Groupes électrogènes pour Data Center. Critères de sélection, de conception et d'installation des équipements

En quoi cette application se différencie-t-elle du groupe en puissance stand-by ou en puissance secours déjà existant? Qu'est-ce que l'Institut Uptime et comment influe-t-il sur le choix du meilleur groupe électrogène? Comment savoir quel modèle est le plus adapté à notre projet de Data Center?


Pablo Zárate, HIMOINSA Sales Engineer




L'application de puissance Data Center Power (DCP) fait l'objet d'une demande croissante dans le secteur des groupes électrogènes à moteur diesel. Cette application a été pensée pour les groupes électrogènes utilisés comme source d'énergie alternative dans les centres de traitement de données (CTD), avec des caractéristiques spécifiques pour répondre aux exigences de fiabilité et de disponibilité des data center. Mais en quoi cette application se distingue-t-elle du groupe de secours qui existe déjà ? Qu'est-ce que l'Uptime Institute et quelle est son influence dans la sélection du groupe électrogène approprié ? Comment déterminer le modèle qui s'adapte le mieux à notre projet de data center ? 



Un secteur en croissance constante

Le développement constant de l'activité sur Internet et de toute l'industrie associée à cette technologie donne lieu à un débit d'informations toujours plus important sur le réseau et à un besoin impératif de stocker une immense quantité de données, de les gérer et de les analyser. Voilà ce que l'on désigne aujourd'hui par le terme big data

En conséquence, le secteur de la production d'énergie a dû s'adapter à ce nouveau mode opératoire et ajuster ses services conformément aux nouveaux besoins de stockage d'informations des différents secteurs comme la finance, le commerce, les loisirs ou même les administrations publiques. 



Les data centers qui assurent aux entreprises et aux utilisateurs un accès rapide aux données affichent une consommation considérable d'énergie électrique, non seulement pour leur fonctionnement ordinaire mais aussi pour le refroidissement des salles où ils sont installés. Ces installations doivent être maintenues autour de 20 ºC, la température de fonctionnement optimale des serveurs. Toute défaillance de l'alimentation du réseau, même pour quelques minutes, pourrait interrompre l'activité de l'ensemble d'une entreprise et provoquer d'importantes pertes financières. Ainsi, l'énergie électrique qui alimente ces installations ne doit pas se contenter d'être stable : sa continuité doit être assurée à travers des sources d'alimentation redondantes. C'est ici qu'entrent en jeu les groupes électrogènes spécifiquement conçus pour les data centers.

Le choix parmi les options disponibles sur le marché repose sur plusieurs facteurs: 



1

FIABILITÉ

La fiabilité du réseau électrique principal.

2

BUDGET

Le budget disponible pour l'installation.

3

SENSIBILITÉ

La sensibilité des données stockées dans le data center, qui déterminera le degré de protection nécessaire contre les défaillances possibles du réseau. 


L'Uptime Institute définit et certifie la conception des installations pour les data centers 

Pour assurer un service ininterrompu de qualité au client, notamment en cas de manipulation de données sensibles, la fiabilité et la disponibilité d'un data center sont des critères fondamentaux. Tous deux dépendent majoritairement de l'alimentation électrique, c'est pourquoi il est important de choisir un système d'alimentation conforme à l'importance des données manipulées et de choisir des équipements de grande qualité, à l'efficacité prouvée.

 L'Uptime Institute est l'organisme reconnu dans le monde entier qui définit et certifie la conception des installations pour data centers et les classe en quatre niveaux selon leur disponibilité : Tier I, II, III et IV. Le facteur qui détermine le niveau d'une installation est précisément le nombre de sources d'alimentation continue et d'alimentation de secours disponibles. 



Pour répondre à la question sur l'influence de la classification de l'Uptime Institute sur le dimensionnement des groupes électrogènes à installer, il faut comprendre comment l'organisme distingue les sources d'alimentation de secours des sources d'alimentation alternatives. Les sources d'alimentation de secours répondent aux exigences que l'institut désigne comme Tier I et Tier II. Les sources d'alimentation alternatives sont celles nécessaires aux data centers, qui exigent un niveau de disponibilité Tier III et Tier IV. 

Pour qu'une source d'alimentation électrique puisse être considérée comme alternative et répondre aux exigences Tier III et IV de l'Uptime Institute, elle doit pouvoir fournir une puissance électrique de façon continue en cas de défaillance de la source principale. Cela signifie qu'un groupe électrogène doit être dimensionné de façon à fournir une puissance continue au niveau de charge demandé, sur une durée illimitée. Dans la norme ISO 8528-1:2005, ce mode de fonctionnement est catalogué sous le sigle COP (Continuous Operation Power).

Pourquoi ne pas dimensionner les groupes selon leur puissance COP déclarée ?

Nous disposons déjà d'une puissance déclarée pour un fonctionnement en continu, pourquoi ne pas l'utiliser ? La puissance COP déclarée d'un moteur se situe autour de 80-90 % de la puissance nominale ou prime. Dimensionner les groupes en fonction de leur puissance COP implique de sélectionner des moteurs plus grands, avec la hausse associée des coûts des groupes et de l'espace supplémentaire nécessaire à leur installation et à leur refroidissement. De plus, le moteur ne fonctionnerait pas à son point de charge optimal, proche de 100 % de sa puissance.

C'est pourquoi, pour une plus grande compétitivité sur le marché et pour éviter au client final des dépenses superflues, les principaux fabricants de moteurs diesel pour la production d'énergie ont introduit une nouvelle déclaration de puissance, nommée Data Center Power (DCP). Dans la majorité des cas, elle correspond à la puissance PRP déclarée conformément à la norme ISO 8528-1:2005, soit 100 % de sa puissance, à la différence que dans ce cas elle est fournie de façon continue. Ces mêmes fabricants, sur la base d'une étude statistique des probabilités de défaillance et en tenant compte de l'expérience des installations existantes, ont déterminé que dans les pays dotés d'un réseau stable, la fréquence des démarrages des groupes de secours est minime, et le cas échéant, ces groupes ne fonctionnent que sur une très courte durée. Les fabricants peuvent donc permettre un taux de charge élevé sur leurs moteurs en fonctionnement.

Comment cette nouvelle déclaration de puissance DCP s'inscrit-elle dans les exigences de l'Uptime Institute ?

Bien que la puissance PRP ne puisse pas être maintenue indéfiniment pour un moteur (en raison de la charge mécanique et thermique qu'il supporte), les fabricants de moteurs qui affichent cette nouvelle déclaration DCP garantissent leur utilisation sans limite de durée ni de  taux de charge moyens. Pour autant, les groupes électrogènes dimensionnés selon cette nouvelle déclaration de puissance seront conformes à la classification Tier III et Tier IV de l'Uptime Institute, dans la mesure oú ils remplissent les conditions des sources alternatives de puissance. Cette garantie, comme indiqué ci-dessus, est liée à la faible probabilité de défaillance de la source principale. C'est pourquoi les fabricants de moteurs limitent leur utilisation aux pays dotés d'un réseau stable, en répertoriant même, dans certains cas, les pays qui, selon eux, possèdent un réseau fiable.

Bien entendu, si le réseau principal est suffisamment fiable, les données manipulées par le centre ne sont pas si délicates et leur disponibilité immédiate n'est pas cruciale. Le taux de disponibilité de l'installation peut ainsi être réduit, en utilisant les niveaux Tier I et Tier II de l'Uptime Institute. Ceci permet de sélectionner les groupes redondants selon leur puissance de secours (ESP), pour réduire ainsi le coût de l'installation.



Caractéristiques clés du groupe électrogène qui alimente un data center

Les qualités d'un groupe électrogène pour l'application de data centers et de ses composants correspondent majoritairement à celles d'un groupe de secours de toute autre installation à la différence, peut-être, que le choix de ces composants est plus important dans les groupes DCP. 

Parmi tous les éléments, le moteur est le plus important, car il est la base de la puissance produite par un groupe électrogène. Pour une application DCP, le moteur devra être équipé d'un régulateur électronique de vitesse afin d'atteindre rapidement des conditions stables de tension et de fréquence lorsqu'une défaillance du réseau requiert son démarrage, puis, une fois ces paramètres stabilisés, il s'agit de les maintenir pendant la durée de fonctionnement. Pour le dimensionnement du moteur, outre les facteurs propres à cette application indiqués ci-dessus, il faut aussi prendre en compte les facteurs communs à toutes les applications, notamment la température ambiante et l'altitude.



Le système de démarrage est aussi un critère important dans la sélection des moteurs pour cette application où la fiabilité est cruciale. De fait, HIMOINSA peut optimiser le système de démarrage prévu en série sur les moteurs en incorporant des systèmes redondants avec deux moteurs électriques dotés de systèmes indépendants de batteries ou encore en associant un démarreur  électrique et un démarreur à air  ou hydraulique.

Le choix de batteries sans entretien et de forte capacité d'intensité au démarrage est aussi fondamental. De plus, pour faciliter la tâche du démarreur et permettre un démarrage rapide et une prise de charge en un temps minimum, il est important, comme pour toute application de secours, d'utiliser des résistances de préchauffage du liquide de refroidissement du moteur. Ainsi, la température du moteur reste optimale en cas de défaillance du réseau. La résistance peut être équipée d'une pompe pour faciliter la circulation du liquide de refroidissement et permettre ainsi un réchauffage plus homogène du bloc. Pour finir, une bonne lubrification préalable à travers une pompe à huile optimise aussi le démarrage. 

L'alternateur est composant-clé du groupe électrogène. Une carte électronique de régulation de tension AVR efficace permettra de maintenir la variation de la tension à des valeurs inférieures à 0,5 %. En outre, une conception et une fabrication de qualité du bobinage permettront, quant à elles, de maintenir des valeurs réduites de distorsion d'harmonique et d'interférences téléphoniques. L'utilisation d'une bobine à aimant permanent PMG garantit une alimentation de l'AVR indépendamment du bobinage principal et fiable en cas de charges soudaines. Ceci garantit au régulateur une bonne puissance d'excitation à tout moment. Un bobinage de qualité de, associé à une protection IP23 et à l'apport de résistances anti-condensation sont des éléments fondamentaux pour assurer la durée de vie de l'alternateur, particulièrement dans les régions aux taux d'humidité élevés.

Le système de refroidissement sélectionné est aussi important dans ce type d'installation, car les groupes sont parfois installés au rez-de-chaussée ou au sous-sol, avec des ouvertures réduites pour une bonne circulation de l'air extérieur. D'où la nécessité pour le fabricant de groupes électrogènes de disposer d'un bureau d'étude expérimenté pour concevoir des systèmes de refroidissement à distance, installés dans les étages supérieurs ou sur le toit, qui refroidissent le moteur à travers des échangeurs intermédiaires et des circuits secondaires.

Le coffret de commande se charge de contrôler, de mesurer et de gérer les paramètres du groupe. Le marché propose des coffrets de commande de différentes marques pour diverses applications. HIMOINSA propose ses propres coffrets de commande spécifiquement conçus pour ses groupes. Ils sont aussi capables de détecter les défaillances du réseau pour déclencher le démarrage du groupe électrogène. Ces coffrets de commande peuvent aussi proposer différents protocoles de communication dans le but d'intégrer le groupe électrogène, ses paramètres de fonctionnement et ses alarmes à la centrale de gestion et de contrôle de l'installation du bâtiment. Les groupes peuvent aussi être supervisés et commandés à distance.


Conclusions

Plus les données gérées par un data center sont sensibles, plus il est important de les rendre accessibles à tout moment et plus les systèmes d'énergie qui alimentent les équipements de façon continue ou en cas d'urgence doivent être fiables. Elément fondamental de ce type d'installations, le groupe électrogène doit être dimensionné selon ces mêmes critères. Sur ce point, la puissance déclarée pour laquelle le groupe a été dimensionné est celle qui nous indique le niveau de disponibilité, conformément aux critères marqués par l'Uptime Institute. Ainsi, tandis qu'un groupe 

électrogène dimensionné selon sa puissance ESP sera conforme aux exigences des classifications Tier I et II, celui-ci devra être dimensionné selon sa puissance DCP pour atteindre les niveaux supérieurs de disponibilité, Tier III et IV. 

HIMOINSA fabrique des groupes électrogènes conformes aux standards du marché et aux niveaux supérieurs établis par l'Uptime Institute. La société propose aussi un service de conseil sur l'installation la mieux adaptée aux besoins de votre data center. 

Pablo Zárate Fraga. Ingénieur en mécanique spécialisé dans la gestion de grands projets. Depuis 2014, il travaille au service d'ingénierie commerciale d'HIMOINSA sur les études de la faisabilité technique des nouveaux projets contrôlant la qualité et coûts des solutions d'ingénierie pour adapter le produit aux exigences de chaque projet.