L’heure est aux onduleurs lithium-ion : risque d’incendie ou pas vers l’avenir en toute sécurité ?

Bonjour mes amis!

Après la publication de l'article « UPS et batterie : où le placer ? Attends" De nombreux commentaires ont été formulés sur les dangers des solutions Li-Ion pour les serveurs et les centres de données. Par conséquent, nous allons essayer aujourd'hui de comprendre quelles sont les différences entre les solutions industrielles au lithium pour un UPS et la batterie de votre gadget, en quoi diffèrent les conditions de fonctionnement des batteries dans une salle de serveurs, pourquoi dans un téléphone Li-Ion la batterie ne dure pas plus de 2-3 ans, et dans un centre de données, ce chiffre passera à 10 ans ou plus. Pourquoi les risques d'incendie au lithium dans un centre de données/salle de serveurs sont minimes.

Oui, des accidents avec les batteries UPS sont possibles quel que soit le type de dispositif de stockage d'énergie, mais le mythe du « risque d'incendie » des solutions industrielles au lithium n'est pas vrai.

Après tout, beaucoup l’ont vu vidéo d'un téléphone qui prend feu avec une batterie au lithium dans une voiture circulant sur autoroute ? Alors voyons, comprenons, comparons...

Nous voyons ici un cas typique d'auto-échauffement incontrôlé, d'emballement thermique de la batterie du téléphone, qui a conduit à un tel incident. Vous direz : ICI ! C'est juste un téléphone, seul un fou mettrait quelque chose comme ça dans la salle des serveurs !

Je suis sûr qu'après avoir étudié ce document, le lecteur changera de point de vue sur cette question.

Situation actuelle du marché des centres de données

Ce n’est un secret pour personne : construire un data center est un investissement à long terme. Le prix du matériel d’ingénierie à lui seul peut représenter 50 % du coût de tous les coûts d’investissement. L'horizon de récupération est d'environ 10 à 15 ans. Naturellement, il existe une volonté de réduire le coût total de possession tout au long du cycle de vie du centre de données, tout en compactant les équipements d'ingénierie, libérant ainsi autant d'espace que possible pour la charge utile.

La solution optimale est une nouvelle itération d'onduleurs industriels basés sur des batteries Li-Ion, qui se sont depuis longtemps débarrassées des « maladies infantiles » sous forme de risques d'incendie, d'algorithmes de charge-décharge incorrects et ont acquis de nombreux mécanismes de protection.

Avec l'augmentation de la capacité des équipements informatiques et réseau, la demande d'onduleurs augmente. Dans le même temps, les exigences en matière de durée de vie de la batterie augmentent en cas de problèmes d'alimentation électrique centralisée et/ou de pannes lors du démarrage d'une source d'alimentation de secours dans le cas de l'utilisation/disponibilité d'un groupe électrogène diesel.

Selon nous, il y a deux raisons principales :

1. Croissance rapide du volume d’informations traitées et transmises
   Par exemple, Le nouvel avion de ligne de Boeing
   Le 787 Dreamliner génère plus de 500 gigaoctets d'informations en un seul vol, qui
   doit être sauvegardé et traité.
2. Croissance de la dynamique de la consommation d'énergie électrique. Malgré la tendance générale à la réduction de la consommation énergétique des équipements informatiques, la réduction de la consommation énergétique spécifique des composants électroniques.

Graphique de consommation d'énergie d'un seul centre de données en activité
La même tendance est démontrée par les prévisions du marché des centres de données dans notre pays.Selon le site expert.ru, le nombre total d'espaces rack mis en service est supérieur à 20 20. « Le nombre d'espaces rack mis en service par les 2017 plus grands fournisseurs de services de centres de données en 3 a augmenté de 22,4 % et a atteint 1 2017 (données au 2021er octobre 49). XNUMX) », – indique le rapport de CNews Analytics. Selon les agences de conseil, d'ici XNUMX, le nombre d'espaces de rack devrait atteindre XNUMX XNUMX. Autrement dit, en deux ans, la capacité réelle du centre de données peut doubler. A quoi est-ce lié ? Tout d’abord, avec l’augmentation du volume d’informations : tant stockées que traitées.

Au-delà des cloud, les acteurs considèrent le développement des capacités des datacenters dans les régions comme des relais de croissance : ils sont le seul segment où il existe une réserve de développement commercial. Selon IKS-Consulting, en 2016, les régions ne représentaient que 10 % de toutes 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 %. Dans les régions, il y a toujours une pénurie de ressources pour les centres de données avec un degré élevé de tolérance aux pannes.

D’ici 2025, la quantité totale de données dans le monde devrait être multipliée par 10 par rapport à 2016.

Pourtant, dans quelle mesure le lithium est-il sûr pour un onduleur de serveur ou de centre de données ?

Inconvénient : coût élevé des solutions Li-Ion.

Le prix des batteries lithium-ion reste élevé par rapport aux solutions standards. Selon les estimations de SE, les coûts initiaux des onduleurs haute puissance de plus de 100 kVA pour les solutions Li-Ion seront 1,5 fois plus élevés, mais en fin de compte, les économies sur la propriété seront de 30 à 50 %. Si nous faisons des comparaisons avec le complexe militaro-industriel d'autres pays, voici les nouvelles du lancement en exploitation d'un sous-marin japonais avec des batteries Li-Ion. Très souvent, les batteries au lithium fer phosphate (LFP sur la photo) sont utilisées dans de telles solutions en raison de leur relativement bon marché et de leur plus grande sécurité.

L'article mentionne que 100 millions de dollars ont été dépensés pour de nouvelles batteries pour le sous-marin, essayons de le convertir en d'autres valeurs...4,2 mille tonnes, c'est le déplacement sous-marin d'un sous-marin japonais. Déplacement de surface - 2,95 mille tonnes. En règle générale, 20 à 25 % du poids du bateau est constitué de batteries. De là, nous prenons environ 740 tonnes de batteries au plomb. De plus : la masse du lithium est d'environ 1/3 de celle des batteries au plomb -> 246 tonnes de lithium. À 70 kWh/kg pour le Li-Ion, nous obtenons environ 17 MWh de puissance de batterie. Et la différence de masse des batteries est d'environ 495 tonnes... Ici on ne prend pas en compte piles argent-zinc, qui nécessitent 14,5 tonnes d’argent par sous-marin et coûtent 4 fois plus cher que les batteries au plomb. Permettez-moi de vous rappeler que les batteries Li-Ion ne sont désormais que 1,5 à 2 fois plus chères que les VRLA, selon la puissance de la solution.
Et les Japonais ? Ils se sont rendu compte trop tard qu'« alléger le bateau » de 700 tonnes entraînait une modification de sa navigabilité et de sa stabilité... Ils ont probablement dû ajouter des armes à bord afin de rétablir la répartition des poids prévue du bateau.

Les batteries au lithium-ion pèsent également moins que les batteries au plomb, de sorte que la conception du sous-marin de classe Soryu a dû être quelque peu repensée pour maintenir le ballast et la stabilité.

Au Japon, deux types de batteries lithium-ion ont été créées et mises en état de fonctionnement : le lithium-nickel-cobalt-oxyde d'aluminium (NCA) produit par GS Yuasa et le titanate de lithium (LTO) produit par Toshiba Corporation. La marine japonaise utilisera des batteries NCA, tandis que l'Australie s'est vu proposer des batteries LTO pour une utilisation sur des sous-marins de classe Soryu lors d'un récent appel d'offres, selon Kobayashi.

Connaissant l'attitude respectueuse envers la sécurité au Pays du Soleil Levant, nous pouvons supposer que les problèmes de sécurité du lithium ont été résolus, testés et certifiés.

Risque : risque d'incendie.

C’est ici que nous découvrirons le but de la publication, car il existe des avis diamétralement opposés sur la sécurité de ces solutions. Tout cela n’est que rhétorique, mais qu’en est-il des solutions industrielles spécifiques ?

Nous avons déjà évoqué les questions de sécurité dans notre article, mais revenons sur cette question. Passons à la figure qui examine le niveau de protection du module et de la cellule LMO/NMC de la batterie fabriquée par Samsung SDI et utilisée dans le cadre de l'onduleur Schneider Electric.

Les processus chimiques ont été abordés dans l'article de l'utilisateur DameN Comment les batteries lithium-ion explosent-elles ?. Essayons de comprendre les risques possibles dans notre cas particulier et comparons-les avec la protection à plusieurs niveaux des cellules Samsung SDI, qui font partie intégrante d'un rack Li-Ion de type G prêt à l'emploi dans le cadre d'une solution globale basée sur Galaxy VM. .

Commençons par un organigramme général des risques et des causes d'incendie dans une cellule lithium-ion.

Que diriez-vous d'un plus gros ? La photo est cliquable.

Sous le spoiler, vous pourrez étudier les questions théoriques des risques d'incendie des batteries lithium-ion et la physique des processusSchéma fonctionnel initial des risques et causes d'incendie (Safety Hazard) d'une cellule lithium-ion de article scientifique 2018 année.

Étant donné qu'en fonction de la structure chimique de la cellule lithium-ion, il existe des différences dans les caractéristiques d'emballement thermique de la cellule, nous nous concentrerons ici sur le processus décrit dans l'article dans une cellule lithium-nickel-cobalt-aluminium (basée sur LiNiCoAIO2) ou NCA.
Le processus de développement d’un accident dans une cellule peut être divisé en trois étapes :

1. stade 1 (Début). Fonctionnement normal de la cellule lorsque le gradient d'augmentation de la température ne dépasse pas 0,2 degrés Celsius par minute et que la température de la cellule elle-même ne dépasse pas 130-200 degrés Celsius, en fonction de la structure chimique de la cellule ;
2. étape 2, échauffement (Accélération). À ce stade, la température augmente, le gradient de température augmente rapidement et l’énergie thermique est activement libérée. En général, ce processus s'accompagne d'un dégagement de gaz. Un dégagement gazeux excessif doit être compensé par le fonctionnement de la soupape de sécurité ;
3. étape 3, emballement thermique (Runaway). Chauffage de la batterie à plus de 180-200 degrés. Dans ce cas, le matériau cathodique entre dans une réaction de dismutation et libère de l'oxygène. Il s'agit du niveau d'emballement thermique, puisque dans ce cas un mélange de gaz inflammables avec de l'oxygène peut se produire, ce qui provoquera une combustion spontanée. Cependant, ce processus peut dans certains cas être contrôlé, lisez - lorsque le régime des facteurs externes change, l'emballement thermique s'arrête dans certains cas sans conséquences fatales pour l'espace environnant. L'état de fonctionnement et les performances de la pile au lithium elle-même après ces événements ne sont pas pris en compte.

La température d'emballement thermique dépend de la taille des cellules, de leur conception et du matériau. La température d'emballement thermique peut varier de 130 à 200 degrés Celsius. Le temps d'emballement thermique peut varier et aller de quelques minutes, heures ou même jours...

Qu’en est-il des cellules de type LMO/NMC dans les onduleurs lithium-ion ?

Que diriez-vous d'un plus gros ? La photo est cliquable.

– Pour éviter tout contact de l'anode avec l'électrolyte, une couche de céramique est utilisée dans la cellule (SFL). Le mouvement des ions lithium est bloqué à 130 degrés Celsius.

– En plus de la soupape de ventilation de protection, un système de protection contre les surcharges (OSD) est utilisé, qui fonctionne en conjonction avec un fusible interne et éteint la cellule endommagée, empêchant ainsi le processus d'emballement thermique d'atteindre des niveaux dangereux. De plus, le système OSD interne se déclenchera plus tôt, lorsque la pression atteindra 3,5 kgf/cm2, soit moitié moins que la pression de réponse de la soupape de sécurité de la cellule.

À propos, le fusible de la cellule fonctionnera à des courants supérieurs à 2500 2 A en 10 secondes maximum. Supposons que le gradient de température atteigne une valeur de 10 degrés C/min. En 1,7 secondes, la cellule aura le temps d'ajouter environ XNUMX degrés à sa température en mode overclocking.

– Un séparateur à trois couches dans la cellule en mode recharge bloquera la transition des ions lithium vers l’anode de la cellule. La température de blocage est de 250 degrés Celsius.

Voyons maintenant ce que nous avons avec la température de la cellule ; Comparons à quelles étapes les différents types de protections se déclenchent au niveau cellulaire.

— Système OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= pression externe
Protection supplémentaire contre les surintensités.

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

- fusible à l'intérieur de la cellule 2 secondes à 2500A (mode surintensité)

Le risque d'emballement thermique d'une cellule dépend directement du degré/niveau de charge de la cellule, plus de détails ici...Considérons l'effet du niveau de charge des cellules dans le contexte des risques d'emballement thermique. Considérons le tableau de correspondance entre la température de la cellule et le paramètre SOC (State of Charge, degré de charge de la batterie).

Le niveau de charge de la batterie est mesuré en pourcentage et indique la quantité de charge totale restant encore stockée dans la batterie. Dans ce cas, nous envisageons le mode de recharge de la batterie. On peut en conclure qu'en fonction de la chimie de la pile au lithium, la batterie peut se comporter différemment en cas de surcharge et avoir une sensibilité différente à l'emballement thermique. Cela est dû à la capacité spécifique différente (A*h/gramme) des différents types de cellules Li-Ion. Plus la capacité spécifique de la cellule est grande, plus le dégagement de chaleur lors de la recharge est rapide.

De plus, à 100 % de SOC, un court-circuit externe provoque souvent un emballement thermique de la cellule. D’un autre côté, lorsque la cellule est à 80 % de SOC, la température maximale d’emballement thermique de la cellule augmente. La cellule devient plus résistante aux conditions d'urgence.

Enfin, pour 70 % de SOC, les courts-circuits externes peuvent ne pas provoquer d'emballement thermique du tout. Autrement dit, le risque d'inflammation des cellules est considérablement réduit et le scénario le plus probable est uniquement le fonctionnement de la soupape de sécurité de la batterie au lithium.

De plus, à partir du tableau, nous pouvons conclure que la LFP (courbe violette) d'une batterie présente généralement une forte augmentation de température, c'est-à-dire que l'étape de « préchauffage » passe en douceur à l'étape « d'emballement thermique » et que la stabilité de ce système de surcharge est un peu pire. Les batteries LMO, comme nous le voyons, ont une caractéristique de chauffage plus douce lors de la recharge.

IMPORTANT: Lorsque le système OSD est déclenché, la cellule est réinitialisée en mode bypass. Ainsi, la tension sur le rack est réduite, mais il reste en fonctionnement et fournit un signal au système de surveillance UPS via le système BMS du rack lui-même. Dans le cas d'un système UPS classique avec batteries VRLA, un court-circuit ou une rupture au sein d'une batterie d'une chaîne peut entraîner une panne de l'UPS dans son ensemble et une perte de fonctionnalité de l'équipement informatique.

Sur la base de ce qui précède, dans le cas de l'utilisation de solutions de lithium dans les UPS, les risques suivants restent pertinents :

1. Emballement thermique d'une cellule ou d'un module suite à un court-circuit externe - plusieurs niveaux de protection.
2. Emballement thermique d'une cellule ou d'un module suite à un dysfonctionnement interne de la batterie - plusieurs niveaux de protection au niveau de la cellule ou du module.
3. Surcharge – protection par BMS plus tous niveaux de protection pour un rack, un module, une cellule.
4. Les dommages mécaniques ne sont pas pertinents dans 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 d'installation de l'onduleur dépasse ces valeurs, cela signifie qu'il y a un incendie dans le bâtiment. Dans des conditions normales d’exploitation d’un centre de données, le risque d’un événement est négligeable.
6. Durée de vie réduite de la batterie à des températures ambiantes élevées - un fonctionnement à long terme à des températures allant jusqu'à 40 degrés est autorisé sans diminution notable de la durée de vie de la batterie. Les batteries au plomb sont très sensibles à toute augmentation de température et réduisent leur durée de vie restante proportionnellement à l'augmentation de température.

Jetons un coup d'œil à un organigramme du risque d'accident lié aux batteries lithium-ion dans notre centre de données, cas d'utilisation de la salle des serveurs. Simplifions un peu le schéma, car les UPS au lithium fonctionneront dans des conditions idéales, si l'on compare les conditions de fonctionnement des batteries de votre gadget, téléphone.

La photo est cliquable.

CONCLUSION: Les batteries au lithium spécialisées pour les onduleurs de centres de données et de salles de serveurs ont un niveau de protection suffisant contre les situations d'urgence, et dans une solution globale, un grand nombre de degrés de protection divers et plus de cinq ans d'expérience dans l'exploitation de ces solutions nous permettent de parler de un haut niveau de sécurité des nouvelles technologies. Entre autres choses, il ne faut pas oublier que le fonctionnement des batteries au lithium dans notre secteur ressemble à des conditions « de serre » pour les technologies Li-Ion : contrairement à votre smartphone dans votre poche, personne ne laissera tomber la batterie dans le data center, ne surchauffera, ne se déchargera. chaque jour, utilisez activement en mode tampon.

Vous pouvez en savoir plus et discuter d'une solution spécifique utilisant des batteries lithium-ion pour votre salle de serveurs ou votre centre de données en envoyant une demande par e-mail. [email protected], ou en faisant une demande sur le site Internet de l’entreprise www.ot.ru.

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Auteur: Koulikov Oleg
Ingénieur de conception principal
Département Solutions d'Intégration
Entreprise de technologies ouvertes

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Quelle est votre opinion sur la sécurité et l’applicabilité des solutions industrielles basées sur les technologies Li-Ion ?

• 16,2%Dangereux, auto-inflammable, je ne le mettrais en aucun cas dans ma salle serveur.11

• 10,3%Cela ne m'intéresse pas, alors nous changeons périodiquement les piles classiques, et tout va bien.7

• 16,2%Nous devons nous demander si cela pourrait être sûr et prometteur.11

• 23,5%Intéressant, je vais étudier les possibilités.16

• 13,2%Intéressé! Investissez une seule fois et n'ayez pas peur de submerger l'ensemble du centre de données en raison de la panne d'une batterie au plomb.9

• 20,6%Intéressant! Les avantages dépassent de loin les inconvénients et les risques.14

68 utilisateurs ont voté. 25 utilisateurs se sont abstenus.

Source: habr.com