Faire passer les centres de données de la production d’énergie au diesel à la production d’énergie au gaz

 

Marcelo Algrain, Ph.D.
Délégué technique principal en ingénierie
Division Electric Power de Caterpillar, Inc.

Octobre 2016


Introduction

Les besoins en énergie du secteur des centres de données (CD) continuent d’augmenter à vive allure. Par le passé, les sites privilégiés des CD se situaient près de sources d’énergie peu coûteuses et fiables. Aujourd'hui, ces sites sont plus difficiles à trouver et la pression s'accentue pour trouver des solutions alternatives qui seront moins exigeantes sur le réseau, en particulier lorsque la demande en électricité est élevée.

Malgré le fait que de nombreux CD aient une capacité de production autonome suffisante grâce à leurs unités de secours diesel, la viabilité de l’exécution de ces unités pour décharger le réseau n'est ni économiquement réalisable (les coûts d’exploitation seraient prohibitifs en raison du coût élevé du carburant), ni autorisée par les restrictions du comité de contrôle de l'air en vigueur, qui imposent des limites sur les heures d’utilisation annuelles. La fonction des unités d’urgence diesel est exclusivement une alimentation de secours au niveau des CD lors des coupures d'électricité.  

En revanche, la production à partir de gaz a un impact environnemental bien inférieur et le coût du carburant est considérablement réduit par rapport à la production d’énergie au diesel. En outre, certains services publics proposent des incitations financières pour réduire la consommation en période d’encombrement du réseau. Dans ces conditions, cela devient viable sur le plan économique et environnemental pour un CD, d’utiliser des groupes électrogènes à gaz pour la cogénération pendant les périodes hors situations d’urgence. La proportion dans laquelle la cogénération serait nécessaire dépend des scénarios spécifiques, mais elle pourrait être aussi minime que pour supporter des charges non critiques afin d'alimenter l’intégralité de l'usine du CD.

Il est inutile de dire que pour un secteur qui doit fournir le niveau de résilience le plus élevé, l’idée de passer d'une alimentation diesel à une alimentation au gaz est un véritable bond technique sans transition, qui peut être considéré par certains comme étant trop radical. Le cas échéant, une approche évolutive, par étapes, est préférable.  

Le passage des CD de l'alimentation diesel à l'alimentation au gaz peut être réalisé de différentes manières. Plusieurs options sont décrites ci-dessous. Il convient de noter que même les solutions qui seraient généralement peu attrayantes pourraient être les bonnes solutions dans certains cas. 

 

Bâtir une centrale électrique de pointe au même endroit que le CD

La première option serait la moins perturbante pour les CD. La centrale de pointe serait utilisée lorsque la demande en électricité des CD aurait besoin d'être limitée. Le fait que la centrale offre des fonctions de soutien supplémentaire pour le réseau ou non dépend des propriétaires. Si l’usine sert à soutenir le réseau, elle devra respecter les codes de réseau des pays respectifs, par exemple IEEE 1547 aux États-Unis. En revanche, si la centrale de pointe n'est destinée qu'à soutenir le CD et à reporter la charge sur l'infrastructure réseau, les codes de réseau ne s’appliqueront pas dans la plupart des cas, ce qui simplifie l’installation, le processus d’approbation de connexion et réduit le coût des investissements.

 

Transformer les unités diesel en unités à deux combustibles

Transformer les unités diesel en unités à deux combustibles (diesel et gaz) est une solution techniquement attrayante. Il s'agirait en fait de produire un groupe électrogène qui a la réponse d’un moteur diesel mais quasiment le coût de carburant d’un moteur à gaz. Malheureusement, dans l’environnement réglementaire actuel, les unités devront se conformer à la réglementation d’un moteur diesel d'alimentation principale et nécessiteront un échappement important après le traitement à un coût considérable. 

 

Alimenter les charges non critiques à l’aide d’unités au gaz

La troisième option pour alimenter les charges non critiques à l’aide d’unités au gaz présenterait une réponse partielle pour reporter une partie du poids de la charge du CD sur l'infrastructure réseau. En général, les charges non critiques représentent moins d’un quart de la charge totale du CD. Si le soulagement est suffisant, cela peut être une solution acceptable. En outre, si le CD peut utiliser une partie de la chaleur générée par les unités au gaz comme une solution de production combinée de chaleur et d'électricité (cogénération), cette solution pourrait être mise en place pour améliorer davantage le rendement thermique.

 

Remplacer les unités diesel par des unités au gaz capables d'accepter des charges plus élevées

Le remplacement direct des groupes électrogènes diesel par des groupes électrogènes à gaz est une solution idéale. Même s’il est habituel de croire que les unités à gaz ont du retard au niveau de leurs capacités d'acceptation de charge par rapport à leurs équivalents fonctionnant au diesel, les développements récents de la technologie des moteurs à gaz ont conduit à de nombreuses percées en matière de performances des moteurs et ont considérablement amélioré leur capacité à accepter la charge. 

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Figure 1 : Régime transitoire de la tension et de la fréquence pour un changement progressif de 75 pour cent des charges des bancs de chargement

La figure 1 indique les régimes transitoires de tension (à gauche) et de fréquence (à droite) pour un changement progressif de charge de 75 pour cent. Le trait bleu correspond à un groupe électrogène à gaz classique, le trait rouge correspond à un nouveau groupe électrogène à gaz à réponse dynamique et le trait vert, à un groupe électrogène diesel. Comme illustré à la figure 1, les capacités d'acceptation de charge de la nouvelle technologie de moteur à gaz commencent à se rapprocher du niveau de performance attendu d’une unité diesel (au point où, dans certains cas, un remplacement direct d’une unité diesel par une unité au gaz relève du domaine du possible). En outre, l'optimisation du séquençage de chargement, l’allongement des temps de rampe de l’UPS et la réduction de la taille des charges en bloc peuvent façonner le profil de la charge du CD pour qu'il corresponde aux capacités d'acceptation de charge de la prochaine génération de groupes électrogènes à gaz, faisant des CD alimentés au gaz une réalité.

 

Utiliser un système de production hybride employant un mélange d'unités diesel et au gaz 

Enfin, il existe une solution hybride alliant les unités au gaz et diesel pour reporter la demande des CD sur l'infrastructure réseau au cours des périodes d’encombrement du réseau tout en conservant les performances des groupes électrogènes diesel dans des conditions d’urgence. Cela est possible car, dans l’ensemble, la charge à l’état d’équilibre dans un CD varie lentement et les exigences vis-à-vis de la réponse transitoire du groupe électrogène ne sont pas élevées. La difficulté se présente en cas de transition d’une source d’énergie à une autre. Les groupes électrogènes diesel ont toujours été en mesure de traiter ces transitions sans incident. À l’inverse, les unités classiques fonctionnant au gaz ne sont pas encore capables d'égaler les capacités transitoires des unités diesel. Toutefois, un système hybride gaz-diesel serait capable de répondre aux exigences de réponse transitoire et d'offrir des capacités de production, hors situation d'urgence, permettant d'alléger la charge sur l'infrastructure réseau lors des pics de demande.

Le rendu le plus simple d’un CD hybride diesel-gaz est une configuration de bus parallèle avec un mélange de groupes électrogènes à gaz et diesel. En gros, les groupes électrogènes à gaz et diesel sont reliés à un bus parallèle répartissant la charge. Étant donné que les unités à gaz ont généralement des capacités d’acceptation de charge plus faibles que les unités diesel, il serait avantageux d'exécuter les unités à gaz en mode de charge de base et les unités de diesel en mode de suivi de charge. La répartition de la quantité de gaz par rapport au diesel doit être choisie selon le niveau de production souhaité hors situations d'urgence, tout en fournissant suffisamment de rigidité du bus électrique grâce aux groupes électrogènes diesel afin de maintenir la qualité d’énergie ciblée dans des conditions d’urgence. Même si le rapport entre diesel et gaz diffère d'un cas à un autre, un point de départ acceptable serait une répartition 50/50.

Pour les CD utilisant des conceptions modulaires où un seul groupe électrogène alimente la charge informatique via les UPS, l’élaboration d’une configuration hybride exige un compromis plus important. En général, les systèmes modulaires ont un certain niveau de redondance de production, N+1 ou N+2, etc. Les groupes électrogènes redondants offrent une opportunité pour l’hybridation. La figure 2 présente le schéma monophasé d'un réseau simplifié d’un CD modulaire. Deux opportunités distinctes sont possibles : 

  1. Les groupes électrogènes à gaz sont utilisés pour la redondance et les unités diesel pour l'alimentation principale
  2. Les groupes électrogènes diesel sont utilisés pour la redondance et les unités à gaz sont utilisées pour l'alimentation principale

Dans le premier cas, la capacité de soulager la charge de l'infrastructure réseau est 1/N ou 2/N selon le niveau de redondance. Il s’agit d’une configuration dominante diesel. Le deuxième cas est la configuration dominante au gaz fournissant potentiellement toute l'énergie nécessaire pour le CD. L’attrait de chaque cas dépend du niveau de production autonome, hors situations d’urgence, ciblé.

 

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Figure 2 : Exemple de configuration de CD modulaire

Dans l'hypothèse où les groupes électrogènes à gaz ne sont pas complètement capables d'égaler la réponse transitoire d'acceptation de charge des unités diesel, voyons comment ces besoins seraient satisfaits par le système hybride. Dans le cas n°1, où les unités redondantes sont des unités à gaz, ces groupes électrogènes fonctionneraient en mode de charge de base. En cas de perte de l'infrastructure réseau, les unités diesel démarreraient et restaureraient l’alimentation sur l'UPS comme d'habitude, que les unités à gaz fonctionnent ou non. Dans les rares cas où l’une des unités diesel ne démarre pas, l’unité à gaz sera disponible pour remplacer l’unité diesel, mais l'entrée de l'UPS sur le groupe électrogène à gaz devra être ralentie à la capacité d'acceptation de la charge de l’unité à gaz. Par ailleurs, s’il y a plus d’une unité à gaz de remplacement pour une unité diesel qui n’a pas pu démarrer, par exemple un système N+2, il pourrait être intéressant, dans les capacités d’acceptation de la charge du couple d’unités à gaz, de prendre en charge l'entrée de l'UPS.

Dans la seconde configuration hybride, dans laquelle le groupe électrogène redondant est diesel et les groupes électrogènes principaux sont à gaz, il y a une capacité de production hors situations d’urgence suffisante pour pouvoir répondre à la consommation intégrale du DC en électricité, sans aucune charge ajoutée sur l'infrastructure réseau. Il serait toutefois avantageux de rester connecté à l'infrastructure réseau pour renforcer la source d’alimentation électrique et ajouter une redondance supplémentaire. Il serait préférable que la séquence de démarrage se produise en étant connecté à l'infrastructure réseau, de sorte que le groupe électrogène à gaz puisse monter en puissance jusqu'à un niveau auquel la charge informatique est entièrement supportée par l’unité à gaz et aucun courant ne circule dans le disjoncteur de l'infrastructure réseau. Dans le cas où le groupe électrogène à gaz aurait besoin d'être enclenché en l’absence d’infrastructure réseau, le groupe électrogène diesel redondant fournirait la rigidité nécessaire du bus électrique pour transférer la charge informatique sur l’unité à gaz. Ce processus doit être répété dans l’ordre jusqu'à ce que toutes les unités à gaz soient mises en service à partir d’un démarrage à zéro. Ce processus devrait augmenter la durée de fonctionnement de l'UPS, et plus particulièrement sur la dernière unité parcourue. Toutefois, pour les batteries d'UPS ayant un temps de décharge de plusieurs minutes, il ne s'agira pas d'une limitation car indiquer une priorité d'entrée du groupe électrogène dépasserait même la durée de fonctionnement de l'UPS sur toutes les unités. Cette dernière approche permet au CD de réduire la consommation de l'infrastructure réseau à des niveaux proches de zéro en période d'encombrement du réseau et permettrait aux propriétaires de CD de miser sur les incitations économiques que les services publics peuvent offrir.

 

Conclusion

En résumé, cet article blanc donne un aperçu des différentes possibilités pour faire passer un CD de la production d’énergie diesel au gaz. Cette migration peut être progressive jusqu'à la conversion complète. La décision de savoir jusqu'où aller dépendra principalement de l’ampleur du soulagement du réseau nécessaire en cas de forte demande électrique et des mesures incitatives économiques pour limiter la consommation électrique externe du centre de données grâce à l’utilisation de la cogénération. Les tendances actuelles indiquent que la congestion du réseau continuera à augmenter puisque les centrales électriques sont mises hors service et que la pénétration des sources d’énergie renouvelables et des ressources de production d’énergie variables augmente. Face à la volatilité émergente sur le marché de l’énergie électrique, la production d’énergie au gaz offre aux infrastructures de centre de données une solution résiliente et raisonnable du point de vue économique et environnemental. Le coût du gaz naturel est historiquement bas et les réserves sont abondantes. Une étude1 commandée par le département de la Défense des États-Unis a conclu que le système au gaz naturel est, en général, suffisamment solide pour supporter des coupures du réseau électrique de deux semaines à trois mois. Par le passé, il y a eu très peu de pannes dans le réseau de distribution du gaz naturel, avec des contrats de livraison fermes présentant une fiabilité supérieure à 99,999 %. En résumé, le gaz naturel est une solution viable pour alimenter un centre de données.

1Sources : Department of Defense: Interdependence of the Electricity Generation System and the Natural Gas System and Implications for Energy Security - 2013 (Département de la Défense : interdépendance du système de génération d’électricité et du système à gaz naturel et conséquences pour la sécurité énergétique - 2013)

 

À propos de Caterpillar

Depuis 90 ans, Caterpillar Inc. est au service du progrès et s'implique dans des changements positifs sur tous les continents. Les clients se tournent vers Caterpillar pour mieux développer des infrastructures, des actifs énergétiques et en ressources naturelles. Avec des ventes et bénéfices de 47,01 milliards de dollars en 2015, Caterpillar est le leader mondial des fabricants d'équipements de construction et d'exploitation minière, de moteurs diesel et au gaz naturel, de turbines à gaz industrielles et de locomotives diesel-électriques. La société exerce principalement ses activités grâce à ses trois segments de produits (Resource Industries, Construction Industries et Power Systems) et offre également des services financiers et connexes grâce à son segment Financial Products.

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