Zdravo, prijatelji!
Nakon što je članak objavljen Bilo je mnogo komentara o opasnostima litij-ionskih rješenja za serverske sobe i podatkovne centre. Stoga ćemo danas pokušati razumjeti razlike između industrijskih UPS rješenja na bazi litija i baterija u vašem uređaju, kako se uvjeti rada baterija razlikuju u serverskim sobama, zašto litij-ionska baterija telefona ne traje dulje od 2-3 godine, dok u podatkovnom centru ta brojka raste na 10 godina ili više, te zašto je rizik od požara litija u podatkovnim centrima/serverskim sobama minimalan.
Da, kvarovi UPS baterija su mogući bez obzira na vrstu uređaja za pohranu energije, ali mit o "opasnosti od požara" industrijskih rješenja na bazi litija nije istinit.
Uostalom, mnogi su to vidjeli S litijevom baterijom u automobilu koji se kreće autocestom? Dakle, pogledajmo, shvatimo, usporedimo...
Ono što ovdje vidimo tipičan je slučaj nekontroliranog samozagrijavanja, termalnog pražnjenja baterije telefona, što je dovelo do ovog incidenta. Mogli biste reći: "WOW! To je samo telefon; samo bi luđak stavio nešto takvo u serversku sobu!"
Siguran sam da će čitatelj nakon proučavanja ovog materijala promijeniti svoje gledište o ovom pitanju.
Trenutna situacija na tržištu podatkovnih centara
Nije tajna da je izgradnja podatkovnog centra dugoročna investicija. Samo trošak komunalne opreme može činiti 50% ukupnih kapitalnih izdataka. Razdoblje povrata je otprilike 10-15 godina. Naravno, postoji želja za smanjenjem ukupnih troškova vlasništva tijekom životnog ciklusa podatkovnog centra, a istovremeno i za zgušnjavanjem komunalne opreme kako bi se maksimizirao raspoloživi prostor za korisni teret.
Optimalno rješenje je nova generacija industrijskih UPS-ova temeljenih na Li-ion baterijama, koje su se odavno riješile "početnih problema" opasnosti od požara i neispravnih algoritama punjenja i pražnjenja, te su stekle mnoštvo zaštitnih mehanizama.
Kako se kapacitet računalne i mrežne opreme povećava, raste i potražnja za UPS sustavima. Istovremeno, povećavaju se i zahtjevi za vremenom rada iz baterije u slučaju problema s centraliziranim napajanjem i/ili kvarova pri pokretanju rezervnog izvora napajanja pri korištenju/postojanju dizelskog generatora.
Po našem mišljenju, postoje dva glavna razloga:
- Brzi rast količine obrađenih i prenesenih informacija
Na primjer, koji
potrebno je spremiti i obraditi. - Rastuća dinamika potrošnje električne energije. Unatoč općem trendu smanjenja potrošnje energije IT opreme i smanjenju specifične potrošnje energije elektroničkih komponenti.
Grafikon potrošnje energije samo jednog podatkovnog centra u radu
Isti trend pokazuju i prognoze za tržište podatkovnih centara u našoj zemlji.Prema web straniciUkupan broj racnih mjesta koje je naručilo 20 najvećih pružatelja usluga podatkovnih centara povećao se za 3% u 2017. godini, dosegnuvši 22 400 (zaključno s 1. listopada 2017.), prema izvješću CNews Analyticsa. Konzultantske agencije predviđaju da će se taj broj racnih mjesta povećati na 49 000 do 2021. To znači da bi se stvarni kapacitet podatkovnih centara mogao udvostručiti u roku od dvije godine. Koji je razlog tome? Prvenstveno je to zbog rasta količine informacija, i pohranjenih i obrađenih.
Osim računalstva u oblaku, igrači također vide razvoj kapaciteta podatkovnih centara u regijama kao područje rasta: ovo je jedini segment u kojem još uvijek ima prostora za razvoj poslovanja. Prema IKS-Consultingu, 2016. godine regije su činile samo 10% svih resursa ponuđenih na tržištu, dok su Moskva i Moskovska regija činile 73% tržišta, a Sankt Peterburg i Lenjingradska regija 17%. Regije i dalje doživljavaju nedostatak kapaciteta podatkovnih centara s visokim stupnjem tolerancije na pogreške.
Predviđa se da će se do 2025. godine ukupna količina podataka u svijetu povećati deset puta u usporedbi s 2016. godinom.
Koliko je litij siguran za UPS u serverskoj sobi ili podatkovnom centru?
Nedostatak: visoka cijena Li-Ion rješenja.
Cijena litij-ionskih baterija ostaje visoka u usporedbi sa standardnim rješenjima. Prema procjenama SE-a, početni trošak za UPS sustave velike snage preko 100 kVA za litij-ionska rješenja bit će 1,5 puta veći, ali će konačna ušteda na vlasništvu biti 30-50%. Uspoređujući to s vojno-industrijskim kompleksom drugih zemalja, evo vijesti o lansiranju u S Li-ionskim baterijama. Litij-željezo-fosfatne baterije (LFP na fotografiji) često se koriste u takvim rješenjima zbog svoje relativne pristupačnosti i veće sigurnosti.
U članku se spominje da je 100 milijuna dolara potrošeno na nove baterije za podmornicu. Pokušajmo to pretvoriti u druge vrijednosti...Podvodni istisnina japanske podmornice iznosi 4,2 tona. Njezin površinski istisnina iznosi 2,95 tona. Baterije obično čine 20-25% mase podmornice. To se prevodi u otprilike 740 tona za olovne baterije. Nadalje, litijeve baterije teže otprilike 1/3 olovnih baterija, što rezultira s 246 tona litija. S 70 kWh/kg za Li-Ion, to daje otprilike 17 MWh kapaciteta baterije. Razlika u masi baterije je otprilike 495 tona... Ovdje to ne uzimamo u obzir. , koje zahtijevaju 14,5 tona srebra po podmornici, četiri su puta skuplje od olovnih baterija. Podsjećamo, Li-ion baterije su trenutno samo 1,5 do 2 puta skuplje od VRLA baterija, ovisno o nazivnoj snazi.
A 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 još naoružanja kako bi vratili projektirani raspored težine broda.
Litij-ionske baterije također teže manje od olovnih baterija, pa je dizajn podmornice klase Soryu morao biti malo redizajniran kako bi se održali balast i stabilnost.
Japan je razvio i na terenu testirao dvije vrste litij-ionskih baterija: litij-nikal-kobalt-aluminij-oksidne (NCA) baterije proizvođača GS Yuasa i litij-titanatne (LTO) baterije proizvođača Toshiba. Japanska mornarica koristit će NCA baterije, dok je, prema Kobayashiju, Australija nedavno predala LTO baterije za upotrebu na podmornicama klase Soryu.
Znajući poštovani stav prema sigurnosti u Zemlji izlazećeg sunca, može se pretpostaviti da su problemi sigurnosti litija riješeni, testirani i certificirani.
Rizik: Opasnost od požara.
Ovdje ćemo se pozabaviti svrhom ove publikacije, budući da su mišljenja o sigurnosti ovih rješenja dijametralno suprotna. Ali to je sve samo retorika; što je s konkretnim industrijskim rješenjima?
Već smo raspravljali o sigurnosnim pitanjima u našem , ali zadržimo se ponovno na ovom pitanju. Pogledajmo sliku koja je ispitala razinu zaštite modula i ćelije LMO/NMC baterije koju proizvodi Samsung SDI i koja se koristi u UPS-u Schneider Electric.
Kemijski procesi su raspravljeni u korisnikovom članku Istražimo potencijalne rizike u našem konkretnom slučaju i usporedimo ih s višerazinskom zaštitom koju pružaju Samsung SDI ćelije, a koje su dio kompletnog Li-Ion racka tipa G unutar sveobuhvatnog rješenja temeljenog na Galaxy VM-u.
Započnimo s općim dijagramom toka slučaja koji prikazuje rizike i uzroke požara litij-ionskih ćelija.
Pod spojlerom možete proučiti teorijska pitanja rizika izgaranja litij-ionskih baterija i fiziku procesa.Početni blok dijagram rizika i uzroka požara (sigurnosna opasnost) litij-ionske ćelije iz 2018 godine.
Budući da postoje razlike u karakteristikama toplinskog odbijanja ćelije ovisno o kemijskoj strukturi litij-ionske ćelije, ovdje ćemo se usredotočiti na proces opisan u članku u litij-nikal-kobalt-aluminij ćeliji (na bazi LiNiCoAIO2) ili NCA.
Proces razvoja nesreće u ćeliji može se podijeliti u tri faze:
- Stadij 1 (Početak). Normalan rad stanice kada gradijent porasta temperature ne prelazi 0,2 stupnja Celzija u minuti, a sama temperatura stanice ne prelazi 130-200 stupnjeva Celzija, ovisno o kemijskoj strukturi stanice;
- Faza 2, zagrijavanje (ubrzanje). Tijekom ove faze temperatura raste, temperaturni gradijent se brzo povećava i oslobađa se aktivna toplinska energija. Ovaj proces obično prati razvijanje plina. Prekomjerno razvijanje plina mora se kompenzirati aktiviranjem sigurnosnog ventila;
- Faza 3, toplinski bijeg. Baterija se zagrijava na temperaturu iznad 180-200°C. Tijekom ove faze, materijal katode prolazi kroz reakciju disproporcioniranja i oslobađa kisik. Ovo je faza toplinskog bijega, jer može stvoriti smjesu zapaljivih plinova i kisika, uzrokujući spontano izgaranje. Međutim, ovaj se proces ponekad može kontrolirati; drugim riječima, kada se promijene vanjski čimbenici, toplinski bijeg ponekad prestaje bez uzrokovanja fatalnih posljedica za okolni okoliš. Zdravlje i performanse same litijeve ćelije se ne uzimaju u obzir nakon ovih događaja.
Temperatura toplinskog bijega ovisi o veličini ćelije, dizajnu ćelije i materijalu. Temperature toplinskog bijega mogu se kretati od 130 do 200 stupnjeva Celzija. Vrijeme toplinskog bijega može varirati, u rasponu od minuta, sati ili čak dana.
Što je s LMO/NMC ćelijama u litij-ionskim UPS-ovima?
– Kako bi se spriječio kontakt anode s elektrolitom, unutar ćelije se koristi keramički sloj (SFL). Migracija litijevih iona blokirana je na 130 °C.
Uz zaštitni ventil za odzračivanje, koristi se i sustav zaštite od preopterećenja (OSD). Radi zajedno s unutarnjim osiguračem kako bi isključio oštećenu ćeliju, sprječavajući da toplinski gubitak dosegne opasne razine. Štoviše, unutarnji OSD sustav će se aktivirati ranije, pri tlaku od 3,5 kgf/cm² ili polovici tlaka okidanja zaštitnog ventila ćelije.
Usput, osigurač ćelije će se isključiti pri strujama iznad 2500 A za najviše 2 sekunde. Pretpostavimo da temperaturni gradijent dosegne 10°C/min. Za 10 sekundi, ćelija će imati vremena povećati svoju temperaturu za oko 1,7°C dok je u načinu rada s prekomjernim radom.
– Troslojni separator u ćeliji tijekom prepunjenja blokirat će prijenos litijevih iona na anodu ćelije. Temperatura blokiranja je 250 °C.
Sada pogledajmo temperaturu ćelije i usporedimo faze u kojima se aktiviraju različite vrste zaštite 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 pri 2500 A (način prekomjerne struje)
Rizik od termalnog bijega izravno je povezan sa stanjem napunjenosti ćelije. Više detalja ovdje...Razmotrimo utjecaj razine napunjenosti ćelije u kontekstu rizika od termalnog bijega. Pogledajmo tablicu temperature ćelije u odnosu na parametre SOC (Stanje napunjenosti).
Stanje napunjenosti baterije mjeri se u postotku i pokazuje koliko je od punog napunjenosti još pohranjeno u bateriji. U ovom slučaju razmatramo uvjete prekomjernog punjenja baterije. Može se zaključiti da se, ovisno o kemijskom sastavu litijeve ćelije, baterija može ponašati različito tijekom prekomjernog punjenja i imati različitu osjetljivost na toplinski gubitak. To je zbog različitog specifičnog kapaciteta (Ah/gram) različitih tipova litij-ionskih ćelija. Što je veći specifični kapacitet ćelije, to se brže stvara toplina tijekom prekomjernog punjenja.
Nadalje, pri 100% napunjenosti, vanjski kratki spoj često dovodi do toplinskog bijega ćelije. S druge strane, kada ćelija ima razinu napunjenosti od 80% napunjenosti, maksimalna temperatura pri kojoj počinje toplinski bijeg pomiče se prema gore. Ćelija postaje otpornija na izvanredne uvjete.
Konačno, za 70% SOC-ova, vanjski kratki spojevi možda uopće neće uzrokovati toplinski bijeg. To znači da je rizik od požara ćelije značajno smanjen, a najvjerojatniji scenarij je aktiviranje sigurnosnog ventila litijeve baterije.
Nadalje, tablica pokazuje da LFP baterije (ljubičasta krivulja) obično imaju strm porast temperature, što znači da faza "zagrijavanja" postupno prelazi u fazu "termičkog bijega", a otpornost ovog sustava na prekomjerno punjenje je nešto slabija. LMO baterije, kao što vidimo, imaju blaži porast temperature tijekom prekomjernog punjenja.
VAŽNO: Kada se OSD sustav aktivira, ćelija se resetira na bypass. To smanjuje napon racka, ali ostaje operativan i šalje signal UPS nadzornom sustavu putem BMS-a racka. U tradicionalnom UPS sustavu s VRLA baterijama, kratki spoj ili otvoreni krug unutar jedne baterije u nizu može dovesti do kvara cijelog UPS-a i gubitka funkcionalnosti IT opreme.
Na temelju navedenog, sljedeći rizici ostaju relevantni u slučaju korištenja litijevih otopina u UPS-u:
- Termički gubitak ćelije ili modula kao posljedica vanjskog kratkog spoja – nekoliko razina zaštite.
- Termički gubitak ćelije ili modula zbog unutarnjeg kvara baterije – nekoliko razina zaštite na razini ćelije ili modula.
- Punjenje – zaštita putem BMS-a plus sve razine zaštite racka, modula, ćelije.
- Mehanička oštećenja nisu relevantna za naš slučaj, rizik od događaja je zanemariv.
- Pregrijavanje stalka i svih baterija (modula, ćelija). Temperature do 70-90 stupnjeva Celzija nisu kritične. Ako temperatura u UPS sobi poraste iznad tih vrijednosti, to znači da je u zgradi došlo do požara. U normalnim uvjetima rada podatkovnog centra, rizik od ove pojave je zanemariv.
- Smanjeni vijek trajanja baterije na povišenim sobnim temperaturama – dulji rad na temperaturama do 40 stupnjeva Celzija je dopušten bez primjetnog smanjenja vijeka trajanja baterije. Olovne baterije vrlo su osjetljive na svako povećanje temperature i smanjuju svoj preostali vijek trajanja proporcionalno porastu temperature.
Pogledajmo dijagram toka rizika kvara litij-ionske baterije u našem scenariju podatkovnog centra/servera. Dijagram ćemo malo pojednostaviti jer će litij-ionski UPS sustavi raditi u idealnim uvjetima u usporedbi s radnim uvjetima baterija u vašem uređaju ili telefonu.
ZAKLJUČAK: Specijalizirane litijeve baterije za UPS sustave podatkovnih centara i serverskih soba nude dovoljnu zaštitu od izvanrednih situacija. Višestruke razine zaštite ovog sveobuhvatnog rješenja i više od pet godina operativnog iskustva pokazuju visoku razinu sigurnosti ovih novih tehnologija. Nadalje, važno je zapamtiti da je korištenje litijevih baterija u našem sektoru "stakleničko" okruženje za Li-Ion tehnologiju: za razliku od vašeg pametnog telefona u džepu, baterija u podatkovnom centru neće ispadati, pregrijavati se, svakodnevno prazniti ili aktivno koristiti u načinu rada s plutajućim napajanjem.
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 koja koriste Li-Ion tehnologiju?
16,2%Opasno je, spontano se pali, nikada ga ne bih stavio u svoju serversku sobu ni pod kojim uvjetima.11
10,3%Ne zanima me ovo, ionako periodično mijenjamo klasične baterije i sve je OK.7
16,2%Moramo razmisliti o tome, možda je sigurno i obećavajuće.11
23,5%Zanimljivo, razmotrit ću mogućnosti.16
13,2%Zainteresirani! Investirajte jednom i ne brinite o padu cijelog podatkovnog centra zbog kvara jedne olovne baterije.
20,6%Zanimljivo! Prednosti daleko nadmašuju nedostatke i rizike.14
Glasovalo je 68 korisnika. Suzdržano je bilo 25 korisnika.
Izvor: www.habr.com
