Hallo, Freunde!
Nach der Veröffentlichung des Artikels gab es viele Kommentare zur Gefährlichkeit von Li-Ion-Lösungen für Server und Rechenzentren. Daher werden wir heute versuchen, die Unterschiede zwischen industriellen Lithiumlösungen für USV-Anlagen und den Batterien in Ihren Geräten zu klären, die Betriebsbedingungen von Batterien im Serverraum zu vergleichen und zu erklären, warum die Li-Ion-Batterie in Ihrem Telefon nicht länger als 2-3 Jahre hält, während sie in einem Rechenzentrum auf mindestens 10 Jahre und mehr kommt. Warum sind die Brandrisiken von Lithium in Rechenzentren/Serverräumen minimal?
Ja, Unfälle mit UPS-Batterien sind unabhängig von der Art der Energiespeicher möglich, aber der Mythos von der "Brandgefahr" industrieller Lithiumlösungen ist nicht wahr.
Denn viele haben das mit Lithiumbatterie in einem fahrendem Auto gesehen, oder? Lassen Sie uns also sehen, klären und vergleichen...
Hier sehen wir einen typischen Fall von unkontrollierter Selbstwärmeentwicklung, einem thermischen Durchgehen der Telefonbatterie, das zu einem solchen Vorfall geführt hat. Sie werden sagen: DA! Das ist doch nur ein Telefon, so etwas würde in einem Serverraum nur ein Verrückter installieren!
Ich bin mir sicher, dass der Leser nach der Durchsicht dieses Materials seine Meinung zu diesem Thema ändern wird.
Der aktuelle Zustand des Rechenzentrumsmarktes
Es ist kein Geheimnis, dass der Bau von Rechenzentren eine langfristige Kapitalinvestition darstellt. Die Kosten für die technische Ausstattung können bis zu 50% der gesamten Investitionskosten ausmachen. Die Amortisationszeit beträgt etwa 10-15 Jahre. Logischerweise besteht der Wunsch, die gesamten Betriebskosten über den gesamten Lebenszyklus des Rechenzentrums zu senken und gleichzeitig die technische Ausstattung zu verdichten, um mehr Platz für die nützliche Last zu schaffen.
Die optimale Lösung sind industrielle USV-Anlagen der neuen Generation auf Basis von Li-Ion-Batterien, die schon lange die "Kinderkrankheiten" wie Feuergefährdung und fehlerhafte Lade- und Entladealgorithmen hinter sich gelassen haben und mit zahlreichen Schutzmechanismen ausgestattet sind.
Mit der zunehmenden Leistung von Rechen- und Netzwerktechnologie wächst die Nachfrage nach USVs. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Autonomiezeiten von Batterien im Falle von Problemen mit der zentralen Stromversorgung und/oder Ausfällen beim Start von Notstromaggregaten in Verbindung mit bestehenden Generatoren.
Wir sehen hier zwei Hauptgründe:
- Das rasante Wachstum der verarbeiteten und übertragenen Datenvolumen.
Zum Beispiel , die
gespeichert und verarbeitet werden müssen. - Wachstum des Stromverbrauchs. Trotz des allgemeinen Trends zur Senkung des Energieverbrauchs von IT-Ausrüstung und der Reduzierung des spezifischen Energieverbrauchs von elektronischen Komponenten.
Diagramm des Energieverbrauchs eines aktiven Rechenzentrums.
Diese Tendenz zeigt sich auch in den Prognosen für den Rechenzentrumsmarkt in unserem Land.Laut den Angaben der Webseite, die insgesamt in Betrieb genommenen Stellplätze überschreiten 20.000. „Die Anzahl der in Betrieb genommenen Stellplätze bei den 20 größten Rechenzentrumsanbietern ist im Jahr 2017 um 3 % gestiegen und hat 22.400 erreicht (Stand: 1. Oktober 2017)“, so der Bericht von CNews Analytics. Schätzungen von Beratungsunternehmen zufolge wird bis 2021 ein Anstieg der Stellplätze auf 49.000 prognostiziert. Das bedeutet, dass die tatsächliche Kapazität der Rechenzentren innerhalb von zwei Jahren verdoppelt werden könnte. Womit hängt das zusammen? In erster Linie mit dem Anstieg des Informationsvolumens: sowohl bei der Speicherung als auch bei der Verarbeitung.
Neben der Cloud zählen die Akteure auch die Entwicklung von Rechenzentrumsressourcen in den Regionen zu den Wachstumsfeldern: Sie sind das einzige Segment, in dem es noch Entwicklungsspielraum für das Geschäft gibt. Laut IKS-Consulting entfielen im Jahr 2016 nur 10 % aller am Markt angebotenen Ressourcen auf die Regionen, während die Hauptstadt und die Region Moskau 73 % des Marktes einnahmen und St. Petersburg sowie die Region Leningrad 17 %. In den Regionen bleibt der Mangel an Rechenzentrumsressourcen mit hoher Ausfallsicherheit bestehen.
Bis 2025 wird der weltweite Datenvolumen laut Prognosen im Vergleich zu 2016 um das Zehnfache steigen.
Wie sicher ist Lithium für unterbrechungsfreie Stromversorgungen in Rechenzentren oder Serverräumen?
Nachteil: hohe Kosten von Li-Ion-Lösungen.
Die Preise für Lithium-Ionen-Akkus sind im Vergleich zu Standardlösungen nach wie vor hoch. Schätzungen von SE zufolge werden die Anfangskosten für leistungsstarke unterbrechungsfreie Stromversorgungen über 100 kVA für Li-Ion-Lösungen 1,5-mal höher sein, aber letztendlich wird die Einsparung im Besitz 30-50% betragen. Wenn man Vergleiche mit dem Militär-Industriekombinat anderer Länder anstellt, ist hier die Nachricht über die Inbetriebnahme eines mit Li-Ion-Batterien. In ähnlichen Lösungen kommen ziemlich oft Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (im Bild LFP) wegen ihrer relativen Kostengünstigkeit und höheren Sicherheit zum Einsatz.
In dem Artikel wird erwähnt, dass für die neuen Batterien des U-Bootes 100 Millionen USD ausgegeben wurden, versuchen wir, dies in andere Größenordnungen umzurechnen…4,2 Tausend Tonnen - das Unterwasser-Volumen eines japanischen U-Bootes. Das Überwasser-Volumen beträgt 2,95 Tausend Tonnen. In der Regel machen Batterien etwa 20-25% des Gewichts des Bootes aus. Daraus ergibt sich eine ungefähre Menge von 740 Tonnen - Blei-Säure-Batterien. Weiter: Das Gewicht von Lithium beträgt ungefähr 1/3 im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien -> 246 Tonnen Lithium. Bei 70 kWh/kg für Li-Ion erhalten wir ungefähr 17 MWh Leistung für das Batteriesystem. Die Gewichtsdifferenz der Batterien beträgt etwa 495 Tonnen… Hier berücksichtigen wir nicht , von denen für ein U-Boot 14,5 Tonnen Silber benötigt werden, und deren Kosten viermal höher sind als die von Blei-Säure-Batterien. Ich erinnere daran, dass Li-Ion-Batterien derzeit nur 1,5-2 mal teurer sind als VRLA, je nach Leistungsanforderung.
Und was machen die Japaner? Sie haben zu spät erkannt, dass eine "Entlastung des Bootes" um 700 Tonnen Auswirkungen auf seine Seetauglichkeit und Stabilität hat… Wahrscheinlich mussten sie Waffen an Bord hinzufügen, um die projektierten Gewichtsverhältnisse des Bootes wiederherzustellen.
Lithium-Ionen-Batterien sind auch leichter als Bleiakkumulatoren, weshalb das Design des U-Bootes vom Typ Soryu etwas überarbeitet werden musste, um die Ballastierung und Stabilität zu gewährleisten.
In Japan wurden zwei Typen von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt und betriebsbereit gemacht: Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) von GS Yuasa und Lithium-Titanat (LTO) von Toshiba. Die japanische Marine wird NCA-Batterien verwenden, während laut Kobayashi Australien in einer kürzlichen Ausschreibung LTO-Batterien für Soryu-basierte U-Boote angeboten hat.
Angesichts des hohen Sicherheitsbewusstseins im Land der aufgehenden Sonne kann man davon ausgehen, dass die Sicherheitsfragen im Zusammenhang mit Lithium dort gelöst, getestet und zertifiziert sind.
Risiko: Feuergefahr.
Hier werden wir uns mit dem Ziel der Veröffentlichung auseinandersetzen, da die Meinungen über die Sicherheit dieser Lösungen diametral entgegengesetzt sind. Aber das ist alles Theorie, wie sieht es mit konkreten industriellen Lösungen aus?
Die Sicherheitsfragen haben wir bereits in unserem , aber lassen Sie uns noch einmal auf diese Frage zurückkommen. Lassen Sie uns das Bild betrachten, das das Schutzniveau des Moduls und der LMO/NMC-Zelle des Akkus von Samsung SDI zeigt, das in den USV-Systemen von Schneider Electric verwendet wird.
Die chemischen Prozesse wurden im Artikel des Nutzers . Lassen Sie uns die möglichen Risiken in unserem spezifischen Fall untersuchen und diese mit dem mehrstufigen Schutz in den Zellen von Samsung SDI vergleichen, die Teil der fertigen Li-Ion-Rack-Lösung vom Typ G im Rahmen einer umfassenden Lösung auf Basis von Galaxy VM sind.
Beginnen wir mit einem allgemeinen Risikodiagramm und den Ursachen für das Überhitzen einer Lithium-Ionen-Zelle.
Unter dem Spoiler können theoretische Fragen zu den Risiken von Lithium-Ionen-Akkus und der Physik der Prozesse studiert werden.Das ursprüngliche Risikodiagramm und die Ursachen des Überhitzens (Safety Hazard) einer Lithium-Ionen-Zelle aus aus dem Jahr 2018.
Da die Eigenschaften des thermischen Durchbruchs einer Lithium-Ionen-Zelle je nach chemischer Struktur variieren, konzentrieren wir uns hier auf den in dem Artikel beschriebenen Prozess in einer Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Zelle (basierend auf LiNiCoAIO2) oder NCA.
Der Verlauf eines Vorfalls in der Zelle kann in drei Phasen unterteilt werden:
- Phase 1 (Onset). Normale Betriebsbedingungen der Zelle, bei denen der Temperaturanstieg 0,2 °C pro Minute nicht überschreitet und die Temperatur der Zelle je nach chemischer Struktur zwischen 130 und 200 °C liegt;
- Phase 2, Erwärmung (Acceleration). In dieser Phase steigt die Temperatur, der Temperaturgradient erhöht sich schnell, und es erfolgt eine aktive Abgabe von Wärmeenergie. Im Allgemeinen geht dieser Prozess mit der Freisetzung von Gasen einher. Eine übermäßige Gasfreisetzung muss durch das Auslösen des Sicherheitsventils kompensiert werden;
- Phase 3, thermale Aufheizung (Runaway). Die Temperatur des Akkus übersteigt 180-200 Grad. Dabei reagiert das Kathodenmaterial durch Disproportionalisierung und setzt Sauerstoff frei. Dies ist der Punkt des thermalen Durchgehens, da in diesem Fall eine Mischung aus brennbaren Gasen und Sauerstoff entstehen kann, was zu Selbstentzündung führt. Allerdings kann dieser Prozess in einigen Fällen kontrollierbar sein, d.h. bei Änderungen der äußeren Bedingungen kann das thermale Durchgehen in bestimmten Fällen ohne fatale Folgen für die Umgebung gestoppt werden. Die Funktionsfähigkeit der Lithiumzelle nach solchen Ereignissen wird nicht betrachtet.
Die Temperatur des thermalen Durchgehens hängt von der Zellengröße, der Zellkonstruktion und dem Material ab. Die Temperatur kann zwischen 130 und 200 Grad Celsius variieren. Die Zeit des thermalen Durchgehens kann unterschiedlich sein und Minuten, Stunden oder sogar Tage betragen…
Was ist mit Zellen vom Typ LMO/NMC in Lithium-Ionen-USV?
Um den Kontakt der Anode mit dem Elektrolyten zu verhindern, wird eine keramische Schicht in der Zelle verwendet (SFL). Die Bewegung der Lithiumionen wird bei 130 Grad Celsius blockiert.
Zusätzlich zum Schutzventil wird ein Überladungsschutzsystem (Over Charge Device, OSD) eingesetzt, das in Verbindung mit einer internen Sicherung arbeitet und einen beschädigten Zelle ausschaltet, um eine gefährliche Temperatursteigerung zu verhindern. Dabei wird das interne OSD-System bereits bei einem Druck von 3,5 kg/cm² ausgelöst, also halb so hoch wie der Auslösedruck des Zellenschutzventils.
Übrigens wird die Sicherung der Zelle bei Strömen über 2500 A in weniger als 2 Sekunden auslösen. Angenommen, der Temperaturgradient erreicht 10 °C/min. In 10 Sekunden wird die Zelle etwa 1,7 Grad zu ihrer Temperatur hinzufügen, während sie sich im Beschleunigungsmodus befindet.
Der dreilagige Separator in der Zelle im Überladungsmodus sorgt dafür, dass der Übergang von Lithium-Ionen zur Anode der Zelle blockiert wird. Die Blockiertemperatur liegt bei 250 °C.
Schauen wir uns nun die Temperatur der Zelle an; vergleichen wir, in welchen Phasen verschiedene Arten von Schutzmaßnahmen auf Zellebene ausgelöst werden.
— OSD-System – 3,5±0,1 kg/cm² <= Umgebungsdruck
Zusätzlicher Schutz vor Überströmen.
— Sicherheitsventil 7,0+-1,0 kgf/cm² <= Umgebungsdruck
— Sicherung innerhalb der Zelle 2 Sekunden bei 2500A (Überlaststrommodus)
Das Risiko eines thermischen Durchgehens der Zelle hängt direkt vom Ladezustand der Zelle ab. Weitere Informationen finden Sie hier…Betrachten wir den Einfluss des Ladezustands der Zelle im Hinblick auf die Risiken eines thermischen Durchgehens. Hier ist eine Tabelle, die die Temperatur der Zelle in Relation zum Parameter SOC (State of Charge, Ladezustand der Batterie) darstellt.
Der Ladezustand der Batterie wird in Prozent gemessen und zeigt an, welcher Teil der vollständigen Ladung noch in der Batterie gespeichert ist. In diesem Fall betrachten wir den Zustand des Überladens der Batterie. Es kann festgestellt werden, dass je nach chemischer Zusammensetzung der Lithiumzelle die Batterie bei Überladung unterschiedlich reagieren kann und verschiedene Neigungen zum thermischen Durchgehen aufweist. Dies liegt an der unterschiedlichen spezifischen Kapazität (Ah/g) der verschiedenen Li-Ion-Zellen. Je höher die spezifische Kapazität der Zelle, desto schneller wird die Wärmeabgabe bei Überladung sein.
Darüber hinaus führt ein externes Kurzschlussereignis bei 100 % SOC häufig zu einem thermischen Hochlauf der Zelle. Andererseits verschiebt sich die maximale Temperatur, ab der die thermische Aufheizung der Zelle bei 80 % SOC beginnt, in einen höheren Bereich. Die Zelle wird widerstandsfähiger gegen Notfälle.
Und schließlich können externe Kurzschlüsse bei 70 % SOC überhaupt nicht zu einem thermischen Hochlauf führen. Das bedeutet, dass das Risiko einer Entzündung der Zelle erheblich sinkt, und das wahrscheinlichste Szenario ist lediglich das Auslösen des Sicherheitsventils des Lithiumakkus.
Außerdem kann aus der Tabelle geschlossen werden, dass LFP (vio-kettige Kurve) Batterien in der Regel eine steile Temperaturanstiegskurve aufweisen, das heißt, die Phase „Aufheizung“ geht allmählich in die Phase „thermischer Hochlauf“ über, und die Widerstandsfähigkeit dieses Systems gegen Überladung ist etwas schlechter. Batterien vom Typ LMO hingegen zeigen, wie wir sehen, eine gleichmäßigere Erwärmungskurve bei Überladung.
WICHTIG: Im Falle einer Auslösung des OSD-Systems wird die Zelle auf By-Pass zurückgesetzt. Dadurch wird die Spannung im Rack gesenkt, jedoch bleibt es in Betrieb und sendet ein Signal an das Monitoring-System der USV über das BMS des Racks. Bei einem klassischen USV-System mit VRLA-Batterien kann ein Kurzschluss oder ein Unterbruch innerhalb einer Batterie in der Reihe zu einem Ausfall der gesamten USV und dem Verlust der Funktionsfähigkeit der IT-Ausrüstung führen.
Aufgrund der obigen Ausführungen bleiben beim Einsatz von Lithium-Lösungen in USV-Systemen folgende Risiken relevant:
- Thermische Überlastung der Zelle oder des Moduls aufgrund eines externen Kurzschlusses – mehrere Schutzebenen.
- Thermische Überlastung der Zelle oder des Moduls aufgrund eines internen Batteriefehlers – mehrere Schutzebenen auf der Ebene der Zelle und des Moduls.
- Überladung – Schutz durch BMS plus alle Schutzebenen des Racks, Moduls und der Zelle.
- Mechanische Beschädigung – für unseren Fall unerheblich, das Risiko ist vernachlässigbar.
- Überhitzung des Racks und aller Batterien (Module, Zellen). Bis zu 70-90 Grad ist nicht kritisch. Wenn die Temperatur im Raum des USV-Systems diese Werte übersteigt – dann besteht bereits Brandgefahr im Gebäude. Unter normalen Betriebsbedingungen ist das Risiko eines Vorfalls gering.
- Verminderung der Batterielebensdauer bei erhöhten Raumtemperaturen – der Betrieb bei Temperaturen bis zu 40 Grad ist über einen längeren Zeitraum zulässig, ohne dass eine spürbare Reduzierung der Batterielebensdauer erfolgt. Bleiakkus sind sehr empfindlich gegenüber Temperaturerhöhungen und verringern ihre Restkapazität proportional zur Temperatursteigerung.
Lassen Sie uns das Risikomodell für Lithium-Ionen-Batterien in unserem Anwendungsfall im Rechenzentrum, Serverraum betrachten. Wir vereinfachen das Diagramm etwas, denn Lithium-USVs werden unter optimalen Bedingungen betrieben, verglichen mit den Bedingungen, unter denen die Batterien in Ihren Geräten, wie Telefonen, arbeiten.
FAZIT: Spezialisierte Lithium-Batterien für UPS-Rechenzentren und Server bieten ein hohes Maß an Schutz gegen unerwartete Situationen. Die umfassende Lösung beinhaltet zahlreiche Schutzstufen, und über fünf Jahre Erfahrung mit diesen Lösungen sprechen für die hohe Sicherheit neuer Technologien. Darüber hinaus ist zu beachten, dass der Betrieb von Lithium-Akkus in unserem Sektor unter "gewächshausartigen" Bedingungen für Li-Ion-Technologien erfolgt: Anders als bei Ihrem Smartphone, das Sie überall mit sich herumtragen, wird die Batterie im Rechenzentrum nicht fallen gelassen, überhitzt, täglich entladen oder intensiv im Pufferbetrieb genutzt.
Um weitere Details zu erhalten und eine spezifische Lösung mit Lithium-Ionen-Batterien für Ihren Serverraum oder Ihr Rechenzentrum zu besprechen, senden Sie eine Anfrage an die E-Mail-Adresse , oder stellen Sie eine Anfrage auf der Website des Unternehmens .
ÖFFENTLICHE TECHNOLOGIEN – zuverlässige Komplettlösungen von globalen Marktführern, die speziell auf Ihre Ziele und Anforderungen zugeschnitten sind.
Autor: Oleg Kulikov
Leitender Konstrukteur
Abteilung für Integrationslösungen
Unternehmen Öffentliche Technologien
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Ihre Meinung zur Sicherheit und Anwendbarkeit industrieller Lösungen auf Basis von Li-Ion-Technologien?
16,2%Gefährlich, selbstentzündlich, niemals würde ich so etwas in meinem Serverraum installieren.
10,3%Das interessiert mich nicht, wir wechseln sowieso regelmäßig die klassischen Batterien, und alles ist in Ordnung.
16,2%Ich muss darüber nachdenken, vielleicht ist es sicher und zukunftsträchtig.
23,5%Interessant, ich werde die Möglichkeiten in Betracht ziehen.
13,2%Ich bin interessiert! Einmal investieren – und keine Angst haben, dass der gesamte Rechenzentrum wegen einer defekten Bleibatterie ausfällt.
20,6%Interessant! Es gibt viel mehr Vorteile als Nachteile und Risiken.
68 Benutzer haben abgestimmt. 25 Benutzer haben sich enthalten.
Quelle: habr.com
