Dobrý den, přátelé!
Po zveřejnění článku Bylo mnoho komentářů o nebezpečích Li-Ion řešení pro servery a datová centra. Proto se dnes pokusíme zjistit, jaké jsou rozdíly mezi průmyslovými lithiovými řešeními pro UPS a baterií ve vašem gadgetu, jak se liší provozní podmínky baterií v serverové místnosti, proč v telefonu Li-Ion baterie nevydrží více než 2-3 roky a v datovém centru se toto číslo zvýší na 10 nebo více let. Proč jsou rizika požáru lithia v datovém centru/serverovně minimální.
Ano, nehody s bateriemi UPS jsou možné bez ohledu na typ zařízení pro uchovávání energie, ale mýtus o „nebezpečí požáru“ průmyslových lithiových řešení není pravdivý.
To ostatně mnozí viděli s lithiovou baterií v autě pohybujícím se po dálnici? Tak uvidíme, zjistíme, porovnáme...
Zde vidíme typický případ nekontrolovaného samozahřívání, tepelného úniku baterie telefonu, což vedlo k takovému incidentu. Řeknete si: ZDE! Je to jen telefon, jen blázen by něco takového dal do serverovny!
Jsem si jist, že po prostudování tohoto materiálu čtenář změní svůj pohled na tuto problematiku.
Aktuální situace na trhu datových center
Není žádným tajemstvím, že vybudování datového centra je dlouhodobá investice. Samotná cena inženýrského zařízení může činit 50 % nákladů všech kapitálových nákladů. Doba návratnosti je přibližně 10-15 let. Přirozeně existuje přání snížit celkové náklady na vlastnictví během celého životního cyklu datového centra a zároveň také kompaktní technické vybavení, které uvolní co nejvíce prostoru pro užitečné zatížení.
Optimálním řešením je nová iterace průmyslových UPS na bázi Li-Ion baterií, které se již dávno zbavily „dětských nemocí“ v podobě nebezpečí požáru, nesprávných algoritmů nabíjení a vybíjení a získaly množství ochranných mechanismů.
S nárůstem kapacity výpočetního a síťového vybavení roste poptávka po UPS. Zároveň se zvyšují požadavky na životnost baterie při problémech s centralizovaným napájením a/nebo poruchách při spouštění záložního zdroje v případě použití/dostupnosti dieselagregátu.
Podle našeho názoru existují dva hlavní důvody:
- Rychlý růst objemu zpracovávaných a přenášených informací
Například, který
je potřeba uložit a zpracovat. - Růst dynamiky spotřeby elektrické energie. Navzdory obecnému trendu snižování energetické náročnosti IT zařízení, snižování měrné spotřeby energie elektronických součástek.
Graf spotřeby energie pouze jednoho provozního datového centra
Stejný trend ukazují prognózy trhu datových center u nás.Podle místa, celkový počet zprovozněných rackových prostorů je více než 20 tis.. „Počet rackových prostor zprovozněných 20 největšími poskytovateli služeb datových center v roce 2017 vzrostl o 3 % a dosáhl 22,4 tis. (údaje k 1. 2017),“ uvádí zpráva CNews Analytics. Podle poradenských agentur se do roku 2021 očekává nárůst počtu rackových míst na 49 tisíc. To znamená, že za dva roky se skutečná kapacita datového centra může zdvojnásobit. S čím to souvisí? Za prvé, s nárůstem objemu informací: jak ukládaných, tak zpracovávaných.
Kromě cloudů považují hráči za růstové body rozvoj kapacit datových center v regionech: jsou jediným segmentem, kde je rezerva pro rozvoj podnikání. Podle IKS-Consulting v roce 2016 regiony tvořily pouze 10 % všech zdrojů nabízených na trhu, přičemž hlavní město a Moskevská oblast zabíraly 73 % trhu a Petrohrad a Leningradská oblast – 17 %. V regionech nadále přetrvává nedostatek zdrojů datových center s vysokým stupněm odolnosti proti chybám.
Předpokládá se, že do roku 2025 se celkové množství dat ve světě ve srovnání s rokem 10 zvýší 2016krát.
Přesto, jak bezpečné je lithium pro server nebo UPS pro datové centrum?
Nevýhoda: vysoká cena Li-Ion řešení.
Cena lithium-iontových baterií je ve srovnání se standardními řešeními stále vysoká. Podle odhadů SE budou počáteční náklady na vysoce výkonné UPS nad 100 kVA pro Li-Ion řešení 1,5krát vyšší, ale nakonec úspory na vlastnictví budou 30–50 %. Pokud uděláme srovnání s vojensko-průmyslovým komplexem jiných zemí, pak je zde zpráva o spuštění v s Li-Ion bateriemi. Poměrně často se v takových řešeních používají lithium-železofosfátové baterie (LFP na fotografii) kvůli jejich relativní levnosti a větší bezpečnosti.
V článku je zmíněno, že za nové baterie do ponorky bylo utraceno 100 milionů dolarů, zkusme to převést na jiné hodnoty...4,2 tisíce tun je podvodní výtlak japonské ponorky. Povrchový výtlak - 2,95 tisíc tun. Zpravidla 20-25% hmotnosti lodi tvoří baterie. Odsud odvezeme přibližně 740 tun – olověných baterií. Dále: hmotnost lithia je přibližně 1/3 hmotnosti olověných baterií -> 246 tun lithia. Při 70 kWh/kg pro Li-Ion získáme přibližně 17 MWh výkonu bateriového pole. A rozdíl v hmotnosti baterií je přibližně 495 tun... Zde nebereme v úvahu , které vyžadují 14,5 tuny stříbra na ponorku a stojí 4krát více než olověné baterie. Připomínám, že Li-Ion baterie jsou nyní pouze 1,5-2x dražší než VRLA v závislosti na výkonu řešení.
A co Japonci? Příliš pozdě si vzpomněli, že „odlehčení lodi“ o 700 tun znamená změnu její plavby a stability... Pravděpodobně museli na palubu přidat zbraně, aby se vrátilo konstrukční rozložení hmotnosti lodi.
Lithium-iontové baterie také váží méně než olověné baterie, takže konstrukce ponorky třídy Soryu musela být poněkud přepracována, aby byla zachována zátěž a stabilita.
V Japonsku byly vytvořeny a uvedeny do provozu dva typy lithium-iontových baterií: lithium-nikl-kobalt-aluminium-oxid (NCA) vyráběné společností GS Yuasa a lithium-titanátové (LTO) vyráběné společností Toshiba Corporation. Japonské námořnictvo bude používat baterie NCA, zatímco Austrálii byly podle Kobayashi v nedávném výběrovém řízení nabídnuty baterie LTO pro použití na ponorkách třídy Soryu.
S vědomím úctyhodného postoje k bezpečnosti v zemi vycházejícího slunce můžeme předpokládat, že otázky bezpečnosti lithia byly vyřešeny, testovány a certifikovány.
Riziko: nebezpečí požáru.
Zde zjistíme účel publikace, protože existují diametrálně odlišné názory na bezpečnost těchto řešení. Ale to je všechno rétorika, ale co konkrétní průmyslová řešení?
O bezpečnostních otázkách jsme již diskutovali v našem , ale pojďme se znovu zastavit u tohoto problému. Vraťme se k obrázku, který zkoumal úroveň ochrany modulu a LMO/NMC článku baterie vyráběné společností Samsung SDI a používané jako součást UPS Schneider Electric.
Chemické procesy byly diskutovány v uživatelském článku . Zkusme pochopit možná rizika v našem konkrétním případě a porovnejme je s víceúrovňovou ochranou v článcích Samsung SDI, které jsou nedílnou součástí hotového Li-Ion racku typu G v rámci komplexního řešení na bázi Galaxy VM .
Začněme obecným případovým vývojovým diagramem rizik a příčin požáru v lithium-iontovém článku.
Pod spoilerem můžete studovat teoretickou problematiku požárních rizik lithium-iontových baterií a fyziku procesůPočáteční blokové schéma rizik a příčin požáru (bezpečnostní nebezpečí) lithium-iontového článku z Roky 2018.
Protože v závislosti na chemické struktuře lithium-iontového článku existují rozdíly v tepelných charakteristikách článku, zaměříme se zde na proces popsaný v článku v lithium-nikl-kobalt-hliníkovém článku (na bázi LiNiCoAIO2) nebo NCA.
Proces vzniku nehody v buňce lze rozdělit do tří fází:
- stadium 1 (počátek). Normální provoz článku, kdy gradient nárůstu teploty nepřesahuje 0,2 stupně Celsia za minutu a teplota článku samotného nepřesahuje 130-200 stupňů Celsia, v závislosti na chemické struktuře článku;
- stupeň 2, zahřívání (zrychlení). V této fázi se teplota zvyšuje, teplotní gradient se rychle zvyšuje a tepelná energie se aktivně uvolňuje. Obecně je tento proces doprovázen uvolňováním plynů. Nadměrný vývin plynu musí být kompenzován ovládáním pojistného ventilu;
- etapa 3, tepelný útěk (Runaway). Zahřívání baterie nad 180-200 stupňů. V tomto případě katodový materiál vstupuje do disproporcionační reakce a uvolňuje kyslík. Toto je úroveň tepelného úniku, protože v tomto případě může dojít ke směsi hořlavých plynů s kyslíkem, což způsobí samovznícení. Tento proces však lze v některých případech kontrolovat, číst – při změně režimu vnějších faktorů se tepelný útěk v některých případech zastaví bez fatálních následků pro okolní prostor. Provozovatelnost a výkon samotného lithiového článku po těchto událostech se nebere v úvahu.
Teplotní úniková teplota závisí na velikosti buňky, konstrukci buňky a materiálu. Teplotní úniková teplota se může pohybovat od 130 do 200 stupňů Celsia. Doba tepelného úniku se může lišit a může se pohybovat od minut, hodin nebo dokonce dnů...
A co články typu LMO/NMC v lithium-iontových UPS?
– Aby se zabránilo kontaktu anody s elektrolytem, je jako součást článku použita keramická vrstva (SFL). Pohyb lithných iontů je blokován při 130 stupních Celsia.
– Kromě ochranného odvzdušňovacího ventilu se používá ochranný systém Over Charge Device (OSD), který funguje ve spojení s vnitřní pojistkou a vypíná poškozený článek, čímž zabraňuje tomu, aby proces tepelného úniku dosáhl nebezpečných úrovní. Kromě toho se vnitřní systém OSD spustí dříve, když tlak dosáhne 3,5 kgf/cm2, tedy o polovinu méně, než je reakční tlak bezpečnostního ventilu článku.
Mimochodem, pojistka článku bude fungovat při proudech nad 2500 A za ne více než 2 sekundy. Předpokládejme, že teplotní gradient dosahuje hodnoty 10 stupňů C/min. Za 10 sekund bude mít buňka čas přidat ke své teplotě asi 1,7 stupně v režimu přetaktování.
– Třívrstvý separátor v článku v režimu dobíjení blokuje přechod iontů lithia na anodu článku. Blokovací teplota je 250 stupňů Celsia.
Nyní se podívejme, co máme s teplotou buňky; Porovnejme, v jakých fázích se spouštějí různé typy ochran na buněčné úrovni.
— Systém OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= vnější tlak
Dodatečná ochrana proti nadproudu.
— pojistný ventil 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= vnější tlak
- pojistka uvnitř článku 2 sekundy při 2500A (režim nadproud)
Riziko tepelného úniku článku přímo závisí na stupni/úrovni nabití článku, více podrobností zde...Uvažujme vliv úrovně nabití článku v kontextu rizik tepelného úniku. Podívejme se na tabulku shody mezi teplotou článku a parametrem SOC (State of Charge, stupeň nabití baterie).
Úroveň nabití baterie se měří v procentech a ukazuje, kolik z celkového nabití ještě zůstává uloženo v baterii. V tomto případě uvažujeme o režimu dobíjení baterie. Lze dojít k závěru, že v závislosti na chemii lithiového článku se baterie může při přebíjení chovat odlišně a mít různou náchylnost k tepelnému úniku. To je způsobeno rozdílnou specifickou kapacitou (A*h/gram) různých typů Li-Ion článků. Čím větší je specifická kapacita článku, tím rychlejší je uvolňování tepla při dobíjení.
Navíc při 100% SOC vnější zkrat často způsobí tepelný únik článku. Na druhou stranu, když je článek na 80% SOC, maximální tepelná úniková teplota článku se posune nahoru. Buňka se stává odolnější vůči nouzovým podmínkám.
A konečně, pro 70% SOC nemusí vnější zkraty vůbec způsobit tepelný únik. To znamená, že riziko vznícení článků je výrazně sníženo a nejpravděpodobnějším scénářem je pouze činnost pojistného ventilu lithiové baterie.
Navíc z tabulky můžeme usoudit, že LFP (fialová křivka) baterie má obvykle strmý nárůst teploty, to znamená, že fáze „zahřívání“ plynule přechází do fáze „tepelného úniku“ a stabilita tento systém přebíjení je poněkud horší. Baterie LMO, jak vidíme, mají při dobíjení jemnější charakteristiku ohřevu.
DŮLEŽITÉ: Když se spustí systém OSD, buňka se resetuje na bypass. Napětí na stojanu se tak sníží, ale zůstává v provozu a prostřednictvím systému BMS samotného stojanu poskytuje signál do monitorovacího systému UPS. V případě klasického UPS systému s VRLA bateriemi může zkrat nebo přerušení jedné baterie ve stringu vést k poruše UPS jako celku a ztrátě funkčnosti IT zařízení.
Na základě výše uvedeného jsou pro případ použití lithiových roztoků v UPS relevantní následující rizika:
- Tepelný únik článku nebo modulu v důsledku vnějšího zkratu - několik úrovní ochrany.
- Tepelný únik článku nebo modulu v důsledku poruchy vnitřní baterie - několik úrovní ochrany na úrovni článku nebo modulu.
- Overcharge – ochrana pomocí BMS plus všechny úrovně ochrany pro rack, modul, buňku.
- Mechanické poškození není pro náš případ relevantní, riziko události je zanedbatelné.
- Přehřátí racku a všech baterií (modulů, článků). Nekritické do 70-90 stupňů. Pokud teplota v místnosti instalace UPS stoupne nad tyto hodnoty, znamená to, že v budově došlo k požáru. Za normálních provozních podmínek datového centra je riziko události zanedbatelné.
- Snížená životnost baterie při zvýšených pokojových teplotách - je povolen dlouhodobý provoz při teplotách do 40 stupňů bez znatelného snížení životnosti baterie. Olověné baterie jsou velmi citlivé na jakékoli zvýšení teploty a úměrně se zvýšením teploty snižují svou zbývající životnost.
Podívejme se na vývojový diagram rizika nehod s lithium-iontovými bateriemi v našem datovém centru, serverové místnosti. Pojďme si schéma trochu zjednodušit, protože lithiové UPS budou provozovány v ideálních podmínkách, pokud porovnáme provozní podmínky baterií ve vašem gadgetu, telefonu.
ZÁVĚR: Specializované lithiové baterie pro UPS datových center a serveroven mají dostatečnou úroveň ochrany před nouzovými situacemi a v komplexním řešení velké množství stupňů různé ochrany a více než pětileté zkušenosti s provozem těchto řešení umožňují hovořit o vysoká úroveň bezpečnosti nových technologií. Mimo jiné bychom neměli zapomínat, že provoz lithiových baterií v našem sektoru vypadá jako „skleníkové“ podmínky pro Li-Ion technologie: na rozdíl od vašeho smartphonu v kapse vám baterie v datovém centru nikomu neupadne, nepřehřeje se, nevybije každý den, aktivně používat v režimu vyrovnávací paměti.
Můžete se dozvědět více podrobností a prodiskutovat konkrétní řešení pomocí lithium-iontových baterií pro vaši serverovnu nebo datové centrum zasláním požadavku e-mailem nebo žádostí na webových stránkách společnosti .
OTEVŘENÉ TECHNOLOGIE – spolehlivá komplexní řešení od světových lídrů, přizpůsobená speciálně vašim cílům a záměrům.
Autor: Kulikov Oleg
Přední konstruktér
Oddělení integračních řešení
Společnost Open Technologies
Průzkumu se mohou zúčastnit pouze registrovaní uživatelé. , prosím.
Jaký je váš názor na bezpečnost a použitelnost průmyslových řešení založených na Li-Ion technologiích?
-
16,2%Nebezpečné, samovznětlivé, za žádných okolností bych ho nedal do své serverovny.11
-
10,3%To mě nezajímá, takže pravidelně měníme klasické baterie a vše OK.7
-
16,2%Musíme přemýšlet o tom, zda by to mohlo být bezpečné a slibné.11
-
23,5%Zajímavé, podívám se na možnosti.16
-
13,2%Zájem! Investujte jednou – a nebojte se zahltit celé datové centrum kvůli výpadku jedné olověné baterie.9
-
20,6%Zajímavý! Výhody výrazně převažují nad nevýhodami a riziky.14
Hlasovalo 68 uživatelů. 25 uživatelů se zdrželo hlasování.
Zdroj: www.habr.com