Hola amigos
Después de la publicación del artículo. Ha habido muchos comentarios sobre los peligros de las soluciones de Li-Ion para servidores y centros de datos. Por lo tanto, hoy intentaremos descubrir cuáles son las diferencias entre las soluciones industriales de litio para un UPS y la batería de su dispositivo, en qué se diferencian las condiciones de funcionamiento de las baterías en una sala de servidores, por qué en un teléfono de iones de litio la batería no dura más de 2-3 años, y en un centro de datos esta cifra aumentará a 10 o más años. Por qué los riesgos de incendio por litio en un centro de datos/sala de servidores son mínimos.
Sí, los accidentes con las baterías de UPS son posibles independientemente del tipo de dispositivo de almacenamiento de energía, pero el mito del “peligro de incendio” de las soluciones industriales de litio no es cierto.
Después de todo, muchos han visto eso. ¿Con una batería de litio en un coche que circula por la carretera? Entonces, veamos, averigüemos, comparemos...
Aquí vemos un caso típico de calentamiento espontáneo incontrolado, fuga térmica de la batería del teléfono, que provocó tal incidente. Dirás: ¡AQUÍ! Es sólo un teléfono, ¡sólo un loco pondría algo así en la sala de servidores!
Estoy seguro de que después de estudiar este material, el lector cambiará su punto de vista sobre este tema.
Situación actual del mercado de centros de datos
No es ningún secreto que construir un centro de datos es una inversión a largo plazo. El precio de los equipos de ingeniería por sí solo puede representar el 50% del costo de todos los costos de capital. El horizonte de recuperación es de aproximadamente 10 a 15 años. Naturalmente, existe el deseo de reducir el costo total de propiedad durante todo el ciclo de vida del centro de datos y, al mismo tiempo, también compactar los equipos de ingeniería, liberando tanto espacio como sea posible para la carga útil.
La solución óptima es una nueva versión de UPS industriales basados en baterías de iones de litio, que durante mucho tiempo se han librado de las "enfermedades infantiles" en forma de riesgos de incendio, algoritmos incorrectos de carga y descarga y han adquirido una gran cantidad de mecanismos de protección.
Con el aumento de la capacidad de los equipos informáticos y de red, la demanda de UPS está creciendo. Al mismo tiempo, los requisitos de duración de la batería aumentan en caso de problemas con el suministro de energía centralizado y/o fallas al iniciar una fuente de energía de respaldo en el caso del uso/disponibilidad de un grupo electrógeno diesel.
En nuestra opinión, hay dos razones principales:
- Rápido crecimiento del volumen de información procesada y transmitida
Por ejemplo, cual
necesita ser guardado y procesado. - Crecimiento de la dinámica del consumo de energía eléctrica. A pesar de la tendencia general de reducir el consumo energético de los equipos informáticos, se reduce el consumo energético específico de los componentes electrónicos.
Gráfico de consumo de energía de un solo centro de datos en funcionamiento
La misma tendencia la demuestran las previsiones del mercado de centros de datos en nuestro país.Segun el sitio"El número total de espacios de rack puestos en funcionamiento es de más de 20 mil. "El número de espacios de rack puestos en funcionamiento por los 20 mayores proveedores de servicios de centros de datos en 2017 aumentó un 3% y alcanzó 22,4 mil (datos al 1 de octubre de 2017)”, – dice el informe de CNews Analytics. Según las consultoras, para 2021 se espera que el número de espacios en rack aumente a 49 mil. Es decir, en dos años la capacidad real del centro de datos puede duplicarse. ¿Con qué está conectado esto? En primer lugar, con el aumento del volumen de información: tanto almacenada como procesada.
Además de las nubes, los actores consideran que el desarrollo de las capacidades de los centros de datos en las regiones es un punto de crecimiento: son el único segmento donde hay una reserva para el desarrollo empresarial. Según IKS-Consulting, en 2016 las regiones representaron solo el 10% de todos los recursos ofrecidos en el mercado, mientras que la capital y la región de Moscú ocuparon el 73% del mercado, y San Petersburgo y la región de Leningrado, el 17%. En las regiones sigue habiendo escasez de recursos de centros de datos con un alto grado de tolerancia a fallos.
Para 2025, se prevé que la cantidad total de datos en el mundo aumentará 10 veces en comparación con 2016.
Aún así, ¿qué tan seguro es el litio para un servidor o centro de datos UPS?
Desventaja: alto costo de las soluciones de Li-Ion.
El precio de las baterías de iones de litio sigue siendo elevado en comparación con las soluciones estándar. Según estimaciones de SE, los costos iniciales de los UPS de alta potencia de más de 100 kVA para soluciones de Li-Ion serán 1,5 veces mayores, pero en última instancia el ahorro en propiedad será del 30-50%. Si hacemos comparaciones con el complejo militar-industrial de otros países, aquí están las noticias sobre el lanzamiento en con baterías de Li-Ion. Muy a menudo, en este tipo de soluciones se utilizan baterías de fosfato de hierro y litio (LFP en la foto) debido a su relativo bajo precio y mayor seguridad.
El artículo menciona que se gastaron 100 millones de dólares en nuevas baterías para el submarino, intentemos convertirlo a otros valores...4,2 mil toneladas es el desplazamiento submarino de un submarino japonés. Desplazamiento de superficie: 2,95 mil toneladas. Como regla general, entre el 20 y el 25% del peso del barco se compone de baterías. De aquí sacamos aproximadamente 740 toneladas de baterías de plomo-ácido. Además: la masa del litio es aproximadamente 1/3 de la de las baterías de plomo-ácido -> 246 toneladas de litio. A 70 kWh/kg para Li-Ion obtenemos aproximadamente 17 MWh de potencia de batería. Y la diferencia en la masa de las baterías es de aproximadamente 495 toneladas... Aquí no tenemos en cuenta , que requieren 14,5 toneladas de plata por submarino y cuestan 4 veces más que las baterías de plomo-ácido. Permítanme recordarles que las baterías de iones de litio ahora son solo entre 1,5 y 2 veces más caras que las VRLA, dependiendo de la potencia de la solución.
¿Qué pasa con los japoneses? Recordaron demasiado tarde que "aligerar el barco" en 700 toneladas implica un cambio en su navegabilidad y estabilidad... Probablemente tuvieron que agregar armas a bordo para devolver la distribución de peso de diseño del barco.
Las baterías de iones de litio también pesan menos que las de plomo-ácido, por lo que el diseño del submarino clase Soryu tuvo que ser rediseñado un poco para mantener el lastre y la estabilidad.
En Japón, se han creado y puesto en funcionamiento dos tipos de baterías de iones de litio: litio-níquel-cobalto-óxido de aluminio (NCA) producida por GS Yuasa y titanato de litio (LTO) producido por Toshiba Corporation. La marina japonesa utilizará baterías NCA, mientras que a Australia se le ofrecieron baterías LTO para usar en submarinos de clase Soryu en una licitación reciente, según Kobayashi.
Conociendo la actitud reverente hacia la seguridad en el País del Sol Naciente, podemos suponer que los problemas de seguridad del litio han sido resueltos, probados y certificados.
Riesgo: peligro de incendio.
Aquí es donde descubriremos el propósito de la publicación, ya que existen opiniones diametralmente opuestas sobre la seguridad de estas soluciones. Pero todo esto es retórica, pero ¿qué pasa con las soluciones industriales específicas?
Ya hemos discutido temas de seguridad en nuestro , pero volvamos a detenernos en este tema. Pasemos a la figura, que examina el nivel de protección del módulo y la celda LMO/NMC de la batería fabricada por Samsung SDI y utilizada como parte del UPS Schneider Electric.
Los procesos químicos se discutieron en el artículo del usuario. . Intentemos comprender los posibles riesgos en nuestro caso particular y compararlos con la protección multinivel en las celdas SDI de Samsung, que son una parte integral de un rack de Li-Ion tipo G ya preparado como parte de una solución integral basada en Galaxy VM. .
Comencemos con un diagrama de flujo de caso general de los riesgos y causas de incendio en una celda de iones de litio.
Debajo del spoiler se pueden estudiar las cuestiones teóricas sobre los riesgos de incendio de las baterías de iones de litio y la física de los procesos.Diagrama de bloques inicial de los riesgos y causas de incendio (Safety Hazard) de una celda de iones de litio de 2018 años.
Dado que dependiendo de la estructura química de la celda de iones de litio existen diferencias en las características de fuga térmica de la celda, aquí nos centraremos en el proceso descrito en el artículo en una celda de litio-níquel-cobalto-aluminio (basada en LiNiCoAIO2). o NCA.
El proceso de desarrollo de un accidente en una celda se puede dividir en tres etapas:
- etapa 1 (inicio). Funcionamiento normal de la celda cuando el gradiente de aumento de temperatura no excede los 0,2 grados Celsius por minuto y la temperatura de la celda en sí no excede los 130-200 grados Celsius, dependiendo de la estructura química de la celda;
- etapa 2, calentamiento (Aceleración). En esta etapa, la temperatura aumenta, el gradiente de temperatura aumenta rápidamente y se libera activamente energía térmica. En general, este proceso va acompañado de la liberación de gases. El desprendimiento excesivo de gas debe compensarse accionando la válvula de seguridad;
- etapa 3, fuga térmica (Runaway). Calentamiento de la batería a más de 180-200 grados. En este caso, el material del cátodo entra en una reacción de desproporción y libera oxígeno. Este es el nivel de fuga térmica, ya que en este caso puede producirse una mezcla de gases inflamables con oxígeno, lo que provocará una combustión espontánea. Sin embargo, este proceso en algunos casos se puede controlar, léase: cuando cambia el régimen de factores externos, la fuga térmica en algunos casos se detiene sin consecuencias fatales para el espacio circundante. No se consideran la capacidad de servicio y el rendimiento de la propia celda de litio después de estos eventos.
La temperatura desbocada térmica depende del tamaño de la celda, el diseño de la celda y el material. La temperatura desbocada térmica puede variar de 130 a 200 grados centígrados. El tiempo de fuga térmica puede variar y oscilar entre minutos, horas o incluso días...
¿Qué pasa con las celdas tipo LMO/NMC en los UPS de iones de litio?
– Para evitar el contacto del ánodo con el electrolito, se utiliza una capa cerámica como parte de la celda (SFL). El movimiento de los iones de litio se bloquea a 130 grados centígrados.
– Además de la válvula de ventilación protectora, se utiliza un sistema de protección de dispositivo de sobrecarga (OSD), que funciona en conjunto con un fusible interno y apaga la celda dañada, evitando que el proceso de fuga térmica alcance niveles peligrosos. Además, el sistema OSD interno se activará antes, cuando la presión alcance 3,5 kgf/cm2, es decir, la mitad menos que la presión de respuesta de la válvula de seguridad de la celda.
Por cierto, el fusible de la celda funcionará a corrientes superiores a 2500 A en no más de 2 segundos. Supongamos que el gradiente de temperatura alcanza una lectura de 10 grados C/min. En 10 segundos, la celda tendrá tiempo de agregar aproximadamente 1,7 grados a su temperatura mientras está en modo overclocking.
– Un separador de tres capas en la celda en modo de recarga bloqueará la transición de los iones de litio al ánodo de la celda. La temperatura de bloqueo es de 250 grados centígrados.
Ahora veamos qué tenemos con la temperatura de la celda; Comparemos en qué etapas se activan los diferentes tipos de protecciones a nivel celular.
— Sistema OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= presión externa
Protección adicional contra sobrecorrientes.
— válvula de seguridad 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= presión externa
- fusible dentro de la celda 2 segundos a 2500A (modo sobrecorriente)
El riesgo de fuga térmica de una celda depende directamente del grado/nivel de carga de la celda, más detalles aquí...Consideremos el efecto del nivel de carga de la celda en el contexto de los riesgos de fuga térmica. Consideremos la tabla de correspondencia entre la temperatura de la celda y el parámetro SOC (Estado de carga, grado de carga de la batería).
El nivel de carga de la batería se mide como porcentaje y muestra qué parte de la carga total aún queda almacenada en la batería. En este caso, estamos considerando el modo de recarga de la batería. Se puede concluir que dependiendo de la química de la celda de litio, la batería puede comportarse de manera diferente cuando se sobrecarga y tener diferente susceptibilidad al descontrol térmico. Esto se debe a la diferente capacidad específica (A*h/gramo) de los diferentes tipos de celdas de Li-Ion. Cuanto mayor sea la capacidad específica de la célula, más rápida será la liberación de calor durante la recarga.
Además, al 100% de SOC, un cortocircuito externo a menudo provoca un descontrol térmico de la celda. Por otro lado, cuando la celda está al 80% de SOC, la temperatura máxima de fuga térmica de la celda se desplaza hacia arriba. La célula se vuelve más resistente a las condiciones de emergencia.
Finalmente, para un 70% de SOC, es posible que los cortocircuitos externos no causen un descontrol térmico en absoluto. Es decir, el riesgo de ignición de la celda se reduce significativamente y el escenario más probable es solo el funcionamiento de la válvula de seguridad de la batería de litio.
Además, de la tabla podemos concluir que la LFP (curva violeta) de una batería generalmente tiene un fuerte aumento de temperatura, es decir, la etapa de "calentamiento" pasa suavemente a la etapa de "fuga térmica", y la estabilidad de Este sistema de sobrecarga es algo peor. Las baterías OVM, como vemos, tienen una característica de calentamiento más suave durante la recarga.
IMPORTANTE: Cuando se activa el sistema OSD, la celda se restablece para bypass. Así, se reduce la tensión en el rack, pero este permanece en funcionamiento y proporciona señal al sistema de monitorización del SAI a través del sistema BMS del propio rack. En el caso de un sistema UPS clásico con baterías VRLA, un cortocircuito o una rotura dentro de una batería de una cadena puede provocar una falla del UPS en su conjunto y la pérdida de funcionalidad del equipo de TI.
Con base en lo anterior, para el caso de utilizar soluciones de litio en UPS, siguen siendo relevantes los siguientes riesgos:
- Fuga térmica de una celda o módulo como resultado de un cortocircuito externo: varios niveles de protección.
- Fuga térmica de una celda o módulo como resultado de un mal funcionamiento de la batería interna: varios niveles de protección a nivel de celda o módulo.
- Sobrecarga: protección mediante BMS más todos los niveles de protección para un bastidor, módulo o celda.
- El daño mecánico no es relevante para nuestro caso, el riesgo del evento es insignificante.
- Sobrecalentamiento del rack y de todas las baterías (módulos, celdas). No crítico hasta 70-90 grados. Si la temperatura en la sala de instalación del SAI supera estos valores, significa que hay un incendio en el edificio. En condiciones normales de funcionamiento del centro de datos, el riesgo de que se produzca un evento es insignificante.
- Duración reducida de la batería a temperaturas ambiente elevadas: se permite el funcionamiento prolongado a temperaturas de hasta 40 grados sin una disminución notable en la duración de la batería. Las baterías de plomo son muy sensibles a cualquier aumento de temperatura y reducen su vida restante en proporción al aumento de temperatura.
Echemos un vistazo a un diagrama de flujo del riesgo de accidentes con baterías de iones de litio en nuestro centro de datos, caso de uso de sala de servidores. Simplifiquemos un poco el diagrama, porque los UPS de litio funcionarán en condiciones ideales, si comparamos las condiciones de funcionamiento de las baterías de su dispositivo, teléfono.
CONCLUSIÓN: Las baterías de litio especializadas para UPS de centros de datos y salas de servidores tienen un nivel suficiente de protección contra situaciones de emergencia, y en una solución integral, una gran cantidad de grados de protección diversa y más de cinco años de experiencia en el funcionamiento de estas soluciones nos permiten hablar de un alto nivel de seguridad de las nuevas tecnologías. Entre otras cosas, no debemos olvidar que el funcionamiento de las baterías de litio en nuestro sector parece un "invernadero" para las tecnologías Li-Ion: a diferencia de un teléfono inteligente en el bolsillo, nadie dejará caer la batería en el centro de datos, no se sobrecalentará ni se descargará. Todos los días, úselo activamente en modo búfer.
Puede obtener más detalles y analizar una solución específica que utilice baterías de iones de litio para su sala de servidores o centro de datos enviando una solicitud por correo electrónico. , o realizando una solicitud en el sitio web de la empresa .
TECNOLOGÍAS ABIERTAS – Soluciones integrales confiables de líderes mundiales, adaptadas específicamente a sus metas y objetivos.
autor: Kulikov Oleg
Ingeniero de diseño líder
Departamento de Soluciones de Integración
Empresa de tecnologías abiertas
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16,2%Peligroso, autoinflamable, bajo ninguna circunstancia lo pondría en mi sala de servidores.11
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10,3%Esto no me interesa, así que cambiamos periódicamente las baterías clásicas y todo está bien.7
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16,2%Necesitamos pensar si podría ser seguro y prometedor.11
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23,5%Interesante, analizaré las posibilidades.16
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13,2%¡Interesado! Invierta una vez y no tenga miedo de sobrecargar todo el centro de datos debido al fallo de una batería de plomo.9
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20,6%¡Interesante! Las ventajas superan con creces las desventajas y los riesgos.14
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Fuente: habr.com