Brevet FR3136905A1 — publié le 20231222

A Titre de l’invention et son domaine technique Datacenter Hydrogène Vert Local 100% EnR ; C’est un dispositif technique industriel qui permet de d’exploiter sur n’importe quel site bâti ou non secteur d’activités ou non, un datacenter Hydrogène Vert Local 100% EnR de classification TIER 3. B Résumé des caractéristiques techniques essentielles Ce Datacenter Hydrogène Vert Local 100% EnR est caractérisé par un système complet et compacte associant une production d’électricité verte, un dispositif de stockage d’électricité verte hybridé (batterie + chaîne hydrogène vert), un micro datacenter vert local et un logiciel autoapprenant. Un local d’une surface inférieure à 20 m2 et d’une hauteur entre 3 et 12 m suffit en raison de sa miniaturisation pour accueillir ce datacenter Hydrogène Vert Local 100% EnR et ses extensions potentielles de stockage Hydrogène Vert. C Utilisations principales de l’invention Il peut être associé à des équipements et bâtis de toute sorte y compris des établissements recevant du public dont il améliore la performance d’autoconsommation d’au moins 35% pour les activités de proximité grâce à la chaîne production/Stockage et logiciel autoapprenant. Il contribue à l’effort du Plan Climat pour une neutralité carbone ; il répond à une meilleure souveraineté numérique et à une moindre vulnérabilité en raison de son organisation en multi réseaux de data centers Hydrogène Vert locaux grâce à la facilité et la rapidité de ses réplications sur l’ensemble des territoires. Datacenter Hydrogène Vert Local Introduction L’invention et la réalisation du Datacenter Hydrogène Vert local répond à la mission qu’a confié le Premier ministre, Secrétariat général pour l’investissement le 21 décembre 2017, à la Société ECOBIO, dans le cadre du Programme d’investissements d’avenir (PIA) dont elle est lauréate. Par cette mission, La société ECOBIO est chargée de la réalisation d’un prototype démonstrateur dénommé ECOBIOH2 et de ses réplications au niveau national et international. Pour cela la société ECOBIO, a créé un consortium dans lequel sont réunis avec elle, la société ENERCOOP et le laboratoire ETIS avec pour tuteurs le CNRS, l’ENSEA l’Université Cergy Pontoise. La coordination du programme a été confiée par la Société ECOBIO à la société ZENT avec un objectif d’efficacité énergétique apporté par l’optimisation des travaux d’ETIS ; ces travaux de la société ZENT étant financés par la société ECOBIO. Domaine technique de l’invention Le Datacenter Hydrogène Vert local est le résultat d’un process industriel et d’une vision urbaine novatrice qui permet le stockage pérenne de l’énergie renouvelable 100% (l’EnR) produite localement afin d’assurer un usage premier, celui du Datacenter Hydrogène Vert Local de façon pérenne et sans discontinuité à partir d’une électricité renouvelable 100% verte et locale. Le prototype de Datacenter Hydrogène Vert Local est opérationnel ; il a été réalisé en Centre-Ville d’Avignon au cœur d’un patrimoine historique, associée à des équipements recevant du public (ERP type L, catégorie 3), sur le site de LaScierie 15 boulevard du Quai Saint Lazare en Avignon. Ce prototype associe en un cycle court et local la production d’électricité EnR, son stockage vert décarboné sans limite de temps et son utilisation pour un usage numérique vert local en souveraineté par son Datacenter Hydrogène Vert Local. L’usage de l’électricité EnR produite sur le site d’accueil n’est pas exclusif ; d’autres activités du site d’accueil peuvent bénéficier de l’électricité verte produite en surplus et stocké notamment sous forme d’Hydrogène Vert sur le site ; de même la chaleur produite est réutilisable sur le site au bénéfice des autres activités existantes. Selon le rapport de l'Arcep et de l'Ademe (Publication siècle digital publication 20 janvier 2022 https://siecledigital.fr/2022/01/20/le-numerique-est-responsable-de-25-de-lempreinte-carbone-de-la-france/,) « le numérique est à l'origine de 2,5% de l'empreinte carbone en France. Si l'impact du numérique sur l'empreinte carbone est très faible en comparaison avec celui des transports (29%), il y a une évidence sur le fait que la transition numérique a profondément bouleversé les codes de l’ensemble des secteurs d’activité. Le numérique est au cœur de notre quotidien, dans la vie privée comme professionnelle. L'étude permet également d'observer que les services numériques sont responsables de 10% de la consommation électrique française, soit l’équivalent de la consommation annuelle de 8 282 000 foyers français ». Le stockage et la gestion des données informatiques par les Datacenter sont très énergivores, principalement en énergie électrique (consommation en France : 5 MWh/m²/an2 source : https://www.actu-environnement.com/ae/news/data-centers-efficience-energetique-36248.php4 - 07/10/2020). Le refroidissement est un poste particulièrement important. Différentes stratégies permettent d’améliorer l’efficacité de ce poste : free cooling, recherche de point de fonctionnement à des températures élevées (>20°C), optimisation du taux de charge des baies, etc. Parmi les tendances observées, on constate que les opérateurs installent des Datacenters de taille de plus en plus importante, éloignés des zones d’activité industrielle et des centres urbain. A ce jour, le « smart ne réduira pas la crise climatique et énergétique, au contraire. Aucune étude ne prouve en effet que le bilan global se fait à la faveur du numérique. Il aggraverait plutôt davantage les problèmes qu’il prétend résoudre, malgré les discours techno-solutionnistes ». (Cf. Rapport Ademe, 2019. Synthèse : https://librairie.ademe.fr/urbanisme-et-batiment/908-impact-spatial-et-energetique-des-data-centers-sur-les-territoires-l-.html) Le groupe de travail numérique du think-tank « The shift project » a revu récemment à la baisse ce scénario du pire mais estime cependant que le secteur numérique pourrait représenter 25% de l’électricité mondiale en 2025 (5% pour les Datacenters), sans se prononcer sur 2030. Les tendances du monde des Datacenters sont : croissance, interdépendances, centralisation. Les Big Tech, notamment états-uniens et chinois, poursuivent leur développement et la construction de Datacenters hyperscales, détenues et exploitées par les grandes entreprises productrices de données. Les Datacenters vont donc fonctionner encore plus en réseau entre eux, et la croissance des uns entrainera celle des autres : on voit donc la consolidation d’un macro-système numérique, qui semble de moins en moins résilient. L’architecture d’internet se centralise de plus en plus, l’intelligence se situant dans les clouds et les Datacenters, tandis que les terminaux informatiques sont de plus en plus bridés et faibles en logiciels aussi bien qu’en mémoire. Les internautes deviennent ainsi très dépendants des Datacenters, de leur connectivité, sans avoir aucunement la main dessus, avec un risque majeur de perte de souveraineté à l’échelle d’une entreprise d’une collectivité d’un pays. Il est donc vital que le secteur améliore son efficacité énergétique, avec des moyens de stockage des énergies renouvelables adaptés, tel l’hydrogène ; il est fondamental que les utilisateurs puissent reprendre la main, bénéficiant de Datacenters locaux verts en responsabilité et traçabilité. Ce constat appelle une réaction pour renouer une relation de confiance entre la ville et l’industrie au plus près de chaque territoire, considérant les flux de données numériques comme n’importe quel autre flux nécessaire à l’humanité du XXIème siècle, et de pouvoir accueillir en tout lieu un centre de données numériques fonctionnant avec une énergie renouvelable de façon pérenne en synergie avec les activités du site d’accueil. Le Datacenter Hydrogène Vert Local qui existe désormais aujourd’hui comme prototype sur le Tiers-lieu LaScierie en Avignon, a été conçu pour répondre à la problématique posée ci-dessus dont l’urgence a été confirmée par la mission confiée à la société ECOBIO. Ce Datacenter Hydrogène Vert Local de classification TIER 3 peut être localisé sur n’importe quel site qu’il soit urbain ou non, au plus près de ses utilisateurs, en raison d’une part de sa miniaturisation et d’autre part du process innovant de gestion de l’énergie et d’optimisation de rendement des serveurs. Dans ces conditions, les réplications attendus et demandées par le gouvernement français peuvent être envisagées. Vu les urgences des transitions climatiques et énergétiques les délais de mise en œuvre devront faire partie des critères prioritaires. Le stockage de l’électricité verte par le vecteur énergie Hydrogène Vert au plus près des usages assure un modèle économique pérenne et potentiellement plus responsable. Ce Datacenter Hydrogène 100% Vert, 100% Décarboné et 100% Local, contribue à l’économie circulaire au sein de son territoire par la maintenance sur le territoire d’accueil des valeurs ajoutés issues des flux numériques. Il a vocation à se développer en réseau au plus proche des bassins de vie dans les sites existants ou à créer qu’il soit Ecoîlot, Ecoquartier, Tiers-lieu, parc d’activités industrielles ou commerciales. Le Datacenter Hydrogène Vert Local, par son maillage en réseau, est une réponse aux besoins grandissants de traçabilité, de sécurité, d’une gestion énergétique optimisée et d’un stockage en souveraineté des données numériques. Il contribue de par un nouveau lien entre l’urbain et l’industrie aux objectifs des différents Plans Climat, tant nationaux européen que mondial, notamment en réduisant l’impact environnemental des Datacenters et leurs consommations d’énergie primaire et d’énergie finales. L’innovation porte également sur le fait d’offrir à des clients situés à proximité sur le territoire (entreprises, collectivités, particuliers) un hébergement local de données. La décentralisation de l’hébergement permet ainsi une circulation « en circuit court » pour augmenter la visibilité, contrôler l'accès et maîtriser les risques Une valorisation thermique sur l’année est aussi l’une des innovations permises par la localisation du Datacenter au sein d'un ensemble d'activités. Dans le cadre du projet, le Prototype de LaScierie héberge une centaine de serveurs, pour une puissance électrique nécessaire de 10 kW. La spécificité de l’offre qui sera développée repose sur son association à un système de stockage d’électricité et un logiciel auto-apprenant. Le Datacenter Hydrogène Vert Local est innovant car il consiste à intégrer dans tout bâtiment ou secteur d’activité un système complet associant un système de production d’électricité verte, un dispositif de stockage d’électricité verte hybridé (batterie + chaîne hydrogène vert), un micro datacenter vert local et un logiciel autoapprenant. Le Datacenter Hydrogène Vert Local est innovant, car son système hybride de stockage local, batteries plomb-graphène recyclables et hydrogène vert est 100% Vert et Décarboné. Ce Datacenter Hydrogène Vert Local est innovant, car son concept optimise à tous les stades du process l’efficacité énergétique ; Ici les pertes d’énergie en ligne, du réseau d’électricité sont inexistantes. En une unité de lieu, l’électricité verte produite par les panneaux photovoltaïques du site assure l’électrolyse de l’eau pour produire l’hydrogène vert ; puis la pile à combustible (PAC) génère l'électricité depuis l'hydrogène vert stocké pour alimenter les équipements électriques des usages, sur la base d’un logiciel auto apprenant, partant du principe que l’énergie la plus propre est celle que l’on consomme au bon moment. Le Datacenter Hydrogène Vert Local est innovant car il est configuré pour optimiser la consommation énergétique liée aux services numériques par le choix et le rendement des processeurs, le déport du stockage et la limitation du nombre de threads alloué à chaque service. Le Datacenter Hydrogène Vert Local est innovant, car il apporte une solution au coût d’un processus de stockage (hydrogène) en l’associant à l’offre de services d’un centre de données numériques dans le cadre d’un modèle économique viable et réplicable Caractéristiques techniques du prototype en fonctionnement Le système de production PV (Photovoltaïque) sur le prototype de LaScierie a une surface inférieure à 20 m2 et d’une hauteur entre 3 et 12 m qui suffit en raison de sa miniaturisation ; il produit 6,6 kWc avec 30 m² de panneaux photovoltaïques sur toiture. Le volume du local réalisé permet une capacité de stockage supplémentaire à pression constante de 100 bars ; de l’ordre de 3 et davantage si la pression est augmentée ou si la puissance produite par les panneaux est accrue. Le système de production PV intègre un dispositif spécifique pour les coupures à distance ERP. L’énergie est stockée dans une batterie hybride. Le système batterie court terme de technologie Plomb graphène (SBS XC+, Enersys) permet d’avoir une cyclabilité de 8000 cycles et un taux de recyclage de 95%. L’onduleur 48VDC – 220VAC permet d’alimenter des équipements jusqu’à 10 kW. La technologie batterie permet des recharges rapides (pas de limitation de courant de charge) et accepte des courants de décharge plus importants qu’une batterie classique (1,5 Cnom). Les baies serveurs (10 serveurs / 80 cœurs / 40To SSD + 40To HDD) permettent d’accueillir jusqu’à 160 services numériques ; la solution serveur à refroidissement liquide en test depuis plus de 12 mois est stable. Une nouvelle génération de microprocesseurs (Ryzen R9) dans la gamme retenue permet de quadrupler la capacité dans le même encombrement. Le refroidissement liquide utilise : un heat pipe pour extraire la chaleur du processeur et un échangeur Eau / Fluide avec le heat pipe. Les redondances sont multiples tant pour l’approvisionnement en EnR qu’en réseaux fibres optiques ; les sécurités habituelles offrent une garantie TIER 3. Ce Data est également raccordé au réseau de distribution électrique centralisé. Il peut donc être alimenté si besoin par le partenaire énergéticien 100% en électricité verte. (Enercoop actuellement). Page EMS de supervision de dispositif - Les panneaux solaires du site de la Scierie sont de la marque LG Neon2 Full Black 330Wc. La raison du choix est guidée par les exigences esthétiques des panneaux (finition full black) nécessaires à l’obtention de l’accord ABF. L’organisation des panneaux suit le schéma électrique ci-dessous : Instrumentation et interfaçage régulateur - Exemple d’Installation type pour le site la Scierie - Serveur EMS Module R232 sécurisé VPN - Les informations sont récupérées via un module RS232 puis transmis via une passerelle sécurisée en VPN vers le serveur EMS. Liste des états et commandes pris en charge par le régulateur - et - Des capteurs de température de batteries et de panneaux existent dans le dispositif directement au niveau de la passerelle. La capacité C Nominale de la batterie est de 760Ah. On utilisera typiquement un courant de charge maximale de 120A dans la technologie utilisée.il s’agit d’une fine couche de carbone pur ; Le graphène permet d’augmenter le nombre de cycles de la batterie. Un capteur de température permet d’ajuster les tensions avec des courbes de derating de 4mV/°C. Les valeurs sont données pour une température ambiante de 20°C. La tension pour prolonger la durée de vie des batteries est donnée : Tension de Floating =54,48V. Absorption=56,4V Pour égalisation, surtout en période hivernale, la batterie XC+ doit faire des cycles de recharge complet. L’enregistrement de la batterie doit déclencher une égalisation. La phase d’égalisation est effectuée de manière ponctuelle en maintenance annuelle de la batterie. Le courant de charge Max batterie est configuré pour le Stockage Batterie. La technologie SBS / XC+ permet des décharges rapides jusqu’à 1,5C de la capacité batterie maximale soit 1000A sous 48V sois 10kW en puissance instantanée batterie. Le dispositif du site de la Scierie utilise deux onduleurs en parallèle de 5kW permettant la transformation du 48V en 230VAC. Le courant de décharge appliqué au système est limité à 45A. Le fusible de protection entre la sortie batterie et l’entrée de l’onduleur est limité à 250A pour 48V. Mesure et simulation décharge technologie SBS XC+ - tests sur une charge de 6kW pour une profondeur de décharge de 50% - Schéma onduleur - Le système intègre 2 onduleurs 5kVA permettant la conversion du 48V vers des tensions AC. Les bus AC de charge sont ensuite commandés par les relais depuis l’EMS. Le protocole de communication de l’inverter est propriétaire MK2. Une interface USB permet l’interfaçage vers l’outil de configuration. L’objet est de contrôler les courants de soutirage de la batterie. Les inverter remontent les alarmes de tension haute et tension basse liées aux usages. Interface système hydrogène La solution hydrogène retenue est basée sur le produit GreEnergy BoxTM ; Elle intègre : 2 armoires « système » de type baie informatique avec : - un sous-système pile à combustible, un sous-système électrolyseur en compression directe 100 bars - un convertisseur bidirectionnel DC vers 230VAC - Une platine d’interface Stockage H2/ GreEnergy BoxTM - Des évents H2 et O2 - Un ballon de stockage d’eau chaude sanitaire pour couplage au réseau ECS. Le dispositif Greenbox système à hydrogène utilise une connexion Ethernet. La connexion Ethernet est reliée à la passerelle pour relier au serveur EMS. Mesures et paramètres du système hydrogène - et L’interface globale de l’outil EMS (Energy Monitoring System) représente la partie énergie du logiciel de GTB. Il est également utilisé pour superviser et piloter les différents bus d’usage du dispositif. L’interface EMS (T2.4) est développée en technologie nodeJS Angular. Les sous-systèmes sont pilotés au niveau de la passerelle en script pyhton ou C. Le serveur EMS peut être colocalisé ou déporté permettant ainsi de pouvoir développer une solution Grille mêlant d’autres sous-systèmes. L’outil permet un accès direct à la production et aux usages. Les éléments principaux du Datacenter sont affichés. L’outil permet le calcul en temps réel de la performance énergétique du Datacenter. Des facteurs d’impact associés à chaque sous-système permettent : - de calculer l’empreinte GES des sous systèmes - d’étendre le calcul vers les autres impacts du bâtiment tels que définis dans la base INIES du CSTB. Les facteurs d’impact sont directement utilisés par le noyau auto apprenant de manière à réduire l’impact GES et les surplus de stockage. Source Réseau Enercoop : Les données de production et de consommation du réseau Enercoop sont reliées directement au serveur de l’EMS et le serveur Enercoop. Les prédictions sont données pour 48h. Les données prédictives à 48h journalières Enercoop sont récupérées pour la partie consommation. Données prédictives à 48h journalières Enercoop - Tableau électrique relais : La charge Datacenter est dimensionnée pour 1kW permanent en monophasé. Les relais utilisés sont des relais AC 230V / 16A. - La consommation maximale sur la partie usage est de 9kVA (valeur maximale délivrée par les onduleurs). KM4, KM5, KM6 : Ce sont les relais des sources énergie pour le Datacenter Hydrogène Vert Local : La commutation de source est réalisée à l’aide de switch transfert d’une capacité de 10kVa. Le commutateur permet un switch en 20mS. Architecture du modèle noyau autoapprenant La logique du contrôleur cherche à exploiter au mieux les transferts KM4 et KM6 en essayant de maintenir au maximum KM5 pour garantir la source ENR locale du Datacenter. La logique du contrôleur pour les usages cherchera à piloter les sources via les switch de transfert d’énergie. Les arbitrages sont réalisés par le modèle d’intelligence artificiel de manière à réduire l’impact environnemental de la solution. Les informations d’irradiance, température panneau permettent d’appliquer le modèle en température. Architecture de référence logicielle EMS Le serveur EMS utilise une base de données pour enregistrer les mesures des différents sous-ensembles. Le lien entre le serveur EMS et la passerelle utilise le protocole MQTTS. La sécurisation est assurée par une connexion privée VPN entre le serveur et les passerelles équipements. Procédure pour mise en sécurité Panneau PV : Avant de sectionner la sortie des branches, il est nécessaire de retirer les charges sur le réseau. Pour assurer l’ouverture des charges, on peut appuyer sur le bouton d’arrêt d’urgence. 1- Bouton d’arrêt d’urgence du relais DC. Le bouton commande chaque relais. 2- Sectionnement du coffret de toit. Procédure pour consignation batterie : Un boitier permet d’isoler le bus batterie des onduleurs et du régulateur de charge. Le boitier doit impérativement déconnecter la batterie avant toute intervention sur le câblage de l’onduleur ou du régulateur. Extraits des communications scientifiques : Stockage Electrolyse/Batterie/Hydrogène Site urbain du prototype fonctionnel du Datacenter Hydrogène Vert Local à LaScierie Avignon , , , et Accessibilité Sécurité - Possibilité d’augmentation sur la même base matérielle des processeurs - et Les tests d’acceptation fournisseurs et site - et La FAT (Tests d’Acceptation chez le Fournisseur) du matériel hydrogène a été effectuée en juin 2021 et vérifiée de nouveau en mai 2022. La SAT (Tests d’Acceptation sur le Site) pour mise en service s’est déroulée en juin 2022. Le site intègre un stockage pression hydrogène sans compresseur avec un dispositif de purge inédit sans compresseur également et sans séchage. L’ensemble des dispositifs de pilotage, de maintenance et de sécurité est automatisé ; Intervention à distance à moindre coûts et en temps réel. Les premières actions commerciales peuvent démarrer. Architecture Datacenter H2 Vert Local - Elle comprend une solution de virtualisation KVM pour machine Linux ou Windows. Le site de LaScierie : le centre de données est composé au départ d’une baie de 10 serveurs physiques permettant l’accueil d’une centaine d’applications numériques. Eléments serveur / gestion du Datacenter - La solution de gestion cloud open stack permet l’exploitation technique du Datacenter ; cette solution permet d’administrer les différents serveurs virtuels depuis un outil « open source » ; Les clients du Datacenter peuvent facilement migrer et faire évoluer leur VM ; la traçabilité de la source EnR est assurée par l’outil GTB / EMS énergie EcobioH2 ; la politique de tarification est calquée sur les offres du marché. Eléments Energie - et Dispositif qui permet de créer sur n’importe quel site bâti ou non secteur d’activités ou non, un datacenter Hydrogène Vert Local 100% EnR de classification TIER 3, caractérisé par un système complet et compacte associant une production d’électricité verte, un dispositif de stockage d’électricité verte hybridé (batterie + chaîne hydrogène vert), un micro datacenter vert local et un logiciel autoapprenant. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un local d’une surface inférieure à 20 m2 et d’une hauteur entre 3 et 12 m qui lui permet d’être intégré à un bâti, produisant par panneaux photovoltaïques de quelques 30 m² minima sur toiture et sans perte en ligne l’énergie renouvelable, associé et contigu à des équipements pouvant recevoir du public (de 1000 m² en catégorie 3 par exemple), en site urbain ou non. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une compacité et une miniaturisation des équipements au sein de 3 à 4 armoires industrielles classiques offrant une solution d’hébergement de data basée sur une centaine de serveurs alimentés par une électricité 100% renouvelable et autonome pouvant assurer en circuit court environ 5000 services pour des besoins locaux d’entreprises, de collectivités et de particuliers, réduisant ainsi le trafic sur le réseau et donc son impact environnemental. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une performance d’autoconsommation du bâtiment d’accueil grâce à la chaîne production stockage consommation et au logiciel auto apprenant qui permet d’augmenter le stockage avec un taux d’autoconsommation d’au moins 35% pour d’autres activités de proximité en site urbain dense. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une valorisation des calories récupérées tout au long de l’année du fait notamment de besoins en eau chaude des activités de proximité. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une réplication en réseau de datacenters hydrogène vert pour faire bénéficier les territoires des valeurs ajoutées que constitue le stockage et le traitement des données numériques qui y ont été créés. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une réplication en réseau de datacenters hydrogène vert de plusieurs milliers qui peut contribuer fortement à l‘objectif du Plan Climat d’une neutralité en carbone à l’horizon 2050. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une réplication en réseau de datacenters hydrogène vert de plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers répartis sur le territoire national qui peut contribuer aussi fortement à une meilleure souveraineté numérique et une moindre vulnérabilité que la concentration en quelques mégacentres de données.