Hej venner!
Efter offentliggørelsen af artiklen var der mange kommentarer om faren ved Li-Ion-løsninger til servere og datacentre. Derfor vil vi i dag prøve at forstå, hvad forskellene er mellem industrielle lithiumløsninger til UPS og batteriet i din enhed, hvordan betingelserne for brug af batterier i serverrummet adskiller sig, hvorfor Li-Ion-batteriet i en telefon ikke holder mere end 2-3 år, mens det i et datacenter kan nå op på 10 år eller mere. Hvorfor risiciene for brand med lithium i datacenter/serverrum er minimale.
Ja, ulykker med UPS-batterier kan ske uanset typen af energilagring, men myten om «brandfaren» ved industrielle lithiumløsninger svarer ikke til virkeligheden.
For mange har set den med lithiumbatteri i en bil, der kører på motorvejen? Så lad os kigge nærmere, analysere og sammenligne…
Her ser vi et typisk tilfælde af ukontrolleret selvopvarmning, termisk optrapning af telefonens batteri, der førte til denne hændelse. Du vil sige: JEG VIDSTE! Dette er kun en telefon, kun en skør person ville installere sådan noget i serverrummet!
Jeg er sikker på, at læseren vil ændre sin opfattelse af dette emne efter at have studeret dette materiale.
Den nuværende situation på markedet for datacentre
Det er ingen hemmelighed, at opførelsen af datacentre er en langsigtet kapitalinvestering. Prisen for det ingeniørudstyr kan udgøre 50% af de samlede kapitalomkostninger. Den forventede tilbagebetalingshorisont er cirka 10-15 år. Det naturlige ønske opstår for at reducere de samlede ejeromkostninger i hele datacenterets livscyklus, mens man samtidig komprimerer ingeniørudstyret for maksimalt at frigive plads til nyttelast.
Den optimale løsning er industrielle UPS af den nye generation baseret på Li-Ion-batterier, der længe har overvundet «barndomskvaler» som brandfare, ukorrekte lade- og afladningsalgoritmer og er udstyret med mange beskyttelsesmekanismer.
Med stigende kapacitet af computer- og netværksudstyr stiger efterspørgslen efter UPS. Samtidig vokser kravene til driftstiden fra batterier i tilfælde af problemer med centralforsyningen og/eller fejl ved opstart af nødstrømforsyningen ved brug/free af dieselgenerator.
Der er to hovedårsager til dette, efter vores mening:
- Den hurtige vækst i mængden af behandlet og overført information.
For eksempel, , som
skal gemmes og behandles. - Væksten i dynamikken i elforbruget. På trods af den generelle tendens til faldende energiforbrug af IT-udstyr er der stadig et fald i energiforbruget fra elektroniske komponenter.
Grafen over elforbruget i et enkelt fungerende datacenter.
Den samme tendens ses i markedsprognoserne for datacentre i vores land.Ifølge data fra webstedet, er det samlede antal installerede serverpladser over 20.000. "Antallet af lancerede serverpladser blandt de 20 største datacenterleverandører i 2017 steg med 3% og nåede 22.400 (data pr. 1. oktober 2017)," siger CNews Analytics i sin rapport. Ifølge konsulentfirmaer forventes det, at antallet af serverpladser vil stige til 49.000 i 2021. Det vil sige, at den reelle kapacitet i datacentrene kan fordobles på to år. Hvad skyldes dette? Først og fremmest stigningen i mængden af information: både den lagrede og den behandlede.
Ud over cloud-tjenester nævner aktørerne udviklingen af datacenterkapacitet i regionerne som vækstpunkter: de er det eneste segment, hvor der er plads til forretningsudvikling. Ifølge IKS-Consulting tegnede regionerne sig i 2016 kun for 10% af alle de tilgængelige ressourcer på markedet, mens hovedstaden og Moskva-regionen tog 73% af markedet, og Sankt Petersborg og Leningrad-regionen 17%. Der fortsætter med at være en mangel på datacenterressourcer med høj tilgængelighed i regionerne.
Ifølge prognoserne vil den samlede mængde data i verden stige ti gange i forhold til 2016 inden 2025.
Hvor sikkert er lithium for UPS i serverrum eller datacentre?
Ulempe: høje omkostninger ved Li-Ion-løsninger.
Prisen på lithium-ion-batterier er stadig høj sammenlignet med standardløsninger. Ifølge SE's vurdering vil de indledende omkostninger for kraftige UPS over 100 kVA for Li-Ion-løsninger være 1,5 gange højere, men i sidste ende vil besparelsen ved ejerskab være 30-50%. Sammenlignes med det militærindustrielle kompleks i andre lande, er her nyheden om lanceringen af med Li-Ion-batterier. Sådanne løsninger bruger ofte lithium-jern-fosfatbatterier (som på billedet - LFP) på grund af relativt lav pris og større sikkerhed.
Artiklen nævner, at der er blevet brugt 100 millioner dollars på de nye batterier til ubåden, lad os prøve at omregne det til andre størrelser…4,2 tusinde tons - undervands tonnage for den japanske ubåd. Overvands tonnage - 2,95 tusinde tons. Som regel udgør batterier 20-25% af bådens vægt. Herfra tager vi cirka 740 tons - bly-syre-batterier. Dernæst: massen af lithium udgør cirka 1/3 af bly-syre-batterier - > 246 tons lithium. Ved 70 kW*timer/kg for Li-Ion får vi cirka 17 MWh kapacitet til batterimodulet. Og forskellen i batterimassen - cirka 495 tons… Her tager vi ikke hensyn til , hvor der til en ubåd kræves 14,5 tons sølv, og prisen på dem overstiger bly-syre-batterier med 4 gange. Jeg minder om, at Li-Ion-batterier nu er 1,5-2 gange dyrere end VRLA, afhængigt af løsningens kapacitet.
Hvad med japanerne? De huskede først for sent, at "letvægten" på 700 tons medfører ændringer i dens sødygtighed, stabilitet… Det er sandsynligt, at de måtte tilføje våben om bord for at gendanne de projektmæssige vægtforhold.
Lithium-ion-batterier vejer også mindre end bly-syre-batterier, så projektet om ubåden typen Soryu måtte tilpasses lidt for at opretholde ballast og stabilitet.
I Japan er der udviklet og bragt i drift to typer lithium-ion-batterier: lithium-nikkel-kobolt-aluminium-oxid (NCA) produceret af GS Yuasa og lithium-titanat (LTO) produceret af Toshiba. Den japanske flåde vil bruge NCA-batterier, mens der ifølge Kobayashi til den seneste udbudsrunde i Australien blev foreslået LTO-batterier til brug på ubåde baseret på Soryu-typen.
Med den dybe respekt for sikkerhed i landet med den stigende sol kan man antage, at lithium-sikkerhedsspørgsmålene er blevet løst, testet og certificeret.
Risiko: brandfare.
Her vil vi undersøge formålet med offentliggørelsen, da meningerne om sikkerheden af disse løsninger er diametralt modsatte. Men det er alt sammen lyrik; hvad har vi med konkrete industrielle løsninger?
Sikkerhedsspørgsmålene har vi allerede diskuteret i vores , men lad os endnu engang tage fat på dette spørgsmål. Lad os se på figuren, hvor beskyttelsesniveauet for modulerne og cellerne i LMO/NMC-batteriet fra Samsung SDI, der anvendes i UPS-løsningen fra Schneider Electric, blev overvejet.
De kemiske processer blev behandlet i artiklen af brugeren . Vi vil prøve at forstå de mulige risici i vores specifikke tilfælde og sammenligne dem med det flerlagede beskyttelsessystem i Samsung SDI-cellerne, der er en del af den færdige Li-Ion Type G-batterihylde i den omfattende løsning baseret på Galaxy VM.
Lad os starte med en generel risikodiagram for inflammationsårsagerne til lithium-ion-cellen.
Under spoileren kan man studere de teoretiske spørgsmål om brandrisikoen ved lithium-ion-batterier og fysikken bag processerne.Den oprindelige risikodiagram over de brandårsager (Safety Hazard) for lithium-ion-cellen fra fra 2018.
Da der er forskelle i karakteristikaene for varmeudviklingen i lithium-ion-celler afhængigt af den kemiske struktur, vil vi her stoppe ved den proces, der er beskrevet i artiklen for lithium-nikkel-kobolt-aluminium-cellen (baseret på LiNiCoAIO2) eller NCA.
Udviklingsprocessen for en ulykke i cellen kan opdeles i tre faser:
- Fase 1 (Onset). Normal drift for cell operation, where the temperature gradient does not exceed 0.2 °C per minute, and the cell temperature remains under 130-200 °C depending on the chemical structure of the cell;
- Fase 2, opvarmning (Acceleration). I denne fase stiger temperaturen, temperaturgradienten øges hurtigt, og der afgives aktivt varmeenergi. Generelt er denne proces ledsaget af gasudslip. Overdreven gasudslip skal kompenseres ved aktivering af sikkerhedsventilen;
- Fase 3, termisk udløb (Runaway). Opvarmning af batteriet over 180-200 grader. Her reagerer katodematerialet med disproportionsreaktion og frigiver ilt. Det er her, termisk udløb sker, da der kan opstå en blanding af brændbare gasser med ilt, hvilket kan føre til selvantændelse. Dog kan denne proces i nogle tilfælde kontrolleres; ved ændring af de ydre faktorer kan det termiske udløb i mange tilfælde stoppe uden fatale konsekvenser for det omgivende miljø. Funktionsdygtigheden af selve lithiumcellens tilstand efter disse begivenheder er ikke vurderet.
Temperaturen for termisk udløb afhænger af cellestørrelsen, cellens konstruktion og materiale. Temperaturen for termisk udløb kan variere fra 130 til 200 grader celsius. Tiden for termisk udløb kan være forskellig og kan strække sig over minutter, timer eller endda dage…
Hvad med LMO/NMC celler i lithium-ion UPS?
– For at forhindre kontakt mellem anoden og elektrolytten anvendes et keramisk lag i cellekonstruktionen (SFL). Bevægelser af lithiumioner blokeres ved 130 °C.
– Ud over beskyttelsesventilen anvendes et overopladningsbeskyttelsessystem (Over Charge Device, OSD), der arbejder sammen med en intern sikring og afbryder den beskadigede celle, så den termiske udløbsproces ikke når farlige niveauer. Desuden vil aktiveringen af det interne OSD-system ske tidligere, når trykket når 3,5 kg/cm², hvilket er halvdelen af det tryk, der kræves for at aktivere celleventilen.
For reference, the cell fuse will activate at currents above 2500 A within no more than 2 seconds. Let's assume the temperature gradient reaches a value of 10 °C/min. In 10 seconds, the cell will increase its temperature by about 1.7 degrees while in the acceleration mode.
– A three-layer separator in the cell during the recharge mode will prevent the transition of lithium ions to the anode of the cell. The blocking temperature is 250 °C.
Now let's examine the temperature of the cell; we will compare at which stages different types of protections are activated at the cell level.
— OSD system – 3.5±0.1 kg/cm² <= external pressure
Additional protection against overcurrents.
— safety valve 7.0±1.0 kg/cm² <= external pressure
— fuse inside the cell 2 seconds at 2500A (overcurrent mode)
The risk of thermal runaway of the cell directly depends on the degree/level of charge of the cell, more details here…Let's consider the effect of the cell's charge level in the context of the risks of thermal runaway. Let's refer to the table of cell temperature relative to the SOC parameter (State of Charge).
The state of charge of the battery is measured in percentages and shows what portion of the total charge is still stored in the battery. In this case, we are looking at the battery recharge mode. We can conclude that depending on the chemical composition of the lithium cell, the battery may behave differently during recharge and have varying tendencies towards thermal runaway. This is due to the different specific capacities (Ah/gram) of various types of Li-Ion cells. The higher the specific capacity of the cell, the more rapid the heat release during recharge.
Moreover, at 100% SOC, an external short circuit often leads to thermal runaway of the cell. On the other hand, when the cell has a charge level of 80% SOC, the maximum temperature for the onset of thermal runaway shifts to a higher value. The cell becomes more resistant to emergency modes.
And finally, for 70% SOC, external short circuits may not even cause thermal runaway at all. Thus, the risk of cell ignition is significantly reduced, and the most likely scenario is merely the activation of the safety valve in the lithium battery.
Desuden viser tabellen, at LFP (den lilla kurve) batterier generelt har en stejl temperaturstigning, hvilket betyder, at "opvarmnings"-fasen glat går over i "termisk løb", og systemets modstand mod overladning er noget dårligere. Batterier af LMO-type har, som vi ser, en mere jævn opvarmningskarakteristik ved overladning.
VIGTIGT: Når OSD-systemet aktiveres, sker der en bypass af cellen. Dette reducerer spændingen på racken, men det forbliver i drift og sender et signal til overvågningssystemet for UPS via rackets BMS. I tilfælde af et klassisk UPS-system med VRLA-batterier kan en kortslutning eller brud i én enkelt batteri i strengen føre til, at UPS'en svigter fuldstændigt og IT-udstyret ikke fungerer.
Baseret på det ovenstående forbliver risiciene ved brug af lithiumløsninger i UPS relevante:
- Termisk løb af cellen eller modulet som følge af ekstern kortslutning – flere beskyttelsesniveauer.
- Termisk løb af cellen eller modulet som følge af intern fejlfunktion i batteriet – flere beskyttelsesniveauer på niveauet cellen, modulet.
- Overladning – beskyttelse ved hjælp af BMS plus alle beskyttelsesniveauer for rack, modul, celle.
- Mekanisk beskadigelse – ikke relevant for vores sag, risikoen for hændelsen er ubetydelig.
- Overophedning af racken og alle batterier (moduler, celler). Ikke kritisk op til 70-90 grader. Hvis temperaturen i installationsrummet for UPS'en stiger over disse værdier – så er det allerede en brand i bygningen. I normale driftsforhold er risikoen for hændelsen ubetydelig.
- Nedgang i batteriers levetid ved forhøjede temperaturer – langvarig drift op til 40 grader er tilladt uden mærkbar nedgang i batteriers levetid. Blybatterier er meget følsomme over for enhver temperaturstigning og reducerer deres resterende kapacitet proportionalt med stigende temperatur.
Lad os tage et kig på risikodiagrammet for fejl med lithium-ion-batterier i vores anvendelse i datacentre, serverrum. Lad os forenkle diagrammet lidt, da lithium-UPS'en vil blive drevet under ideelle betingelser, sammenlignet med forholdene under hvilke batterierne arbejder i din gadget, telefon.
KONKLUSION: Specialiserede lithiumbatterier til UPS Datacentre, serverrum har et tilstrækkeligt beskyttelsesniveau mod nødsituationer, og i en samlet løsning giver et stort antal forskellige beskyttelsesniveauer og mere end fem års erfaring med drift af disse løsninger mulighed for at tale om et højt sikkerhedsniveau for de nye teknologier. Desuden skal man huske, at driften af lithiumbatterier i vores sektor foregår under "drivhus"-forhold for Li-Ion-teknologier: I modsætning til din smartphone i lommen vil batteriet i datacentret ikke blive tabt, overophedet, afladet hver dag eller aktivt brugt i buffer-tilstand.
For at få flere oplysninger og drøfte en specifik løsning med brug af lithium-ion-batterier til dit serverrum eller datacenter, kan du sende en forespørgsel til e-mail , eller sende en forespørgsel på virksomhedens hjemmeside .
ÅBNE TEKNOLOGIER – pålidelige, omfattende løsninger fra verdens førende aktører, tilpasset specifikt til dine mål og opgaver.
Forfatter: Kulikov Oleg
Ledende ingeniørkonstruktør
Afdeling for integrationsløsninger
Virksomhed Åbne Teknologier
Kun registrerede brugere kan deltage i undersøgelsen. , please.
Din mening om sikkerheden og anvendeligheden af industrielle løsninger baseret på Li-Ion-teknologier?
16,2%Farlig, selvantændelig, ville aldrig installere det i mit serverrum.11
10,3%Jeg er ikke interesseret, vi skifter allerede regelmæssigt de klassiske batterier, og alt er fint.7
16,2%Jeg skal tænke over det, måske er det sikkert og fremadskuende.11
23,5%Nysgerrig, vil overveje mulighederne.16
13,2%Interessant! Investere én gang – og ikke bekymre sig om, at hele datacentret falder sammen på grund af en enkelt blybatterifejl.9
20,6%Interesse! Fordelene er langt flere end ulemperne og risiciene.14
68 brugere stemte. 25 brugere undlod at stemme.
Kilde: habr.com
