Réservoirs TES : Référence rapide pour le stockage thermique dans le refroidissement des centres de données
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Réservoirs TES : une référence rapide pour le stockage thermique dans le refroidissement des centres de données
Un réservoir de stockage d'énergie thermique (TES) stocke le froid sous forme de chaleur sensible dans de l'eau glacée stratifiée, de chaleur latente dans la glace, ou de chaleur latente dans un matériau à changement de phase, et il permet à la centrale de refroidissement d'écrêter la demande de pointe ou de passer un événement ; l'architecture appropriée est choisie en fonction de la hauteur de température disponible, de l'espace et du service que le stockage doit assurer.
Introduction
Le stockage d'énergie thermique (TES) dans une centrale de refroidissement de centre de données est un réservoir qui stocke le froid lorsqu'il est bon marché ou abondant et le restitue lorsque la charge ou le tarif l'exige. C'est le levier le plus important dont disposent la plupart des centrales de refroidissement pour réduire la demande électrique de pointe et pour passer un événement du réseau sans carburant de groupe électrogène, et il fonctionne avec les refroidisseurs que vous possédez déjà plutôt que de les remplacer.
Il s'agit d'une référence concise, et non d'un manuel de conception. Elle vous explique ce qu'est un réservoir TES, les trois architectures couramment utilisées et les chiffres qui définissent chacune, comment le stockage remodèle la centrale de refroidissement, ce qu'il coûte et ce qu'il rapporte, les cas où il n'est pas rentable, ainsi que les questions que vous devez poser à un spécialiste avant d'engager des capitaux. La base physique est le ASHRAE Handbook ; les essais de performance des réservoirs de stockage suivent les procédures d'essai uniformes publiées par l'IAPMO.
Lisez ceci en premier lorsque vous vous orientez, puis posez les questions de la fin à l'ingénieur qui dimensionnera le réservoir réel.
Ce qu'est un réservoir TES en un paragraphe
Un réservoir TES est un stock de capacité de refroidissement, et non un générateur de celle-ci. Il contient un volume de fluide à une température utile pour l'installation, chargé par les refroidisseurs lorsqu'il y a de la capacité disponible ou de l'électricité bon marché, et déchargé vers le serpentin de refroidissement ou la distribution lorsque la charge ou le tarif l'exige. Le réservoir lui-même ne produit aucun refroidissement ; il découple le moment où le refroidissement est produit du moment où il est utilisé.
Pour un centre de données, la valeur est double. Sur le plan opérationnel, il permet à l'installation de traverser une perturbation du réseau ou un arrêt d'un refroidisseur pendant les minutes ou les heures que la masse thermique peut couvrir ; sur le plan économique, il permet aux refroidisseurs de fonctionner la nuit ou pendant les heures creuses pour remplir le réservoir, puis de réduire ou d'éviter la pointe de demande électrique pendant la journée. Le réservoir est le tampon entre les refroidisseurs et la charge dans le temps, et non seulement dans le débit comme le fait un ballon tampon.
Les trois architectures
Trois architectures dominent. Le stockage d'eau glacée stratifié est le plus simple : un grand réservoir d'eau chargé froid en bas et chaud en haut, séparé par une thermocline, de sorte que l'installation prélève l'eau froide en bas et renvoie l'eau chaude en haut. Il fonctionne sur une faible élévation de température de quelques degrés et utilise de l'eau ordinaire comme milieu.
Le stockage de glace utilise la chaleur latente de fusion : une densité énergétique par volume bien plus grande que l'eau, construit sous forme de glace sur serpentin où la glace se forme autour de tubes dans lesquels circule la saumure, ou sous forme de récolteur dynamique qui fabrique et stocke la glace séparément. Le stockage par matériau à changement de phase se situe entre les deux, utilisant un sel ou un eutectique qui fond et gèle à une température choisie, offrant un stockage latent à un point de consigne sans les températures de saumure très basses qu'exige la glace.
Les chiffres qui définissent chaque architecture
Les chiffres qui définissent chaque architecture sont la densité énergétique et l'élévation de température nécessaire. Le stockage d'eau glacée stratifiée stocke environ 1,16 kWh par mètre cube par degré Celsius de delta-T (rho x cp x delta-T), donc une variation de 5 degC (9 degF) donne environ 5,8 kWh/m3, et le réservoir est grand mais les refroidisseurs restent à des températures normales d'eau glacée.
La glace stocke environ 93 kWh/m³ de chaleur latente au point de congélation, de sorte que le réservoir est bien plus petit pour la même énergie, mais les refroidisseurs doivent produire de la saumure à proximité de 0 °C (32 °F) ou en dessous, ce qui coûte en relevage et en efficacité. Le matériau à changement de phase stocke à sa température de fusion, typiquement des dizaines de kWh/m³, entre les deux extrêmes. La sélection est un compromis entre le volume du réservoir, le relevage du refroidisseur et la température que la distribution peut accepter. Le choix porte rarement sur ce qui stocke le plus d'énergie par mètre cube, car l'installation peut généralement faire de la place pour un réservoir ; il porte sur le relevage du refroidisseur qu'exige l'architecture choisie et sur la température de distribution que les serpentins existants accepteront réellement.
Comment cela modifie la centrale de refroidissement
Le stockage modifie la centrale de refroidissement en lui permettant de fonctionner contre le réservoir plutôt que contre la charge instantanée. En mode charge, les refroidisseurs remplissent le réservoir, dimensionné pour la charge moyenne sur la fenêtre de charge plutôt que pour le pic, de sorte qu'une centrale de refroidissement plus petite ou plus lente peut desservir une charge de pointe plus importante qu'elle ne le pourrait sans stockage.
En mode décharge, le réservoir fournit une partie ou la totalité du refroidissement, de sorte que les refroidisseurs peuvent être réduits ou arrêtés pendant le pic ou l'événement. Le contrôle de l'installation gagne un degré de liberté : quand produire du froid versus quand l'utiliser, décidé par la tarification, le signal du réseau ou le plan de résilience plutôt que par la demande en direct du serpentin. Cette liberté est l'atout ; le réservoir est le matériel qui la contient.
Ce qu'il coûte et ce qu'il permet d'économiser
Ce qu'il coûte, c'est le réservoir, la pompe et la distribution supplémentaires, ainsi que les contrôles pour le charger et le décharger ; ce qu'il permet d'économiser, c'est la demande électrique de pointe, les frais de demande associés et, sur certains marchés, la capacité d'éviter un générateur ou de réduire son carburant. Le retour est fonction de la structure tarifaire et de la fréquence à laquelle le pic est réellement écrêté, et non d'un pourcentage fixe.
La déclaration honnête est que l'économie dépend du tarif : une usine dont la pointe est forte face à une prime de puissance élevée amortit le réservoir plus rapidement qu'une usine à profil plat, et un campus qui a besoin de résilience lors des événements du réseau valorise le réservoir pour la continuité qu'il assure, indépendamment du tarif. Quantifiez à la fois la réduction de la demande et la valeur de résilience avant d'engager le capital, car l'un ou l'autre porte généralement le dossier.
Quand cela n'a pas de sens
Le stockage thermique ne vaut pas la peine lorsque le profil de charge est déjà plat, que le tarif ne comporte aucune prime de puissance digne d'être écrêtée, ou que le site n'a ni espace ni tolérance pour l'élévation de température du refroidisseur qu'exige l'architecture choisie. Une installation qui ne présente jamais de pointe par rapport à une prime de puissance n'a rien que le réservoir puisse lisser, et le capital reste inactif.
Il échoue également lorsque la distribution ne peut pas utiliser la température de stockage : l'eau glacée stratifiée nécessite un delta-T que les serpentins acceptent, la glace nécessite une installation de saumure que le propriétaire n'exploitera pas, et le changement de phase nécessite un point de consigne que le système franchit réellement. Si le seul moyen d'utiliser le froid stocké est de reconstruire la distribution, le stockage est le mauvais premier investissement. Faites correspondre l'architecture à l'installation que vous possédez avant de dimensionner le réservoir.
Questions à poser à un spécialiste
Apportez une liste courte et précise au spécialiste afin que la conversation porte sur des chiffres, pas sur des catégories. Les questions portent sur le régime de service, la température, l'espace et le coût, et chacune d'elles contraint l'architecture qui reste viable.
· Quel régime de service le réservoir doit-il assurer : effacement de pointe, continuité, ou les deux, et pendant combien de temps ?
· Quel delta-T la distribution peut-elle réellement utiliser, et quelle élévation de température du refroidisseur est acceptable pour réaliser le stockage ?
· Quel volume et quelle emprise sont disponibles sur le site, et quelle est la charge admissible de la dalle ou du plancher ?
· Quelle est la structure tarifaire, et quelle est la prime de puissance ou la valeur de résilience que le réservoir permettrait de récupérer ?
· Quelle architecture correspond à la température et à l'espace, et quel est le coût installé par rapport à la valeur récupérée sur la durée de vie de l'installation ?
Termes et normes clés
Quelques termes et normes encadrent chaque discussion sur le TES. La thermocline est la frontière graduée entre l'eau chaude et l'eau froide dans un réservoir stratifié ; une charge complète la maintient nette. La chaleur latente de fusion est l'énergie qu'emmagasinent la glace ou un matériau à changement de phase à température constante lorsqu'ils gèlent ou fondent, distincte de la chaleur sensible stockée par un changement de température.
Les références d'ingénierie sont le ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment pour la physique de l'installation et les procédures d'essai uniformes IAPMO pour les réservoirs de stockage thermique pour la façon dont les performances sont mesurées. Un réservoir est spécifié par sa capacité énergétique en kWh de refroidissement, son delta-T de fonctionnement, ses taux de charge et de décharge, et la température acceptée par la distribution ; gardez ces quatre éléments sur chaque plan et le choix d'architecture reste honnête.
Comparaison des architectures TES : milieu, densité énergétique, élévation du refroidisseur
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