Comment optimiser l'énergie dans les centres de données ?

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Comment optimiser l'énergie dans les centres de données grâce aux groupes électrogènes et à la récupération de chaleur ?

Mise à profit de la chaleur résiduelle pour réduire les coûts d’exploitation et
améliorer la durabilité

Maximiser l’exploitation des ressources est devenu l’un des enjeux actuels de l’industrie, un environnement soumis à une hausse incessante de la demande d’énergie. Certains domaines présentent un fort potentiel d’optimisation du traitement de la chaleur résiduelle, tels que les centres de données, infrastructures affichant une forte consommation d’énergie. Cette chaleur peut être transformée en une nouvelle source d’énergie qui, à terme, permet de mieux contrôler les coûts d’exploitation des systèmes auxiliaires de production d’énergie.

L’énergie de secours délivrée par les groupes électrogènes en cas de coupure de courant est essentielle dans les installations critiques telles que les centres de données. Pour réduire la forte consommation dérivée du fonctionnement des systèmes auxiliaires associés, qui constituent des coûts fixes pour les entreprises, HIMOINSA présente une solution innovante mise au point dans le but de mettre à profit la chaleur résiduelle dégagée au sein de ces installations. À l’aide de son équipe d’ingénieurs, l’entreprise est parvenue à intégrer la récupération de chaleur au coeur de sa stratégie d’efficacité énergétique, apportant ainsi une valeur ajoutée en termes de développement durable.

L’utilisation de la chaleur résiduelle émise par les groupes électrogènes diesel permet d’optimiser la consommation d’énergie des équipements auxiliaires au sein des installations critiques, tout particulièrement lorsque les conditions météorologiques sont défavorables, comme en hiver.

Les lignes qui suivent s’appliquent à analyser la consommation des différents composants auxiliaires et à étudier la façon dont la chaleur résiduelle peut devenir une ressource clé dans l’objectif d’une réduction de la demande d’énergie.

Principales composantes de la consommation des équipes auxialeres

1. Préchauffage du moteur

Essentiel pour assurer un démarrage rapide du groupe électrogène, ce système maintient le moteur à une température de fonctionnement optimale, y compris dans les conditions environnementales les plus rigoureuses.

Le dispositif de préchauffage de 9 kW, régulé thermostatiquement entre 38 et 55 °C, consomme jusqu’à 96 % de l’énergie totale des équipements auxiliaires en hiver. Ce comportement énergivore est principalement dû au besoin de compensation des pertes de chaleur dans les environnements froids et à l’isolation thermique limitée du groupe électrogène.

2. Système de pompage pour l'autolubrification du moteur

Avec une consommation de 1,5 kW pendant 5 minutes toutes les 8 heures, ce système garantit que le moteur reste lubrifié et prêt à fonctionner. Bien que sa contribution à la consommation totale soit plus faible, il représente une charge qui peut être partiellement couverte par de l’énergie récupérée.

3. Chargeurs de batteries

Avec une consommation de 3 kWh par jour, ces équipements maintiennent les batteries de démarrage et les batteries auxiliaires dans un état de charge continu. S’agissant de systèmes utilisés en permanence, ils représentent une charge énergétique fixe qui peut être atténuée par l’apport d’énergie complémentaire

4. Éclairage intérieur

Bien qu’il ait un impact mineur sur la consommation totale (environ 0,15 kWh/jour), son importance augmente lorsque les groupes fonctionnent à l’intérieur de conteneurs isolés qui nécessitent une surveillance ou une maintenance fréquente.

Consommation totale en périodes hivernales

Dans les installations isolées, la consommation totale des équipements auxiliaires s’élève à environ 75 kWh par jour en hiver. Cette forte demande représente un défi majeur, car elle nécessite une source d’énergie constante, même lorsque le groupe ne se trouve pas en fonctionnement pour alimenter les charges principales.

Possibilités d'optimisation moyennant la récupération de chaleur

La chaleur résiduelle produite par le groupe électrogène pendant son fonctionnement peut être utilisée pour couvrir une grande partie des besoins en énergie de ces systèmes auxiliaires :

Préchauffage du moteur:

La récupération directe de la chaleur à partir du système d’échappement ou du circuit de refroidissement du groupe peut réduire considérablement la consommation du dispositif de préchauffage. Cette chaleur perdue peut être canalisée et emmagasinée pour maintenir la température du moteur dans les plages de fonctionnement sans avoir à recourir à l’utilisation du système de chauffage électrique de 9 kW.

Système d’autolubrification:

La régulation de la température par la chaleur résiduelle peut conduire à une réduction de la fréquence ou de la durée des opérations de pompage, diminuant ainsi la consommation d’énergie de ce système.

Chargeurs de batteries:

Bien que la consommation des chargeurs soit relativement faible, l’utilisation de l’énergie dérivée de la chaleur récupérée pour alimenter les systèmes auxiliaires peut libérer la capacité du réseau ou du groupe électrogène, améliorant ainsi l’efficacité globale du système.

Impact escompté

La mise en oeuvre d’un système de récupération de chaleur pour les équipements auxiliaires peut réduire la consommation globale d’énergie des groupes électrogènes de 70 à 80 % dans certaines conditions climatiques. Par ailleurs, elle améliore la viabilité opérationnelle en diminuant la dépendance à l’égard des sources d’énergie externes pour maintenir les conditions optimales des équipements.

PUE ET ÉMISSIONS THERMIQUES DANS LES CENTRES DE DONNÉS

L’indicateur de référence PUE (Power Usage Effectiveness ou indicateur d’efficacité énergétique) est une mesure utilisée pour déterminer l’efficacité énergétique d’un centre de données, qui dégage de la chaleur en tant que sous-produit de ses opérations. Lors du traitement des données, les serveurs et autres équipements informatiques transforment l’énergie électrique en chaleur.

Pour éviter la surchauffe, les centres de données utilisent des systèmes de refroidissement avancés pouvant comprendre la climatisation, le refroidissement liquide ainsi que d’autres méthodes de dissipation de la chaleur. Dans ce contexte et en termes d’efficacité, la mise en place d’un groupe électrogène de secours consommant la chaleur dégagée par le biais d’un système de récupération s’avère pertinente.

Certains pays ont adopté des réglementations exigeant la récupération et la réutilisation de la chaleur résiduelle des centres de données dans le but d’encourager l’efficacité énergétique et la durabilité dans le secteur.

REFROIDISSEUR INTERMÉDIAIRE DU GROUPE ÉLECTROÈGENE: DISPOSITIF D´OPTIMISATION DU PUE

Le PUE est calculé en divisant la quantité totale d’énergie entrant dans un centre de données par l’énergie utilisée pour faire fonctionner les équipements informatiques qu’il renferme :

Le PUE est exprimé sous la forme d’un ratio. Plus ce ratio est proche de 1,0, plus l’efficacité globale est améliorée :

Pour réduire la contribution du groupe électrogène à la demande totale d’énergie de l’installation dans une application de groupe de secours, un dispositif à double refroidisseur intermédiaire est proposé pour la série HGY, ce système venant s’ajouter à la résistance traditionnellement présente pour le préchauffage du moteur.

Le premier circuit est intégré en série dans le système de refroidissement du groupe électrogène, tandis que le second doit être raccordé au système de refroidissement du centre de traitement des données (CTD) en phase liquide. Le système de refroidissement CTD fonctionne comme un circuit chaud et le circuit du groupe électrogène comme un circuit froid.

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AGENCEMENT DU REFROIDISSEUR INTERMÉDIAIRE DU GROUPE ÉLECTROGÈNE

OPÉRATEUR DE CONTROLE THERMIQUE DES GROUPES ÉLECTROGÈNES

Pour maximiser la mise à profit de la chaleur produite par le centre de traitement des données, il est proposé de mettre en oeuvre un système avancé de contrôle de la température fonctionnant comme suit:

Activation et régulation initiales: lorsque le système de contrôle est activé, le circuit de refroidissement du groupe électrogène est stabilisé à une température de veille adaptée moyennant l’ouverture du circuit chaud du refroidisseur intermédiaire raccordé au CTD. Le système régule automatiquement la température du groupe électrogène à l’intérieur d’une plage prédéfinie en contrôlant le statut (OUVERT ou FERMÉ) des vannes d’eau chaude provenant du CTD.
Fonctionnement de secours en cas de basse température: si le refroidisseur intermédiaire ne transfère pas suffisamment d’énergie thermique au groupe électrogène et qu’une chute en dessous du seuil fixé pour la vanne de température ouverte est détectée, le dispositif de préchauffage du moteur est alors activé pour jouer le rôle de système de secours. Ce mécanisme assure la continuité du chauffage et empêche la température du système de descendre en dessous des niveaux d’exploitation optimaux (impact sur le PUE : ↑↑↑↑).
Prévention de la surchauffe: si la température dépasse la limite supérieure de la plage prédéfinie, le système procède à la fermeture du circuit d’entrée d’eau chaude pour empêcher le retour de chaleur dans le CTD, préservant ainsi l’efficacité et la stabilité thermique de l’ensemble.

ÉNERGIE SOLAIRE, SOURCE D'ENERGIE AUXILIAIRE

L’énergie solaire, en tant que source renouvelable, représente une solution durable à mettre en place en complément des groupes électrogènes diesel. Cette méthode de production d’énergie respectueuse de l’environnement est utile pour alimenter les dispositifs auxiliaires dans les configurations hors réseau, réduisant ainsi l’impact de la consommation constante d’énergie sur le PUE des applications associées aux groupes électrogènes de secours. Sa mise en oeuvre dépend directement de la disponibilité de l’irradiation solaire à l’emplacement du CTD, d’où le besoin d’évaluer les conditions climatiques pour maximiser son efficacité.

LE GROUPE ÉLECTROGÈNE, CONSOMMATEUR D'ÉLECTRICITÉ

Comme indiqué plus haut, le groupe électrogène nécessite une alimentation constante de 1,89 kWh par jour pour maintenir les équipements auxiliaires d’une unité HGY en fonctionnement et disposer de l’énergie nécessaire pour alimenter la résistance de préchauffage du moteur.

Cette consommation supplémentaire vient augmenter la demande totale d’énergie, ce qui a un impact négatif sur le PUE du CTD, entraînant une répercussion sur son efficacité globale.

ÉTUDE DE CAS: CTD DE MADRID | CRITÈRES DE DIMENSIONNEMENT DES INSTALLATIONS SOLAIRES

Dans l’hémisphère nord, le dimensionnement des installations solaires doit prendre en compte les scénarios d’hiver, qui représentent les périodes annuelles où la production d’énergie est la plus faible. Selon la base de données PVGIS-SARAH2 de la Commission européenne, les mesures historiques pour la ville de Madrid révèlent que l’irradiation horizontale mensuelle atteint sa valeur minimale en janvier, avec 61,15 kWh/m².
Ces données sont essentielles pour concevoir des systèmes qui garantissent des performances efficaces, y compris dans des conditions de faible disponibilité solaire.

La disponibilité de l’énergie photovoltaïque est fournie par la formule suivante:

Où G (β, α) est le rayonnement total rapporté à une pente β et à un angle azimutal α. Il est calculé comme la somme des composantes suivantes:

Rayonnement solaire diffus H (β, α).
Rayonnement direct D (β, α)
Rayonnement dû à l’albédo AL (β, α)

En calculant G (β, α) optimisé pour la saison hivernale (β = latitude de l’emplacement + 15° et angle azimutal de 0°), la disponibilité énergétique quotidienne est estimée à 4,86 kWh/m2. À partir de cette valeur, il est alors possible de déterminer les HPS (β, α) ou heures de pointe solaire:

Dans le cas analysé, une disponibilité solaire moyenne de 4,86 heures par jour est estimée pour Madrid. Cette valeur, obtenue par conversion d’unités, est utilisée comme référence pour le dimensionnement des systèmes photovoltaïques.

Considérons les performances globales d’une installation photovoltaïque possédant une capacité de stockage R donnée par la formule suivante:

Toutes les pertes associées à la conversion et au stockage de l’énergie sont prises en compte, notamment : la dégradation de la batterie (kak_aka), l’effet de décharge de la batterie (kbk_bkb), l’efficacité de l’onduleur (kck_ckc), les pertes dans les câbles (kvk_vkv), l’autonomie en jours (NNN) et la capacité de décharge profonde de la batterie (PdP_dPd).

Pour une unité HGY équipée de batteries au lithium et possédant un paramètre d’autonomie de N=3N = 3N=3 jours, les performances du système (RRR) sont estimées à 71,3 %. En prenant en compte la consommation d’énergie du groupe électrogène, cela implique une demande d’énergie de 2,57 kWh/jour.

À partir de la définition de la puissance de crête (PpP_pPp), le nombre de modules photovoltaïques nécessaires peut être déterminé à l’aide de la formule suivante (prise en considération d’un surdimensionnement de 10 %):

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CRITÈRES DE DIMENSIONNEMENT DES INSTALLATIONS SOLAIRES | ÉTUDES DE CAS

CONCLUSIONS

1. Emplacement du système

L’emplacement du CTD est le point de départ de l’évaluation de la disponibilité énergétique. Les systèmes de récupération de chaleur et de production d’énergie solaire nécessitent une conception qui prend en compte des aspects tels que l’agencement des canalisations et l’emplacement des modules solaires. Il s’avère essentiel d’installer le système dans un endroit qui reçoit une irradiation solaire maximale, en évitant les zones d’ombre potentielles pour en garantir l’efficacité.

2. Rayonnement solaire et conditions environnementales

Le rayonnement solaire disponible dans la région est un facteur déterminant pour l’installation de systèmes solaires destinés à seconder les groupes électrogènes diesel. En effet, ce paramètre détermine directement la capacité de production d’énergie et, par conséquent, le nombre de panneaux solaires nécessaires pour couvrir la demande. En outre, les conditions de pollution environnementale peuvent elles aussi avoir une répercussion et se doivent donc d’être prises en compte lors de la conception.

3. Taille et performance des panneaux solaires

La taille et la performance des panneaux solaires constituent des éléments clés pour optimiser la conception de l’installation. Une performance accrue des panneaux réduit l’espace nécessaire, tandis qu’une conception inappropriée peut limiter la capacité du système à s’intégrer efficacement dans l’environnement du centre de traitement des données.

4. Maintenance et logistique

Les systèmes de récupération de chaleur sont conçus pour fonctionner dans une plage de température spécifique du moteur, ce qui limite la quantité de chaleur évacuée du CTD. Bien que cela puisse restreindre le transfert de chaleur, la logistique du pompage et l’agencement de la tuyauterie, le groupe électrogène est équipé de vannes thermostatiques qui assurent un contrôle efficace de la température. Toute la chaleur récupérée est ainsi efficacement utilisée et l’utilisation occasionnelle de la résistance de préchauffage reste donc minimale, ce qui contribue à réduire le PUE. Toutefois, ces systèmes se doivent d’être assidûment entretenus pour en garantir le bon fonctionnement. Des inspections régulières des vannes, des pompes et des raccords sont essentielles pour préserver l’efficacité et la durabilité du système.

Juan Manuel Tobal Ingénieur commercial chez HIMOINSA - Région EMEA

Juan Manuel Tobal Morales possède une solide expérience professionnelle dans le secteur des solutions en matière d’énergie. Ingénieur industriel de l’Université polytechnique de Carthagène, il joue depuis juin 2017 un rôle clé au sein de l’unité Power Solutions, en charge des opérations et des stratégies commerciales dans la région EMEA (Europe, Moyen-Orient et Afrique). À la tête de nombreux projets tout au long de sa carrière, il convient de citer les missions associées à la mise en service de groupes électrogènes fonctionnant en parallèle et servant d’alimentation de secours, comme la conception et la fourniture de la solution d’alimentation d’un centre de données à Strasbourg, en France. Juan Manuel Tobal a également dirigé des projets dans les aéroports internationaux de Lomé-Tokoin (Togo), de Bobo- Dioulasso (Burkina Faso) et de Bata (Guinée équatoriale). Son expertise et sa spécialisation technique font de lui une référence en matière de gestion de projets complexes dans des environnements globaux et critiques.