¡Hola, amigos!
Después de la publicación del artículo hubo muchos comentarios sobre el peligro de las soluciones de Li-Ion para servidores y centros de datos. Por eso hoy intentaremos aclarar las diferencias entre las soluciones industriales de litio para UPS y las baterías de tu dispositivo, cómo difieren las condiciones de operación de las baterías en los servidores y por qué la batería de un teléfono Li-Ion dura no más de 2-3 años, mientras que en un centro de datos esta cifra puede alcanzar los 10 años o más. Por qué los riesgos de incendio de litio en un centro de datos/servidor son mínimos.
Sí, los accidentes con baterías de UPS son posibles independientemente del tipo de acumuladores de energía, pero el mito sobre la «peligrosidad» de las soluciones industriales de litio no corresponde a la realidad.
Porque muchos han visto aquel con una batería de litio en un coche en movimiento por la carretera. Así que, veamos, analicemos, comparemos...
Aquí vemos un caso típico de auto-calentamiento incontrolado, una aceleración térmica de la batería del teléfono que llevó a tal incidente. Dirás: ¡ESO! Eso es solo un teléfono, ¡solo un loco instalaría algo así en un servidor!
Estoy seguro de que, después de estudiar este material, el lector cambiará de opinión sobre este asunto.
La situación actual en el mercado de centros de datos
No es un secreto que la construcción de centros de datos es una inversión a largo plazo. El precio solo del equipo de ingeniería puede representar el 50% de todos los costos de capital. El horizonte de retorno de inversión es de aproximadamente 10-15 años. Lógicamente surge el deseo de reducir el costo total de propiedad durante todo el ciclo de vida del centro de datos, mientras se maximiza también el aprovechamiento del espacio para cargas útiles.
La solución óptima son los UPS industriales de nueva iteración basados en baterías de Li-Ion, que desde hace tiempo han superado las «enfermedades infantiles» como la peligrosidad de incendio, algoritmos de carga-descarga incorrectos, y se han dotado de una serie de mecanismos de protección.
Con el aumento de las potencias del equipo informático y de red, crece la demanda de UPS. Al mismo tiempo, aumentan los requisitos para el tiempo de funcionamiento autónomo de las baterías en caso de problemas con el suministro eléctrico centralizado y/o fallos al iniciar una fuente de alimentación de reserva en caso de utilizar/haber generadores diésel.
A nuestro parecer, aquí hay dos razones principales:
- El rápido crecimiento de los volúmenes de información procesada y transmitida
Por ejemplo, , que
necesita ser almacenada y procesada. - Aumento de la dinámica del consumo de energía eléctrica. A pesar de la tendencia general de reducción en el consumo de energía de los equipos de TI, se observa una disminución en el consumo específico de energía de los componentes electrónicos.
Gráfico del consumo de energía de un solo centro de datos en funcionamiento
Esta misma tendencia se refleja en las proyecciones del mercado de centros de datos en nuestro paísSegún el sitio web, el número total de lugares en operación supera las 20 mil. "El número de espacios puestos en funcionamiento por los 20 principales proveedores de servicios de centros de datos aumentó un 3% en 2017, alcanzando un total de 22,4 mil (datos al 1 de octubre de 2017)", dice el informe de CNews Analytics. Se estima que para 2021, el número de espacios aumentará a 49 mil. Es decir, en dos años la capacidad real de los centros de datos podría duplicarse. ¿A qué se debe esto? Principalmente al aumento del volumen de información: tanto la almacenada como la procesada.
Además de las nubes, los jugadores también consideran el desarrollo de las capacidades de los centros de datos en las regiones como un punto de crecimiento: son el único segmento donde aún hay margen para el desarrollo del negocio. Según IKS-Consulting, en 2016, solo el 10% de todos los recursos ofrecidos en el mercado provenían de las regiones, mientras que la capital y la región de Moscú ocupaban el 73% del mercado, y San Petersburgo y la región de Leningrado el 17%. En las regiones, sigue existiendo una escasez de recursos para centros de datos con altos niveles de resiliencia.
Para 2025, según las proyecciones, el volumen total de datos en el mundo se multiplicará por 10 en comparación con 2016.
Sin embargo, ¿cuán seguro es el litio para las UPS de un servidor o centro de datos?
Desventaja: alto costo de las soluciones Li-Ion.
El precio de las baterías de ion de litio sigue siendo alto en comparación con las soluciones estándar. Según estimaciones de la empresa SE, los costos iniciales para UPS potentes superiores a 100 kVA para soluciones Li-Ion serán 1,5 veces más altos, pero al final, el ahorro en propiedad será del 30-50%. Si se comparan con el complejo militar-industrial de otros países, aquí está la noticia sobre el lanzamiento en con baterías de Li-Ion. A menudo se utilizan baterías de litio-hierro-fosfato (en la foto - LFP) debido a su bajo costo y mayor seguridad.
El artículo menciona que se han gastado 100 millones de dólares en nuevas baterías para el submarino; vamos a recalcular en otras magnitudes…4.2 mil toneladas - desplazamiento sumergido del submarino japonés. Desplazamiento en superficie - 2.95 mil toneladas. Por lo general, el 20-25% del peso del barco son baterías. Así que tomamos unas 740 toneladas - baterías de plomo-ácido. Además, el peso del litio es aproximadamente 1/3 del de las baterías de plomo-ácido -> 246 toneladas de litio. Con 70 kWh/kg para Li-Ion, obtenemos alrededor de 17 MWh de capacidad del banco de baterías. Y la diferencia en el peso de las baterías es de aproximadamente 495 toneladas... Aquí no estamos considerando , de las cuales se necesitan 14.5 toneladas de plata por un submarino, y su costo supera al de las baterías de plomo-ácido en 4 veces. Recuerdo que las baterías de Li-Ion son actualmente solo 1.5-2 veces más caras que las VRLA, dependiendo de la potencia de la solución.
¿Y qué hay de los japoneses? Recordaron demasiado tarde que "aligerar el barco" en 700 toneladas afecta sus cualidades de navegación y estabilidad... Probablemente tuvieron que añadir armamento a bordo para recuperar los valores de balance proyectados del barco.
Las baterías de iones de litio también pesan menos que las de plomo-ácido, por lo que el proyecto del submarino tipo Soryu tuvo que ser rediseñado ligeramente para mantener la estabilidad y el lastre.
En Japón se han desarrollado y llevado a un estado operativo dos tipos de baterías de iones de litio: la batería de óxido de litio-níquel-cobalto-aluminio (NCA) de la empresa GS Yuasa y la batería de titanato de litio (LTO) de la corporación Toshiba. La Armada japonesa utilizará baterías del tipo NCA; además, según Kobayashi, Australia propuso baterías tipo LTO para su uso en submarinos del tipo Soryu en una reciente licitación.
Conociendo el cuidado tratamiento hacia la seguridad en el país del Sol Naciente, se puede suponer que han resuelto, probado y certificado cuestiones sobre la seguridad del litio.
Riesgo: inflamabilidad.
Aquí es donde nos ocuparemos del objetivo de la publicación, ya que existen opiniones diametralmente opuestas sobre la seguridad de estas soluciones de datos. Pero eso es solo la lírica, ¿qué hay de nuestras soluciones industriales específicas?
Ya hemos discutido las cuestiones de seguridad en nuestro , pero volvamos a detenernos en este asunto. Nos referiremos a la ilustración, donde se analizó el nivel de protección del módulo y la celda LMO/NMC de la batería fabricada por Samsung SDI y utilizada en los sistemas UPS de Schneider Electric.
Los procesos químicos fueron analizados en el artículo del usuario . Intentemos analizar los posibles riesgos en nuestro caso específico y compararlos con la protección multinivel en las celdas de Samsung SDI, que forman parte del sistema Li-Ion de tipo G en una solución integrada basada en Galaxy VM.
Comencemos con un caso general del diagrama de riesgos y causas de incendio de la celda de iones de litio.
Bajo el spoiler se pueden estudiar cuestiones teóricas sobre los riesgos de incendio de las baterías de iones de litio y la física de los procesos.El diagrama original de riesgos y causas de incendio (Safety Hazard) de la celda de iones de litio de de 2018.
Dado que hay diferencias en las características de la degradación térmica de la celda según la estructura química de la celda de iones de litio, aquí nos detendremos en el proceso descrito en el artículo para la celda de níquel-cobalto-aluminio (basada en LiNiCoAIO2) o NCA.
El proceso de desarrollo de un accidente en la celda se puede dividir en tres etapas:
- etapa 1 (Onset). Funcionamiento normal de la celda, cuando el gradiente de aumento de temperatura no excede 0,2 °C por minuto y la propia temperatura de la celda no supera los 130-200 °C, dependiendo de la estructura química de la celda;
- etapa 2, calentamiento (Acceleration). En esta etapa, la temperatura aumenta, el gradiente de aumento de temperatura aumenta rápidamente, y ocurre una liberación activa de energía térmica. En general, este proceso va acompañado de emisión de gases. La excesiva liberación de gas debe ser compensada por el funcionamiento de la válvula de seguridad;
- etapa 3, sobrecalentamiento (Runaway). La temperatura de la batería supera los 180-200 grados. En este punto, el material del cátodo reacciona mediante un proceso de disproporción y libera oxígeno. Este es el nivel de sobrecalentamiento, ya que en este caso puede formarse una mezcla de gases inflamables con oxígeno, lo que provocará autoignición. Sin embargo, este proceso puede ser controlado en ciertos casos, es decir, al alterar las condiciones externas, el sobrecalentamiento puede cesar sin consecuencias fatales para el entorno. La integridad y operatividad de la celda de litio después de estos eventos no se considera.
La temperatura de sobrecalentamiento depende del tamaño de la celda, el diseño de la celda y el material. La temperatura de sobrecalentamiento puede variar de 130 a 200 grados Celsius. El tiempo de sobrecalentamiento puede ser diferente y puede durar minutos, horas o incluso días…
¿Y qué sucede con las celdas tipo LMO/NMC en UPS de litio-ion?
– Para evitar el contacto del ánodo con el electrolito, se utiliza una capa cerámica en la celda (SFL). La movilidad de los iones de litio se bloquea a 130 grados Celsius.
– Además de la válvula de ventilación de seguridad, se aplica un sistema de protección contra sobrecarga (Over Charge Device, OSD), que trabaja en combinación con un fusible interno y desconecta la celda dañada, evitando que el proceso de sobrecalentamiento alcance valores peligrosos. De hecho, el sistema interno OSD se activará antes, al alcanzar una presión de 3.5 kg/cm², es decir, la mitad de la presión de activación de la válvula de seguridad de la celda.
Por cierto, el fusible de la celda se activará a corrientes superiores a 2500 A en un tiempo no mayor a 2 segundos. Supongamos que el gradiente de temperatura ha alcanzado 10 grados Celsius/minuto. En 10 segundos, la celda podrá aumentar su temperatura en aproximadamente 1.7 grados, estando en modo de aceleración.
– Un separador de tres capas en la celda en modo de sobrecarga asegurará el bloqueo del paso de iones de litio al ánodo de la celda. La temperatura de bloqueo es de 250 grados Celsius.
Ahora veamos, qué sucede con la temperatura de la celda; compararemos en qué etapas se activan los diferentes tipos de protecciones a nivel de la celda.
— sistema OSD – 3.5±0.1 kg/cm² <= presión externa
Protección adicional contra sobrecargas.
— válvula de seguridad 7,0+-1,0 kg/cm2 <= presión externa
— fusible dentro de la celda 2 segundos a 2500A (modo de corrientes de sobrecarga)
El riesgo de fuga térmica de la celda depende directamente del nivel de carga de la celda, más detalles aquí...Analicemos el efecto del nivel de carga de la celda en el contexto de los riesgos de fuga térmica. Veamos la tabla de correspondencia de la temperatura de la celda con respecto al parámetro SOC (Estado de Carga).
El estado de carga de la batería se mide en porcentaje y muestra qué parte de la carga total aún está almacenada en la batería. En este caso, estamos considerando el modo de sobrecarga de la batería. Se puede concluir que, dependiendo de la composición química de la celda de litio, la batería puede comportarse de diferentes maneras durante la sobrecarga y tener diferentes inclinaciones a la fuga térmica. Esto se debe a la diferente capacidad específica (Ah/g) de los distintos tipos de celdas Li-Ion. Cuanto mayor sea la capacidad específica de la celda, más rápido será el desprendimiento de calor durante la sobrecarga.
Además, a un 100% de SOC, un cortocircuito externo a menudo provoca una fuga térmica de la celda. Por otro lado, cuando la celda tiene un nivel de carga del 80% SOC, la temperatura máxima en la que comienza la fuga térmica de la celda se desplaza hacia arriba. La celda se vuelve más resistente a modos de falla.
Y, finalmente, para un 70% SOC, los cortocircuitos externos pueden no ser la causa de la fuga térmica en absoluto. Es decir, el riesgo de inflamación 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 se puede concluir que las baterías LFP (curva morada) generalmente tienen una pendiente pronunciada en el aumento de temperatura, es decir, la etapa de "calentamiento" se transforma gradualmente en la etapa de "fuga térmica", y la resistencia de este sistema a la sobrecarga es algo peor. Las baterías del tipo LMO, como podemos ver, tienen una característica de calentamiento más suave durante la sobrecarga.
IMPORTANTE: Cuando el sistema OSD se activa, se restablece la celda al modo bypass. De este modo, se reduce la tensión en el rack, pero sigue funcionando y envía señales al sistema de monitoreo del SAI a través del sistema BMS del propio rack. En el caso de un SAI clásico con baterías VRLA, un cortocircuito o la ruptura dentro de una batería en la cadena puede llevar a la falla del SAI en su totalidad y a la pérdida de funcionalidad del equipo de TI.
A partir de lo anterior, para el caso de las soluciones de litio en SAI, siguen siendo relevantes los riesgos:
- Sobrecalentamiento de la celda, módulo como resultado de un cortocircuito externo: varios niveles de protección.
- Sobrecalentamiento de la celda, módulo como resultado de un fallo interno de la batería: varios niveles de protección a nivel de celda, módulo.
- Sobrecarga: protección mediante BMS más todos los niveles de protección del rack, módulo y celda.
- Daño mecánico: no relevante para nuestro caso, el riesgo del evento es despreciable.
- Sobrecalentamiento del rack y todas las baterías (módulos, celdas). No es crítico hasta 70-90 grados. Si la temperatura en la sala donde se instala el SAI supera esos valores, significa que ya hay un incendio en el edificio. En condiciones normales de operación del centro de datos, el riesgo de evento es despreciable.
- Reducción en la duración de las baterías a temperaturas elevadas: se permite un funcionamiento prolongado a temperaturas de hasta 40 grados sin una disminución significativa de la duración de las baterías. Las baterías de plomo son muy sensibles a cualquier aumento de temperatura y reducen su duración residual proporcionalmente al aumento de la temperatura.
Veamos el diagrama de flujo de los riesgos de fallos con baterías de litio en nuestro caso de uso en centros de datos, salas de servidores. Simplificamos un poco el esquema, ya que los SAI de litio se usarán en condiciones ideales en comparación con las condiciones de funcionamiento de las baterías en su dispositivo, teléfono.
CONCLUSIÓN: Baterías de litio especializadas para UPS en centros de datos y servidores tienen un nivel adecuado de protección contra situaciones inesperadas, y en una solución integral, la gran cantidad de grados de protección diversa y más de cinco años de experiencia con estas soluciones permiten hablar de un alto nivel de seguridad de las nuevas tecnologías. Además, no debemos olvidar que el uso de baterías de litio en nuestro sector se asemeja a condiciones "invernadero" para las tecnologías Li-Ion: a diferencia de su smartphone en el bolsillo, nadie va a caer, sobrecalentar, descargar a diario o utilizar activamente en modo de respaldo la batería en el centro de datos.
Para obtener más detalles y discutir una solución específica utilizando baterías de iones de litio para su servidor o centro de datos, puede enviar una consulta por correo electrónico , o hacer una consulta en el sitio web de la empresa .
TECNOLOGÍAS ABIERTAS – soluciones integrales confiables de líderes mundiales, adaptadas específicamente a sus objetivos y necesidades.
Autor: Oleg Kulikov
Ingeniero principal de diseño
Departamento de soluciones de integración
Compañía Tecnologías Abiertas
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¿Cuál es su opinión sobre la seguridad y aplicabilidad de las soluciones industriales basadas en tecnologías Li-Ion?
16,2%Es peligroso, se autoinflama, de ninguna manera lo instalaría en mi servidor.
10,3%No me interesa, ya estamos cambiando periódicamente las baterías clásicas y todo está bien.
16,2%Tengo que pensarlo, tal vez sea seguro y prometedor.
23,5%¡Interesante, consideraré las posibilidades!
13,2%¡Estoy interesado! Invertir una vez y no temer que toda la sala de servidores se colapse por la falla de una batería de plomo.
20,6%¡Es interesante! Hay muchos más beneficios que desventajas y riesgos.
68 usuarios votaron. 25 usuarios se abstuvieron.
Fuente: habr.com
