Zdravo prijatelji!
Nakon objavljivanja članka Bilo je mnogo komentara o opasnostima Li-Ion rješenja za servere i podatkovne centre. Stoga ćemo danas pokušati otkriti koje su razlike između industrijskih litijumskih rješenja za UPS i baterije u vašem gadgetu, kako se razlikuju uvjeti rada baterija u serverskoj sobi, zašto u Li-Ion telefonu baterija ne traje više od 2-3 godine, au data centru ova brojka će se povećati na 10 ili više godina. Zašto su rizici od požara litijuma u data centru/server sobi minimalni.
Da, nezgode sa UPS baterijama su moguće bez obzira na vrstu uređaja za skladištenje energije, ali mit o „opasnosti od požara“ industrijskih litijumskih rešenja nije tačan.
Uostalom, mnogi su to vidjeli sa litijumskom baterijom u autu koji se kreće autoputem? Pa, da vidimo, shvatimo, uporedimo...
Ovdje vidimo tipičan slučaj nekontrolisanog samozagrijavanja, termičkog bijega baterije telefona, što je dovelo do ovakvog incidenta. Reći ćete: OVDJE! To je samo telefon, samo ludak bi tako nešto stavio u server sobu!
Siguran sam da će čitalac nakon proučavanja ovog materijala promijeniti svoje gledište o ovom pitanju.
Trenutna situacija na tržištu data centara
Nije tajna da je izgradnja data centra dugoročna investicija. Sama cijena inženjerske opreme može iznositi 50% cijene svih kapitalnih troškova. Horizont otplate je otprilike 10-15 godina. Naravno, postoji želja da se smanje ukupni trošak vlasništva kroz čitav životni ciklus data centra, a istovremeno i kompaktna inženjerska oprema, oslobađajući što više prostora za nosivost.
Optimalno rješenje je nova iteracija industrijskog UPS-a baziranog na Li-Ion baterijama, koje su se odavno riješile "dječijih bolesti" u vidu opasnosti od požara, pogrešnih algoritama punjenja i pražnjenja i stekle masu zaštitnih mehanizama.
Sa povećanjem kapaciteta računarske i mrežne opreme, potražnja za UPS-om raste. Istovremeno se povećavaju zahtjevi za trajanjem baterije u slučaju problema s centraliziranim napajanjem i/ili kvarova pri pokretanju rezervnog izvora napajanja u slučaju korištenja/dostupnosti dizel agregata.
Po našem mišljenju postoje dva glavna razloga:
- Brzi rast obima informacija koje se obrađuju i prenose
Na primjer, koja
potrebno je sačuvati i obraditi. - Rast dinamike potrošnje električne energije. Uprkos opštem trendu smanjenja potrošnje energije IT opreme, smanjenje specifične potrošnje energije elektronskih komponenti.
Grafikon potrošnje energije samo jednog operativnog data centra
Isti trend pokazuju i prognoze tržišta data centara u našoj zemlji.Prema stranici, ukupan broj rek prostora puštenih u rad je više od 20 hiljada. „Broj reck prostora puštenih u rad od strane 20 najvećih pružalaca usluga data centara u 2017. godini porastao je za 3% i dostigao 22,4 hiljade (podaci od 1. oktobra, 2017),” – stoji u izvještaju CNews Analytics. Prema konsultantskim agencijama, do 2021. godine se očekuje da će broj regalnih prostora porasti na 49 hiljada. Odnosno, za dvije godine stvarni kapacitet podatkovnog centra može se udvostručiti. Sa čime je ovo povezano? Prije svega, povećanjem obima informacija: i pohranjenih i obrađenih.
Pored oblaka, igrači kao tačke rasta smatraju razvoj kapaciteta data centara u regionima: oni su jedini segment u kojem postoji rezerva za razvoj poslovanja. Prema IKS-Consulting-u, 2016. godine regioni su činili samo 10% svih resursa ponuđenih na tržištu, dok su glavni grad i Moskovska oblast zauzimali 73% tržišta, a Sankt Peterburg i Lenjingradska oblast - 17%. U regionima i dalje postoji nedostatak resursa data centara sa visokim stepenom tolerancije grešaka.
Predviđa se da će se do 2025. ukupna količina podataka u svijetu povećati 10 puta u odnosu na 2016.
Ipak, koliko je litijum siguran za UPS servera ili data centra?
Nedostatak: visoka cijena Li-Ion rješenja.
Cijena litijum-jonskih baterija je i dalje visoka u odnosu na standardna rješenja. Prema procjenama SE, početni troškovi za UPS velike snage preko 100 kVA za Li-Ion rješenja bit će 1,5 puta veći, ali će na kraju uštede na vlasništvu biti 30-50%. Ako pravimo poređenja sa vojno-industrijskim kompleksom drugih zemalja, evo vesti o lansiranju u sa Li-Ion baterijama. Često se u takvim rješenjima koriste litijum-željezo-fosfatne baterije (LFP na fotografiji) zbog njihove relativne jeftinosti i veće sigurnosti.
U članku se spominje da je 100 miliona dolara potrošeno na nove baterije za podmornicu, pokušajmo to pretvoriti u druge vrijednosti...4,2 hiljade tona je podvodni deplasman japanske podmornice. Površinski deplasman - 2,95 hiljada tona. U pravilu, 20-25% težine čamca čine baterije. Odavde prenosimo oko 740 tona - olovnih baterija. Dalje: masa litijuma je otprilike 1/3 mase olovnih baterija -> 246 tona litijuma. Sa 70 kWh/kg za Li-Ion dobijamo otprilike 17 MWh snage niza baterija. A razlika u masi baterija je otprilike 495 tona... Ovdje ne uzimamo u obzir , za koje je potrebno 14,5 tona srebra po podmornici, a koštaju 4 puta više od olovnih baterija. Da podsjetim da su Li-Ion baterije sada samo 1,5-2 puta skuplje od VRLA, ovisno o snazi rješenja.
Šta je sa Japancima? Prekasno su se sjetili da “olakšavanje čamca” za 700 tona podrazumijeva promjenu njegove sposobnosti za plovidbu i stabilnost... Vjerovatno su morali dodati oružje na brod kako bi vratili projektnu raspodjelu težine čamca.
Litijum-jonske baterije su manje teške od olovno-kiselinskih baterija, tako da je dizajn podmornice klase Soryu morao biti donekle redizajniran kako bi se održao balast i stabilnost.
U Japanu su stvorene i dovedene u operativno stanje dvije vrste litijum-jonskih baterija: litijum-nikl-kobalt-aluminijum-oksid (NCA) proizvođača GS Yuasa i litijum titanat (LTO) kompanije Toshiba Corporation. Japanska mornarica će koristiti NCA baterije, dok su Australiji na nedavnom tenderu ponuđene LTO baterije za upotrebu na podmornicama klase Soryu, navodi Kobayashi.
Poznavajući poštovan odnos prema sigurnosti u Zemlji izlazećeg sunca, možemo pretpostaviti da su problemi sigurnosti litijuma riješeni, testirani i certificirani.
Rizik: opasnost od požara.
Tu ćemo shvatiti svrhu objavljivanja, jer postoje dijametralno suprotna mišljenja o sigurnosti ovih rješenja. Ali sve je to retorika, ali što je sa konkretnim industrijskim rješenjima?
Već smo razgovarali o sigurnosnim pitanjima u našoj , ali hajde da se još jednom zadržimo na ovom pitanju. Okrenimo se slici na kojoj je ispitan nivo zaštite modula i LMO/NMC ćelije baterije koju proizvodi Samsung SDI i koja se koristi kao dio Schneider Electric UPS-a.
U članku korisnika raspravljalo se o hemijskim procesima . Pokušajmo razumjeti moguće rizike u našem konkretnom slučaju i uporediti ih sa višeslojnom zaštitom u Samsung SDI ćelijama, koje su sastavni dio gotovog Li-Ion reka tipa G kao dio sveobuhvatnog rješenja baziranog na Galaxy VM .
Počnimo s općim dijagramom toka slučaja rizika i uzroka požara u litijum-jonskoj ćeliji.
Ispod spojlera možete proučiti teorijska pitanja opasnosti od požara litijum-jonskih baterija i fiziku procesaPočetni blok dijagram rizika i uzroka požara (sigurnosna opasnost) litijum-jonske ćelije iz 2018 godina.
Budući da u zavisnosti od hemijske strukture litijum-jonske ćelije postoje razlike u karakteristikama termičkog bekstva ćelije, ovde ćemo se fokusirati na proces opisan u članku u litijum-nikl-kobalt-aluminijum ćeliji (na bazi LiNiCoAIO2) ili NCA.
Proces razvoja nezgode u ćeliji može se podijeliti u tri faze:
- faza 1 (početak). Normalan rad ćelije kada gradijent povećanja temperature ne prelazi 0,2 stepena Celzijusa u minuti, a sama temperatura ćelije ne prelazi 130-200 stepeni Celzijusa, u zavisnosti od hemijske strukture ćelije;
- faza 2, zagrijavanje (Ubrzanje). U ovoj fazi temperatura raste, temperaturni gradijent se brzo povećava i toplotna energija se aktivno oslobađa. Općenito, ovaj proces je praćen oslobađanjem plinova. Prekomjerno oslobađanje plina mora se kompenzirati radom sigurnosnog ventila;
- faza 3, termički bijeg (Runaway). Zagrevanje baterije preko 180-200 stepeni. U tom slučaju materijal katode ulazi u reakciju disproporcionalnosti i oslobađa kisik. Ovo je nivo toplotnog bekstva, jer u tom slučaju može doći do mešanja zapaljivih gasova sa kiseonikom, što će izazvati spontano sagorevanje. Međutim, ovaj proces se u nekim slučajevima može kontrolisati, čitajte – kada se promeni režim spoljnih faktora, toplotni beg u nekim slučajevima prestaje bez fatalnih posledica po okolni prostor. Upotrebljivost i performanse same litijumske ćelije nakon ovih događaja se ne razmatraju.
Temperatura termičkog bijega ovisi o veličini ćelije, dizajnu ćelije i materijalu. Temperatura termičkog bijega može varirati od 130 do 200 stepeni Celzijusa. Vrijeme termalnog bijega može varirati i varirati od minuta, sati ili čak dana...
Šta je sa ćelijama tipa LMO/NMC u litijum-jonskim UPS-ovima?
– Kako bi se spriječio kontakt anode sa elektrolitom, kao dio ćelije (SFL) koristi se keramički sloj. Kretanje litijum jona je blokirano na 130 stepeni Celzijusa.
– Pored zaštitnog ventila za odzračivanje, koristi se i sistem zaštite uređaja od prekomjernog punjenja (OSD), koji radi u sprezi sa unutrašnjim osiguračem i isključuje oštećenu ćeliju, sprečavajući proces termičkog bijega da dostigne opasne nivoe. Štaviše, unutrašnji OSD sistem će se aktivirati ranije, kada pritisak dostigne 3,5 kgf/cm2, odnosno upola manji od pritiska odziva sigurnosnog ventila ćelije.
Inače, osigurač ćelije će raditi na strujama iznad 2500 A za ne više od 2 sekunde. Pretpostavimo da temperaturni gradijent dostiže očitavanje od 10 stepeni C/min. Za 10 sekundi, ćelija će imati vremena da doda oko 1,7 stepeni na svoju temperaturu dok je u overklok režimu.
– Troslojni separator u ćeliji u načinu punjenja će blokirati prijelaz litijum jona na anodu ćelije. Temperatura blokiranja je 250 stepeni Celzijusa.
Sada da vidimo šta imamo sa temperaturom ćelije; Uporedimo u kojim fazama se aktiviraju različite vrste zaštite na nivou ćelije.
— OSD sistem – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= spoljni pritisak
Dodatna zaštita od prekomjernih struja.
— sigurnosni ventil 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= vanjski pritisak
- osigurač unutar ćelije 2 sekunde na 2500A (način rada preko struje)
Rizik od termičkog bijega ćelije direktno zavisi od stepena/nivoa napunjenosti ćelije, više detalja ovdje...Razmotrimo efekat nivoa napunjenosti ćelije u kontekstu rizika od toplotnog bekstva. Razmotrimo tabelu korespondencije između temperature ćelije i SOC parametra (State of Charge, stepen napunjenosti baterije).
Nivo napunjenosti baterije se mjeri u postocima i pokazuje koliko je od ukupnog napunjenosti još uvijek pohranjeno u bateriji. U ovom slučaju razmatramo način punjenja baterije. Može se zaključiti da se, ovisno o hemiji litijumske ćelije, baterija može različito ponašati kada je prenapunjena i imati različitu osjetljivost na toplinski bijeg. To je zbog različitog specifičnog kapaciteta (A*h/gram) različitih tipova Li-Ion ćelija. Što je veći specifični kapacitet ćelije, brže se oslobađanje toplote tokom punjenja.
Dodatno, pri 100% SOC-a, vanjski kratki spoj često uzrokuje termički bijeg ćelije. S druge strane, kada je ćelija na 80% SOC, maksimalna temperatura toplotnog odlaska ćelije se pomjera naviše. Ćelija postaje otpornija na vanredne situacije.
Konačno, za 70% SOC-a, vanjski kratki spojevi možda uopće neće uzrokovati toplinski bijeg. Odnosno, rizik od paljenja ćelije je značajno smanjen, a najvjerovatniji scenarij je samo rad sigurnosnog ventila litijumske baterije.
Osim toga, iz tabele možemo zaključiti da LFP (ljubičasta kriva) baterije obično ima nagli porast temperature, odnosno faza „zagrijavanja“ glatko prelazi u fazu „termalnog bijega“, a stabilnost ovaj sistem prema prepunjenju je nešto lošiji. LMO baterije, kao što vidimo, imaju glatkiju karakteristiku grijanja prilikom punjenja.
VAŽNO: Kada se OSD sistem aktivira, ćelija se resetuje na bajpas. Na taj način se smanjuje napon na reku, ali on ostaje u funkciji i daje signal UPS monitoring sistemu preko BMS sistema samog reka. U slučaju klasičnog UPS sistema sa VRLA baterijama, kratki spoj ili prekid unutar jedne baterije u nizu može dovesti do kvara UPS-a u celini i gubitka funkcionalnosti IT opreme.
Na osnovu gore navedenog, za slučaj korištenja litijumskih otopina u UPS-u ostaju relevantni sljedeći rizici:
- Toplotni bijeg ćelije ili modula kao rezultat vanjskog kratkog spoja - nekoliko nivoa zaštite.
- Termički bijeg ćelije ili modula kao rezultat kvara unutarnje baterije - nekoliko nivoa zaštite na nivou ćelije ili modula.
- Prepunjenje – zaštita BMS-om plus svi nivoi zaštite za stalak, modul, ćeliju.
- Mehanička oštećenja nisu relevantna za naš slučaj, rizik od događaja je zanemarljiv.
- Pregrijavanje stalka i svih baterija (modula, ćelija). Nekritično do 70-90 stepeni. Ako temperatura u prostoriji za instalaciju UPS-a poraste iznad ovih vrijednosti, to znači da postoji požar u zgradi. U normalnim uslovima rada data centra, rizik od događaja je zanemarljiv.
- Smanjeno trajanje baterije na povišenim sobnim temperaturama - dozvoljen je dugotrajan rad na temperaturama do 40 stepeni bez primjetnog smanjenja trajanja baterije. Olovne baterije su vrlo osjetljive na svako povećanje temperature i skraćuju im preostali vijek trajanja proporcionalno porastu temperature.
Hajde da pogledamo dijagram toka rizika od nesreća s litijum-jonskim baterijama u našem data centru, slučaj upotrebe serverske sobe. Hajde da malo pojednostavimo dijagram, jer će litijumski UPS-ovi raditi u idealnim uslovima, ako uporedimo uslove rada baterija u vašem gadgetu, telefonu.
ZAKLJUČAK: Specijalizovane litijumske baterije za UPS-ove data centara i serverskih soba imaju dovoljan nivo zaštite od vanrednih situacija, a u sveobuhvatnom rešenju, veliki broj stepena različite zaštite i više od pet godina iskustva u radu ovih rešenja omogućavaju da govorimo o visok nivo sigurnosti novih tehnologija. Između ostalog, ne treba zaboraviti da rad litijumskih baterija u našem sektoru izgleda kao „staklenički“ uslovi za Li-Ion tehnologije: za razliku od vašeg pametnog telefona u džepu, niko neće ispustiti bateriju u data centru, pregrejati se, isprazniti svaki dan, aktivno koristite u bafer modu.
Da biste saznali više i razgovarali o specifičnom rješenju Li-Ion baterija za vašu serversku sobu ili podatkovni centar, pošaljite zahtjev e-poštom. ili podnošenjem zahtjeva na web stranici kompanije .
OTVORENE TEHNOLOGIJE – pouzdana integrirana rješenja svjetskih lidera, prilagođena posebno vašim ciljevima i zadacima.
Autor: Kulikov Oleg
Glavni inženjer dizajna
Odjel za integracijska rješenja
Kompanija Open Technologies
Samo registrovani korisnici mogu učestvovati u anketi. molim.
Kakvo je vaše mišljenje o sigurnosti i primjenjivosti industrijskih rješenja baziranih na Li-Ion tehnologijama?
-
16,2%Opasno, samozapaljivo, ni pod kojim okolnostima ga ne bih stavio u svoju server sobu.11
-
10,3%Mene ovo ne zanima, pa povremeno mijenjamo klasične baterije i sve je OK.7
-
16,2%Moramo razmisliti o tome da li bi to moglo biti sigurno i obećavajuće.11
-
23,5%Zanimljivo, pogledat ću mogućnosti.16
-
13,2%Zainteresovani! Investirajte jednom - i ne plašite se da ćete preplaviti ceo data centar zbog kvara jedne olovne baterije.9
-
20,6%Zanimljivo! Prednosti daleko nadmašuju nedostatke i rizike.14
Glasalo je 68 korisnika. Uzdržano je bilo 25 korisnika.
izvor: www.habr.com