audit de sécurité et certification site Socotec, Veritas : ok Echange module 10 kw à chaud en 1 mn, idem 48V Pas de pbde CEM, harmonique, courant de neutre 380V CC 54V CC 100kW: Pertes /2, Cuivre/10 Estimations: - Rendement > 97 % (Emerson, Eltek, Delta, ABB) Gain énergie site : 5 à 20 % (datacenter) - Prévision fiabilité jusqu à 20 X mieux qu en CA car CC bien plus simple (idem 48VCC) - TCO: 10 à -20% en plus des gains d énergie
Possibilité de passage progressif au PV avec autoconsommation en CA et CC Orange Labs Copyright 2013 < 750VCC Onduleur solaire 2 x 50 kw (Emerson) η= 95-97% = Réseau 50 Hz Batiment Orange Labs Issy Tranche 1: 12kW Sanyo HIT Baie Redresseurs jusqu à120 kw 400VDC (Emerson) = = 14 kwh η= 96-97% 400VCC Batterie Lithium (SAFT) Redr. 48V η= 96-97% (Emerson) = 48V Ond.400V : η= 93% (CE+T) = courant ondulé
AMEA: des sources/stockages distribués à agréger en microgrid: plus simple en CC? Photo Orange Labs Copyright 2013 Minicentrale Hybride Sytèmes solaires individuels en entraide sur le microgrid Morocco Jordan Mali Egypt Niger Station Radio mobile (BTS) avec excédent d énergie Réseau CC simple à maillage progressif Senegal Guinea Bissau Guinea Ivory Coast Cameroon Central African Republic Equatorial Guinea Kenya Madagascar Photo Orange Labs Copyright 2013 + Dominican Republic, Vanuatu, Armenia, France Orange Labs Copyright 2013 Village plus ou moins distant
Expérimentations400VDC Nextek Syracuse University UPN AB. 350V/ Netpower Labs AB (several sites) 350V/ Green.Ch France Telecom SAP Intel Univ. California Clustered Systems Duke Energy Telecom Data Center Buildings / Microgrids Emerson power equipment North American Telecom European Telecom IBM Singapore Vendor participants include: HP, IBM, EMC, Fujitsu, Hitachi, NEC China Telecom 240V/ France Telecom NTT Group (several sites) 380V/400V DC Other Japan Demos 300V/350V DC China Mobile Map provided by Emerson Network Power
400V et CC + PV au Japon (ex du site de Sendaï) 380V + PV for datacenter(direct 380VCC to 12V) Slide NTT DATA INTELLILINK CORP in 2011 Green DataCenter Forum
Datacenter 1MW en CC à Zurich Gagnant du Watt d or 2013 Label d excellence énergétique de l Office fédéral de l énergie SlideIntel atgenoaetsi EnergyEfficiencyWorkshop June2012
CC dans généralisé dans l habitation: Japon (cf aussi initiative EPRI, Intel, Green Building, Emerge Alliance ) From GreenGrid Platform @Home: GGP@H (NTT, NEC, Fujitsu, Toshiba, Misubishi ) Green Building 2012: Armstrong Industries, Bloom Energy, Delta Products, Duke Energy, Emerson Electric, Eutricity, Fujitsu Components, Laurence Berkeley National Laboratory, National ElectricalManufacturersAssociation (NEMA), Nextek Power, Oakridge National Labs, Pike Research, Roal, Underwriters Laboratories, Universal Electric and University of Texas. Picture by NTT Courtesy
Normalisation du CC tension basse ETSI: European Telecom Standard institute EE: Environment Engineering, EE2: Power interface, Earthing, Control monitoring (Pr: Orange) UIT-T: T: Union International des Telecom Commission 5: CEM et réduction de l impact environnemental (Pr: Orange) Question 19: DC power feeding (Pr: Orange) Question 13: Chargeurs universels des téléphones, box et PC déjà prévue avec entrée 400VDC CEI, CENELEC: SMB SG4 LVDC < 1500V : généralisé pour les TIC (< 400VDC), les bâtiments commerciaux, VE, PV, (Pr: Legrand) TC23B: prises(pr: Legrand) TC64: sécurité (Pr: Schneider) IEEE: engagement dans la normalisation mondiale du CC
Normed interfacemondiale260-400vcc pour faciliter le design et l industrialisation TIC et énergie ETSI EN 300 132-3-1, ITU-T L.1200 publiées power supply conductors Interface A3 Power Supply distribution & protection Telecommunications or datacom equipment system block distribution & protection Interface A3 Telecommunications or datacom equipment Interface A3 Telecommunications or datacom equipment Internal distribution & protection system block system block -Plus sûrquele CA oule 48Vccpour l humain: courant de faute< 7.5mA Zone II de CEI 60 479 sans risqueavec R > 50 kohm. DisjoncteurdifférentielsCC type B possibles mais optionnels. - Courants d appel et de courtcircuit maîtrisé: idem 48V -CEM: mieuxqu enca 15
Des composants CC 400V normalisés prêts Sources et intégration DC 30 à 120 kw eff97% Serveurs et telecom NEI D1000 et 2000 (cloud) HP DL 385 G7 blade server, sériec3000, C7000 IBM Power795 mainframe server, Z10, Z196 EMC CLARION CX4-960 storage array Intel, Ericsson, Dell, Juniper et de nombreux autres arrivent, USA, Japon, Chine, Cables, busbardc, prises, disjoncteurs, éclairage (Anderson, Proline, Fujitsu, Osram, Philips ) Et d autres : ABB, Eltek, Efore, NEC, ZTE, Huawei, All photos and data, courtesy of manufacturers or available on internet
Perspectives Orange: le courant continu, une technologie éprouvée qui a de l avenir Finalisation en 2014 des études et normes ETSI, UIT-T, CEI pour du CC sûr et plage de tension mondiale unifiée et prise unifiée? Potentiel de réduction d énergie et TCO: 10% de l énergie annuelle en datacenter, 10-20% de l investissement matériel, gain de coût d exploitation (meilleure fiabilité, maintenance simplifiée du type 48VCC) Autres gains possibles en surface au sol, cuivre, batterie et électronique Simplification : câblage, commutation passive EdF-Diesel, batterie centralisée fonctions smartgrid(effacement pic, PV, ) RSE et DD: Micro-réseau hybride solaire en CC pour l AMEA La France peut encore être N 1 en Europe sur le 400VDC appliqué aux TIC: Orange encourage les propositions d industriels TIC et énergie et pilote la normalisation ETSI et UIT-T sur le sujet.
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