Ola, amigos!
Despois de que o artigo fose publicado Houbo moitos comentarios sobre os perigos das solucións de ións de litio para salas de servidores e centros de datos. Polo tanto, hoxe trataremos de comprender as diferenzas entre as solucións SAI industriais baseadas en litio e as baterías do teu dispositivo, como difiren as condicións de funcionamento da batería nas salas de servidores, por que unha batería de teléfono de ións de litio non dura máis de 2 ou 3 anos, mentres que nun centro de datos esta cifra aumenta a 10 anos ou máis, e por que o risco de incendios de litio en centros de datos/salas de servidores é mínimo.
Si, os fallos nas baterías dos SAI son posibles independentemente do tipo de dispositivo de almacenamento de enerxía, pero o mito do "risco de incendio" das solucións industriais baseadas en litio non é certo.
Despois de todo, moitos viron iso Cunha batería de litio nun coche que circula pola autoestrada? Entón, botemos unha ollada, averigüemos, comparemos...
O que vemos aquí é un caso típico de autoquecemento incontrolado, fuga térmica da batería dun teléfono, que leva a este incidente. Poderías dicir: "VAIA! É só un teléfono; só un tolo poría algo así nunha sala de servidores!".
Estou seguro de que, despois de estudar este material, o lector cambiará o seu punto de vista sobre este tema.
Situación actual no mercado dos centros de datos
Non é ningún segredo que construír un centro de datos é un investimento a longo prazo. O custo dos equipos de servizos públicos por si só pode representar o 50 % do gasto total de capital. O período de recuperación é de aproximadamente 10-15 anos. Naturalmente, existe o desexo de reducir o custo total de propiedade ao longo do ciclo de vida do centro de datos, á vez que se densifican os equipos de servizos públicos para maximizar o espazo dispoñible para as cargas útiles.
A solución óptima é unha nova xeración de SAI industriais baseados en baterías de ións de litio, que xa hai tempo que se libraron dos "problemas iniciais" dos riscos de incendio e os algoritmos incorrectos de carga-descarga, e adquiriron unha serie de mecanismos de protección.
A medida que aumenta a capacidade dos equipos informáticos e de rede, a demanda de sistemas SAI tamén está a medrar. Ao mesmo tempo, as esixencias de tempo de reserva da batería aumentan en caso de problemas coa fonte de alimentación centralizada e/ou fallos ao iniciar a fonte de alimentación de reserva cando se usa/se ten un xerador diésel.
Na nosa opinión, hai dúas razóns principais:
- Rápido crecemento no volume de información procesada e transmitida
Por exemplo, a , que
precisa ser gardado e procesado. - Dinámica crecente do consumo de electricidade. Malia a tendencia xeral de diminución do consumo de enerxía dos equipos informáticos e unha diminución do consumo específico de enerxía dos compoñentes electrónicos.
Gráfico de consumo enerxético dun só centro de datos operativo
A mesma tendencia demóstrase nas previsións para o mercado de centros de datos no noso país.Segundo o sitioO número total de espazos de rack contratados polos 20 maiores provedores de servizos de centros de datos aumentou un 3 % en 2017, chegando aos 22 400 (a 1 de outubro de 2017), segundo un informe de CNews Analytics. As axencias de consultoría prevén que este número de espazos de rack aumentará a 49 000 en 2021. Isto significa que a capacidade real dos centros de datos podería duplicarse en dous anos. Cal é a razón disto? Principalmente, débese ao crecemento do volume de información, tanto almacenada como procesada.
Ademais da computación na nube, os actores tamén ven o desenvolvemento da capacidade dos centros de datos nas rexións como unha área de crecemento: este é o único segmento onde aínda hai espazo para o desenvolvemento empresarial. Segundo IKS-Consulting, en 2016, as rexións representaban só o 10 % de todos os recursos ofrecidos no mercado, mentres que Moscova e a rexión de Moscova representaban o 73 % do mercado, e San Petersburgo e a rexión de Leningrado o 17 %. As rexións seguen experimentando unha escaseza de capacidade de centros de datos cun alto grao de tolerancia a fallos.
Prevese que para 2025 o volume total de datos no mundo se multiplique por dez en comparación con 2016.
Entón, como de seguro é o litio para un SAI de sala de servidores ou centro de datos?
Desvantaxe: alto custo das solucións de ións de litio.
O prezo das baterías de ións de litio segue sendo elevado en comparación coas solucións estándar. Segundo as estimacións de SE, o custo inicial dos sistemas SAI de alta potencia de máis de 100 kVA para as solucións de ións de litio será 1,5 veces maior, pero o aforro final en propiedade será do 30-50 %. Comparando isto co complexo militar-industrial doutros países, aquí tes as novas sobre o lanzamento en Con baterías de ións de litio. As baterías de fosfato de ferro e litio (LFP na foto) úsanse a miúdo nestas solucións debido á súa relativa accesibilidade e á súa maior seguridade.
O artigo menciona que se gastaron 100 millóns de dólares en baterías novas para o submarino. Intentemos converter isto a outros valores...O desprazamento baixo a auga do submarino xaponés é de 4,2 toneladas. O seu desprazamento en superficie é de 2,95 toneladas. As baterías adoitan representar entre o 20 e o 25 % da masa dun submarino. Isto tradúcese en aproximadamente 740 toneladas para as baterías de chumbo-ácido. Ademais, as baterías de litio pesan aproximadamente 1/3 das baterías de chumbo-ácido, o que resulta en 246 toneladas de litio. A 70 kWh/kg para o ión de litio, isto produce aproximadamente 17 MWh de capacidade da batería. A diferenza na masa da batería é de aproximadamente 495 toneladas... Non temos isto en conta aquí. , que requiren 14,5 toneladas de prata por submarino, son catro veces máis caras que as baterías de chumbo-ácido. Como recordatorio, as baterías de ións de litio son actualmente só de 1,5 a 2 veces máis caras que as baterías VRLA, dependendo da potencia nominal.
E que pasa cos xaponeses? Lembraron demasiado tarde que "alixear un barco" en 700 toneladas implica un cambio na súa navegabilidade e estabilidade... Probablemente tiveron que engadir máis armamento para restaurar a distribución de pesos de deseño do barco.
As baterías de ións de litio tamén pesan menos que as baterías de chumbo-ácido, polo que o deseño do submarino da clase Soryu tivo que ser lixeiramente redeseñado para manter o lastre e a estabilidade.
O Xapón desenvolveu e probou no campo dous tipos de baterías de ións de litio: as baterías de litio-níquel-cobalto-óxido de aluminio (NCA) fabricadas por GS Yuasa e as baterías de titanato de litio (LTO) fabricadas por Toshiba. A Armada xaponesa empregará baterías NCA, mentres que, segundo Kobayashi, Australia presentou recentemente baterías LTO para o seu uso nos submarinos da clase Soryu.
Coñecendo a actitude reverente cara á seguridade na Terra do Sol Nacente, pódese supoñer que os problemas de seguridade do litio foron resoltos, probados e certificados.
Risco: Perigo de incendio.
Aquí é onde abordaremos o propósito desta publicación, xa que as opinións sobre a seguridade destas solucións son diametralmente opostas. Pero todo iso é só retórica; que pasa coas solucións industriais específicas?
Xa falamos de cuestións de seguridade na nosa , pero volvamos a centrarnos neste asunto. Vexamos a figura, que examinou o nivel de protección do módulo e da cela da batería LMO/NMC fabricada por Samsung SDI e utilizada no SAI de Schneider Electric.
Os procesos químicos foron tratados no artigo do usuario Exploremos os riscos potenciais no noso caso específico e comparémolos coa protección multinivel que ofrecen as celas SDI de Samsung, que forman parte do rack completo de ións de litio tipo G dentro dunha solución integral baseada en Galaxy VM.
Comecemos cun diagrama de fluxo xeral dos riscos e as causas dos incendios nas celas de ións de litio.
Baixo o spoiler podes estudar as cuestións teóricas dos riscos da combustión das baterías de ións de litio e a física dos procesosDiagrama de bloques inicial dos riscos e causas de incendio (Safety Risk) dunha cela de ións de litio de 2018 anos.
Dado que existen diferenzas nas características de fuga térmica dunha cela dependendo da estrutura química dunha cela de ións de litio, centrarémonos aquí no proceso descrito no artigo nunha cela de litio-níquel-cobalto-aluminio (baseada en LiNiCoAIO2) ou NCA.
O proceso de desenvolvemento de accidentes nunha célula pódese dividir en tres etapas:
- Fase 1 (Inicio). Funcionamento normal da célula cando o gradiente de aumento da temperatura non supera os 0,2 graos Celsius por minuto e a propia temperatura da célula non supera os 130-200 graos Celsius, dependendo da estrutura química da célula;
- Fase 2, quecemento (aceleración). Durante esta fase, a temperatura aumenta, o gradiente de temperatura aumenta rapidamente e libérase enerxía térmica activa. Este proceso xeralmente vai acompañado de desprendemento de gas. O exceso de desprendemento de gas debe compensarse mediante a activación dunha válvula de seguridade;
- Fase 3, fuga térmica. A batería quéntase por riba dos 180-200 °C. Durante esta fase, o material do cátodo sofre unha reacción de desproporción e libera osíxeno. Esta é a fase de fuga térmica, xa que pode crear unha mestura de gases inflamables e osíxeno, provocando a combustión espontánea. Non obstante, este proceso ás veces pódese controlar; noutras palabras, cando os factores externos cambian, a fuga térmica ás veces detense sen causar consecuencias fatais para o medio ambiente circundante. A saúde e o rendemento da propia cela de litio non se teñen en conta despois destes eventos.
A temperatura de fuga térmica depende do tamaño da cela, do seu deseño e do material. As temperaturas de fuga térmica poden oscilar entre os 130 e os 200 graos Celsius. Os tempos de fuga térmica poden variar e poden ir desde minutos, horas ou incluso días.
Que pasa coas celas LMO/NMC nos SAI de ións de litio?
– Para evitar que o ánodo entre en contacto co electrolito, utilízase unha capa cerámica (SFL) dentro da cela. A migración de ións de litio bloquéase a 130 °C.
Ademais da válvula de ventilación protectora, utilízase un sistema de protección contra sobrecargas (OSD). Funciona en conxunto cun fusible interno para apagar unha cela danada, evitando que a fuga térmica alcance niveis perigosos. Ademais, o sistema OSD interno activarase antes, a unha presión de 3,5 kgf/cm², ou a metade da presión de activación da válvula protectora da cela.
Por certo, o fusible da cela saltará a correntes superiores a 2500 A en non máis de 2 segundos. Supoñamos que o gradiente de temperatura alcanza os 10 °C/min. En 10 segundos, a cela terá tempo de aumentar a súa temperatura uns 1,7 °C mentres está en modo de sobremarcha.
– Un separador de tres capas na cela durante o modo de sobrecarga bloqueará a transferencia de ións de litio ao ánodo da cela. A temperatura de bloqueo é de 250 °C.
Agora vexamos a temperatura celular e comparemos as etapas nas que se activan os diferentes tipos de protección a nivel celular.
— Sistema OSD: 3,5 +/-0,1 kgf/cm2 <= presión externa
Protección adicional contra sobrecorrentes.
— válvula de seguridade 7,0 +/-1,0 kgf/cm2 <= presión externa
— fusible dentro da cela 2 segundos a 2500 A (modo de sobrecorrente)
O risco de fuga térmica está directamente relacionado co estado de carga da cela. Máis detalles aquí...Consideremos o efecto do nivel de carga da cela no contexto do risco de fuga térmica. Vexamos unha táboa de temperatura da cela fronte aos parámetros SOC (estado de carga).
O estado de carga dunha batería mídese como unha porcentaxe e indica canta da súa carga completa permanece almacenada na batería. Neste caso, estamos a considerar condicións de sobrecarga da batería. Pódese concluír que, dependendo da composición química da cela de litio, unha batería pode comportarse de forma diferente durante a sobrecarga e ter diferente susceptibilidade á fuga térmica. Isto débese á diferente capacidade específica (Ah/gramo) dos diferentes tipos de celas de ións de litio. Canto maior sexa a capacidade específica da cela, máis rápida será a xeración de calor durante a sobrecarga.
Ademais, cun 100 % de SOC, un curtocircuíto externo adoita provocar unha fuga térmica da célula. Por outra banda, cando a célula ten un nivel de carga do 80 % de SOC, a temperatura máxima á que comeza a fuga térmica aumenta. A célula vólvese máis resistente ás condicións de emerxencia.
Finalmente, para o 70 % dos SOC, os curtocircuítos externos poden non causar ningún tipo de fuga térmica. Isto significa que o risco de incendio nas celas se reduce significativamente e o escenario máis probable é a activación da válvula de seguridade da batería de litio.
Ademais, a táboa mostra que as baterías LFP (curva morada) adoitan ter un aumento pronunciado da temperatura, o que significa que a fase de "quecemento" pasa gradualmente á fase de "fuga térmica", e a resistencia deste sistema á sobrecarga é algo menor. As baterías LMO, como podemos ver, teñen un aumento de temperatura máis suave durante a sobrecarga.
IMPORTANTE: Cando se activa o sistema OSD, a cela restablécese ao modo bypass. Isto reduce a tensión do rack, pero segue operativo e envía un sinal ao sistema de monitorización do SAI a través do BMS do rack. Nun sistema SAI tradicional con baterías VRLA, un curtocircuíto ou un circuíto aberto dentro dunha soa batería dunha cadea pode provocar un fallo de todo o SAI e a perda de funcionalidade do equipo informático.
En base ao anterior, os seguintes riscos seguen sendo relevantes no caso do uso de solucións de litio en SAI:
- Fuga térmica dunha cela ou módulo como resultado dun curtocircuíto externo: varios niveis de protección.
- Fuga térmica dunha cela ou módulo debido a un fallo interno da batería: varios niveis de protección a nivel de cela ou módulo.
- Recarga: protección por medios BMS máis todos os niveis de protección do rack, módulo e cela.
- Os danos mecánicos non son relevantes para o noso caso, o risco dun evento é insignificante.
- Sobrequecemento do rack e de todas as baterías (módulos, celas). As temperaturas de ata 70-90 graos Celsius non son críticas. Se a temperatura na sala do SAI supera estes valores, significa que se produciu un incendio no edificio. En condicións normais de funcionamento do centro de datos, o risco de que isto ocorra é insignificante.
- Duración reducida da batería a temperaturas ambiente elevadas: o funcionamento prolongado a temperaturas de ata 40 graos Celsius é admisible sen unha redución notable da duración da batería. As baterías de chumbo-ácido son moi sensibles a calquera aumento da temperatura e reducen a súa vida útil restante proporcionalmente ao aumento da temperatura.
Vexamos un diagrama de fluxo dos riscos de fallo das baterías de ións de litio no noso escenario de centro de datos/sala de servidores. Simplificaremos lixeiramente o diagrama, xa que os sistemas SAI de ións de litio funcionarán en condicións ideais, en comparación coas condicións de funcionamento das baterías do teu dispositivo ou teléfono.
CONCLUSIÓN: As baterías de litio especializadas para sistemas SAI de centros de datos e salas de servidores ofrecen unha protección suficiente contra situacións de emerxencia. Os múltiples niveis de protección da solución integral e os máis de cinco anos de experiencia operativa demostran o alto nivel de seguridade destas novas tecnoloxías. Ademais, é importante lembrar que o funcionamento de baterías de litio no noso sector é un ambiente de "invernadoiro" para a tecnoloxía de ións de litio: a diferenza do teu teléfono intelixente no peto, unha batería nun centro de datos non se deixará caer, non se sobrequentará, non se descargará diariamente nin se utilizará activamente en modo flotante.
Podes atopar máis detalles e discutir unha solución específica usando baterías de iones de litio para a túa sala de servidores ou centro de datos enviando unha solicitude por correo electrónico , ou facendo unha solicitude na páxina web da empresa .
TECNOLOXÍAS ABERTAS – solucións integrais fiables de líderes mundiais, adaptadas especificamente aos seus obxectivos e metas.
autor: Kulikov Oleg
Enxeñeiro de deseño líder
Departamento de Solucións de Integración
Empresa de tecnoloxías abertas
Só os usuarios rexistrados poden participar na enquisa. , por favor.
Cal é a súa opinión sobre a seguridade e a aplicabilidade das solucións industriais que empregan a tecnoloxía de ións de litio?
16,2%É perigoso, acéndese espontaneamente, eu nunca o poría na miña sala de servidores baixo ningunha circunstancia.11
10,3%Isto non me interesa, de todos os xeitos cambiamos as baterías clásicas periodicamente e todo está ben.7
16,2%Temos que pensalo, quizais sexa seguro e prometedor.11
23,5%Interesante, considerarei as posibilidades.16
13,2%Interesado/a! Inviste unha vez e non te preocupes por avariar todo o teu centro de datos por mor dun único fallo nunha batería de chumbo-ácido.
20,6%Interesante! As vantaxes superan con creces as desvantaxes e os riscos.14
Votaron 68 usuarios. 25 usuarios abstivéronse.
Fonte: www.habr.com
