Ola, amigos!
Despois da publicación do artigo Houbo moitos comentarios sobre os perigos das solucións Li-Ion para servidores e centros de datos. Polo tanto, hoxe intentaremos descubrir cales son as diferenzas entre as solucións industriais de litio para un UPS e a batería do teu gadget, como difieren as condicións de funcionamento das baterías nunha sala de servidores, por que nun teléfono Li-Ion a batería non dura máis de 2-3 anos, e nun centro de datos esta cifra aumentará a 10 ou máis anos. Por que os riscos de incendio de litio nun centro de datos/sala de servidores son mínimos.
Si, os accidentes con baterías de UPS son posibles independentemente do tipo de dispositivo de almacenamento de enerxía, pero o mito do "perigo de incendio" das solucións industriais de litio non é certo.
Despois de todo, moitos viron iso cunha batería de litio nun coche que circula pola estrada? Entón, imos ver, descubrir, comparar...
Aquí vemos un caso típico de autoquecemento incontrolado, fuga térmica da batería do teléfono, que provocou tal incidente. Dirás: AQUÍ! É só un teléfono, só un tolo poñería algo así na sala de servidores!
Estou seguro de que despois de estudar este material, o lector cambiará de punto de vista sobre esta cuestión.
Situación actual no mercado de centros de datos
Non é ningún segredo que construír un centro de datos é un investimento a longo prazo. Só o prezo dos equipos de enxeñería pode ser o 50% do custo de todos os custos de capital. O horizonte de recuperación é de aproximadamente 10-15 anos. Por suposto, existe o desexo de reducir o custo total de propiedade ao longo de todo o ciclo de vida do centro de datos e, ao mesmo tempo, tamén compactar os equipos de enxeñería, liberando o máximo de espazo posible para a carga útil.
A solución óptima é unha nova iteración de SAI industriais baseados en baterías de ións de litio, que durante moito tempo se libraron de "enfermidades infantís" en forma de risco de incendio, algoritmos de carga-descarga incorrectos e adquiriron unha gran cantidade de mecanismos de protección.
Co aumento da capacidade dos equipos informáticos e de rede, a demanda de UPS está crecendo. Ao mesmo tempo, os requisitos de duración da batería aumentan en caso de problemas coa subministración centralizada de enerxía e/ou avarías ao iniciar unha fonte de enerxía de reserva no caso de utilizar/dispoñibilidade dun grupo electróxeno diésel.
Na nosa opinión, hai dúas razóns principais:
- Rápido crecemento do volume de información procesada e transmitida
Por exemplo, a cal
debe ser gardado e procesado. - Crecemento da dinámica do consumo de enerxía eléctrica. A pesar da tendencia xeral de reducir o consumo de enerxía dos equipos informáticos, reducindo o consumo específico de enerxía dos compoñentes electrónicos.
Gráfico de consumo de enerxía dun só centro de datos operativo
A mesma tendencia é demostrada polas previsións do mercado dos centros de datos no noso país.Segundo o sitio, o número total de espazos de rack postos en funcionamento é de máis de 20 mil. "O número de espazos de rack postos en funcionamento polos 20 maiores provedores de servizos de centros de datos en 2017 aumentou un 3% e alcanzou os 22,4 mil (datos do 1 de outubro de 2017). 2021)," - di o informe CNews Analytics. Segundo as axencias de consultoría, espérase que para 49 o número de espazos en rack aumente a XNUMX mil. É dicir, en dous anos a capacidade real do centro de datos pode duplicarse. Con que se relaciona isto? En primeiro lugar, co aumento do volume de información: tanto almacenada como procesada.
Ademais das nubes, os xogadores consideran que o desenvolvemento das capacidades dos centros de datos nas rexións son puntos de crecemento: son o único segmento onde hai unha reserva para o desenvolvemento empresarial. Segundo IKS-Consulting, en 2016, as rexións representaron só o 10% de todos os recursos ofrecidos no mercado, mentres que a capital e a rexión de Moscova ocuparon o 73% do mercado, e San Petersburgo e a rexión de Leningrado - 17%. Nas rexións, segue habendo unha escaseza de recursos do centro de datos cun alto grao de tolerancia a fallos.
Para 2025, prevese que a cantidade total de datos no mundo aumente 10 veces en comparación con 2016.
Aínda así, ¿qué tan seguro é o litio para un servidor ou centro de datos UPS?
Desvantaxe: alto custo das solucións Li-Ion.
O prezo das baterías de ión-litio aínda é alto en comparación coas solucións estándar. Segundo estimacións de SE, os custos iniciais dos SAI de alta potencia de máis de 100 kVA para solucións de ións de litio serán 1,5 veces superiores, pero finalmente o aforro na propiedade será do 30-50%. Se facemos comparacións co complexo militar-industrial doutros países, aquí tedes a noticia sobre o lanzamento en con baterías de iones de litio. Moitas veces, as baterías de fosfato de ferro de litio (LFP na foto) utilízanse en tales solucións debido á súa relativa barata e maior seguridade.
O artigo menciona que se gastaron 100 millóns de dólares en novas baterías para o submarino, intentemos convertelo noutros valores...4,2 mil toneladas é o desprazamento submarino dun submarino xaponés. Desprazamento de superficie - 2,95 mil toneladas. Como regra xeral, o 20-25% do peso do barco está formado por baterías. De aquí levamos aproximadamente 740 toneladas - baterías de chumbo-ácido. Ademais: a masa de litio é aproximadamente 1/3 da das baterías de chumbo-ácido -> 246 toneladas de litio. A 70 kWh/kg para Li-Ion obtemos aproximadamente 17 MWh de potencia da batería. E a diferenza de masa das baterías é de aproximadamente 495 toneladas... Aquí non temos en conta , que requiren 14,5 toneladas de prata por submarino, e custan 4 veces máis que as baterías de chumbo-ácido. Permíteme recordarche que as baterías de ión-litio son agora só 1,5-2 veces máis caras que VRLA, dependendo da potencia da solución.
E os xaponeses? Lembraron demasiado tarde que "aclarar o barco" en 700 toneladas supón un cambio na súa navegabilidade e estabilidade... Probablemente tivesen que engadir armamento a bordo para devolver a distribución de peso de deseño do barco.
As baterías de ión-litio tamén pesan menos que as baterías de chumbo-ácido, polo que o deseño do submarino da clase Soryu tivo que ser redeseñado un pouco para manter o lastre e a estabilidade.
En Xapón, creáronse dous tipos de baterías de ión-litio e puxéronse en condicións de funcionamento: litio-níquel-cobalto-óxido de aluminio (NCA) producida por GS Yuasa e titanato de litio (LTO) producido por Toshiba Corporation. A armada xaponesa utilizará baterías NCA, mentres que a Australia ofrecéuselles baterías LTO para o seu uso en submarinos da clase Soryu nunha licitación recente, segundo Kobayashi.
Coñecendo a actitude reverente cara á seguridade no País do Sol Nacente, podemos supoñer que os problemas de seguridade do litio foron resoltos, probados e certificados.
Risco: perigo de incendio.
Aquí é onde descubriremos o propósito da publicación, xa que hai opinións diametralmente opostas sobre a seguridade destas solucións. Pero todo isto é retórica, pero que pasa con solucións industriais específicas?
Xa falamos de cuestións de seguridade no noso , pero detémonos de novo nesta cuestión. Pasemos á figura, que examinaba o nivel de protección do módulo e da célula LMO/NMC da batería fabricada por Samsung SDI e utilizada como parte do SAI de Schneider Electric.
Os procesos químicos foron discutidos no artigo do usuario . Tentemos comprender os posibles riscos no noso caso particular e comparámolos coa protección multinivel nas celas SDI de Samsung, que son parte integrante dun bastidor de iones de litio tipo G preparado como parte dunha solución completa baseada en Galaxy VM. .
Comecemos cun diagrama de fluxo de caso xeral dos riscos e causas do incendio nunha cela de ión-litio.
Baixo o spoiler podes estudar os problemas teóricos dos riscos de incendio das baterías de ión-litio e a física dos procesosDiagrama de bloques inicial dos riscos e causas de incendio (perigo de seguridade) dunha pila de iones de litio de 2018 anos.
Dado que dependendo da estrutura química da célula de ión-litio existen diferenzas nas características de fuga térmica da célula, aquí centrarémonos no proceso descrito no artigo nunha célula de litio-níquel-cobalto-aluminio (baseada en LiNiCoAIO2) ou NCA.
O proceso de desenvolvemento dun accidente nunha célula pódese dividir en tres etapas:
- etapa 1 (inicio). O funcionamento normal da célula cando o gradiente de aumento da temperatura non supera os 0,2 graos centígrados por minuto e a propia temperatura da cela non supera os 130-200 graos centígrados, dependendo da estrutura química da célula;
- etapa 2, quecemento (aceleración). Nesta fase, a temperatura aumenta, o gradiente de temperatura aumenta rapidamente e a enerxía térmica é liberada activamente. En xeral, este proceso vai acompañado da liberación de gases. O despregamento excesivo de gas debe compensarse mediante o funcionamento da válvula de seguridade;
- etapa 3, fuga térmica (Runaway). Calefacción da batería a máis de 180-200 graos. Neste caso, o material do cátodo entra nunha reacción de desproporción e libera osíxeno. Este é o nivel de fuga térmica, xa que neste caso pode producirse unha mestura de gases inflamables con osíxeno, que provocará unha combustión espontánea. Non obstante, este proceso nalgúns casos pódese controlar, ler - cando o réxime de factores externos cambia, a fuga térmica nalgúns casos deténse sen consecuencias mortais para o espazo circundante. Non se considera a funcionalidade e o rendemento da propia pila de litio despois destes eventos.
A temperatura de fuga térmica depende do tamaño da célula, do deseño da célula e do material. A temperatura de fuga térmica pode variar entre 130 e 200 graos centígrados. O tempo de fuga térmica pode variar entre minutos, horas ou incluso días...
Que pasa coas células tipo LMO/NMC nos UPS de iones de litio?
– Para evitar o contacto do ánodo co electrólito, utilízase unha capa cerámica como parte da célula (SFL). O movemento dos ións de litio está bloqueado a 130 graos centígrados.
– Ademais da válvula de ventilación protectora, utilízase un sistema de protección de dispositivo de sobrecarga (OSD), que funciona en conxunto cun fusible interno e apaga a cela danada, evitando que o proceso de fuga térmica alcance niveis perigosos. Ademais, o sistema OSD interno activarase antes, cando a presión alcance 3,5 kgf/cm2, é dicir, a metade menos que a presión de resposta da válvula de seguridade da célula.
Por certo, o fusible da cela funcionará a correntes superiores a 2500 A en non máis de 2 segundos. Supoñamos que o gradiente de temperatura alcanza unha lectura de 10 graos C/min. En 10 segundos, a cela terá tempo para engadir uns 1,7 graos á súa temperatura mentres estea en modo de overclocking.
– Un separador de tres capas na célula en modo de recarga bloqueará a transición dos ións de litio ao ánodo da célula. A temperatura de bloqueo é de 250 graos centígrados.
Agora imos ver que temos coa temperatura da célula; Comparemos en que fases se activan diferentes tipos de proteccións a nivel celular.
— Sistema OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= presión externa
Protección adicional contra sobreintensidades.
— válvula de seguridade 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= presión externa
- fusible dentro da célula 2 segundos a 2500 A (modo de sobrecorriente)
O risco de fuga térmica dunha cela depende directamente do grao/nivel de carga da cela, máis detalles aquí...Consideremos o efecto do nivel de carga celular no contexto dos riscos de fuga térmica. Consideremos a táboa de correspondencia entre a temperatura da cela e o parámetro SOC (Estado de carga, grao de carga da batería).
O nivel de carga da batería mídese como unha porcentaxe e mostra a cantidade de carga total que aínda queda almacenada na batería. Neste caso, estamos considerando o modo de recarga da batería. Pódese concluír que, dependendo da química da célula de litio, a batería pode comportarse de forma diferente cando se sobrecarga e ter unha susceptibilidade diferente á fuga térmica. Isto débese á diferente capacidade específica (A*h/gramo) dos diferentes tipos de células de ión-litio. Canto maior sexa a capacidade específica da célula, máis rápida será a liberación de calor durante a recarga.
Ademais, ao 100% de SOC, un curtocircuíto externo adoita provocar un escape térmico da célula. Por outra banda, cando a célula está ao 80% de SOC, a temperatura máxima de fuga térmica da célula desprázase cara arriba. A célula faise máis resistente ás condicións de emerxencia.
Finalmente, para o 70% de SOC, é posible que os curtocircuítos externos non causen fugas térmicas en absoluto. É dicir, o risco de ignición da cela redúcese significativamente e o escenario máis probable é só o funcionamento da válvula de seguridade da batería de litio.
Ademais, da táboa podemos concluír que a LFP (curva púrpura) dunha batería adoita ter un forte aumento de temperatura, é dicir, a etapa de "quecemento" pasa suavemente á etapa de "fuga térmica" e a estabilidade da este sistema para sobrecargar é algo peor. As baterías LMO, como vemos, teñen unha característica de calefacción máis suave cando se recargan.
IMPORTANTE: Cando se activa o sistema OSD, a célula restablece para omitir. Así, a tensión no rack redúcese, pero permanece en funcionamento e proporciona un sinal ao sistema de monitorización do SAI a través do sistema BMS do propio rack. No caso dun sistema UPS clásico con baterías VRLA, un curtocircuíto ou unha rotura dentro dunha batería nunha cadea pode provocar un fallo do SAI no seu conxunto e a perda de funcionalidade dos equipos informáticos.
En función do anterior, no caso de utilizar solucións de litio en SAI, seguen sendo relevantes os seguintes riscos:
- Fuga térmica dunha cela ou módulo como resultado dun curtocircuíto externo: varios niveis de protección.
- Fuga térmica dunha célula ou módulo como resultado dun mal funcionamento da batería interna: varios niveis de protección a nivel de célula ou módulo.
- Sobrecarga: protección mediante BMS máis todos os niveis de protección para un bastidor, módulo ou célula.
- Os danos mecánicos non son relevantes para o noso caso, o risco do evento é insignificante.
- Sobrequecemento do bastidor e de todas as baterías (módulos, celas). Acrítico ata 70-90 graos. Se a temperatura na sala de instalación do SAI supera estes valores, significa que hai un incendio no edificio. En condicións normais de funcionamento do centro de datos, o risco dun evento é insignificante.
- Duración reducida da batería a temperaturas ambientais elevadas: permítese un funcionamento a longo prazo a temperaturas de ata 40 graos sen unha diminución notable da duración da batería. As baterías de chumbo son moi sensibles a calquera aumento da temperatura e reducen a súa vida útil restante en proporción ao aumento da temperatura.
Vexamos un diagrama de fluxo do risco de accidentes con baterías de ión-litio no noso centro de datos, caso de uso da sala de servidores. Simplificamos un pouco o diagrama, porque os UPS de litio funcionarán en condicións ideais, se comparamos as condicións de funcionamento das baterías do teu gadget, teléfono.
CONCLUSIÓN: As baterías de litio especializadas para os SAI de centros de datos e salas de servidores contan cun nivel de protección suficiente ante situacións de emerxencia, e nunha solución integral, un gran número de graos de protección variada e máis de cinco anos de experiencia na explotación destas solucións permiten falar de un alto nivel de seguridade das novas tecnoloxías. Entre outras cousas, non debemos esquecer que o funcionamento das baterías de litio no noso sector parece condicións de "invernadoiro" para as tecnoloxías Li-Ion: a diferenza do teu smartphone no teu peto, ninguén deixará caer a batería no centro de datos, quentarase, descargará. todos os días, úsao activamente no modo búfer.
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 aplicabilidade das solucións industriais baseadas en tecnoloxías Li-Ion?
-
16,2%Perigoso, autoinflamable, en ningún caso o metería na miña sala de servidores.11
-
10,3%Non me interesa isto, así que cambiamos periodicamente as pilas clásicas, e todo está ben.7
-
16,2%Temos que pensar se pode ser seguro e prometedor.11
-
23,5%Interesante, mirarei as posibilidades.16
-
13,2%Interesado! Inviste unha vez e non teñas medo de abrumar todo o centro de datos debido ao fallo dunha batería de chumbo.9
-
20,6%Interesante! As vantaxes superan con creces as desvantaxes e os riscos.14
Votaron 68 usuarios. 25 usuarios abstivéronse.
Fonte: www.habr.com