Li-Ionen-USV-Zeit: Brandgefahr oder sicherer Schritt in die Zukunft?

Hallo, Freunde!

Nach der Veröffentlichung des Artikels „USV und Batterie-Array: Wo installieren? Wart mal“ gab es viele Kommentare zur Gefährlichkeit von Li-Ion-Lösungen für Server und Rechenzentren. Deshalb wollen wir heute klären, was die Unterschiede zwischen industriellen Lithiumlösungen für USV und der Batterie in deinem Gadget sind, wie sich die Einsatzbedingungen der Batterien im Serverraum unterscheiden, warum die Li-Ion-Batterie im Telefon nicht länger als 2-3 Jahre hält, während diese Zahl im Rechenzentrum auf 10 Jahre und mehr ansteigt. Warum die Brandrisiken von Lithium im Rechenzentrum/Serverraum minimal sind.

Ja, Unfälle mit USV-Batterien sind unabhängig von der Art der Energiespeicher möglich, während der Mythos von der „Brandgefahr“ industrieller Lithiumlösungen nicht der Realität entspricht.

Viele haben doch den Clip gesehen, in dem ein Telefon mit Lithium-Akku in einem auf der Autobahn fahrenden Auto Feuer fängt? Also schauen wir uns das mal an, klären wir die Fragen, vergleichen wir …

Hier sehen wir einen typischen Fall unkontrollierten Selbstheizens, der thermischen Überhitzung der Telefonbatterie, die zu einem solchen Vorfall führte. Du sagst: SCHAU! Das ist doch nur ein Telefon, solch etwas würde nur ein Verrückter in einen Serverraum stellen!

Ich bin sicher, nachdem der Leser dieses Material studiert hat, wird er seine Meinung zu diesem Thema ändern.

Die aktuelle Situation auf dem Rechenzentrumsmarkt

Ist kein Geheimnis, dass der Bau von Rechenzentren eine langfristige Kapitalinvestition ist. Der Preis für die Ingenieurausrüstung allein kann bis zu 50% der Gesamtkosten ausmachen. Der Zeitraum der Amortisation beträgt etwa 10-15 Jahre. Folgerichtig wächst das Verlangen, die Gesamtkosten des Eigentums über den gesamten Lebenszyklus des Rechenzentrums zu senken und gleichzeitig die Ingenieurausrüstung zu verdichten, um den Platz für die nützliche Last maximal freizugeben.

Die optimale Lösung sind industrielle USV-Systeme der neuen Generation auf Basis von Li-Ion-Akkus, die längst ihre „Kinderkrankheiten“ wie Brandgefahr und fehlerhafte Lade-Entlade-Algorithmen überwunden haben und mit einer Reihe von Sicherheitsmechanismen ausgestattet sind.

Mit steigender Kapazität von Rechen- und Netzwerkausrüstungen wächst auch die Nachfrage nach USV-Systemen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Batterielaufzeit im Falle von Problemen mit der zentralen Stromversorgung und/oder Störungen beim Start der Notstromversorgung bei Einsatz/Vorhandensein von Notstromaggregaten.

Nach unserer Ansicht gibt es hier zwei Hauptgründe:

1. Rasanter Anstieg der verarbeiteten und übertragenen Informationsmengen
   Zum Beispiel, neues Passagierflugzeug Boeing
   787 Dreamliner generiert bei einem Flug mehr als 500 Gigabyte Informationen, die
   gespeichert und verarbeitet werden müssen.
2. Wachstum der Stromverbrauchsdynamik. Trotz des allgemeinen Trends zur Senkung des Energieverbrauchs von IT-Ausrüstungen und der Senkung des spezifischen Energieverbrauchs elektronischer Komponenten.

Diagramm des Energieverbrauchs eines aktiven Rechenzentrums
Dieser Trend zeigt sich auch in den Marktentwicklungen der Rechenzentren in unserem LandLaut der Website expert.ru, beträgt die Gesamtzahl der in Betrieb genommenen Rack-Plätze über 20.000. "Die Anzahl der in Betrieb genommenen Rack-Plätze bei den 20 größten Rechenzentrumsanbietern stieg 2017 um 3 % und erreichte 22,4 Tausend (Daten vom 1. Oktober 2017)", heißt es im Bericht von CNews Analytics. Nach Schätzungen von Beratungsunternehmen wird bis 2021 ein Anstieg der Rack-Plätze auf 49.000 prognostiziert. Das heißt, innerhalb von zwei Jahren könnte die tatsächliche Kapazität der Rechenzentren sich verdoppeln. Was ist der Grund dafür? Vor allem das Wachstum des Informationsvolumens: sowohl gespeicherte als auch verarbeitete Daten.

Neben den Cloud-Diensten betrachten die Anbieter die Entwicklung der Rechenzentrumsressourcen in den Regionen als Wachstumsfaktor: Sie stellen das einzige Segment dar, in dem es weiterhin Entwicklungsmöglichkeiten für das Geschäft gibt. Laut IKS-Consulting entfielen im Jahr 2016 nur 10 % der im Markt angebotenen Ressourcen auf die Regionen, während die Hauptstadt und das Moskauer Gebiet 73 % des Marktes belegten und St. Petersburg und das Leningrader Gebiet 17 %. In den Regionen besteht weiterhin ein Mangel an Datenzentrumskapazitäten mit hoher Ausfallsicherheit.

Bis 2025 wird laut Prognosen das gesamte Datenvolumen weltweit im Vergleich zu 2016 um das Zehnfache wachsen.

Wie sicher ist Lithium für USV-Systeme im Serverraum oder Rechenzentrum?

Nachteil: hohe Kosten für Li-Ion-Lösungen.

Die Preise für Lithium-Ionen-Batterien bleiben im Vergleich zu Standardlösungen weiterhin hoch. Schätzungen zufolge werden die Anfangskosten für leistungsstarke USV-Systeme über 100 kVA für Li-Ion-Lösungen um das 1,5-Fache höher sein, aber letztendlich wird die Einsparung bei den Betriebskosten 30-50 % betragen. Im Vergleich zum militärisch-industriellen Komplex anderer Länder gibt es die Nachricht über den Einsatz eines japanischen U-Bootes mit Li-Ion-Batterien. In ähnlichen Lösungen werden häufig Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (im Bild - LFP) aufgrund ihrer relativ niedrigen Kosten und höheren Sicherheit verwendet.

Im Artikel wird erwähnt, dass für die neuen Batterien der U-Boot $100 Millionen ausgegeben wurden; wir versuchen, dies in andere Größen umzurechnen …4.200 Tonnen - das Unterwasserverdrängungsgewicht des japanischen U-Bootes. Das Überwasserverdrängungsgewicht beträgt 2.950 Tonnen. In der Regel machen die Batterien etwa 20-25 % des Gewichts des Bootes aus. Daraus ergibt sich etwa 740 Tonnen - Blei-Säurebatterien. Weiter: Das Gewicht von Lithium beträgt etwa 1/3 der Blei-Säurebatterien -> ungefähr 246 Tonnen Lithium. Bei 70 kWh/kg für Li-Ion erhalten wir eine Leistung von etwa 17 MWh für den Batterieverbund. Und die Gewichtsdifferenz der Batterien beträgt etwa 495 Tonnen … Hier berücksichtigen wir nicht Silber-Zink-Batterien, von denen für ein U-Boot 14,5 Tonnen Silber benötigt werden, und sie sind in der Anschaffung viermal teurer als Blei-Säurebatterien. Ich erinnere daran, dass Li-Ion-Batterien mittlerweile nur 1,5-2 Mal teurer sind als VRLA, je nach Leistungsanforderung.
Und was ist mit den Japanern? Sie haben zu spät daran gedacht, dass eine "Entschlackung des Bootes" um 700 Tonnen deren Seetauglichkeit und Stabilität verändert … Wahrscheinlich mussten sie Waffen an Bord hinzufügen, um die ursprünglichen Gewichtsverhältnisse des Bootes wiederherzustellen.

Lithium-Ionen-Batterien wiegen auch weniger als Blei-Säurebatterien, sodass das Projekt für das U-Boot vom Typ Soryu etwas angepasst werden musste, um die Ballastierung und Stabilität zu erhalten.

In Japan wurden zwei Typen von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt und betriebsbereit gemacht: Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) von der Firma GS Yuasa und Lithium-Titanat (LTO) von Toshiba. Die japanische Marine wird die NCA-Batterien verwenden, während LTO-Batterien kürzlich Australien für den Einsatz auf U-Booten vom Typ Soryu angeboten wurden, wie Kobayashi berichtete.

In Anbetracht des großen Sicherheitsbewusstseins in der Stadt der aufgehenden Sonne kann man annehmen, dass die Sicherheitsfragen bezüglich Lithium dort gelöst, getestet und zertifiziert sind.

Risikofaktor: Brandgefahr.

Hier klären wir das Ziel der Veröffentlichung, da die Meinungen zur Datensicherheit dieser Lösungen diametral entgegengesetzt sind. Aber das ist alles nur Theorie, was haben wir konkret zu industriellen Lösungen?

Die Sicherheitsfragen haben wir bereits in unserem Artikel, aber lassen Sie uns noch einmal auf dieses Thema eingehen. Werfen wir einen Blick auf das Diagramm, in dem das Schutzniveau des Moduls und der Zelle des LMO/NMC Akkumulators von Samsung SDI behandelt wurde, der in der USV von Schneider Electric verwendet wird.

Die chemischen Prozesse wurden im Artikel des Nutzers LadyN Wie Lithium-Ionen-Akkumulatoren explodieren. Lassen Sie uns die möglichen Risiken in unserem speziellen Fall analysieren und mit dem mehrschichtigen Schutz der Zellen von Samsung SDI vergleichen, die Bestandteil des fertigen Li-Ion-Ständers Typ G im Rahmen einer umfassenden Lösung auf Basis von Galaxy VM sind.

Beginnen wir mit dem allgemeinen Fall des Blockdiagramms der Risiken und Brandursachen von Lithium-Ionen-Zellen.

Und größer? Das Bild ist klickbar.

Im Spoiler können theoretische Fragen zu den Brandrisiken von Lithium-Ionen-Akkumulatoren und die Physik der Prozesse untersucht werden.Das ursprüngliche Blockdiagramm der Risiken und Brandursachen (Safety Hazard) einer Lithium-Ionen-Zelle aus einem wissenschaftlichen Artikel aus dem Jahr 2018.

Da es je nach chemischer Struktur der Lithium-Ionen-Zelle Unterschiede in den Eigenschaften des thermischen Durchgehens der Zelle gibt, beschäftigen wir uns hier mit dem im Artikel beschriebenen Prozess in der Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Zelle (auf Basis von LiNiCoAIO2) oder NCA.
Der Ablauf einer Unfallentwicklung in der Zelle kann in drei Phasen unterteilt werden:

1. Phase 1 (Onset). Normale Betriebsbedingungen der Zelle, wenn der Temperaturanstiegsgradient 0,2 °C pro Minute nicht überschreitet und die Temperatur der Zelle 130-200 °C nicht übersteigt, abhängig von der chemischen Struktur der Zelle;
2. Phase 2, Erwärmung (Acceleration). In dieser Phase steigt die Temperatur, der Temperaturwachstumsgradient nimmt sprunghaft zu und es findet eine aktive Wärmefreisetzung statt. Im Allgemeinen wird dieser Prozess von der Gasfreisetzung begleitet. Eine übermäßige Gasfreisetzung muss durch das Auslösen des Sicherheitsventils ausgeglichen werden;
3. Stadium 3, thermale Laufzeit (Runaway). Erwärmung des Akkus über 180-200 Grad. Dabei reagiert das Kathodenmaterial mit Disproportionierung und setzt Sauerstoff frei. Dies ist das Niveau des thermalen Laufes, da in diesem Fall ein Gemisch aus brennbaren Gasen und Sauerstoff entstehen kann, was zu einer Selbstentzündung führt. Dieser Prozess kann jedoch in einigen Fällen kontrolliert werden, das heißt, durch Änderung der Bedingungen externer Faktoren kann der thermale Lauf in bestimmten Fällen ohne fatale Folgen für die Umgebung gestoppt werden. Die Funktionsfähigkeit und Betriebsfähigkeit der Lithium-Zelle nach diesen Ereignissen wird nicht betrachtet.

Die Temperatur des thermalen Laufens hängt von der Größe der Zelle, der Konstruktion der Zelle und dem Material ab. Die Temperatur des thermalen Laufens kann von 130 bis 200 Grad Celsius variieren. Die Zeit des thermalen Laufens kann unterschiedlich sein und Minuten, Stunden oder sogar Tage betragen...

Und was ist mit LMO/NMC-Zellen in Lithium-Ionen-USV?

Und größer? Das Bild ist klickbar.

– Um den Kontakt zwischen Anode und Elektrolyt zu vermeiden, wird eine Keramikschicht in der Zelle (SFL) verwendet. Die Blockierung der Bewegung von Lithium-Ionen erfolgt bei 130 °C.

– Zusätzlich zum Schutzventil wird ein Überladungsschutzsystem (Over Charge Device, OSD) eingesetzt, das zusammen mit einer internen Sicherung arbeitet und die beschädigte Zelle trennt, wodurch der thermale Lauf nicht auf gefährliche Werte ansteigt. Dabei wird das interne OSD-System früher aktiviert, bei einem Druck von 3,5 kg/cm², also halb so viel wie der Druck, bei dem das Schutzventil der Zelle auslöst.

Übrigens wird die Sicherung der Zelle bei Strömen über 2500 A innerhalb von maximal 2 Sekunden ausgelöst. Angenommen, der Temperaturgradient erreicht 10 °C/min. In 10 Sekunden wird die Zelle ihre Temperatur um etwa 1,7 Grad erhöhen, während sie sich im Lauftmodus befindet.

– Der dreilagige Separator in der Zelle im Überladungsmodus verhindert den Übergang von Lithium-Ionen zur Anode der Zelle. Die Blockierungstemperatur beträgt 250 °C.

Nun schauen wir uns die Temperatur der Zelle an; wir vergleichen, bei welchen Phasen die verschiedenen Schutzsysteme auf Zellniveau auslösen.

— System OSD – 3,5+-0,1 kg/cm² <= externen Druck
Zusätzlicher Schutz vor Überströmen.

— Sicherheitsventil 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= Umgebungsdruck

— Sicherung innerhalb der Zelle 2 Sekunden bei 2500A (Überlaststrommodus)

Das Risiko einer thermischen Aufheizung der Zelle hängt direkt vom Ladegrad der Zelle ab, nähere Informationen hier…Betrachten wir den Effekt des Ladegrads der Zelle im Kontext der Risiken einer thermischen Aufheizung. Wir betrachten die Tabelle mit der Temperaturentsprechung der Zelle zum Parameter SOC (State of Charge, Ladezustand der Batterie).

Der Ladegrad der Batterie wird in Prozent gemessen und zeigt an, welcher Teil der gesamten Ladung noch in der Batterie gespeichert ist. In diesem Fall betrachten wir den Überladungsmodus der Batterie. Man kann schließen, dass je nach chemischer Zusammensetzung der Lithiumzelle die Batterie sich unterschiedlich bei einer Überladung verhalten kann und eine unterschiedliche Neigung zur thermischen Aufheizung hat. Dies ist auf die unterschiedliche spezifische Kapazität (Ah/g) der verschiedenen Typen von Li-Ion-Zellen zurückzuführen. Je höher die spezifische Kapazität der Zelle, desto schneller erfolgt die Wärmeerzeugung bei der Überladung.

Außerdem führt bei 100% SOC ein externes Kurzschluss häufig zu einer thermischen Aufheizung der Zelle. Andererseits verschiebt sich bei einem Ladegrad von 80% SOC die maximale Temperatur, bei der eine thermische Aufheizung beginnt, nach oben. Die Zelle wird widerstandsfähiger gegenüber Notfallmodi.

Und schließlich können bei 70% SOC externe Kurzschlüsse überhaupt nicht zu einer thermischen Aufheizung führen. Das bedeutet, dass das Risiko einer Entzündung der Zelle deutlich verringert wird, und das wahrscheinlichste Szenario ist lediglich das Auslösen des Sicherheitsventils der Lithium-Batterie.

Darüber hinaus kann man aus der Tabelle schließen, dass LFP (lila Kurve) Batterien in der Regel eine steile Temperaturanstiegsrate aufweisen, d.h. die Phase „Aufheizung“ geht sanft in die Phase „thermische Aufheizung“ über, und die Stabilität dieses Systems gegenüber Überladung ist etwas geringer. Batterien vom Typ LMO hingegen zeigen, wie zu sehen ist, eine sanftere Aufheizcharakteristik bei der Überladung.

WICHTIG: Bei der Aktivierung des OSD-Systems wird die Zelle auf Bypass zurückgesetzt. Dadurch wird die Spannung an der Rack reduziert, bleibt jedoch betriebsbereit und sendet ein Signal an das UPS-Überwachungssystem über das BMS-System des Racks. Im Falle eines klassischen UPS-Systems mit VRLA-Batterien kann ein Kurzschluss oder ein Ausfall innerhalb einer Batterie in der Reihe zu einem vollständigen Ausfall der UPS und einem Verlust der Betriebsfähigkeit der IT-Ausrüstung führen.

Aus den vorgenannten Punkten ergeben sich bei der Verwendung von Lithiumlösungen in der UPS folgende Risiken:

1. Thermisches Durchgehen der Zelle oder des Moduls infolge eines externen Kurzschlusses – mehrere Schutzebenen.
2. Thermisches Durchgehen der Zelle oder des Moduls infolge eines internen Ausfalls der Batterie – mehrere Schutzebenen auf Zellen- und Modulebene.
3. Überladung – Schutz durch BMS plus alle Schutzebenen des Racks, Moduls, Zelle.
4. Mechanische Beschädigung – für unseren Fall nicht relevant, Risiko ist vernachlässigbar.
5. Überhitzung des Racks und aller Batterien (Module, Zellen). Nicht kritisch bis 70-90 Grad. Wenn die Temperatur im Raum des UPS-Systems über diese Werte steigt, bedeutet das bereits einen Brand im Gebäude. Unter normalen Betriebsbedingungen des Rechenzentrums ist das Risiko vernachlässigbar.
6. Verminderung der Lebensdauer der Batterien bei erhöhten Raumtemperaturen – eine Dauerbetriebsfähigkeit bis zu 40 Grad ist ohne spürbare Verminderung der Batterielebensdauer zulässig. Bleiakkus sind sehr empfindlich gegenüber jeder Temperaturerhöhung und reduzieren ihre verbleibende Lebensdauer proportional zur Temperaturerhöhung.

Lassen Sie uns das Risikomodell für die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in unserem Anwendungsfall im Rechenzentrum, Serverraum, betrachten. Wir vereinfachen das Diagramm etwas, da Lithium-UPS unter idealen Bedingungen betrieben werden, wenn man die Betriebsbedingungen der Batterien in Ihrem Gadget oder Telefon vergleicht.

Das Foto ist klickbar.

FAZIT: Spezial-Lithium-Akkus für UPS-Rechenzentren und Server verfügen über ein ausreichendes Schutzniveau gegen Notfallsituationen. In einer umfassenden Lösung bietet eine Vielzahl unterschiedlicher Schutzstufen und mehr als fünfjährige Betriebserfahrung dieser Lösungen einen hohen Sicherheitsstandard neuer Technologien. Darüber hinaus sollte man nicht vergessen, dass der Einsatz von Lithium-Akkus in unserem Sektor wie "gewächshausähnliche" Bedingungen für Li-Ion-Technologien aussieht: Im Gegensatz zu Ihrem Smartphone in der Tasche wird die Batterie im Rechenzentrum niemand fallen lassen, überhitzen, täglich entladen oder aktiv im Pufferbetrieb benutzen.

Detaillierte Informationen und die Besprechung einer speziellen Lösung mit Lithium-Ionen-Batterien für Ihr Serverzimmer oder Rechenzentrum können Sie an die E-Mail-Adresse senden: info@ot.ru, oder Sie können eine Anfrage auf der Website des Unternehmens stellen: www.ot.ru.

OFFENE TECHNOLOGIEN – zuverlässige Gesamtlösungen von weltweit führenden Anbietern, die speziell auf Ihre Ziele und Anforderungen zugeschnitten sind.

Autor: Oleg Kulikov
Leitender Ingenieur
Abteilung für Integrationslösungen
Unternehmen Offene Technologien

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Ihre Meinung zur Sicherheit und Anwendbarkeit industrieller Lösungen auf Li-Ion-Technologien?

• 16,2%Gefährlich, selbstentzündlich, würde ich auf keinen Fall in meinem Serverraum installieren.11

• 10,3%Das interessiert mich nicht, wir tauschen regelmäßig die klassischen Batterien aus, und das ist in Ordnung.7

• 16,2%Ich muss nachdenken, vielleicht ist es sicher und perspektivisch.11

• 23,5%Interessant, ich werde die Möglichkeiten prüfen.16

• 13,2%Interessiert! Einmal investieren – und keine Angst haben, dass das ganze Rechenzentrum wegen des Ausfalls einer Bleibatterie zusammenbricht.9

• 20,6%Interessant! Es gibt viel mehr Vorteile als Nachteile und Risiken.14

68 Nutzer haben abgestimmt. 25 Nutzer haben sich enthalten.

Quelle: habr.com