Les systèmes d'alimentation sans interruption (UPS) triphasés utilisent couramment des batteries au plomb régulées par soupape (VRLA). Mais en raison de leur poids et de leurs dimensions, celles-ci obligent les centres de données à avoir des structures porteuses renforcées. De plus, leurs caractéristiques de performance varient en fonction de la température, ce qui fait que les systèmes de climatisation sont davantage sollicités. Enfin, ces batteries n’ont pas une durée de vie très longue et doivent être remplacées régulièrement, ce qui augmente les coûts d’exploitation.

Comme il n’existe pas d'alternatives économiquement viables aux batteries VRLA, les ingénieurs ont dû se résoudre à accepter leurs défauts. Mais la situation a changé ces dernières années pour les batteries au lithium-ion. Jusqu'à présent, il n’était pas viable de les utiliser dans les systèmes UPS des centres de données car toutes les conditions n'étaient pas réunies en termes de prix, d’énergie, de capacité, de sécurité et de fiabilité. Mais grâce aux progrès réalisés dans le domaine des véhicules électriques, le problème a été résolu. Les premiers systèmes UPS alimentés par des batteries au lithium-ion sont apparus sur le marché en 2016. Aujourd'hui, tous les grands fabricants en proposent et ils semblent avoir l’avenir le plus prometteur. Selon un rapport de Bloomberg New Energy Finance (BNEF), d'ici 2025 les solutions au lithium-ion représenteront 40 % du marché des UPS utilisés dans les centres de données.

Les avantages des batteries au lithium-ion

Les sociétés d'électronique grand public ont l’habitude d’utiliser des batteries au lithium-ion et cobalt qui possèdent une capacité de plusieurs ampères-heures. Ces alimentations sans interruption contiennent des cellules de lithium-manganèse rectangulaires. Elles ont une puissance installée de 60 ampères-heures et possèdent une durée de vie nettement plus longue ainsi que plusieurs degrés de protection contre les coupures. Des modules individuels, et parfois même des cellules individuelles, sont chargés de surveiller les principaux paramètres de performance que sont la température, la tension et le courant. Parfois, des armoires électriques et même le système entier peuvent être chargés de ce processus de surveillance. Cette surveillance est nécessaire pour avoir un contrôle total des processus de chargement et déchargement afin d'éviter toute surchauffe critique ou réaction chimique irréversible. Les batteries au lithium-ion affichent également une densité d'énergie (Wh/kg) et une densité de puissance de sortie (W/kg) supérieures. À capacité de stockage énergétique comparable, elles pèsent environ trois fois moins lourd que les batteries au plomb, ce qui contribue à réduire la masse totale du système d’environ 60 à 80 %.

Ces dernières années, les centres de données ont cherché à augmenter leur densité de puissance en raison de limitations spatiales et afin d'optimiser leur rendement opérationnel. Faire meilleur usage de l’espace disponible est l’une des priorités des gestionnaires de centres de données. Les batteries au lithium-ion compactes réduisent la place que prend un système UPS de 50 à 80 %. En outre, ces batteries se chargent plus rapidement et présentent un meilleur taux d'auto-décharge, ce qui joue beaucoup quand les pannes sont fréquentes. Au repos, une batterie au lithium-ion perd seulement 1 à 2 % de sa charge par mois. Mais son avantage principal est sa durée de vie. Les batteries au plomb ont un cycle de vie relativement court qui va de 3 à 6 ans, alors que les batteries au lithium-ion durent 10 ans en moyenne. Selon leur composition chimique, leur technologie et leur température, elles peuvent avoir un rendement de charge allant jusqu'à 5000 cycles de vie et sont sans entretien, à comparer avec le rendement de charge moyen des batteries au plomb de seulement 700 cycles de vie.

Le coût global de possession des batteries Li-ion sur 10 ans (durée de vie moyenne d’un système UPS dans un centre de données) a diminué de 39 % par rapport aux batteries au plomb. Bien qu’il s'agisse d’une estimation optimiste, cela garantit au moins 10 % d'économies. Les batteries au lithium-ion ne présentent en fait qu’un seul défaut majeur : l’investissement initial, qui est sensiblement supérieur. C’est pourquoi les grands centres de données ont été les premiers à introduire ces nouvelles solutions. Pour eux, réduire le coût global de possession passe avant n’importe quel autre avantage à court terme, et même un petit pourcentage d'économies peut peser lourd dans la balance. De surcroît, les batteries compactes permettent de mieux rentabiliser l’espace disponible, ceci pendant que des systèmes de surveillance fiables assurent la sécurité et la stabilité des performances. Les batteries au lithium-ion peuvent fonctionner à des températures plus élevées que les batteries VRLA sans perdre de capacité, ce qui diminue la sollicitation des systèmes de refroidissement. Bien entendu, on trouve également des systèmes UPS monophasés pourvus de batteries au lithium-ion. Il existe des modèles conçus pour une multitude d'applications, des centres de données les plus grands aux salles de serveurs les plus petites – et même les baies individuelles –, en passant par des applications industrielles.

Opportunité d’un remplacement de batteries

Au bout du compte, la question la plus importante à laquelle le client final doit répondre est la suivante : est-ce le bon moment de moderniser mon système d'alimentation sans interruption avec des batteries au lithium-ion ? Pour y répondre, la première chose à faire est d’examiner les moyens techniques disponibles. Il n’existe pas de batteries neuves pour tous les modèles d’UPS et un remplacement de batteries peut demander des mises à niveau matérielles et logicielles conséquentes. Même à tension nominale égale, les caractéristiques de charge et décharge d’une batterie varient.

L’espérance de vie d'un système UPS classique dans un centre de données s'élève généralement à 10-15 ans. Dans le même temps, les batteries au plomb durent 3 à 6 ans, tandis que les batteries au lithium-ion durent 10 ans voire plus. Remplacer une bonne partie des batteries au plomb d’un système UPS en début de vie (moins de 5 ans) présente un intérêt. En revanche, s'il s'agit de batteries au lithium-ion, il est très probable que celles-ci durent jusqu’à ce que le système UPS rende l’âme. Si votre alimentation sans interruption approche de la moitié de sa vie, il se peut que les batteries aient une durée de vie plus longue – de fait, la plupart du temps cela n’a pas de sens de les remplacer. En fin de vie, il convient d’envisager un remplacement du système UPS lui-même par une nouvelle solution utilisant des batteries au lithium-ion. Néanmoins, même pour un système UPS âgé, il peut être opportun d'installer des batteries chères. Il faut alors tenir compte de la baisse des prix constante ainsi que du rapport entre les coûts d’entretien du vieux système et le coût d’un remplacement complet.

Prévisions et perspectives

Bien que les systèmes UPS alimentés par des batteries au lithium-ion réduisent considérablement les coûts d’exploitation et le coût global de possession, la majorité des clients continuent d’utiliser des solutions VRLA, qui ont fait leurs preuves dans le temps. Cela peut s’expliquer d'abord par le fait que les batteries au lithium-ion sont avantageuses uniquement dans une optique de long terme. Et ensuite par leur coût d'investissement sensiblement supérieur. Quoi qu'il en soit, l’intérêt des clients pour l’innovation grandit année après année et continuera de grandir. Pour les centres de données de grande taille, le potentiel d'économies peut s'avérer énorme, si bien que les systèmes au lithium-ion vont être de plus en plus répandus dans le secteur des entreprises. La composition chimique des batteries au lithium-ion continue de progresser elle aussi. De nouvelles solutions et technologies verront le jour au fil du temps et le prix des batteries au lithium-ion va encore continuer à baisser.

 

▼ Exemple de configurations de batteries dans un centre de données : batteries VRLA vs lithium-ion