Utiliser des systèmes de stockage d'énergie pour optimiser la fiabilité et la durabilité des data centers

L'énergie est essentielle et coûteuse pour les data centers. L'ajout d'un système de stockage d'énergie sur batteries (BESS) peut améliorer la fiabilité et la durabilité des data centers en prenant en charge les sources d'énergies renouvelables, en garantissant une disponibilité énergétique continue et en réduisant les coûts d'exploitation. Les connecteurs de pôles de batterie sont un élément clé permettant à un système BESS de fournir des avantages maximum.

Les connecteurs de pôles de batterie BESS requièrent des fonctionnalités telles qu'une solide durabilité mécanique, un indice environnemental IP67 et des connexions sûres et fiables pour supporter les forts courants et les hautes tensions. Ils doivent également être faciles à installer et à entretenir, avec une protection de polarité pour prévenir les erreurs de connexion et des mécanismes de verrouillage pour éviter toute déconnexion accidentelle. Enfin, ils doivent être conformes aux exigences de la norme UL 4128.

Cet article examine les facteurs à l'origine de l'augmentation de la consommation d'énergie dans les data centers et l'impact sur la conception des systèmes d'alimentation secourue (UPS). Il passe ensuite en revue les avantages en termes de fiabilité et de durabilité de l'utilisation de systèmes BESS modulaires dans les data centers et étudie les exigences de performances des connecteurs de pôles de batterie avec l'accent sur la norme UL 4128. Il conclut en démontrant comment les connecteurs de pôles de batterie et assemblages de câbles de Weidmüller peuvent soutenir une gestion proactive de l'énergie et contribuer à la mise en œuvre réussie et performante des installations BESS dans les data centers.

L'augmentation de la densité des racks dans les data centers cloud, stimulée par l'essor de l'intelligence artificielle (IA) et de l'apprentissage automatique (ML), accroît considérablement les besoins en énergie. La consommation énergétique des data centers devrait tripler en pourcentage de la consommation globale d'électricité entre 2024 et 2030, passant d'environ 3-4 % de la demande totale aux États-Unis en 2024 à 11-12 % en 2030 (Figure 1).

Figure 1 : Entre 2024 et 2030, la consommation énergétique des data centers aux États-Unis devrait tripler en pourcentage de la consommation globale d'électricité (indiquée sur l'axe vertical). (Source de l'image : Weidmüller)

Évolution de l'architecture de puissance

L'augmentation de la consommation d'énergie entraîne des changements importants dans les architectures d'alimentation des data centers : il faut notamment réexaminer la manière dont les alimentations secourues sont structurées pour répondre au besoin de disponibilité de l'alimentation, améliorer la durabilité et aider à gérer la flambée des coûts énergétiques.

Auparavant, les alimentations secourues étaient principalement utilisées pour fournir de l'énergie à court terme lors du démarrage d'un groupe électrogène destiné à alimenter les data centers pendant les pannes de courant du réseau électrique principal. Mais les choses ont changé.

L'alimentation secourue est de plus en plus considérée comme la principale source d'alimentation de secours pour réduire ou éliminer les gaz à effet de serre produits par les groupes électrogènes. Cela nécessite plus d'efforts dans la conception des alimentations secourues. L'évolutivité et la flexibilité sont devenues des caractéristiques importantes.

Une conception modulaire permet d'augmenter la taille des systèmes BESS pour prendre en charge des durées de fonctionnement plus longues et d'autres capacités, telles que l'intégration de ressources d'énergies renouvelables. De plus, les batteries VRLA traditionnelles sont remplacées par des batteries lithium-ion (Li-ion). La nouvelle technologie de batterie offre des cycles de vie plus longs, des temps de charge plus rapides et des densités d'énergie plus élevées — autant de caractéristiques très appréciées dans les data centers dont les besoins en énergie ne cessent de croître.

Les alimentations secourues modulaires utilisant des systèmes BESS Li-ion sont également plus faciles à entretenir que les solutions VRLA, qui requièrent des remplacements de batteries beaucoup plus fréquents. La capacité à ajouter et retirer des modules via des connecteurs de pôles de batterie offre également un moyen économique de répondre à l'évolution des besoins d'alimentation des data centers.

Les connecteurs de pôles de batterie sont également importants pour garantir la sécurité et le rendement dans les systèmes BESS modulaires. Ces conceptions BESS peuvent être des racks de batteries conventionnels dans le data center. Cependant, elles peuvent également être installées à côté du data center dans une solution conteneurisée, libérant ainsi un espace précieux à l'intérieur du data center pour les serveurs, la mémoire, les communications et autres dispositifs électroniques critiques qui répondent aux demandes croissantes de puissance de traitement et de connectivité (Figure 2).

Figure 2 : Les installations BESS modulaires peuvent être basées sur des solutions conteneurisées, comme illustré ci-dessus, ou construites à l'aide de racks de batteries et de convertisseurs de puissance situés à l'intérieur d'un data center. (Source de l'image : Weidmüller)

Intégration avec des sources d'énergies renouvelables

Non seulement les data centers consomment davantage d'électricité, mais le coût du kilowattheure (kWh) de cette électricité augmente également, ce qui exacerbe les problèmes de coût et de durabilité. Pour répondre à ces préoccupations, des sources d'énergies renouvelables, telles que l'énergie solaire, sont intégrées dans les data centers. Là encore, les conceptions BESS modulaires utilisant des connecteurs de pôles de batterie peuvent fournir la flexibilité nécessaire.

La consommation énergétique croissante des data centers suscite également l'attente que les opérateurs de data centers soient de bons gestionnaires de l'environnement. Outre les réductions directes des coûts énergétiques, les opérateurs de data centers peuvent également tirer parti de l'écrêtement des pointes de consommation, de la réponse à la demande et d'autres outils pour réaliser des avantages de coûts secondaires.

Le système BESS peut fournir des services de réseau de valeur, tels que la régulation de fréquence et le support de tension, améliorant ainsi la résilience du réseau. Dans un environnement de campus, un système BESS peut faire partie d'un micro-réseau qui prend en charge l'îlotage et fonctionne indépendamment du réseau.

Les systèmes BESS peuvent modifier les schémas de consommation d'énergie en stockant l'énergie renouvelable pendant les périodes de faible demande et en l'utilisant pendant les périodes de pointe, réduisant ainsi la demande sur le réseau et nivelant les coûts, car les fournisseurs d'électricité facturent souvent des tarifs plus élevés pendant les heures de pointe.

Norme UL 4128 pour connecteurs BESS

La norme UL 4128 spécifie les exigences relatives aux moitiés de raccordement des connecteurs utilisés pour relier les cellules de batterie (intercellule) et les niveaux de batterie (interniveau) dans un système BESS. La norme couvre les câbles, les connecteurs de câbles et les prises de raccordement répertoriés jusqu'à 2000 V qui ne sont pas destinés à être connectés ou déconnectés sous charge.

Le connecteur doit être complètement inséré et verrouillé avant d'être mis sous tension. Le moindre mouvement du connecteur peut réduire la surface de contact, augmenter la résistance de contact et créer un point chaud susceptible de provoquer un incendie. Cette fonction de verrouillage est importante pour la sécurité du système BESS. De plus, la charge de traction sur les connecteurs d'un assemblage de câble ne doit pas dépasser la limite supérieure spécifiée.

Les connecteurs sont conçus pour être utilisés avec des conducteurs en cuivre ou en alliage de cuivre, répertoriés pour au moins +90°C. Ils sont destinés à l'assemblage en usine ou sur le terrain et peuvent être utilisés en extérieur comme en intérieur, supportant plus de 100 opérations de connexion et de déconnexion mécaniques (sans charge).

Les connecteurs répertoriés UL 4128 ne sont pas destinés à une utilisation dans les zones dangereuses ; par conséquent, un capuchon de protection doit être installé sur tous les connecteurs non utilisés. Enfin, des avertissements concernant le risque de brûlures peuvent être requis lors de l'utilisation des connecteurs à des températures ambiantes élevées.

Connecteurs de pôles de batterie

Les connecteurs de pôles de batterie, en particulier ceux qui répondent aux exigences de la norme UL 4128, ont été développés pour fournir des performances et une sécurité supérieures dans les systèmes BESS haute puissance par rapport aux assemblages de câbles à cosses simples et peu coûteux.

Les connexions à cosses n'offrent pas la flexibilité requise dans un système BESS modulaire. Elles nécessitent une connexion manuelle et un serrage des écrous sur chaque cosse, ce qui implique trop de travail et est source d'erreurs. En outre, si l'écrou n'est pas correctement serré, il en résulte une connexion à haute résistance qui génère de la chaleur, gaspille de l'énergie et crée un risque potentiel d'incendie.

L'absence de protection environnementale et la robustesse des connexions à cosses peuvent conduire à un fonctionnement peu fiable à long terme. Les connexions à cosses n'offrent pas de protection contre le contact des doigts et peuvent constituer un grave danger pour les installateurs en présence de niveaux d'énergie élevés.

Au lieu des cosses de câbles, les concepteurs peuvent opter pour des connecteurs de pôles de batterie à code couleur, conformes à la norme UL 4128 (Figure 3). Le codage couleur, tel que défini dans la norme UL (orange pour positif et noir pour négatif), est utilisé sur les connecteurs de câbles et les connexions de barres omnibus pour créer un code visuel et accélérer l'assemblage.

Figure 3 : Les connecteurs de pôles de batterie permettent des connexions rapides et efficaces dans les systèmes BESS modulaires, et ils sont essentiels pour garantir la sécurité et le rendement. (Source de l'image : Weidmüller)

En plus du code couleur, les deux extrémités des connecteurs de pôles de batterie sont dotées d'un détrompage mécanique pour les connexions positive et négative, prévenant ainsi toute possibilité d'erreur d'assemblage lors du raccordement des connecteurs. Le détrompage des connecteurs de pôles de batterie de Weidmüller permet de brancher le connecteur dans n'importe quelle orientation, minimisant ainsi les contraintes mécaniques dans l'assemblage de câble.

Le mécanisme de verrouillage répond à l'exigence UL selon laquelle le connecteur doit être complètement inséré et verrouillé avant d'être mis sous tension. Les contacts sont séparés avant que le connecteur ne puisse être débranché, éliminant ainsi le risque d'arc électrique dangereux en cas de déconnexion involontaire sous charge.

Les contacts sont fabriqués en alliage de cuivre plaqué argent pour minimiser la résistance de contact, sont approuvés selon la norme UL 4128 et sont répertoriés pour plus de 100 opérations de connexion et de déconnexion mécaniques.

Les connecteurs de batterie Weidmüller (WBC) sont conçus pour résister aux conditions environnementales difficiles et ils bénéficient d'un indice de protection IP67 contre la pénétration de poussière et d'eau. Ils offrent une protection des doigts grâce à leur face de montage protégée.

La norme UL 4128 ne spécifie pas le matériau du corps du connecteur, mais uniquement ses exigences de performances. Les connecteurs de batterie Weidmüller sont fabriqués en polyamide 66 (PA 66), un thermoplastique modifié particulièrement adapté aux pôles de batterie. Les avantages du PA 66 par rapport au PA ordinaire incluent une meilleure protection contre le feu et une température de fonctionnement continue plus élevée. Le PA 66 répond également aux exigences strictes d'utilisation dans les véhicules ferroviaires. Les autres avantages du PA 66 incluent les suivants :

• Résistance au feu améliorée
• Absence d'halogène et de phosphore
• Faible dégagement de fumée et d'émanations

La gamme WBC permet le raccordement de sections de conducteurs s'étendant de 16 mm² à 95 mm², pour jusqu'à 200 A côté connecteur. Des assemblages de câbles sont également disponibles, réduisant considérablement la quantité de travail requise pour le câblage du système BESS (Figure 4). Voici quelques exemples de connecteurs de pôles de batterie et d'assemblages de câbles de Weidmüller :

• 2905330000, connecteur Moins mâle, répertorié pour 120 A et 1500 V
• 2905290000, connecteur Moins femelle, répertorié pour 120 A et 1500 V
• 2905320000, connecteur Plus mâle, répertorié pour 200 A et 1500 V
• 2905380000, connecteur Plus femelle, répertorié pour 200 A et 1500 V
• 2938270000, assemblage de câble de 324 mm de long, répertorié pour 120 A et 1500 V

Figure 4 : Exemples de connecteurs WBC mâles et femelles et d'un assemblage de câble avec connecteurs de pôles de batterie. (Source de l'image : Weidmüller)

Conclusion

Les changements dans l'architecture de puissance des grands data centers sont motivés par une combinaison de facteurs, notamment l'augmentation de la densité de puissance des racks pour répondre aux besoins de traitement et de stockage de l'intelligence artificielle et de l'apprentissage automatique, et la nécessité de gérer l'augmentation des coûts de l'électricité. Cela se traduit par de nouvelles conceptions d'alimentations secourues basées sur des systèmes BESS modulaires, utilisant des connecteurs de pôles de batterie pour assurer l'évolutivité et la modularité.

En plus de garantir une distribution d'alimentation fiable, les conceptions BESS modulaires permettent l'intégration de sources d'énergies renouvelables, telles que l'énergie solaire, capables de répondre aux attentes élevées en matière de sensibilité environnementale, de durabilité et de résilience. Les connecteurs de pôles de batterie qui prennent en charge ces besoins doivent répondre aux exigences de la norme UL 4128 afin de garantir une connectivité sûre et efficace des niveaux d'énergie élevés et potentiellement dangereux des batteries.

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