Plaquette asi statique

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 ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE

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

Un grand Datacenter comprend une ou plu-sieurs 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 éta-blie par une association américaine, l’Uptime Ins-titute. 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 redon-dante et le TIER 4 une double source.

Qu’appelle-t-on un ‘grand Datacenter’ ?

Rendement en double conversion

Fréquence de découpage MLI

500 Hz

Moyen

Bon

Trèsbon

2 kHz 6 à 10 kHz

2000Transistor IGBT

1990Transistorbipolaire

1980Thyristor

Fig. 1 : Evolution de la technologie des ASI depuis 1980

3ASI STATIQUE - LA SOLUTION ECO PERFORMANTE

Tirée par les progrès des semi-conducteurs de puissance, la technologie des ASI de grosse ca-pacité 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.

Des nouvelles technologies à haute efficacité énergétiqueL’augmentation de la fréquence de découpage des onduleurs à Modulation de Largeur d’Impul-sion (MLI) a permis une réduction significative de la taille du filtre de sortie dont le rôle est de four-nir la tension sinusoïdale à la charge critique.

Les bénéfices sont multiples :• Les onduleurs en technologie IGBT (insulated

gate bipolar transistor) sont capables d’ali-menter 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, typi-quement inférieur à 5%) ;

• L’ASI statique offre une excellente réponse dy-namique aux variations brutales de charge : la tension instantanée est rétablie à sa valeur idéale en moins de 20 ms conformément à la norme EN 62040-3.

Une distribution électrique sécuriséePour 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 divi-sionnaire 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 éli-miner rapidement un défaut aval tout en pré-servant la continuité d’alimentation des autres départs (fig.2).

La réponse

performante,

fiable et

évolutive

à l’exploitation

des Datacenters


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 Distri-bution 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 fiabilitéEn matière de disponibilité de l’énergie électrique, la capacité de stockage de la batterie utilisée pour effacer les coupures brèves constitue une caracté-ristique clé. Une autonomie de 5 à 10 min permet de couvrir l’essentiel des perturbations du réseau électrique sans nécessiter le démarrage systé-matique du groupe électrogène, ce qui limite les contraintes appliquées sur le groupe et les coûts de fonctionnement. De plus, dans le cas de cou-pures 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 permet-tent 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.

Disponibilité et fiabilité : les avantages majeurs de l’

ASI 800 kVAIn = 1160 A

Réseau 2 indisponible

Réseau 2Réseau 1

Icc ASI = 3 In3480 A 100 ms

TDHQDisjoncteur 250 AIn = 250 AIm = 10 x In = 2500 AOuverture en 20 ms

Défaut aval

Départsprotégés

1980 1995 2010

6,75,7

2,9

T3,5 T3,4 T1,5

Fig. 2 : Traitement du court-circuit par l’onduleur

Fig. 3 : Evolution du volume et du poids d’une ASI de 500 kVA sans batterie

Un faible encombrement au solLes 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 protégéeDe plus, l’ajout d’ASI en parallèle pour augmenter la puissance en fonction de la demande est réali-sable facilement, rapidement et sans coupure de la charge critique. Par conception, le temps d’inter-vention pour une maintenance préventive ou cor-rective est optimum (typiquement moins de 4 h) et


cette intervention peut être réalisée par une per-sonne 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 capa-cité 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 400 000 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 sta-tique est des plus élevés.

Par exemple, si on considère un MTTR de 15 min (0,25 h) avec un MTBF de 400 000 h, on obtient une disponibilité du système de :

= 0,9999993 (soit 6 neuf)

*MTBF Mean Time Between Failure (temps moyen entre deux pannes)*MTTR Mean Time To Repair (temps moyen de reparation)

Face aux besoins croissants des applications in-formatiques, 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 dévelop-pement en matière d’ASI statiques ont été mu-tualisés 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 dispo-nibilité – la modularité engendrant une simplifi-cation 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 déploie-ment d’ASI statiques provient non seulement de la conception technique de ces dernières, mais éga-lement 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 fi-nanciers 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.

L’évolutivité, une exigence de plus en plus pressante

400 000400 000 + 0,25

Architecture : fixe évolutive

30

24 21,5

27,232,7

36,7

CAPEX

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10(Année)

OPEX

36

42

3,75

3,00

2,25

1,50

0,75

0

18

12

6

0

Coût (M€)

Capacité et charge (MW)

PUE

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10(Année)

3,00

1,00

Architecture fixe

Charge potentielleCharge cible

Architectureévolutive

Architecture fixe

Architecture évolutive

Coût (M€)

10 2 3 4 5 6 7 8 9 10(Année)

30

24

0

18

12

6

Architecture fixe :évolutive :

Capex Energie Maintenance


Un investissement progressif De par sa modularité, l’ASI Statique s’adapte par-faitement 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 dé-penses : 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’exploitationLe 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 ef-fectiveness).

PUE =

En outre, la flexibilité de cette installation per-mettra 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 ins-tallation par paliers qui permet d’éviter un finan-cement initial important (voir fig. 7).

Un coût global d’installation maîtrisé et prévisible

Fig. 4 : TCO - répartition des coûts selon le type d’architecture

Fig. 7 : Coût

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.

Opex : energy+maintenance

Energie totale consommée par le DatacenterEnergie consommée par les seules

applications informatiques


L’ASI au plus proche de l’applicationL’indépendance fonctionnelle entre le GE et l’ASI statique donne la possibilité de séparer géographi-quement les deux installations et de rapprocher l’ASi de la charge : les GE peuvent par exemple être placés en containers à l’extérieur du Datacen-ter. 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 (%)

Charge (%)

0 20 40 60 80 100

100

98

96

94

92

9088

86

84

82

80

78

76

74

72

7068

66

64

62

60

ASI Statique en mode économique

ASI Statique en mode double conversion

Autre technologie

Un investissement adapté aux exigences d’exploitationUn Datacenter se caractérise par des exigences opérationnelles comme la densité de puissance des salles IT par m2, la disponibilité et l’évoluti-vité du Datacenter, la redondance des infrastruc-tures, 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 élec-trique de moins de 40% (cf. fig. 8).

Cette notion de haut rendement est intégrée à pré-sent dans le référentiel Code of Conduct UPS (ASI) qu’ont signé les constructeurs d’ASI statiques. Ces derniers s’engagent à réduire les pertes énergé-tiques 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 par-faitement compatible avec les groupes électro-gènes (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.

Fig. 8 : Plage de rendement

Groupement des industries de l’équipement électrique, du contrôle-commande et des services associés11-17 rue de l’Amiral Hamelin - 75783 Paris cedex 16 - France - Tél. : +33 (0) 1 45 05 70 70 - Fax : +33 (0) 1 47 04 68 57 - www.gimelec.fr

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Plomb en lingot

Plaquesde plomb

Polypropylène

Batteries en exploitation

Batteries stationnaires

Acide

Fabricants de batteries industrielles

Affineurs

Centre detraitement Recycleurs de

polypropylène

Collecte chezles utilisateurs

Valorisation des déchetsVidange-Cassage

Ce document a été élaboré avec le concours desmembres de la Division A22 « Alimentations statiques » du Gimélec.

Les constructeurs d’ASI sont organisés pour prendre en charge les batteries en fin de vie.

Des réglementations environnementales s’ap-pliquent spécifiquement aux Equipements Elec-triques et Electroniques (EEE) et garantissent une utilisation limitée de substances dange-reuses ainsi qu’un traitement maîtrisé des pro-duits et emballages en fin de vie.

Une faible empreinte carboneGrâce 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’évi-ter 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 re-froidissement (20 à 30 minutes) après toute uti-lisation du groupe lors de micro-coupures.

La batterie : un déchet valoriséLa 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 CO2 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 en-tièrement 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.

Le recyclage de la batterie est parfaitement maîtrisé

Fig. 9 : Recyclage de la batterie et de ses composants

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