Hallo Freunde!
Nach der Veröffentlichung des Artikels Es gab viele Kommentare zu den Gefahren von Li-Ion-Lösungen für Server und Rechenzentren. Deshalb werden wir heute versuchen herauszufinden, was die Unterschiede zwischen industriellen Lithiumlösungen für eine USV und dem Akku in Ihrem Gerät sind, wie sich die Betriebsbedingungen von Akkus in einem Serverraum unterscheiden und warum der Akku in einem Li-Ion-Telefon nicht hält mehr als 2-3 Jahre, und in einem Rechenzentrum erhöht sich diese Zahl auf 10 oder mehr Jahre. Warum die Risiken eines Lithiumbrandes in einem Rechenzentrum/Serverraum minimal sind.
Ja, Unfälle mit USV-Batterien sind unabhängig von der Art des Energiespeichers möglich, aber der Mythos von der „Brandgefahr“ industrieller Lithiumlösungen stimmt nicht.
Das haben schließlich viele gesehen mit einer Lithiumbatterie in einem Auto, das auf der Autobahn fährt? Also mal sehen, es herausfinden, vergleichen ...
Hier sehen wir einen typischen Fall einer unkontrollierten Selbsterhitzung, eines thermischen Durchgehens des Telefonakkus, der zu einem solchen Vorfall führte. Sie werden sagen: HIER! Es ist nur ein Telefon, nur ein Verrückter würde so etwas in den Serverraum stellen!
Ich bin sicher, dass der Leser nach dem Studium dieses Materials seine Meinung zu diesem Thema ändern wird.
Aktuelle Situation auf dem Rechenzentrumsmarkt
Es ist kein Geheimnis, dass der Bau eines Rechenzentrums eine langfristige Investition ist. Allein der Preis für technische Ausrüstung kann 50 % der gesamten Kapitalkosten ausmachen. Der Amortisationshorizont beträgt ca. 10-15 Jahre. Natürlich besteht der Wunsch, die Gesamtbetriebskosten über den gesamten Lebenszyklus des Rechenzentrums zu senken und gleichzeitig die technische Ausrüstung zu verkleinern, um so viel Platz wie möglich für die Nutzlast zu schaffen.
Die optimale Lösung ist eine neue Generation industrieller USVs auf Basis von Li-Ion-Batterien, die „Kinderkrankheiten“ in Form von Brandgefahr, falschen Lade-Entlade-Algorithmen längst beseitigt und eine Vielzahl von Schutzmechanismen erworben haben.
Mit der Zunahme der Kapazität von Computer- und Netzwerkgeräten wächst die Nachfrage nach USV. Gleichzeitig erhöhen sich die Anforderungen an die Batterielebensdauer bei Problemen mit der zentralen Stromversorgung und/oder Ausfällen beim Starten einer Notstromquelle bei Verwendung/Verfügbarkeit eines Dieselgeneratorsatzes.
Unserer Meinung nach gibt es zwei Hauptgründe:
- Rasantes Wachstum der verarbeiteten und übermittelten Informationsmenge
Zum Beispiel kann die , die
müssen gespeichert und verarbeitet werden. - Wachstum der Dynamik des elektrischen Energieverbrauchs. Trotz des allgemeinen Trends zur Reduzierung des Energieverbrauchs von IT-Geräten verringert sich der spezifische Energieverbrauch elektronischer Komponenten.
Energieverbrauchsdiagramm von nur einem in Betrieb befindlichen Rechenzentrum
Den gleichen Trend zeigen die Prognosen für den Rechenzentrumsmarkt in unserem Land.Laut der WebsiteDie Gesamtzahl der in Betrieb genommenen Rackplätze beträgt mehr als 20. „Die Zahl der von den 20 größten Rechenzentrumsdienstleistern im Jahr 2017 in Betrieb genommenen Rackplätze stieg um 3 % und erreichte 22,4 (Daten vom 1. Oktober 2017). 2021)“, heißt es im CNews Analytics-Bericht. Nach Angaben von Beratungsagenturen soll die Zahl der Rackplätze bis 49 auf XNUMX steigen. Das heißt, in zwei Jahren kann sich die tatsächliche Kapazität des Rechenzentrums verdoppeln. Womit hängt das zusammen? Erstens mit der Zunahme der Menge an Informationen: sowohl gespeichert als auch verarbeitet.
Als Wachstumspunkte sehen die Akteure neben Clouds auch die Entwicklung von Rechenzentrumskapazitäten in den Regionen: Sie sind das einzige Segment, in dem es Reserven für die Geschäftsentwicklung gibt. Laut IKS-Consulting machten die Regionen im Jahr 2016 nur 10 % aller auf dem Markt angebotenen Ressourcen aus, während die Hauptstadt und die Region Moskau 73 % des Marktes einnahmen und St. Petersburg und die Region Leningrad 17 %. In den Regionen herrscht weiterhin ein Mangel an Rechenzentrumsressourcen mit hoher Fehlertoleranz.
Bis 2025 wird sich die Gesamtdatenmenge weltweit im Vergleich zu 10 voraussichtlich verzehnfachen.
Doch wie sicher ist Lithium für eine Server- oder Rechenzentrums-USV?
Nachteil: hohe Kosten von Li-Ion-Lösungen.
Der Preis von Lithium-Ionen-Batterien ist im Vergleich zu Standardlösungen immer noch hoch. Schätzungen von SE zufolge werden die Anschaffungskosten für Hochleistungs-USVs über 100 kVA für Li-Ion-Lösungen 1,5-mal höher sein, aber letztendlich werden die Einsparungen beim Besitz 30–50 % betragen. Wenn wir Vergleiche mit dem militärisch-industriellen Komplex anderer Länder ziehen, dann sind hier die Neuigkeiten über den Start in mit Li-Ion-Akkus. Aufgrund ihrer relativen Kostengünstigkeit und größeren Sicherheit werden in solchen Lösungen häufig Lithium-Eisenphosphat-Batterien (auf dem Foto LFP) verwendet.
In dem Artikel wird erwähnt, dass 100 Millionen US-Dollar für neue Batterien für das U-Boot ausgegeben wurden. Versuchen wir, das in andere Werte umzurechnen …4,2 Tausend Tonnen beträgt die Unterwasserverdrängung eines japanischen U-Bootes. Oberflächenverdrängung - 2,95 Tausend Tonnen. In der Regel machen Batterien 20-25 % des Bootsgewichts aus. Von hier nehmen wir etwa 740 Tonnen – Blei-Säure-Batterien. Weiter: Die Masse von Lithium beträgt etwa 1/3 der von Blei-Säure-Batterien -> 246 Tonnen Lithium. Bei 70 kWh/kg für Li-Ion erhalten wir etwa 17 MWh Batterieleistung. Und der Unterschied in der Masse der Batterien beträgt ca. 495 Tonnen... Hier berücksichtigen wir nicht , die 14,5 Tonnen Silber pro U-Boot erfordern und viermal mehr kosten als Blei-Säure-Batterien. Ich möchte Sie daran erinnern, dass Li-Ion-Akkus je nach Leistung der Lösung nur noch 4 bis 1,5 Mal teurer sind als VRLA.
Was ist mit den Japanern? Sie haben sich zu spät daran erinnert, dass eine „Erleichterung des Bootes“ um 700 Tonnen eine Änderung seiner Seetüchtigkeit und Stabilität mit sich bringt ... Sie mussten wahrscheinlich Waffen an Bord hinzufügen, um die vorgesehene Gewichtsverteilung des Bootes wiederherzustellen.
Da Lithium-Ionen-Batterien außerdem weniger wiegen als Blei-Säure-Batterien, musste das U-Boot-Design der Soryu-Klasse etwas umgestaltet werden, um Ballast und Stabilität beizubehalten.
In Japan wurden zwei Arten von Lithium-Ionen-Batterien hergestellt und in einen betriebsbereiten Zustand gebracht: Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) von GS Yuasa und Lithiumtitanat (LTO) von Toshiba Corporation. Laut Kobayashi wird die japanische Marine NCA-Batterien verwenden, während Australien kürzlich in einer Ausschreibung LTO-Batterien für den Einsatz auf U-Booten der Soryu-Klasse angeboten wurden.
Da wir die ehrfürchtige Haltung gegenüber der Sicherheit im Land der aufgehenden Sonne kennen, können wir davon ausgehen, dass die Sicherheitsprobleme bei Lithium gelöst, getestet und zertifiziert wurden.
Risiko: Brandgefahr.
Hier klären wir den Zweck der Veröffentlichung, da es diametral entgegengesetzte Meinungen über die Sicherheit dieser Lösungen gibt. Aber das ist alles Rhetorik, aber was ist mit konkreten industriellen Lösungen?
Sicherheitsfragen haben wir bereits in unserem besprochen , aber lassen Sie uns noch einmal auf dieses Thema eingehen. Wenden wir uns der Abbildung zu, die das Schutzniveau des Moduls und der LMO/NMC-Zelle der Batterie untersucht, die von Samsung SDI hergestellt und als Teil der USV von Schneider Electric verwendet wird.
Chemische Prozesse wurden im Artikel des Benutzers besprochen . Versuchen wir, die möglichen Risiken in unserem speziellen Fall zu verstehen und sie mit dem mehrstufigen Schutz in Samsung SDI-Zellen zu vergleichen, die im Rahmen einer umfassenden Lösung auf Basis von Galaxy VM integraler Bestandteil eines vorgefertigten Li-Ion-Racks vom Typ G sind .
Beginnen wir mit einem allgemeinen Falldiagramm der Risiken und Ursachen eines Brandes in einer Lithium-Ionen-Zelle.
Unter dem Spoiler können Sie sich mit den theoretischen Fragen der Brandgefahr von Lithium-Ionen-Batterien und der Physik von Prozessen befassenErstes Blockdiagramm der Risiken und Brandursachen (Sicherheitsgefahr) einer Lithium-Ionen-Zelle aus 2018 Jahr.
Da es je nach chemischer Struktur der Lithium-Ionen-Zelle Unterschiede in den Thermal Runaway-Eigenschaften der Zelle gibt, konzentrieren wir uns hier auf den im Artikel beschriebenen Prozess in einer Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Zelle (basierend auf LiNiCoAIO2). oder NCA.
Der Entstehungsprozess eines Unfalls in einer Zelle kann in drei Phasen unterteilt werden:
- Stufe 1 (Beginn). Normaler Betrieb der Zelle, wenn der Temperaturanstiegsgradient 0,2 Grad Celsius pro Minute nicht überschreitet und die Zelltemperatur selbst je nach chemischer Struktur der Zelle 130–200 Grad Celsius nicht überschreitet;
- Stufe 2, Aufwärmen (Beschleunigung). In diesem Stadium steigt die Temperatur, der Temperaturgradient nimmt schnell zu und Wärmeenergie wird aktiv freigesetzt. Im Allgemeinen geht dieser Vorgang mit der Freisetzung von Gasen einher. Eine übermäßige Gasentwicklung muss durch Betätigung des Sicherheitsventils ausgeglichen werden;
- Stufe 3, thermisches Durchgehen (Runaway). Batterieerwärmung über 180-200 Grad. Dabei geht das Kathodenmaterial eine Disproportionierungsreaktion ein und setzt Sauerstoff frei. Dies ist der Grad des thermischen Durchgehens, da in diesem Fall eine Mischung aus brennbaren Gasen mit Sauerstoff entstehen kann, die zu einer Selbstentzündung führt. Dieser Prozess kann jedoch in einigen Fällen kontrolliert werden, heißt es: Wenn sich das Regime externer Faktoren ändert, stoppt das thermische Durchgehen in einigen Fällen ohne fatale Folgen für den umgebenden Raum. Die Gebrauchstauglichkeit und Leistung der Lithiumzelle selbst nach diesen Ereignissen wird nicht berücksichtigt.
Die Temperatur des thermischen Durchgehens hängt von der Zellgröße, dem Zelldesign und dem Material ab. Die Temperatur des thermischen Durchgehens kann zwischen 130 und 200 Grad Celsius variieren. Die thermische Durchgehzeit kann variieren und von Minuten, Stunden oder sogar Tagen reichen ...
Was ist mit Zellen vom Typ LMO/NMC in Lithium-Ionen-USVs?
– Um den Kontakt der Anode mit dem Elektrolyten zu verhindern, wird als Teil der Zelle eine Keramikschicht verwendet (SFL). Bei 130 Grad Celsius ist die Bewegung von Lithium-Ionen blockiert.
– Zusätzlich zum schützenden Entlüftungsventil wird ein Over Charge Device (OSD)-Schutzsystem verwendet, das in Verbindung mit einer internen Sicherung die beschädigte Zelle abschaltet und so verhindert, dass der thermische Durchgehensprozess gefährliche Werte erreicht. Darüber hinaus löst das interne OSD-System früher aus, wenn der Druck 3,5 kgf/cm2 erreicht, also die Hälfte weniger als der Ansprechdruck des Sicherheitsventils der Zelle.
Übrigens löst die Zellsicherung bei Strömen über 2500 A in nicht mehr als 2 Sekunden aus. Nehmen wir an, dass der Temperaturgradient einen Wert von 10 Grad C/min erreicht. Innerhalb von 10 Sekunden hat die Zelle im Übertaktungsmodus Zeit, ihre Temperatur um etwa 1,7 Grad zu erhöhen.
– Ein dreischichtiger Separator in der Zelle blockiert im Lademodus den Übergang von Lithiumionen zur Anode der Zelle. Die Blocktemperatur beträgt 250 Grad Celsius.
Nun wollen wir sehen, was wir mit der Zelltemperatur haben; Vergleichen wir, in welchen Phasen verschiedene Arten von Schutzmaßnahmen auf Zellebene ausgelöst werden.
— OSD-System – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= Außendruck
Zusätzlicher Schutz gegen Überströme.
— Sicherheitsventil 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= Außendruck
- Sicherung innerhalb der Zelle 2 Sekunden bei 2500A (Überstrommodus)
Das Risiko eines thermischen Durchgehens einer Zelle hängt direkt vom Ladungsgrad/-niveau der Zelle ab. Weitere Einzelheiten finden Sie hier ...Betrachten wir die Auswirkung des Ladezustands der Zelle im Zusammenhang mit den Risiken eines thermischen Durchgehens. Betrachten wir die Entsprechungstabelle zwischen der Zelltemperatur und dem SOC-Parameter (State of Charge, Ladezustand der Batterie).
Der Ladezustand des Akkus wird in Prozent gemessen und zeigt an, wie viel der Gesamtladung noch im Akku gespeichert ist. In diesem Fall ziehen wir den Batterielademodus in Betracht. Daraus lässt sich schließen, dass sich die Batterie je nach Chemie der Lithiumzelle bei Überladung unterschiedlich verhält und unterschiedlich anfällig für thermisches Durchgehen ist. Dies ist auf die unterschiedliche spezifische Kapazität (A*h/Gramm) verschiedener Arten von Li-Ion-Zellen zurückzuführen. Je größer die spezifische Kapazität der Zelle ist, desto schneller erfolgt die Wärmeabgabe beim Wiederaufladen.
Darüber hinaus führt ein externer Kurzschluss bei 100 % Ladezustand häufig zu einem thermischen Durchgehen der Zelle. Wenn die Zelle hingegen einen Ladezustand von 80 % aufweist, verschiebt sich die maximale Temperatur des thermischen Durchgehens der Zelle nach oben. Die Zelle wird widerstandsfähiger gegen Notfallbedingungen.
Bei einem Ladezustand von 70 % verursachen externe Kurzschlüsse möglicherweise überhaupt kein thermisches Durchgehen. Das heißt, das Risiko einer Zellentzündung wird erheblich reduziert und das wahrscheinlichste Szenario ist nur die Betätigung des Sicherheitsventils der Lithiumbatterie.
Darüber hinaus können wir aus der Tabelle schließen, dass der LFP (violette Kurve) einer Batterie normalerweise einen steilen Temperaturanstieg aufweist, d Bei diesem System ist die Überladung etwas schlimmer. Wie wir sehen, haben LMO-Batterien beim Aufladen eine gleichmäßigere Aufheizcharakteristik.
WICHTIG: Wenn das OSD-System ausgelöst wird, wird die Zelle auf Bypass zurückgesetzt. Dadurch wird die Spannung am Rack reduziert, es bleibt jedoch in Betrieb und liefert über das BMS-System des Racks selbst ein Signal an das USV-Überwachungssystem. Bei einem klassischen USV-System mit VRLA-Batterien kann ein Kurzschluss oder Bruch innerhalb einer Batterie in einem Strang zum Ausfall der gesamten USV und zum Verlust der Funktionalität der IT-Ausrüstung führen.
Basierend auf dem oben Gesagten bleiben für den Fall der Verwendung von Lithiumlösungen in USV folgende Risiken relevant:
- Thermisches Durchgehen einer Zelle oder eines Moduls infolge eines externen Kurzschlusses – mehrere Schutzstufen.
- Thermisches Durchgehen einer Zelle oder eines Moduls infolge einer internen Batteriefehlfunktion – mehrere Schutzstufen auf Zell- oder Modulebene.
- Überladung – Schutz durch BMS plus alle Schutzstufen für Rack, Modul, Zelle.
- Mechanische Schäden sind für unseren Fall nicht relevant, das Schadensrisiko ist vernachlässigbar.
- Überhitzung des Racks und aller Batterien (Module, Zellen). Unkritisch bis 70-90 Grad. Steigt die Temperatur im USV-Aufstellungsraum über diese Werte, liegt ein Brand im Gebäude vor. Unter normalen Betriebsbedingungen eines Rechenzentrums ist das Risiko eines Ereignisses vernachlässigbar.
- Reduzierte Akkulaufzeit bei erhöhter Raumtemperatur – Langzeitbetrieb bei Temperaturen bis zu 40 Grad ist ohne merkliche Verkürzung der Akkulaufzeit möglich. Bleibatterien reagieren sehr empfindlich auf Temperaturerhöhungen und verkürzen ihre verbleibende Lebensdauer proportional zur Temperaturerhöhung.
Werfen wir einen Blick auf ein Flussdiagramm zum Unfallrisiko mit Lithium-Ionen-Batterien in unserem Anwendungsfall für Rechenzentren und Serverräume. Vereinfachen wir das Diagramm ein wenig, denn Lithium-USVs funktionieren unter idealen Bedingungen, wenn wir die Betriebsbedingungen der Batterien in Ihrem Gerät oder Telefon vergleichen.
FAZIT: Spezialisierte Lithiumbatterien für USVs in Rechenzentren und Serverräumen verfügen über einen ausreichenden Schutz gegen Notsituationen, und in einer umfassenden Lösung können wir von einer großen Anzahl unterschiedlicher Schutzgrade und mehr als fünf Jahren Erfahrung im Betrieb dieser Lösungen sprechen ein hohes Maß an Sicherheit neuer Technologien. Unter anderem sollten wir nicht vergessen, dass der Betrieb von Lithiumbatterien in unserer Branche wie „Treibhausbedingungen“ für Li-Ion-Technologien aussieht: Im Gegensatz zu Ihrem Smartphone in der Tasche wird niemand die Batterie im Rechenzentrum fallen lassen, überhitzen oder entladen jeden Tag aktiv im Puffermodus nutzen.
Nähere Informationen und eine konkrete Lösung mit Lithium-Ionen-Batterien für Ihren Serverraum oder Ihr Rechenzentrum können Sie per E-Mail anfordern oder indem Sie eine Anfrage auf der Website des Unternehmens stellen .
OFFENE TECHNOLOGIEN – zuverlässige Gesamtlösungen von Weltmarktführern, speziell angepasst an Ihre Ziele und Vorgaben.
Autor: Kulikov Oleg
Führender Designingenieur
Abteilung für Integrationslösungen
Unternehmen für offene Technologien
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Wie beurteilen Sie die Sicherheit und Anwendbarkeit industrieller Lösungen auf Basis von Li-Ion-Technologien?
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16,2%Gefährlich, selbstentzündlich, ich würde es auf keinen Fall in meinen Serverraum stellen.11
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10,3%Das interessiert mich nicht, deshalb wechseln wir die klassischen Batterien regelmäßig und alles ist in Ordnung.7
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16,2%Wir müssen darüber nachdenken, ob es sicher und vielversprechend sein könnte.11
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23,5%Interessant, ich werde die Möglichkeiten prüfen.16
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13,2%Interessiert! Investieren Sie einmal – und haben Sie keine Angst davor, dass das gesamte Rechenzentrum durch den Ausfall einer Bleibatterie überlastet wird.9
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20,6%Interessant! Die Vorteile überwiegen bei weitem die Nachteile und Risiken.14
68 Benutzer haben abgestimmt. 25 Benutzer enthielten sich der Stimme.
Source: habr.com