Relever le défi énergétique des centres de données… grâce aux batteries

L'augmentation des besoins en calcul des charges de travail d'entraînement et d'inférence de l'IA engendre une demande d'énergie sans précédent et exerce une pression sur les réseaux électriques qui n'ont pas été conçus pour faire face à cette expansion rapide.

Dans ce contexte, les systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS) apparaissent comme un élément essentiel des infrastructures énergétiques modernes.

Considérées auparavant principalement comme des systèmes d'alimentation de secours, les installations de stockage d'énergie par batterie (BESS) sont de plus en plus intégrées à des architectures de systèmes électriques sophistiqués.

Comprendre les BESS

Un système de stockage d'énergie par batterie combine essentiellement des cellules de batterie électrochimiques, des équipements de conversion de puissance, des systèmes de gestion thermique, des systèmes de sécurité et des logiciels de contrôle avancés.

Solutions de stockage d'énergie par batterie (BESS) de Cummins Power Generation

Si le matériel de la batterie stocke et fournit l'énergie, c'est de plus en plus la couche logicielle qui crée la valeur.

Les systèmes modernes de gestion de l'énergie (EMS) surveillent en permanence les profils de charge, les conditions du réseau, les prix de l'électricité et, dans certains cas, les prévisions de production d'énergie renouvelable.

Cela permet aux opérateurs d'optimiser comment et quand l'énergie est stockée, déchargée ou échangée avec d'autres sources d'énergie.

Selon Dinesh Balaji Ramaraj, responsable du développement commercial et du marketing chez Cummins, « le système EMS est le cerveau – c'est ce qui transforme un ensemble d'actifs déconnectés en une centrale électrique optimisée.

« Il prévoit la charge, les prix et les conditions météorologiques, et fonctionne en parallèle avec le réseau, coordonnant le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) sur site et l'alimentation électrique principale afin de minimiser les coûts et les émissions, tout en garantissant la fiabilité opérationnelle et en gérant les contraintes du réseau. »

Dinesh Balaji Ramaraj, responsable du développement commercial et du marketing chez Cummins Power Generation

Ce niveau de coordination devient de plus en plus important à mesure que les opérateurs de centres de données cherchent à équilibrer les exigences de fiabilité et les objectifs de durabilité.

Le besoin de toujours plus d'énergie

Pour de nombreux opérateurs, l'obtention d'une puissance suffisante est devenue l'un des principaux obstacles à leur expansion.

La croissance rapide des infrastructures d'IA, combinée aux difficultés de raccordement aux réseaux, crée un goulot d'étranglement pour les développeurs, qui subissent également des pressions pour réduire les émissions et améliorer l'efficacité énergétique.

De plus, dans de nombreuses régions, la modernisation du réseau électrique peut prendre des années, ce qui aggrave le problème.

« Le rapport vitesse/puissance est la principale contrainte », explique Dinesh. « Les files d’attente pour l’interconnexion aux réseaux électriques s’étendent désormais sur des années, alors que la demande en puissance de calcul ne peut attendre. »

De ce fait, les opérateurs se tournent de plus en plus vers des solutions autres que les raccordements au réseau traditionnels et adoptent des stratégies énergétiques plus diversifiées incluant le stockage, la production sur site et le contrôle des micro-réseaux.

Pourquoi les charges de travail d'IA changent la donne

Les centres de données traditionnels présentent généralement des schémas de consommation d'énergie relativement prévisibles.

Les infrastructures d'IA, en particulier celles dédiées à l'entraînement des modèles, se comportent différemment.

« Les centres de données traditionnels supportent des charges relativement stables ; l'entraînement de l'IA est tout le contraire : les clusters de GPU [unités de traitement graphique] synchronisés passent de l'inactivité à une charge de 100 % en quelques millisecondes, créant ainsi de fortes variations de puissance », explique Dinesh.

Ces fluctuations rapides posent des problèmes pour les transformateurs, les appareillages de commutation, les générateurs et les raccordements au réseau électrique.

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Les installations de stockage d'énergie par batterie (BESS) sont de plus en plus déployées comme tampon entre les charges informatiques volatiles et le réseau électrique global.

BESS comme amortisseur

L'un des rôles les plus importants des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) dans les centres de données modernes est l'atténuation des oscillations (ou la stabilisation de la charge).

Plutôt que de laisser des variations de charge soudaines, pilotées par l'IA, se propager à travers l'ensemble du système électrique, les batteries peuvent lisser les fluctuations avant qu'elles n'affectent l'infrastructure en amont.

Dinesh décrit le rôle de cette technologie en ces termes : « Le système de stockage d’énergie par batterie (BESS) devient l’amortisseur de l’architecture électrique. Son rôle principal est de découpler l’impact des charges de calcul volatiles sur le réseau et les moyens de production. »

Le temps de réponse est un atout majeur. Alors que les générateurs classiques nécessitent un certain temps pour atteindre leur puissance maximale, les systèmes de batteries modernes à onduleur réagissent en quelques millisecondes. Ils sont ainsi particulièrement performants pour gérer les variations transitoires, les perturbations de tension et les fluctuations soudaines de la demande.

Intégration de l'énergie du réseau, des générateurs et du stockage

Dans la plupart des installations à forte consommation, le BESS fait partie d'un écosystème énergétique plus large qui peut inclure l'alimentation du réseau électrique, des générateurs de secours, des actifs d'énergie renouvelable et des systèmes d'alimentation sans interruption (UPS).

Dans ce système, la batterie fournit l'énergie tampon essentielle pendant des périodes prolongées, afin de soutenir le fonctionnement stable des principaux équipements sur site et la résilience globale du réseau.

Les raccordements au réseau fournissent l'énergie en grande quantité, les générateurs assurent une capacité sur site à plus long terme et la batterie gère les fluctuations à court terme.

Il en résulte un système efficace et résilient. Au lieu de devoir constamment réagir aux variations de charge transitoires, les générateurs peuvent fonctionner au plus près de leur rendement optimal, ce qui réduit l'usure et améliore la consommation de carburant.

De plus en plus, les systèmes de stockage sont également utilisés pour assurer la continuité de l'alimentation électrique en cas de coupure du réseau.

Système d'alimentation entièrement intégré Cummins

Accélération du déploiement des centres de données

Un autre avantage potentiel des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) réside dans l'accélération de la réalisation des projets.

Comme les systèmes de batteries peuvent fournir temporairement de l'énergie pendant les périodes de pointe, les installations peuvent fonctionner avec un raccordement au réseau plus faible que nécessaire.

Dans ce cas, le développement pourrait se poursuivre pendant que les services publics s'attellent à la modernisation du réseau à plus long terme.

Dinesh explique : « Nous avons constaté comment les systèmes BESS peuvent aider les sites à être opérationnels des années avant la modernisation d'un poste de transformation, puis à dimensionner correctement le raccordement au réseau une fois que le service public a rattrapé son retard. »

Pour les opérateurs soumis à une forte pression pour mettre rapidement leurs capacités en service, cette flexibilité peut s'avérer très précieuse.

Soutenir l'intégration des énergies renouvelables

Les énergies renouvelables jouent un rôle de plus en plus important dans les stratégies de développement durable des centres de données. Cependant, la production d'énergie solaire et éolienne est par nature variable, ce qui pose des problèmes aux installations qui nécessitent une alimentation électrique continue et fiable.

Le stockage par batteries contribue à combler cet écart en captant l'énergie renouvelable lorsqu'elle est disponible et en la fournissant lorsque la demande dépasse la production.

Cette fonctionnalité permet aux opérateurs de mieux exploiter les installations solaires sur site ou l'électricité renouvelable achetée via des contrats énergétiques dédiés. Elle soutient également les nouvelles approches de réduction des émissions de carbone qui privilégient l'adéquation entre la consommation d'électricité et une production d'énergie plus propre, heure par heure, plutôt que le simple achat de certificats annuels d'énergie renouvelable.

Comme le dit Dinesh, « le BESS est un élément clé de la réduction des émissions de portée 2 car il permet à une installation d'utiliser réellement l'énergie renouvelable qu'elle se procure, en stockant la production propre et en la restituant lorsque le réseau est le plus pollué ».

Système de stockage d'énergie par batterie (BESS) intégré aux sources d'énergie renouvelables éolienne et solaire

Gestion des pics de consommation et des coûts énergétiques

Si la résilience demeure un facteur primordial, la rentabilité joue un rôle de plus en plus important dans l'analyse de rentabilité du stockage d'énergie. De nombreux tarifs d'électricité industriels et commerciaux incluent des frais de puissance élevés, calculés en fonction de la consommation électrique maximale à court terme d'une installation. Les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) permettent de réduire ces frais en fournissant de l'énergie pendant les périodes de pointe, diminuant ainsi les besoins globaux de l'installation sur le réseau.

Le stockage peut également servir à l'arbitrage énergétique, en chargeant l'énergie lorsque les prix de l'électricité sont bas et en la déchargeant pendant les périodes de prix plus élevés. Dans les régions où les marchés de l'électricité sont volatils, ces capacités peuvent améliorer sensiblement la rentabilité des opérations tout en réduisant la pression sur le réseau.

Passage à des applications multi-mégawatts

Modulaires, les systèmes de batteries modernes permettent aux opérateurs d'augmenter progressivement leur capacité au fur et à mesure que les besoins informatiques croissent. Cette évolutivité s'accorde parfaitement avec l'approche de développement par phases couramment utilisée dans la construction de centres de données. Cela dit, la création d'installations de stockage de plusieurs mégawatts ne se limite pas à l'ajout de batteries.

Dinesh affirme : « Une fois que les commandes, la mise à la terre et la protection du système sont correctement configurées, la mise à l'échelle devient largement reproductible. »

Cette approche modulaire offre également des possibilités d'expansion future sans nécessiter de refonte majeure de l'infrastructure électrique sous-jacente.

Au-delà des batteries

Pour l'avenir, de nombreux observateurs du secteur s'attendent à voir apparaître des systèmes hybrides de plus en plus sophistiqués combinant stockage, production conventionnelle, énergies renouvelables et technologies émergentes à faibles émissions de carbone telles que les moteurs à hydrogène et les piles à combustible.

Dans ces environnements, des systèmes de contrôle intelligents détermineront quelle source d'énergie doit être utilisée à un instant donné en fonction des exigences de coût, de disponibilité, d'émissions et de fiabilité.

« Nous prévoyons que les frontières entre production, stockage et sauvegarde continueront de s'estomper pour aboutir à des micro-réseaux intégrés qui s'auto-optimisent en temps réel », explique Dinesh.

Pour des fabricants comme Cummins, qui développent des technologies dans de multiples domaines énergétiques, cette tendance renforce l'importance des solutions énergétiques intégrées plutôt que des produits isolés.

Maintenance, surveillance et cycle de vie

Comme pour toute infrastructure critique, la maintenance continue demeure essentielle. Cependant, une grande partie de la gestion des actifs peut aujourd'hui être effectuée à distance grâce à des plateformes de surveillance avancées qui analysent en continu l'état des batteries, leurs performances thermiques et les données opérationnelles.

Cette approche prédictive permet aux opérateurs d'identifier les problèmes potentiels avant qu'ils n'affectent la disponibilité, améliorant ainsi la fiabilité tout en réduisant les coûts de maintenance.

À plus long terme, le secteur se concentre également de plus en plus sur la durabilité du cycle de vie.

Les applications de seconde vie des batteries, la récupération des matériaux et les programmes de recyclage prennent une importance croissante à mesure que le marché des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) se développe.

Lors de l'évaluation du coût total de possession, ces facteurs doivent être pris en compte au même titre que les coûts d'investissement, les économies opérationnelles et les autres avantages.

Pour de nombreuses applications, la solution la plus efficace n'est pas un choix binaire entre batteries et générateurs, mais une combinaison de technologies soigneusement conçue.

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Cet article a été produit par KHL Content Studio, en collaboration avec des experts de Cummins.

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Toutes les images non créditées sont une gracieuseté de Cummins.

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