Temps des onduleurs lithium-ion : danger d'incendie ou un pas sûr vers l'avenir ?

Bonjour, amis !

Après la publication de l'article «UPS et batteries : où les installer ? Attends un peu » il y a eu de nombreux commentaires sur le danger des solutions Li-Ion pour les serveurs et les centres de données. Aujourd'hui, nous allons essayer de comprendre les différences entre les solutions industrielles au lithium pour les UPS et la batterie de votre gadget, comment les conditions d'exploitation des batteries en serveur diffèrent, pourquoi la batterie Li-Ion d'un téléphone ne dure pas plus de 2-3 ans, mais dans un centre de données, ce chiffre peut atteindre 10 ans ou plus. Pourquoi les risques d'incendie du lithium dans les centres de données/serveurs sont minimes.

Oui, des accidents avec des batteries UPS peuvent survenir indépendamment du type de stockage d'énergie, mais le mythe de la « dangerosité incendiaire » des solutions industrielles au lithium ne correspond pas à la réalité.

Après tout, beaucoup ont vu cette vidéo d'un téléphone s'enflammer avec une batterie lithium-ion dans une voiture circulant sur l'autoroute ? Alors examinons, décomposons et comparons...

Ici, nous voyons un cas typique d'auto-chauffage incontrôlé, d'emballement thermique de la batterie d'un téléphone, menant à un tel incident. Vous direz : VOICI ! Ce n'est qu'un téléphone, seul un fou installerait cela dans un serveur !

Je suis sûr qu'après avoir étudié ce matériel, le lecteur changera d'avis à ce sujet.

La situation actuelle sur le marché des centres de données

Personne n'ignore que la construction de centres de données est un investissement à long terme. Le coût des seuls équipements d'ingénierie peut représenter 50 % de l'ensemble des coûts d'investissement. L'horizon de rentabilité est d'environ 10 à 15 ans. Il est donc naturel de vouloir réduire le coût total de possession pendant tout le cycle de vie du centre de données, tout en compressant l'équipement d'ingénierie, libérant ainsi au maximum de l'espace pour la charge utile.

La solution optimale est des UPS industriels de nouvelle génération basés sur des batteries Li-Ion, qui ont déjà depuis longtemps surmonté leurs « maladies infantiles » telles que le risque d'incendie, les algorithmes de charge-décharge incorrects, tout en étant dotés de nombreux mécanismes de protection.

Avec l'augmentation des puissances des équipements de calcul et de réseau, la demande en UPS augmente également. En même temps, les exigences concernant le temps de fonctionnement autonome des batteries en cas de problèmes d'alimentation électrique centralisée et/ou de pannes lors du démarrage de la source d'alimentation de secours en cas d'utilisation/présence de groupes électrogènes augmentent.

À notre avis, il y a deux raisons principales ici :

1. La croissance rapide des volumes d'informations traitées et transmises
   Par exemple, le nouvel avion de passagers Boeing
   787 Dreamliner génère plus de 500 gigaoctets d'informations par vol, qui
   doivent être stockées et traitées.
2. Augmentation de la dynamique de consommation d'énergie. Malgré la tendance générale à la baisse de la consommation d'énergie des équipements informatiques, on observe une diminution de la consommation spécifique d'énergie des composants électroniques.

Graphique de la consommation d'énergie d'un seul centre de données en fonctionnement
Cette même tendance est observée dans les prévisions du marché des centres de données dans notre paysSelon le site expert.ru, le nombre total de postes de travail mis en service dépasse 20 000. "Le nombre de postes de travail mis en service par les 20 principaux fournisseurs de services de centres de données a augmenté de 3 % en 2017, atteignant 22 400 (données au 1er octobre 2017)", indique le rapport de CNews Analytics. Selon les estimations des agences de conseil, d'ici 2021, le nombre de postes de travail devrait augmenter à 49 000. Ainsi, en deux ans, la capacité réelle des centres de données pourrait doubler. Qu'est-ce qui explique cela ? Principalement, c'est la croissance du volume d'informations : tant celles qui sont stockées que celles qui sont traitées.

En plus des clouds, les acteurs du marché attribuent la croissance des capacités des centres de données dans les régions : elles représentent le seul segment où le potentiel de développement des affaires demeure. Selon IKS-Consulting, en 2016, les régions ne représentaient que 10 % de tous les ressources proposées sur le marché, tandis que la capitale et la région de Moscou occupaient 73 % du marché, et Saint-Pétersbourg et la région de Léningrad 17 %. Les régions continuent de faire face à une pénurie de ressources de centres de données à haute fiabilité.

D'ici 2025, selon les prévisions, le volume total de données dans le monde augmentera 10 fois par rapport à 2016.

Cependant, dans quelle mesure le lithium est-il sûr pour les onduleurs dans les serveurs ou les centres de données ?

Inconvénient : coût élevé des solutions Li-Ion.

Le prix des batteries lithium-ion reste encore élevé par rapport aux solutions standards. Selon les estimations de l'entreprise SE, les coûts initiaux pour des onduleurs puissants de plus de 100 kVA pour les solutions Li-Ion seront supérieurs de 1,5 fois, mais au final, les économies de possession représenteront 30 à 50 %. En comparant avec le complexe militaro-industriel d'autres pays, voici une nouvelle concernant le lancement de la sous-marine japonaise avec des batteries Li-Ion. On utilise souvent des batteries lithium-fer-phosphate (sur la photo - LFP) en raison de leur coût relativement bas et de leur sécurité accrue.

L'article mentionne que 100 millions de dollars ont été dépensés pour de nouvelles batteries pour le sous-marin, essayons de les convertir dans d'autres valeurs...4,2 mille tonnes - le déplacement sous-marin du sous-marin japonais. Déplacement en surface - 2,95 mille tonnes. En général, les batteries représentent 20 à 25 % du poids du sous-marin. Nous prenons donc environ 740 tonnes - batteries au plomb-acide. Ensuite : le poids du lithium représente environ 1/3 de celui des batteries au plomb-acide -> 246 tonnes de lithium. Avec 70 kWh/kg pour les Li-Ion, nous obtenons environ 17 MWh de puissance de batterie. Et la différence de poids des batteries - environ 495 tonnes… Ici, nous ne prenons pas en compte les batteries argent-zinc, dont une sous-marin a besoin de 14,5 tonnes d'argent, et dont le coût dépasse celui des batteries plomb-acide par 4 fois. Je rappelle que les batteries Li-Ion sont actuellement seulement 1,5 à 2 fois plus chères que les VRLA selon la puissance de la solution.
Et que diront les Japonais ? Ils se sont rappelés trop tard que le « allégement du sous-marin » de 700 tonnes entraîne des changements dans ses qualités nautiques, sa stabilité... Ils ont probablement dû ajouter des armements à bord pour restaurer les valeurs de répartition du poids du projet.

Les batteries lithium-ion pèsent également moins que les batteries au plomb-acide, donc le projet du sous-marin de type Soryu a dû être retravaillé pour maintenir la ballast et la stabilité.

Au Japon, deux types de batteries lithium-ion ont été développés et mis en service : les batteries lithium-nickel-cobalt-aluminium-oxyde (NCA) produites par GS Yuasa et les batteries lithium-titanate (LTO) produites par Toshiba. La marine japonaise va utiliser des batteries du type NCA, tandis que, selon Kobayashi, pour l'Australie, des batteries du type LTO ont été proposées lors d'un récent appel d'offres pour une utilisation sur des sous-marins basés sur le type Soryu.

Sachant l'attention particulière portée à la sécurité dans le pays du Soleil Levant, on peut supposer que les questions de sécurité liées au lithium ont été résolues, testées et certifiées.

Risque : inflammabilité.

Ici, nous allons examiner l'objectif de cette publication, car il existe des opinions diamétralement opposées sur la sécurité de ces solutions de données. Mais cela n'est qu'une introduction, que pouvons-nous dire sur des solutions industrielles concrètes ?

Nous avons déjà abordé les questions de sécurité dans notre article, mais revenons à cette question. Référons-nous à l'illustration qui a traité du niveau de protection du module et de la cellule de la batterie LMO/NMC produite par Samsung SDI et utilisée dans les systèmes UPS de Schneider Electric.

Les processus chimiques ont été traités dans l'article de l'utilisateur LadyN Comment les batteries lithium-ion explosent. Essayons de comprendre les risques possibles dans notre cas spécifique et de les comparer avec la protection multilevel des cellules Samsung SDI, qui sont une partie intégrante de la batterie Li-Ion Type G dans le cadre d'une solution complète basée sur Galaxy VM.

Commençons par un cas général de schéma de risques et de causes d'incendie d'une cellule lithium-ion.

En plus grand ? La photo est cliquable.

Sous spoiler, vous pouvez étudier les questions théoriques sur les risques d'incendie des batteries lithium-ion et la physique des processusLe schéma de risques et de causes d'incendie (Safety Hazard) d'une cellule lithium-ion provenant de l'article scientifique de 2018.

Étant donné que les caractéristiques de chaleur des cellules lithium-ion dépendent de leur composition chimique, nous nous concentrerons ici sur le processus décrit dans l'article concernant la cellule lithium-nickel-cobalt-aluminium (à base de LiNiCoAIO2) ou NCA.
Le développement d'un incident dans une cellule peut être divisé en trois étapes :

1. étape 1 (Onset). Fonctionnement normal de la cellule, lorsque le gradient d'augmentation de la température ne dépasse pas 0,2 °C par minute, et que la température de la cellule ne dépasse pas 130-200 °C en fonction de la composition chimique de la cellule ;
2. étape 2, chauffage (Acceleration). À ce stade, la température augmente, le gradient de croissance de la température augmente rapidement, une libération active de chaleur se produit. En général, ce processus s'accompagne de l'émission de gaz. L'excès d'émission de gaz doit être compensé par l'activation de la soupape de sécurité ;
3. Phase 3, thermal runaway. The battery heats up above 180-200 degrees. At this point, the cathode material undergoes a disproportionation reaction, releasing oxygen. This is the level of thermal runaway, as a mixture of flammable gases and oxygen can occur, leading to self-ignition. However, this process can sometimes be controlled; for instance, when external conditions change, thermal runaway can stop without fatal consequences for the surrounding area. The integrity and functionality of the lithium cell after these events are not considered.

The temperature of thermal runaway depends on the size of the cell, its design, and the material used. The thermal runaway temperature can vary from 130 to 200 degrees Celsius. The duration of thermal runaway can differ and may last for minutes, hours, or even days…

What about LMO/NMC type cells in lithium-ion UPS?

En plus grand ? La photo est cliquable.

To prevent contact between the anode and the electrolyte, a ceramic layer is used in the cell (SFL). The movement of lithium ions is blocked at 130 °C.

In addition to the protective venting valve, a protection system against overcharging (Over Charge Device, OSD) is implemented, working in conjunction with an internal fuse and disconnecting the damaged cell, preventing the thermal runaway process from reaching dangerous values. The internal OSD system will activate earlier, at a pressure of 3.5 kg/cm², which is half the activation pressure of the cell's protective valve.

It is worth mentioning that the cell's fuse will activate at currents exceeding 2500 A within a maximum of 2 seconds. Assuming the temperature gradient reaches 10 °C/min. In 10 seconds, the cell would increase its temperature by about 1.7 degrees while in runaway mode.

A three-layer separator in the cell during the overcharge mode will block the transfer of lithium ions to the anode of the cell. The blocking temperature is 250 °C.

Now let's look at the cell temperature; let's compare at what stages different types of protections at the cell level are triggered.

— OSD system – 3.5±0.1 kg/cm² <= external pressure
Additional protection against overcurrent.

— soupape de sécurité 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= pression externe

— fusible à l'intérieur de la cellule 2 secondes à 2500A (mode de surcharge over current)

Le risque de dégagement thermique de la cellule dépend directement du niveau de charge de la cellule, plus de détails ici…Examinons l'effet du niveau de charge de la cellule dans le contexte des risques de dégagement thermique. Considérons le tableau de correspondance de la température de la cellule par rapport au paramètre SOC (State of Charge, état de charge de la batterie).

Le niveau de charge de la batterie est mesuré en pourcentage et indique quelle partie de la charge totale est encore stockée dans la batterie. Dans ce cas, nous examinons le mode de surcharge de la batterie. On peut conclure qu'en fonction de la composition chimique de la cellule lithium, la batterie peut se comporter différemment en cas de surcharge et avoir une propension variable au dégagement thermique. Cela est dû à la capacité spécifique (Ah/g) différente des types de cellules Li-Ion. Plus la capacité spécifique de la cellule est élevée, plus le dégagement de chaleur lors de la surcharge sera rapide.

De plus, à 100% SOC, un court-circuit externe entraîne souvent un dégagement thermique de la cellule. D'autre part, lorsque la cellule a un niveau de charge de 80% SOC, la température maximale de début du dégagement thermique de la cellule se déplace vers le haut. La cellule devient plus résistante aux modes d'urgence.

Enfin, pour 70% SOC, les courts-circuits externes peuvent ne pas être la cause du dégagement thermique. Cela signifie que le risque d'inflammation de la cellule est considérablement réduit, et le scénario le plus probable est seulement le déclenchement de la soupape de sécurité de la batterie lithium.

De plus, d'après le tableau, on peut conclure que les batteries LFP (courbe violette) ont généralement une pente abrupte d'augmentation de la température, c'est-à-dire que la phase «chauffage» passe progressivement à la phase «dégagement thermique», et la résistance de ce système à la surcharge est légèrement inférieure. Les batteries de type LMO, comme nous le voyons, ont une caractéristique d'augmentation de température plus douce lors de la surcharge.

IMPORTANT : Lorsqu'un système OSD est activé, la cellule est basculée en mode bypass. Ainsi, la tension sur le rack diminue, mais il reste opérationnel et envoie un signal au système de surveillance de l'onduleur via le système BMS du rack lui-même. Dans le cas d'un onduleur classique avec des batteries VRLA, un court-circuit ou une rupture à l'intérieur d'une batterie du groupe peut entraîner une défaillance générale de l'onduleur et une perte de fonctionnalité de l'équipement IT.

En tenant compte de ce qui précède, les risques liés à l'utilisation de solutions lithium dans les onduleurs demeurent pertinents :

1. Surchauffe de la cellule ou du module en raison d'un court-circuit externe – plusieurs niveaux de protection.
2. Surchauffe de la cellule ou du module en raison d'un défaut interne de la batterie – plusieurs niveaux de protection au niveau de la cellule et du module.
3. Surcharge – protection par les moyens BMS plus tous les niveaux de protection du rack, du module et de la cellule.
4. Dommages mécaniques – non pertinents pour notre cas, le risque d'événement est négligeable.
5. Surchauffe du rack et de toutes les batteries (modules, cellules). Non critique jusqu'à 70-90 degrés. Si la température dans la salle de l'onduleur dépasse ces valeurs, cela signifie qu'il y a déjà un incendie dans le bâtiment. Dans des conditions normales de fonctionnement du centre de données, le risque d'événement est négligeable.
6. Diminution de la durée de vie des batteries à des températures ambiantes élevées – un fonctionnement prolongé à des températures allant jusqu'à 40 degrés est autorisé sans diminution significative de la durée de vie des batteries. Les batteries au plomb sont très sensibles à toute élévation de température et réduisent leur durée de vie résiduelle proportionnellement à l'augmentation de la température.

Jetons un œil au schéma des risques d'accidents avec des batteries lithium-ion dans notre cas d'utilisation dans un centre de données, serveur. Simplifions un peu le schéma, car les onduleurs au lithium seront exploités dans des conditions idéales par rapport aux conditions de fonctionnement des batteries dans votre appareil, téléphone.

L'image est cliquable.

CONCLUSION : Les batteries au lithium spécialisées pour les systèmes d'alimentation sans interruption dans les centres de données et les serveurs offrent un niveau de protection suffisant contre les situations imprévues. De plus, une solution complète comporte de nombreux niveaux de protection variés, et plus de cinq ans d'expérience dans l'exploitation de ces solutions témoignent d'un haut niveau de sécurité des nouvelles technologies. Il ne faut pas oublier que l'utilisation des batteries lithium-ion dans notre secteur se déroule dans des conditions que l'on peut qualifier de « contrôlées » pour les technologies Li-Ion : contrairement à votre smartphone dans votre poche, personne ne fera tomber la batterie dans un centre de données, ne l'exposera à une surchauffe, ne la déchargera chaque jour ou ne l'utilisera activement en mode tampon.

Pour obtenir des détails et discuter d'une solution spécifique utilisant des batteries lithium-ion pour votre salle de serveurs ou votre centre de données, vous pouvez envoyer une demande par email à info@ot.ru, ou faire une demande sur le site de l'entreprise www.ot.ru.

TECHNOLOGIES OUVERTES – des solutions globales fiables des leaders mondiaux, adaptées précisément à vos objectifs et besoins.

Auteur : Kulikov Oleg
Ingénieur principal concepteur
Département des solutions d'intégration
Société Technologies Ouvertes

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Votre opinion sur la sécurité et l'applicabilité des solutions industrielles basées sur les technologies Li-Ion ?

• 16,2%C'est dangereux, ça peut s'enflammer, je ne l'installerai pas dans ma salle de serveurs, c'est hors de question.

• 10,3%Cela ne m'intéresse pas, nous changeons régulièrement des batteries classiques, et tout va bien.

• 16,2%Je dois réfléchir, cela pourrait être sûr et prometteur.

• 23,5%C'est intéressant, j'examinerai les possibilités.

• 13,2%Je suis intéressé ! Investir une fois – et ne pas craindre de faire tomber tout le centre de données à cause d'une seule batterie au plomb qui tombe en panne.

• 20,6%C'est intéressant ! Les avantages sont bien plus nombreux que les inconvénients et les risques.

68 utilisateurs ont voté. 25 utilisateurs se sont abstenus.

Source : habr.com