Dobrý den, přátelé!
Po zveřejnění článku bylo mnoho komentářů ohledně nebezpečnosti Li-Ion řešení pro servery a datová centra. Proto se dnes pokusíme zjistit, jaké jsou rozdíly mezi průmyslovými litinovými řešeními pro UPS a baterií ve vašem zařízení, jak se liší provozní podmínky baterií v serveru, proč Li-Ion baterie v telefonu nevydrží déle než 2-3 roky, zatímco v datovém centru se toto číslo může zvýšit na 10 a více let. Proč jsou rizika vznícení lithia v datovém centru/serverovně minimální.
Ano, havárie baterií UPS jsou možné bez ohledu na typ akumulátorů, ale mýtus o "požárnosti" průmyslových litinových řešení neodpovídá skutečnosti.
Vždyť mnozí viděli ten s lithium-iontovým akumulátorem v jedoucím autě? Tak se podívejme, prozkoumejme, porovnejme…
Zde vidíme typický případ nekontrolovaného samoochladzení, tepelně rozběhu baterie telefonu, který vedl k takovému incidentu. Řeknete: TADY! To je jen telefon, do serverovny by něco takového dal jen šílenec!
Jsme si jisti, že po prostudování tohoto materiálu změní čtenář svůj názor na tuto otázku.
Současná situace na trhu datových center
Není žádným tajemstvím, že výstavba datových center je dlouhodobou investicí. Cena pouze inženýrských zařízení může představovat 50 % nákladů všech kapitálových výdajů. Horizont návratnosti je přibližně 10-15 let. Přirozeně se objevuje touha snížit celkové náklady na vlastnictví po celou dobu životnosti datového centra a zároveň snížit prostor pro inženýrské vybavení, aby se maximálně uvolnily plochy pro užitečné zatížení.
Optimálním řešením jsou průmyslové UPS nové iterace na bázi Li-Ion akumulátorů, které se již dávno zbavily "dětských nemocí" v podobě požárnosti, nesprávných algoritmů nabíjení-vybíjení a byly doplněny množstvím ochranných mechanismů.
S rostoucími výkony výpočetního a síťového zařízení roste poptávka po UPS. Současně se zvyšují požadavky na dobu autonomního provozu od akumulátorových baterií v případě problémů s centralizovaným napájením a/nebo poruchami při spuštění záložního zdroje napájení v případě použití/existence DGES.
Hlavních důvodů je podle našeho názoru dva:
- Rychlý růst objemů zpracovávaných a přenášečných informací
Například, , které
je třeba uložit a zpracovat. - Růst dynamiky spotřeby elektrické energie. I přes obecný trend snižování spotřeby energie IT zařízení a klesající specifické spotřeby energie elektronických komponentů.
Graf spotřeby energie jediného fungujícího datového centra
Tuto tendenci ukazují také předpovědi trhu datových center v naší zemiPodle údajů z webu, celkový počet uvedených do provozu stojanových míst přesahuje 20 tisíc. "Počet uvedených do provozu stojanových míst u 20 největších poskytovatelů služeb datových center v roce 2017 vzrostl o 3 % a dosáhl 22,4 tisíce (údaje k 1. říjnu 2017)," uvádí zpráva CNews Analytics. Podle odhadů konzultačních agentur se do roku 2021 předpokládá zvýšení stojanových míst na 49 tisíc. To znamená, že během dvou let může skutečná kapacita datových center vzrůst dvojnásobně. S čím je to spojeno? Především s růstem objemu informací: jak uložených, tak zpracovávaných.
Kromě cloudů k bodům růstu poskytovatelé přiřazují rozvoj kapacit datových center v regionech: tyto jsou jediným segmentem, kde zůstává prostor pro rozvoj podnikání. Podle dat IKS-Consulting připadlo v roce 2016 na regiony pouze 10 % všech nabízených na trhu zdrojů, zatímco hlavní město a Moskevská oblast obsadily 73 % trhu, a Petrohrad a Leningradská oblast – 17 %. V regionech stále přetrvává nedostatek zdrojů datových center s vysokou úrovní odolnosti vůči poruchám.
Do roku 2025, podle předpovědí, celkový objem dat ve světě vzroste 10krát oproti roku 2016.
Nakonec, jak bezpečný je lithium pro UPS serveru nebo datového centra?
Nevýhoda: vysoké náklady na Li-Ion řešení.
Cena lithium-iontových baterií stále zůstává vysoká ve srovnání se standardními řešeními. Podle odhadů společnosti SE budou počáteční náklady pro výkonové UPS nad 100 kVA pro Li-Ion řešení vyšší 1,5krát, ale nakonec úspory na vlastnictví dosáhnou 30-50 %. Pokud porovnáme s vojensko-průmyslovým komplexem jiných zemí, pak tu je zpráva o spuštění v s Li-Ion bateriemi. Poměrně často se v podobných řešeních používají lithium-železo-fosfátové baterie (na fotografii - LFP) kvůli jejich relativně nízkým nákladům a vyšší bezpečnosti.
V článku se uvádí, že na nové baterie pro ponorku bylo vynaloženo 100 milionů dolarů. Zkusme to přepočítat na jiné jednotky...4,2 tisíce tun – podvodní výtlak japonské ponorky. Nadvodní výtlak – 2,95 tisíce tun. Obvykle tvoří 20-25 % hmotnosti lodě akumulátory. Z toho tedy vycházíme na přibližně 740 tun – olověné kyselinové akumulátory. Dále: hmotnost lithia tvoří asi 1/3 hmotnosti olověných akumulátorů → 246 tun lithia. Při 70 kWh/kg pro Li-Ion dostáváme přibližně 17 MWh výkonu bateriového pole. A rozdíl v hmotnosti akumulátorů – přibližně 495 tun... Zde nezohledňujeme , jejichž součástí potřebuje jedna ponorka 14,5 tuny stříbra, a jejich cena překračuje cenu olověných akumulátorů čtyřikrát. Připomínám, že Li-Ion baterie jsou nyní dražší než VRLA pouze 1,5-2krát v závislosti na výkonu řešení.
A co japonci? Příliš pozdě si uvědomili, že "odlehčení lodi" o 700 tun má za následek změnu jejích námořních vlastností a stability. Pravděpodobně museli přidávat zbraně na palubu, aby vrátili projektové hodnoty zatížení lodi.
Lithium-iontové akumulátory také váží méně než olověné akumulátory, takže projekt ponorky typu Soryu musel být do určité míry přepracován, aby se udržela vyvážení a stabilita.
V Japonsku byly navrženy a uvedeny do provozu dva typy lithium-iontových akumulátorových baterií: lithium-niklový-kobalt-hliníkový oxid (NCA) vyráběný společností GS Yuasa a lithium-titanát (LTO) vyráběný korporací Toshiba. Japonské námořnictvo použije baterie typu NCA, přičemž podle Kobayashiho byly pro použití na ponorkách založených na typu Soryu v nedávném tendru nabídnuty baterie typu LTO.
Vzhledem k pečlivému přístupu k bezpečnosti v zemi Vycházejícího slunce lze předpokládat, že otázky bezpečnosti lithia byly u nich vyřešeny, testovány a certifikovány.
Riziko: požární nebezpečí.
Zde se zaměříme na cíl publikace, protože názory na bezpečnost těchto řešení jsou diametrálně odlišné. Ale to je jen úvod, co máme konkrétně k průmyslovým řešením?
Otázky bezpečnosti jsme již probrali v naší , ale ještě jednou se na tuto otázku zastavíme. Odkážeme na obrázek, kde byl zkoumán úroveň ochrany modulu a článku LMO/NMC akumulátoru vyrobeného společností Samsung SDI a používánu v UPS Schneider Electric.
Chemické procesy byly diskutovány v článku uživatele . Pokusíme se pochopit možné rizika v našem konkrétním případě a porovnat je s vícestupňovou ochranou ve článcích Samsung SDI, které jsou součástí hotové Li-Ion skříně Type G v rámci komplexního řešení založeného na Galaxy VM.
Začneme se obecnou schématem rizik a příčin vznícení lithium-iontového článku.
Pod spoilerem si můžete prostudovat teoretické otázky rizik vznícení lithium-iontových akumulátorů a fyziku procesůPočáteční schéma rizik a příčin vznícení (Safety Hazard) lithium-iontového článku z z roku 2018.
Vzhledem k tomu, že v závislosti na chemické struktuře lithium-iontového článku se liší vlastnosti tepelného rozběhu článku, zde se zaměříme na popsaný proces v lithium-nikl-kobalt-hliníkovém článku (na základě LiNiCoAIO2) nebo NCA.
Proces vývoje havárie v článku lze rozdělit do tří fází:
- fáze 1 (Onset). Normální provoz článku, kdy gradient zvyšování teploty nepřesahuje 0,2 °C za minutu a samotná teplota článku nepřesahuje 130-200 °C v závislosti na chemické struktuře článku;
- fáze 2, zahřívání (Acceleration). V této fázi se teplota zvyšuje, gradient růstu teploty se rychle zvyšuje, dochází k aktivnímu uvolňování tepelné energie. Obecně je tento proces spojen s uvolňováním plynů. Nadměrné uvolňování plynů by mělo být kompenzováno aktivací bezpečnostního ventilu;
- Fáze 3, tepelný runaway. Zahřívání akumulátoru nad 180-200 stupňů. Při tom materiál katody reaguje s disproporcionalitou a uvolňuje kyslík. Toto je úroveň tepelného runaway, protože v tomto případě může vzniknout směs hořlavých plynů s kyslíkem, což vyvolá samovznícení. Tento proces může být v některých případech řízen, čti – při změně režimu vnějších faktorů se tepelný runaway v řadě případů zastaví bez fatálních následků pro okolní prostor. Funkčnost a provozuschopnost samotné lithium-iontové článek po těchto událostech není zvažována.
Teplota tepelného runaway závisí na velikosti článku, konstrukci článku a materiálu. Teplota tepelného runaway se může pohybovat od 130 do 200 stupňů Celsia. Doba tepelného runaway může být různá a trvat minuty, hodiny nebo dokonce dny...
A co máme s články typu LMO/NMC v lithium-iontových UPS?
– Pro zabránění kontaktu anody s elektrolytem se používá keramická vrstva v konstrukci článku (SFL). Blokování pohybu iontů lithia nastává při 130 °C.
– Kromě ochranného ventilu se používá systém ochrany proti přebití (Over Charge Device, OSD), který pracuje v páru s interním pojistkou a odpojuje poškozený článek, aby nedocházelo k procesu tepelného runaway k nebezpečným hodnotám. A vnitřní systém OSD se spustí dříve, při dosažení tlaku 3,5 kg/cm2, což je polovina než tlak, při kterém se spouští ochranný ventil článku.
Mimochodem, pojistka článku se spustí při proudech přes 2500 A během maximálně 2 sekund. Předpokládejme, že teplotní gradient dosáhl hodnoty 10 °C/min. Za 10 sekund článek přidá k své teplotě přibližně 1,7 stupně, přičemž je v režimu zrychlení.
– Třívrstvý separátor v článku v režimu přebíjení zajistí blokaci přechodu iontů lithia na anodu článku. Teplota blokace činí 250 °C.
Teď se podívejme, co máme s teplotou článku; porovnáme, v jakých fázích dochází k aktivaci různých druhů ochran na úrovni článku.
— systém OSD – 3,5 ± 0,1 kg/cm2 <= vnější tlak
Dodatečná ochrana proti nadproudům.
— ochranný ventil 7,0±1,0 kg/cm2 <= vnější tlak
— jistič uvnitř článku 2 sekundy při 2500A (režim přetížení over current)
Riziko tepelných runaway článku přímo závisí na úrovni nabití článku, podrobnosti zde…Zvážíme efekt úrovně nabití článku v kontextu rizik vzniku tepelného runaway. Podívejme se na tabulku odpovídající teplotě článku v závislosti na parametru SOC (State of Charge, úroveň nabití akumulátoru).
Úroveň nabití akumulátoru se měří v procentech a ukazuje, jaká část celkového nabití zůstává ještě uložená v akumulátoru. V tomto případě zvažujeme režim přebití akumulátoru. Můžeme usoudit, že v závislosti na chemickém složení lithium článku se baterie může chovat různě při přebití a má různou sklonnost k tepelnému runaway. To je způsobeno různou měrnou kapacitou (Ah/g) různých typů Li-Ion článků. Čím větší je měrná kapacita článku, tím rychleji dojde k tepelnému výkonu při přebití.
Kromě toho při 100% SOC vnější zkrat často vede k tepelnému runaway článku. Na druhé straně, když má článek úroveň nabití 80% SOC, maximální teplota začátku tepelného runaway se posune výše. Článek je více odolný proti havarijním režimům.
A nakonec, pro 70% SOC nemusí být vnější zkraty vůbec příčinou tepelného runaway. To znamená, že riziko vznícení článku se výrazně snižuje, a nejpravděpodobnější scénář je pouze aktivace bezpečnostního ventilu lithium akumulátoru.
Kromě toho z tabulky vyplývá, že LFP (fialová křivka) baterie má obvykle strmý nárůst teploty, to znamená, že fáze "zahřívání" plynule přechází do fáze "tepelný runaway", a odolnost tohoto systému vůči přebití je poněkud horší. Baterie typu LMO, jak vidíme, mají plynulejší charakteristiku zahřívání při přebití.
DŮLEŽITÉ: Při aktivaci systému OSD dojde k resetování buňky na bypass. Tím se snižuje napětí na stojanu, ale ten zůstává v provozu a vyřazuje signál do monitorovacího systému UPS prostřednictvím systému BMS samotného stojanu. V případě klasického systému UPS s bateriemi VRLA může zkrat nebo přerušený obvod uvnitř jedné AKB ve stringu vést k selhání UPS jako celku a ztrátě funkčnosti IT vybavení.
Na základě výše uvedeného zůstávají pro použití lithium-iontových řešení v UPS relevantní rizika:
- Tepelný běh buňky, modulu v důsledku vnějšího zkratu – několik úrovní ochrany.
- Tepelný běh buňky, modulu v důsledku vnitřní závady baterie – několik úrovní ochrany na úrovni buňky, modulu.
- Přežití – ochrana prostřednictvím BMS plus všechny úrovně ochrany stojanu, modulu, buňky.
- Mechanické poškození – nerelevantní pro náš případ, riziko události je zanedbatelné.
- Přehřátí stojanu a všech baterií (modulů, buněk). Není kritické do 70-90 stupňů. Pokud teplota v místnosti, kde je nainstalována UPS, vzroste nad tyto hodnoty – jde již o požár v budově. V normálních provozních podmínkách datového centra je riziko události zanedbatelné.
- Snížení životnosti baterií při zvýšených teplotách prostoru – je povolena dlouhá práce při teplotě do 40 stupňů bez znatelného snížení životnosti baterií. Olověné baterie jsou velmi citlivé na jakékoli zvýšení teploty a snižují svou zbývající životnost úměrně k nárůstu teploty.
Podívejme se na blokovou schéma rizik havárií s lithium-iontovými bateriemi v našem případě použití v datovém centru, serverovně. Trochu zjednodušíme schéma, protože lithium-iontové UPS budou provozovány za ideálních podmínek, pokud porovnáme podmínky provozu baterií ve vašem zařízení, telefonu.
ZÁVĚR: Specializované lithium-iontové akumulátory pro UPS datových center, servery mají dostatečnou úroveň ochrany proti mimořádným situacím. V rámci komplexního řešení nabízí mnoho různých ochranných stupňů a více než pětileté zkušenosti s používáním těchto řešení potvrzují vysokou úroveň bezpečnosti nových technologií. Kromě toho je třeba si uvědomit, že provoz lithium-iontových baterií v našem sektoru probíhá v "sklenících" pro technologie Li-Ion: na rozdíl od vašeho chytrého telefonu v kapse, baterie v datovém centru nebude nikdo házet, přehřívat, vybíjet každý den nebo aktivně používat v bufferovém režimu.
Zjistit podrobnosti a prodiskutovat konkrétní řešení s použitím lithium-iontových baterií pro váš server nebo datové centrum můžete zasláním dotazu na e-mail , nebo učinit dotaz na stránkách společnosti .
OTEVŘENÉ TECHNOLOGIE – spolehlivá komplexní řešení od světových lídrů, přizpůsobená přesně podle vašich cílů a úkolů.
Autor: Oleg Kulikov
Hlavní inženýr konstruktor
Oddělení integračních řešení
Společnost Otevřené Technologie
Pouze registrovaní uživatelé se mohou účastnit ankety. , prosím.
Jaký je váš názor na bezpečnost a použitelnost průmyslových řešení na technologiích Li-Ion?
16,2%Je nebezpečný, může se samovznícovat, rozhodně si ho do serverovny nedám.
10,3%Nenazdávám se to a tak občas měníme klasické baterie a všechno je OK.
16,2%Musím přemýšlet, možná je to bezpečné a perspektivní.
23,5%Zajímavé, zvážím možnosti.
13,2%Zajímá mě! Investovat jednou – a nemusíte se bát, že celý datový centrum selže kvůli poruše jedné olověné baterie.
20,6%Zajímavé! Výhod je mnohem více než nevýhod a rizik.
Hlasovalo 68 uživatelů. Zdrželo se 25 uživatelů.
Zdroj: habr.com
