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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

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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• 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:

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

Des utilisations finales TIC en CC

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 Gkm de Cu

- jusqu’à 10% conso domestique soit 50 GW mondial �

dont les pertes dans les alimentation CA/CC

• Eclairage hallogène puis 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 continentsOrange Copyright 2013

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

– Etide 300VCC avec l’industrie presentée à IEEE/intelec mais difficile de détrôner le 48V à une

époque sans ordinateurs. Triomphe des systèmes modulaires 48VCC (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)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)

Orange Copyright 2013

Où sont les pertes dans l’alimentation d’un datacenter?

by Courtesy of

Orange Copyright 2013

400VCC – ASI : comparaison simplifiée

Entree site 1,4 to 1,9 x P

serveur

Entrée site : 1,2 to 1,5 x P

Solution actuelle avec ASI double conversion (on line)

Gain en énergie: 5 to 20% avec le refroidissement CC• Gains directs : pas d’onduleur ni contacteur statique, haut rendement CC/CC, pertes

câbles

• Gains indirects: pas de clim d’onduleur, moins de dissipation dans les salles serveurs

• Gains environnementaux: moins de matériel, durée de vie batteries augmentée sans

ondulation, moins de déplacement pour maintenance

Entrée serveur: PEntrée serveur: 0,96 P

Orange Copyright 2013

Redr. onduleurRedr.

CFPCC/CC

400Vdc

CS

+

by pass

3% 4-8% 1% 1%

Clim équipement énergie Clim serveurs redondée pour P

1% 2-6%Transfo

HT/BT

+

Diesel

3%

serveur

0,5%

Ventilation Clim redondée serveurs pour : 0,96 P

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 serveur Blade IBM 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- Audit de sécurité et certification site Socotec, Veritas : ok

– Echange module 10 kW à chaud en 1 mn, idem 48V

– Pas de pb de CEM, harmonique, courant de neutre

• 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

54V CC 100kW: Pertes /2, Cuivre/10

380V CC

Orange Copyright 2013

Possibilité de passage progressif au PV avec

autoconsommation en CA et CC

< 750VCC

= ∼∼∼∼

Réseau 50 Hz

Batiment

Orange Labs Issy

Onduleur solaire

2 x 50 kW (Emerson)

ηηηη= 95-97%

Orange Labs Copyright 2013

∼∼∼∼= =

= ∼∼∼∼courant

ondulé

ηηηη= 96-97%

Ond.400V : ηηηη= 93% (CE+T)

400VCC

= ∼∼∼∼ 48V

Redr. 48V ηηηη= 96-97% (Emerson)

Baie Redresseurs

jusqu’à120 kW

400VDC

(Emerson)

Tranche 1: 12kW

Sanyo HITBatterie Lithium

(SAFT)

14 kWh

Orange Copyright 2013

AMEA: des sources/stockages distribués à agréger en

microgrid: plus simple en CC ?

Minicentrale HybrideSytèmes solaires individuels

en entraide sur le microgrid

Morocco

Egypt

Jordan

Niger

Mali

Senegal

Morocco

Egypt

Jordan

Niger

Mali

Senegal

Photo Orange Labs Copyright 2013

Station Radio mobile

(BTS) avec excédent

d’énergie

Village plus ou

moins distant

Réseau CC simple à

maillage progressif

KenyaCameroon

Central African RepublicMadagascar

Senegal

Guinea Bissau

GuineaIvory Coast

Equatorial Guinea

+ Dominican Republic,Vanuatu, Armenia, France

KenyaCameroon

Central African RepublicMadagascar

Senegal

Guinea Bissau

GuineaIvory Coast

Equatorial Guinea

+ Dominican Republic,Vanuatu, Armenia, FrancePhoto Orange Labs Copyright 2013

Orange Labs Copyright 2013

Orange Copyright 2013

Expérimentations 400VDC

Univ.

NTT Group(several sites)

380V/400V DC

UPN AB.350V/380V DC

Intel380V DC

SAP380V DC

Nextek380V DC

Syracuse

University 380V DC

Netpower Labs AB(several sites)

350V/380V DCGreen.Ch380V DC

France Telecom380V DC

France Telecom380V DC

Duke Energy380V DC

Univ.

California380V DC

Other Japan Demos300V/350V DC

China Telecom240V/380V DC

China Mobile380V DC

Vendor participants include:

HP, IBM, EMC, Fujitsu, Hitachi, NEC

Telecom

Data Center

Buildings / Microgrids

Emerson power equipment

European Telecom380V DC

North American

Telecom380V DC IBM Singapore

380V DC

Clustered

Systems380V DC

Map provided by Emerson Network PowerOrange Copyright 2013

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

Orange Copyright 2013

Datacenter 1MW en CC à Zurich

Gagnant du Watt d’or 2013 Label d’excellence énergétique de l’Office fédéral de l’énergie

Slide Intel at Genoa ETSI Energy Efficiency Workshop June 2012 Orange Copyright 2013

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 Electrical Manufacturers Association (NEMA),

Nextek Power, Oakridge National Labs, Pike Research, Roal, Underwriters Laboratories, Universal Electric and University

of Texas.

Orange Copyright 2013

Picture by NTT Courtesy

Normalisation du CC tension basseNormalisation du CC tension basseNormalisation du CC tension basseNormalisation du CC tension basse

ETSI: ETSI: ETSI: ETSI: EuropeanEuropeanEuropeanEuropean Telecom Standard Telecom Standard Telecom Standard Telecom Standard instituteinstituteinstituteinstitute

EE: Environment Engineering,

EE2: Power interface, Earthing, Control monitoring (Pr: Orange)(Pr: Orange)(Pr: Orange)(Pr: Orange)

UITUITUITUIT----T: Union International des TelecomT: Union International des TelecomT: Union International des TelecomT: Union International des Telecom

Commission 5: CEM et réduction de l’impact environnemental (Pr: Orange)(Pr: Orange)(Pr: Orange)(Pr: Orange)Commission 5: CEM et réduction de l’impact environnemental (Pr: Orange)(Pr: Orange)(Pr: Orange)(Pr: Orange)

Question 19: Question 19: Question 19: Question 19: DC power feeding (Pr: Orange)(Pr: Orange)(Pr: Orange)(Pr: Orange)

Question 13: Question 13: Question 13: 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), CEI, CENELEC: SMB SG4 LVDC < 1500V : généralisé pour les TIC (< 400VDC), CEI, CENELEC: SMB SG4 LVDC < 1500V : généralisé pour les TIC (< 400VDC), CEI, CENELEC: SMB SG4 LVDC < 1500V : généralisé pour les TIC (< 400VDC),

les bâtiments commerciaux , VE, PV, …les bâtiments commerciaux , VE, PV, …les bâtiments commerciaux , VE, PV, …les bâtiments commerciaux , VE, PV, … (Pr: Legrand)(Pr: Legrand)(Pr: Legrand)(Pr: Legrand)

TC23B: prises(Pr: Legrand)(Pr: Legrand)(Pr: Legrand)(Pr: Legrand)

TC64: sécurité (Pr: Schneider)(Pr: Schneider)(Pr: Schneider)(Pr: Schneider)

IEEE: engagement dans la normalisation mondiale du CCIEEE: engagement dans la normalisation mondiale du CCIEEE: engagement dans la normalisation mondiale du CCIEEE: engagement dans la normalisation mondiale du CC

Norme d’interface mondiale 260-400VCC

pour faciliter le design et l’industrialisation TIC et énergie

protection distribution &

power supply conductors

system block

Interface A3

Power Supply

Telecommunications or datacom equipment

Plus sûr que le CA ou le 48Vcc pour

ETSI EN 300 132-3-1, ITU-T L.1200

publiées

15

distribution & protection

system block

system block

Interface A3

Interface A3

Internal distribution & protection

Telecommunications or datacom equipment

Telecommunications or datacom equipment

- Plus sûr que le CA ou le 48Vcc pour

l’humain: courant de faute < 7.5mA

Zone II de CEI 60 479 sans risque avec R

> 50 kohm.

Disjoncteur différentiels CC type B

possibles mais optionnels.

- Courants d’appel et de court-

circuit maîtrisé: idem 48V

- CEM: mieux qu’en CA

Des composants CC 400V normalisés prêts

Serveurs et telecom

NEI D1000 et 2000 (cloud)

HP DL 385 G7 blade server, série C3000, C7000

IBM Power795 mainframe server, Z10, Z196

EMC CLARION CX4-960 storage array

Intel, Ericsson, Dell, Juniper et de nombreux autres

Sources et intégrationDC 30 à 120 kW eff 97%

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, …

Orange Copyright 2013 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.

Orange Copyright 2013

Je serais heureux de

répondre à vos questions