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.
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.
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.
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 :
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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.
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:
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 %):
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.
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.
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.
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 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.
