Pozdrav prijatelji!
Nakon objave članka Bilo je mnogo komentara o opasnostima Li-Ion rješenja za poslužitelje i podatkovne centre. Stoga ćemo danas pokušati otkriti koje su razlike između industrijskih litijskih rješenja za UPS i baterije u vašem gadgetu, kako se razlikuju radni uvjeti baterija u serverskoj sobi, zašto u Li-Ion telefonu baterija ne traje više od 2-3 godine, au podatkovnom centru ta će se brojka povećati na 10 ili više godina. Zašto su rizici od požara litija u podatkovnom centru/poslužiteljskoj sobi minimalni.
Da, nesreće s UPS baterijama su moguće bez obzira na vrstu uređaja za pohranu energije, ali mit o "opasnosti od požara" industrijskih litijskih rješenja nije istinit.
Uostalom, to su mnogi vidjeli s litijskom baterijom u automobilu koji se kreće autocestom? Dakle, da vidimo, shvatimo, usporedimo...
Ovdje vidimo tipičan slučaj nekontroliranog samozagrijavanja, toplinskog bježanja baterije telefona, što je dovelo do ovakvog incidenta. Reći ćete: OVDJE! To je samo telefon, samo bi luda osoba stavila tako nešto u server sobu!
Siguran sam da će nakon proučavanja ovog materijala čitatelj promijeniti svoje stajalište o ovom pitanju.
Trenutno stanje na tržištu podatkovnih centara
Nije tajna da je izgradnja podatkovnog centra dugoročna investicija. Cijena same inženjerske opreme može biti 50% cijene svih kapitalnih troškova. Horizont povrata je otprilike 10-15 godina. Naravno, postoji želja da se smanje ukupni troškovi vlasništva tijekom cijelog životnog ciklusa podatkovnog centra, au isto vrijeme i kompaktna inženjerska oprema, oslobađajući što više prostora za korisni teret.
Optimalno rješenje je nova iteracija industrijskog UPS-a temeljenog na Li-Ion baterijama, koje su se odavno riješile "dječjih bolesti" u obliku opasnosti od požara, netočnih algoritama punjenja i pražnjenja i stekle su masu zaštitnih mehanizama.
S povećanjem kapaciteta računalne i mrežne opreme raste i potražnja za UPS-om. Istodobno se povećavaju zahtjevi za trajanjem baterije u slučaju problema s centraliziranim napajanjem i/ili kvarova pri pokretanju rezervnog izvora napajanja u slučaju korištenja/dostupnosti dizel agregata.
Po našem mišljenju, dva su glavna razloga:
- Brzi rast količine obrađenih i prenesenih informacija
Na primjer, koji
treba spremiti i obraditi. - Rast u dinamici potrošnje električne energije. Unatoč općem trendu smanjenja potrošnje energije informatičke opreme, smanjuje se specifična potrošnja energije elektroničkih komponenti.
Grafikon potrošnje energije samo jednog operativnog podatkovnog centra
Isti trend pokazuju i prognoze tržišta podatkovnih centara u našoj zemlji.Prema web stranici, ukupan broj rack prostora puštenih u rad veći je od 20 tisuća.“Broj rack prostora puštenih u rad od strane 20 najvećih pružatelja usluga podatkovnih centara u 2017. porastao je za 3% i dosegnuo 22,4 tisuće (podaci od 1. listopada 2017)” – stoji u izvješću CNews Analytics. Prema konzultantskim agencijama, očekuje se da će se do 2021. godine broj regala povećati na 49 tisuća. Odnosno, u dvije godine stvarni kapacitet podatkovnog centra može se udvostručiti. s čime je ovo povezano? Prije svega, povećanjem količine informacija: i pohranjenih i obrađenih.
Osim oblaka, igrači točkama rasta smatraju razvoj kapaciteta podatkovnih centara u regijama: oni su jedini segment u kojem postoji rezerva za razvoj poslovanja. Prema IKS-Consultingu, u 2016. godini regije su činile samo 10% svih resursa ponuđenih na tržištu, dok su glavni grad i Moskovska regija zauzimali 73% tržišta, a Sankt Peterburg i Lenjingradska regija - 17%. U regijama i dalje postoji nedostatak resursa podatkovnih centara s visokim stupnjem tolerancije na pogreške.
Predviđa se da će se do 2025. godine ukupna količina podataka u svijetu povećati 10 puta u odnosu na 2016. godinu.
Ipak, koliko je litij siguran za UPS poslužitelja ili podatkovnog centra?
Nedostatak: visoka cijena Li-Ion rješenja.
Cijena litij-ionskih baterija još uvijek je visoka u usporedbi sa standardnim rješenjima. Prema SE procjenama, početni troškovi za UPS-ove velike snage preko 100 kVA za Li-Ion rješenja bit će 1,5 puta veći, ali će u konačnici ušteda na vlasništvu biti 30-50%. Ako napravimo usporedbe s vojno-industrijskim kompleksom drugih zemalja, onda je ovdje vijest o lansiranju u s Li-Ion baterijama. Često se u takvim rješenjima koriste litij-željezo-fosfatne baterije (LFP na fotografiji) zbog njihove relativne jeftinosti i veće sigurnosti.
U članku se spominje da je 100 milijuna dolara potrošeno na nove baterije za podmornicu, pokušajmo to pretvoriti u druge vrijednosti...4,2 tisuće tona je podvodni deplasman japanske podmornice. Površinski deplasman - 2,95 tisuća tona. U pravilu 20-25% težine plovila čine baterije. Odavde preuzimamo otprilike 740 tona - olovnih akumulatora. Dalje: masa litija je otprilike 1/3 mase olovnih baterija -> 246 tona litija. Sa 70 kWh/kg za Li-Ion dobivamo približno 17 MWh snage niza baterija. A razlika u masi baterija je otprilike 495 tona... Tu ne uzimamo u obzir , koji zahtijevaju 14,5 tona srebra po podmornici, a koštaju 4 puta više od olovnih baterija. Podsjećam da su Li-Ion baterije sada samo 1,5-2 puta skuplje od VRLA, ovisno o snazi rješenja.
Što je s Japancima? Prekasno su se sjetili da “olakšanje broda” za 700 tona povlači za sobom promjenu njegove plovnosti i stabilnosti... Vjerojatno su morali dodati oružje na brodu kako bi vratili projektirani raspored težine broda.
Litij-ionske baterije također teže od olovnih baterija, pa je dizajn podmornice klase Soryu morao biti donekle redizajniran kako bi se održao balast i stabilnost.
U Japanu su stvorene i dovedene u operativno stanje dvije vrste litij-ionskih baterija: litij-nikal-kobalt-aluminij-oksid (NCA) koju proizvodi GS Yuasa i litij-titanat (LTO) koji proizvodi Toshiba Corporation. Japanska mornarica će koristiti NCA baterije, dok su Australiji ponuđene LTO baterije za korištenje na podmornicama klase Soryu na nedavnom natječaju, prema Kobayashiju.
Poznavajući pun poštovanja prema sigurnosti u Zemlji izlazećeg sunca, možemo pretpostaviti da su sigurnosni problemi litija riješeni, testirani i certificirani.
Rizik: opasnost od požara.
Ovdje ćemo shvatiti svrhu objave, jer postoje dijametralno suprotna mišljenja o sigurnosti ovih rješenja. Ali sve je to retorika, ali što je s konkretnim industrijskim rješenjima?
Već smo razgovarali o sigurnosnim pitanjima u našem , ali zadržimo se ponovno na ovom pitanju. Okrenimo se slici koja ispituje razinu zaštite modula i LMO/NMC ćelije baterije koju proizvodi Samsung SDI i koristi se kao dio Schneider Electric UPS-a.
U članku korisnika raspravljalo se o kemijskim procesima . Pokušajmo razumjeti moguće rizike u našem konkretnom slučaju i usporedimo ih s višerazinskom zaštitom u Samsung SDI ćelijama, koje su sastavni dio gotovog Li-Ion stalka tipa G kao dio sveobuhvatnog rješenja temeljenog na Galaxy VM .
Počnimo s općim dijagramom toka rizika i uzroka požara u litij-ionskoj ćeliji.
Ispod spojlera možete proučavati teorijska pitanja opasnosti od požara litij-ionskih baterija i fiziku procesaPočetni blok dijagram rizika i uzroka požara (sigurnosna opasnost) litij-ionske ćelije iz 2018 godine.
Budući da ovisno o kemijskoj strukturi litij-ionske ćelije postoje razlike u toplinskim karakteristikama ćelije, ovdje ćemo se usredotočiti na proces opisan u članku u litij-nikal-kobalt-aluminij ćeliji (na temelju LiNiCoAIO2) ili NCA.
Proces razvoja nesreće u ćeliji može se podijeliti u tri faze:
- stadij 1 (Početak). Normalan rad ćelije kada gradijent povećanja temperature ne prelazi 0,2 stupnja Celzijusa u minuti, a sama temperatura ćelije ne prelazi 130-200 stupnjeva Celzijusa, ovisno o kemijskoj strukturi ćelije;
- faza 2, zagrijavanje (ubrzanje). U ovoj fazi temperatura raste, temperaturni gradijent se brzo povećava i toplinska energija se aktivno oslobađa. Općenito, ovaj proces je popraćen oslobađanjem plinova. Prekomjerno razvijanje plina mora se kompenzirati radom sigurnosnog ventila;
- stupanj 3, toplinski bijeg (Runaway). Zagrijavanje baterije preko 180-200 stupnjeva. U tom slučaju materijal katode ulazi u reakciju disproporcioniranja i oslobađa kisik. To je stupanj toplinskog bježanja, jer u tom slučaju može doći do miješanja zapaljivih plinova s kisikom, što će uzrokovati samozapaljenje. Međutim, taj se proces u nekim slučajevima može kontrolirati, čitaj - kada se promijeni režim vanjskih čimbenika, toplinski bijeg u nekim slučajevima prestaje bez fatalnih posljedica za okolni prostor. Upotrebljivost i performanse same litijske ćelije nakon ovih događaja ne uzimaju se u obzir.
Temperatura toplinskog odvoda ovisi o veličini ćelije, dizajnu ćelije i materijalu. Temperatura toplinskog odlaska može varirati od 130 do 200 stupnjeva Celzijusa. Vrijeme toplinskog odlaska može varirati i varirati od minuta, sati ili čak dana...
Što je s ćelijama tipa LMO/NMC u litij-ionskim UPS-ovima?
– Kako bi se spriječio kontakt anode s elektrolitom, koristi se keramički sloj kao dio ćelije (SFL). Kretanje litijevih iona blokirano je na 130 stupnjeva Celzijusa.
– Osim zaštitnog odzračnog ventila, koristi se zaštitni sustav Over Charge Device (OSD), koji radi u sprezi s unutarnjim osiguračem i isključuje oštećenu ćeliju, sprječavajući da proces toplinskog odlaska dosegne opasne razine. Štoviše, unutarnji OSD sustav aktivirat će se ranije, kada tlak dosegne 3,5 kgf/cm2, što je upola manje od tlaka odziva sigurnosnog ventila ćelije.
Usput, ćelijski osigurač će raditi na strujama iznad 2500 A za ne više od 2 sekunde. Pretpostavimo da temperaturni gradijent dosegne očitanje od 10 stupnjeva C/min. Za 10 sekundi, ćelija će imati vremena dodati oko 1,7 stupnjeva svojoj temperaturi dok je u overclocking modu.
– Troslojni separator u ćeliji u načinu punjenja će blokirati prijelaz litijevih iona na anodu ćelije. Temperatura blokiranja je 250 stupnjeva Celzijusa.
Sada da vidimo što imamo s temperaturom ćelije; Usporedimo u kojim se fazama različite vrste zaštite pokreću na razini stanice.
— OSD sustav – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= vanjski tlak
Dodatna zaštita od prekomjerne struje.
— sigurnosni ventil 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= vanjski tlak
- osigurač unutar ćelije 2 sekunde na 2500A (način prekomjerne struje)
Rizik od toplinskog bijega ćelije izravno ovisi o stupnju/razini napunjenosti ćelije, više detalja ovdje...Razmotrimo učinak razine napunjenosti ćelije u kontekstu rizika od toplinskog bijega. Razmotrimo tablicu korespondencije između temperature ćelije i SOC parametra (Stanje napunjenosti, stupanj napunjenosti baterije).
Razina napunjenosti baterije mjeri se u postocima i pokazuje koliko je ukupne napunjenosti još ostalo pohranjeno u bateriji. U ovom slučaju razmatramo način punjenja baterije. Može se zaključiti da se, ovisno o kemijskom sastavu litijeve ćelije, baterija može ponašati drugačije kada se prepuni i imati različitu osjetljivost na toplinski bijeg. To je zbog različitog specifičnog kapaciteta (A*h/gram) različitih tipova Li-Ion ćelija. Što je veći specifični kapacitet ćelije, to je brže oslobađanje topline tijekom punjenja.
Dodatno, kod 100% SOC-a, vanjski kratki spoj često uzrokuje toplinski bijeg ćelije. S druge strane, kada je ćelija na 80% SOC, maksimalna toplinska izlazna temperatura ćelije pomiče se prema gore. Stanica postaje otpornija na hitne uvjete.
Naposljetku, za 70% SOC, vanjski kratki spojevi možda uopće neće uzrokovati toplinski odlazak. Odnosno, rizik od paljenja ćelija je značajno smanjen, a najvjerojatniji scenarij je samo rad sigurnosnog ventila litijeve baterije.
Osim toga, iz tablice možemo zaključiti da LFP (ljubičasta krivulja) baterije obično ima nagli porast temperature, odnosno da faza "zagrijavanja" glatko prelazi u fazu "toplinskog odlaska", a stabilnost ovaj sustav za prekomjerno punjenje je nešto lošiji. LMO baterije, kao što vidimo, imaju glatkiju karakteristiku zagrijavanja prilikom punjenja.
VAŽNO: Kada se aktivira OSD sustav, ćelija se vraća na premosnicu. Time se smanjuje napon na rack-u, ali on ostaje u pogonu i daje signal nadzornom sustavu UPS-a preko BMS sustava samog racka. U slučaju klasičnog UPS sustava s VRLA baterijama, kratki spoj ili prekid unutar jedne baterije u nizu može dovesti do kvara UPS-a u cjelini i gubitka funkcionalnosti IT opreme.
Na temelju gore navedenog, za slučaj korištenja litijskih rješenja u UPS-u, sljedeći rizici ostaju relevantni:
- Toplinski bijeg ćelije ili modula kao posljedica vanjskog kratkog spoja - nekoliko razina zaštite.
- Toplinski bijeg ćelije ili modula kao posljedica internog kvara baterije - nekoliko razina zaštite na razini ćelije ili modula.
- Overcharge – zaštita od strane BMS plus sve razine zaštite za stalak, modul, ćeliju.
- Mehanička oštećenja nisu bitna za naš slučaj, rizik od događaja je zanemariv.
- Pregrijavanje okvira i svih baterija (modula, ćelija). Nekritično do 70-90 stupnjeva. Ako temperatura u prostoriji za postavljanje UPS-a poraste iznad ovih vrijednosti, to znači da u zgradi postoji požar. U normalnim uvjetima rada podatkovnog centra, rizik od događaja je zanemariv.
- Smanjeno trajanje baterije na povišenim sobnim temperaturama - dopušten je dugotrajan rad na temperaturama do 40 stupnjeva bez primjetnog smanjenja trajanja baterije. Olovne baterije su vrlo osjetljive na svako povećanje temperature i smanjuju svoj preostali vijek trajanja proporcionalno porastu temperature.
Pogledajmo dijagram toka rizika od nesreća s litij-ionskim baterijama u našem podatkovnom centru, slučaju korištenja poslužiteljske sobe. Malo pojednostavimo dijagram, jer će litijevi UPS-ovi raditi u idealnim uvjetima, ako usporedimo radne uvjete baterija u vašem gadgetu, telefonu.
ZAKLJUČAK: Specijalizirane litijeve baterije za UPS-ove podatkovnih centara i server soba imaju dovoljnu razinu zaštite od izvanrednih situacija, au sveobuhvatnom rješenju veliki broj različitih stupnjeva zaštite i više od pet godina iskustva u radu s ovim rješenjima dopuštaju nam govoriti o visoka razina sigurnosti novih tehnologija. Između ostalog, ne treba zaboraviti da rad litijskih baterija u našem sektoru izgleda kao “staklenički” uvjeti za Li-Ion tehnologije: za razliku od vašeg pametnog telefona u džepu, nitko neće ispustiti bateriju u podatkovnom centru, pregrijati se, isprazniti svaki dan, aktivno koristiti u međuspremniku.
Možete saznati više detalja i razgovarati o konkretnom rješenju korištenja litij-ionskih baterija za vašu poslužiteljsku sobu ili podatkovni centar slanjem zahtjeva e-poštom , ili podnošenjem zahtjeva na web stranici tvrtke .
OTVORENE TEHNOLOGIJE – pouzdana sveobuhvatna rješenja svjetskih lidera, prilagođena posebno vašim ciljevima.
Autor: Kulikov Oleg
Vodeći projektant
Odjel integracijskih rješenja
Tvrtka Open Technologies
U anketi mogu sudjelovati samo registrirani korisnici. , molim.
Kakvo je Vaše mišljenje o sigurnosti i primjenjivosti industrijskih rješenja temeljenih na Li-Ion tehnologijama?
-
16,2%Opasan, samozapaljiv, ni pod kojim uvjetima ga ne bih stavio u sobu s poslužiteljem.11
-
10,3%Ne zanima me ovo, pa povremeno mijenjamo klasične baterije i sve je OK.7
-
16,2%Moramo razmisliti je li to možda sigurno i obećavajuće.11
-
23,5%Zanimljivo, pogledat ću mogućnosti.16
-
13,2%Zainteresiran! Investirajte jednom - i nemojte se bojati da ćete preopteretiti cijeli podatkovni centar zbog kvara jedne olovne baterije.9
-
20,6%Zanimljiv! Prednosti daleko nadmašuju nedostatke i rizike.14
Glasovalo je 68 korisnika. Suzdržano je bilo 25 korisnika.
Izvor: www.habr.com