Comment choisir la bonne batterie pour les opérateurs de centres de données ?

Il n’existe pas de « meilleure » technologie de batterie pour les opérateurs de centres de données. Chaque type de batterie présente ses propres avantages et inconvénients et les opérateurs doivent choisir la batterie la plus adaptée à leurs besoins.

I. Batteries au plomb dans un centre de données

Les batteries au plomb restent populaires aujourd'hui car elles ont fait leurs preuves en matière de fiabilité. Ils constituent le choix le plus économique pour les applications à grande échelle, offrant d'excellentes performances et efficacité, une faible impédance interne, une tolérance élevée aux manipulations inappropriées et des coûts d'approvisionnement élevés.
L'électrolyte utilisé dans les batteries au plomb est constitué d'eau et d'acide sulfurique, ainsi que d'une plaque d'électrode constituée de plomb spongieux (électrode négative) et d'oxyde de plomb (anode). Le principal type de cellule de batterie au plomb est la batterie au plomb à régulation par valve (VRLA), également connue sous le nom de batterie « scellée » ou « sans entretien ».
Les batteries VRLA sont scellées, mais disposent d'une valve qui permet à l'accumulation interne de gaz d'être évacuée vers l'atmosphère. Ils ne nécessitent normalement pas d'entretien direct et n'ont pas besoin d'être remplis d'eau, car l'hydrogène libéré pendant le processus de chargement se recombine avec l'oxygène pour former de l'eau en interne. Il existe deux principaux types de batteries au plomb-acide à régulation par valve (VRLA) sur le marché, la différence réside dans le mélange d'électrolytes : les batteries à espaceur en microfibre de verre (AGM) ont l'électrolyte retenu dans un espaceur en verre microfibre très poreux ; tandis que les batteries au gel ont un gel électrolytique constitué d'un mélange d'acide sulfurique et de silice.
Le type AGM de batterie au plomb scellée à régulation par valve (VRLA) est couramment utilisé dans Alimentations UPS en raison de sa résistance interne plus faible, de sa puissance spécifique et de son efficacité plus élevées, de son taux d'auto-décharge inférieur et de son coût d'approvisionnement inférieur. Les batteries à espaceur en microfibre de verre (AGM) sont plus rapides à charger et peuvent fournir des courants élevés pendant de courtes périodes.
Les batteries au plomb riches en liquide ont les plaques d'électrode immergées dans un électrolyte acide. Comme il n'y a pas de joint et que l'hydrogène gazeux produit pendant le fonctionnement est donc évacué directement dans l'environnement, leur système de ventilation doit être plus robuste que celui des batteries au plomb à valve scellée (VRLA). Dans la plupart des cas, le parc de batteries est hébergé dans un local dédié. Les batteries au plomb riches en liquide doivent être maintenues en position verticale pour fonctionner et nécessitent un ajout manuel du niveau d'eau.
Elles ont une durée de vie plus longue et une fiabilité plus élevée que les batteries au plomb à régulation par valve scellée (VRLA). Le compartiment des batteries au plomb doit être maintenu à une température raisonnablement constante (20-25°C) pour éviter de raccourcir la durée de vie et même de causer des dommages.

2. Batteries lithium-ion dans un centre de données

Dans une batterie lithium-ion, la « cathode » est généralement un oxyde métallique et l’anode est généralement du graphite de carbone poreux. Les deux sont immergés dans un électrolyte liquide composé de sels de lithium et de solvants organiques.
Il existe une large gamme de batteries lithium-ion, qui peuvent être simplifiées en six types : oxyde de lithium-cobalt (LCO), oxyde de lithium-manganèse (LMO), oxyde de lithium-manganèse-cobalt (NMC), phosphate de fer et de lithium (LFP), oxyde de nickel-cobalt-aluminium (NCA) et oxyde de lithium-titane (LTO). Le choix entre ces cellules dépend de plusieurs facteurs et des comparaisons précises ne sont pas possibles car de nombreux aspects tels que la mécanique, la taille des cellules et le mélange de matières actives jouent un rôle important dans les performances.
Les batteries lithium-ion deviennent une alternative de plus en plus attrayante aux batteries au plomb dans les environnements de centres de données, où la disponibilité de l'énergie est définitivement une priorité absolue et où les batteries lithium-ion offrent un niveau de fiabilité supérieur à celui des solutions au plomb. Non seulement chaque batterie individuelle est elle-même plus sûre et plus stable, mais chaque module de batterie dispose d'un contrôleur électronique qui vérifie en permanence la batterie pour déceler tout signe de changement de performances.
La température, le courant, la tension et l'état de charge de chaque batterie sont surveillés au niveau de l'armoire, donnant une image claire de l'état actuel de la batterie et prédisant les durées de fonctionnement et les performances futures. Les batteries lithium-ion peuvent être chargées plus rapidement que les batteries au plomb, offrent plus de cycles de décharge/recharge que les batteries au plomb et offrent une densité de puissance et une efficacité plus élevées, en particulier à des taux de décharge élevés. Cela élimine la surutilisation de la batterie tout en réduisant l'espace requis pour l'installation de la batterie. Bien que le prix d’achat initial des batteries au plomb soit inférieur, les batteries lithium-ion durent au moins deux fois plus longtemps que les batteries au plomb de même spécification, réduisant ainsi le coût global d’investissement. Les coûts de main-d'œuvre associés au retrait et au remplacement de la batterie sont également réduits. Les batteries lithium-ion génèrent moins de chaleur perdue, ce qui entraîne une baisse des coûts de refroidissement et une empreinte carbone réduite.

3. Batteries nickel-cadmium dans le centre de données

Les électrodes de batterie nickel-cadmium sont constituées d'hydroxyde de nickel (plaque positive) et d'hydroxyde de cadmium (plaque négative). Les batteries NiCd ont une longue durée de vie (jusqu'à 20 ans) et peuvent supporter des températures extrêmes (-20°C à 40°C). Ils ont également une durée de vie élevée et tolèrent bien les décharges profondes. D'autres avantages concernent la faible résistance interne, qui offre une densité de puissance élevée et une capacité de charge rapide. Les batteries NiCd offrent de longues durées de stockage et un haut degré de protection contre une mauvaise manipulation.
Cependant, les batteries NiCd sont beaucoup plus coûteuses que les batteries au plomb-acide à valve scellée (VRLA) conventionnelles. De plus, le processus d’élimination/recyclage des batteries est coûteux car le nickel et le cadmium sont toxiques. Les batteries NiCd nécessitent également un entretien sous forme d'ajout d'eau, en particulier dans les applications à cycle élevé, ou à des taux de charge élevés avec certaines méthodes de charge.