Ciao, amici!
Dopo la pubblicazione dell'articolo ci sono stati molti commenti riguardo ai rischi delle soluzioni Li-Ion per server e data center. Oggi cercheremo di capire quale sia la differenza tra le soluzioni industriali agli ioni di litio per UPS e la batteria del vostro dispositivo, come variano le condizioni di utilizzo delle batterie in un server, perché in un telefono la batteria Li-Ion dura al massimo 2-3 anni, mentre in un data center questa cifra può aumentare fino a 10 anni e oltre. Perché i rischi di incendi di litio in un data center/nel server sono minimi.
Sì, gli incidenti con le batterie UPS sono possibili indipendentemente dal tipo di accumulatori di energia, ma il mito della «pericolosità incendiaria» delle soluzioni industriali agli ioni di litio non corrisponde alla realtà.
Del resto, molti hanno visto quel con batteria agli ioni di litio in un'auto in movimento? Dunque, vediamo, analizziamo, confrontiamo…
Qui vediamo un caso tipico di autodiscaldamento incontrollato, di runaway termico della batteria di un telefono, che ha portato a tale incidente. Direte: ECCO! È solo un telefono, solo un folle potrebbe mettere una cosa del genere in un server!
Sono sicuro che, dopo aver studiato questo materiale, il lettore cambierà idea su questo argomento.
La situazione attuale nel mercato dei data center
Non è un segreto che la costruzione di un data center sia un investimento a lungo termine. Il costo delle sole apparecchiature ingegneristiche può rappresentare il 50% del costo totale degli investimenti. L'orizzonte di ammortamento è di circa 10-15 anni. Naturalmente sorge il desiderio di ridurre il costo totale di possesso su tutto il ciclo di vita del data center e, contemporaneamente, di ottimizzare le apparecchiature ingegneristiche, liberando al massimo spazio per il carico utile.
La soluzione ottimale sono gli UPS industriali di nuova generazione basati su batterie agli ioni di litio, che hanno già superato da tempo le «malattie infantili» come la pericolosità incendiaria, gli algoritmi di carica-scarica non corretti e hanno acquisito una serie di meccanismi di protezione.
Con l'aumento delle capacità delle attrezzature di calcolo e di rete, cresce la domanda di UPS. Allo stesso tempo, aumentano i requisiti per il tempo di autonomia delle batterie agli ioni di litio in caso di problemi con l'alimentazione elettrica centralizzata e/o malfunzionamenti all'avvio della fonte di alimentazione di riserva in caso di utilizzo/presenza di GES.
A nostro avviso, ci sono due ragioni principali:
- La rapida crescita dei volumi di informazioni elaborate e trasmesse
Ad esempio, , che
devono essere salvate e elaborate. - L'aumento della dinamica del consumo di energia elettrica. Nonostante la tendenza generale alla riduzione del consumo energetico delle attrezzature IT, si registra un calo del consumo energetico specifico dei componenti elettronici.
Il grafico del consumo energetico di un solo data center attivo
Questa stessa tendenza è dimostrata dalle previsioni del mercato dei data center nel nostro paeseSecondo il sito, il numero totale di postazioni operativa supera le 20.000. "Il numero di postazioni operative dei 20 principali fornitori di servizi di data center nel 2017 è aumentato del 3% e ha raggiunto 22.400 (dati al 1° ottobre 2017)", si legge nel rapporto di CNews Analytics. Secondo le stime delle agenzie di consulenza, entro il 2021 si prevede un aumento delle postazioni a 49.000. Ciò significa che, in due anni, la capacità reale dei data center potrebbe raddoppiare. A cosa è dovuto? Prima di tutto, alla crescita del volume delle informazioni: sia memorizzate che elaborate.
Oltre ai cloud, i protagonisti del settore citano lo sviluppo delle capacità dei data center nelle regioni: sono l'unico segmento in cui rimane margine per lo sviluppo del business. Secondo IKS-Consulting, nel 2016 le regioni rappresentavano solo il 10% delle risorse disponibili sul mercato, mentre la capitale e la regione di Mosca occupavano il 73% del mercato, e San Pietroburgo e la regione di Leningrado il 17%. Nelle regioni permane una carenza di risorse per i data center con un alto grado di affidabilità.
Entro il 2025, secondo le previsioni, il volume totale dei dati nel mondo aumenterà di 10 volte rispetto al 2016.
Quanto è sicuro il litio per gli UPS nei server o nei data center?
Svantaggio: elevato costo delle soluzioni Li-Ion.
Il prezzo delle batterie al litio-ionico continua a rimanere elevato rispetto alle soluzioni standard. Secondo le stime dell'azienda SE, i costi iniziali per UPS potenti oltre 100 kVA per soluzioni Li-Ion saranno superiori di 1,5 volte, ma alla fine il risparmio di proprietà sarà del 30-50%. Se confrontiamo con il complesso militare-industriale di altri paesi, ecco la notizia sul lancio in con batterie Li-Ion. Spesso in queste soluzioni vengono utilizzate batterie al litio-fosfato di ferro (nella foto - LFP) a causa del loro costo relativamente basso e della maggiore sicurezza.
Nell'articolo si menziona che sono stati spesi 100 milioni di dollari per le nuove batterie per il sottomarino, proviamo a riconvertire in altre unità...4.200 tonnellate - dislocamento subacqueo del sottomarino giapponese. Dislocamento in superficie - 2.950 tonnellate. Di norma, il 20-25% del peso dell'imbarcazione è costituito dalle batterie. Da qui prendiamo circa 740 tonnellate - batterie al piombo-acido. Inoltre: il peso del litio è circa 1/3 rispetto alle batterie al piombo-acido -> 246 tonnellate di litio. Con 70 kWh/kg per Li-Ion otteniamo circa 17 MWh di potenza per il pacco batterie. E la differenza nel peso delle batterie è di circa 495 tonnellate... Qui non consideriamo , di cui ogni sottomarino necessita di 14,5 tonnellate d'argento, e per costo superano le batterie al piombo-acido di 4 volte. Ricordo che le batterie Li-Ion sono attualmente più costose delle VRLA solo di 1,5-2 volte a seconda della potenza della soluzione.
E i giapponesi? Si sono ricordati troppo tardi che "alleggerire l'imbarcazione" di 700 tonnellate comporta una modifica delle sue caratteristiche marinaresche e di stabilità... Probabilmente hanno dovuto aggiungere armamenti a bordo per ripristinare i valori di progettazione del bilancio dell'imbarcazione.
Le batterie agli ioni di litio pesano anche meno delle batterie al piombo-acido, quindi il progetto del sottomarino di tipo Soryu ha dovuto essere modificato per mantenere il corretto bilanciamento e stabilità.
In Giappone sono stati sviluppati e messi in funzione due tipi di batterie agli ioni di litio: l'ossido di litio-nichel-cobalto-alluminio (NCA) prodotta dalla GS Yuasa e la titanio-litio (LTO) prodotta dalla Toshiba. La flotta giapponese utilizzerà batterie di tipo NCA; secondo Kobayashi, nell'ultimo bando sono state proposte batterie di tipo LTO per l'uso sottomarino in Australia su sottomarini basati sul tipo Soryu.
Sapendo l'attenzione maniacale alla sicurezza nel paese del Sole Nascente, si può presumere che le questioni di sicurezza relative al litio siano state affrontate, testate e certificate.
Rischio: infiammabilità.
Qui approfondiremo l'obiettivo della pubblicazione, poiché ci sono opinioni diametralmente opposte sulla sicurezza di queste soluzioni. Ma questa è solo una parte, cosa possiamo dire delle soluzioni industriali specifiche?
Le questioni di sicurezza sono state già esaminate nel nostro , ma ci soffermiamo ancora su questo punto. Rivolgeremo la nostra attenzione all'immagine che mostra il livello di protezione del modulo e della cella LMO/NMC della batteria prodotta da Samsung SDI e utilizzata in UPS di Schneider Electric.
I processi chimici sono stati trattati nell'articolo dell'utente . Cercheremo di capire i rischi potenziali nel nostro caso specifico e di confrontarli con la protezione multi-livello nelle celle Samsung SDI, che sono parte dell'assemblaggio Li-Ion Type G in un sistema complesso basato su Galaxy VM.
Iniziamo con un caso generale del diagramma dei rischi e delle cause di incendi in una cella agli ioni di litio.
Nel dettaglio è possibile studiare le questioni teoriche sui rischi di incendio delle batterie agli ioni di litio e la fisica dei processi.Il diagramma di base dei rischi e delle cause di incendio (Safety Hazard) di una cella agli ioni di litio da del 2018.
Poiché, a seconda della struttura chimica della cella agli ioni di litio, ci sono differenze nelle caratteristiche di autodisparito della cella, ci soffermeremo sul processo descritto nell'articolo relativo alla cella in ossido di litio-nichel-cobalto-alluminio (basata su LiNiCoAIO2) o NCA.
Il processo di evoluzione di un incidente in una cella può essere suddiviso in tre fasi:
- fase 1 (Inizio). Funzionamento normale della cella, quando il gradiente di aumento della temperatura non supera 0,2 °C al minuto e la temperatura della cella non supera i 130-200 °C a seconda della struttura chimica della cella;
- fase 2, riscaldamento (Accelerazione). In questa fase la temperatura aumenta, il gradiente di crescita della temperatura aumenta rapidamente e si verifica un attivo rilascio di energia termica. In generale, questo processo è accompagnato dall'emissione di gas. L'eccesso di emissione di gas deve essere compensato dall'attivazione della valvola di sicurezza;
- fase 3, aumento termico (Andamento delle temperature). Riscaldamento della batteria oltre i 180-200 gradi. In questo caso, il materiale del catodo entra in reazione di disporzionamento e rilascia ossigeno. Questo è il livello di aumento termico, poiché in questo caso può verificarsi una miscela di gas infiammabili con ossigeno, che porterà all'autoaccensione. Tuttavia, questo processo in alcuni casi può essere controllato, cioè – al variare delle condizioni esterne, l'aumento termico in alcuni casi si interrompe senza conseguenze fatali per l'ambiente circostante. L'integrità e la funzionalità della cella di litio stessa dopo questi eventi non sono considerate.
La temperatura di aumento termico dipende dalle dimensioni della cella, dalla sua struttura e dal materiale. La temperatura di aumento termico può variare da 130 a 200 gradi Celsius. Il tempo di aumento termico può essere diverso e va da minuti, a ore, fino a giorni…
E per quanto riguarda le celle di tipo LMO/NMC nei gruppi di continuità a litio?
– Per prevenire il contatto dell'anodo con l'elettrolita, viene utilizzato uno strato ceramico nella cella (SFL). Il blocco del movimento degli ioni di litio avviene a 130 °C.
– In aggiunta alla valvola di ventilazione di sicurezza, viene utilizzato un sistema di protezione contro la sovraccarica (Over Charge Device, OSD), che opera in coppia con un fusibile interno e disattiva la cella danneggiata, impedendo di portare il processo di aumento termico a valori pericolosi. Inoltre, l'attivazione del sistema interno OSD avverrà prima, al raggiungimento della pressione di 3,5 kg/cm2, cioè, la metà della pressione di attivazione della valvola di sicurezza della cella.
A proposito, il fusibile della cella si attiverà con correnti superiori a 2500 A in un tempo non superiore a 2 secondi. Supponiamo che il gradiente di temperatura abbia raggiunto 10 gr.C/min. In 10 secondi la cella potrà aumentare la sua temperatura di circa 1,7 gradi, rimanendo in modalità accelerazione.
– Il separatore a tre strati nella cella in modalità di ricarica garantirà il blocco del passaggio degli ioni di litio verso l'anodo della cella. La temperatura di blocco è di 250 gr.C.
Ora vediamo quali sono le temperature della cella; confrontiamo in quali fasi si attivano diversi tipi di protezione a livello di cella.
— sistema OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= pressione esterna
Protezione aggiuntiva contro le sovracorrenti.
— valvola di sicurezza 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= pressione esterna
— fusibile all'interno della cella 2 secondi a 2500A (modalità di sovraccarico)
Il rischio di accelerazione termica della cella dipende direttamente dal grado/livello di carica della cella, maggiori informazioni qui…Consideriamo l'effetto del livello di carica della cella nel contesto dei rischi di accelerazione termica. Esaminiamo la tabella di corrispondenza della temperatura della cella in base al parametro SOC (State of Charge, stato di carica della batteria).
Il grado di carica della batteria è misurato in percentuali e indica quale parte della carica totale rimane ancora immagazzinata nella batteria. In questo caso stiamo considerando la modalità di ricarica della batteria. Si può concludere che a seconda della composizione chimica della cella di litio, la batteria può comportarsi in modo diverso durante la ricarica e avere diversa propensione all'accelerazione termica. Ciò è dovuto alla diversa capacità specifica (Ah/grammo) dei vari tipi di celle Li-Ion. Maggiore è la capacità specifica della cella, più rapido sarà il rilascio di calore durante la ricarica.
Inoltre, con il 100% di SOC, un corto circuito esterno porta spesso a un'accelerazione termica della cella. D'altra parte, quando la cella ha un livello di carica del 80% SOC, la temperatura massima all'inizio dell'accelerazione termica della cella si sposta verso l'alto. La cella diventa più resistente alle modalità di guasto.
E, infine, per il 70% di SOC, i cortocircuiti esterni possono non essere affatto causa di accelerazione termica. Cioè, il rischio di infiammabilità della cella diminuisce notevolmente, e lo scenario più probabile è solo l'attivazione della valvola di sicurezza della batteria al litio.
Inoltre, dalla tabella si può concludere che le batterie LFP (curva viola) di solito mostrano un'inclinazione ripida nell'aumento della temperatura, cioè la fase di "riscaldamento" passa dolcemente alla fase di "accelerazione termica", e la stabilità di questo sistema rispetto alla sovraccarica è leggermente inferiore. Le batterie di tipo LMO, come vediamo, presentano una caratteristica di riscaldamento più graduale durante la ricarica.
IMPORTANTE: quando il sistema OSD si attiva, la cella viene bypassata. In questo modo, la tensione sul rack diminuisce, ma rimane in funzione e invia un segnale al sistema di monitoraggio dell'UPS tramite il sistema BMS dello stesso rack. In caso di un sistema UPS classico con batterie VRLA, un cortocircuito o un'interruzione all'interno di una batteria nella stringa può portare al guasto dell'UPS nel complesso e alla perdita di operatività dell'attrezzatura IT.
Alla luce di quanto sopra, per l'uso di soluzioni litio nei UPS rimangono rilevanti i rischi:
- Accelerazione termica della cella, modulo a causa di un cortocircuito esterno – diversi livelli di protezione.
- Accelerazione termica della cella, modulo a causa di un malfunzionamento interno della batteria – diversi livelli di protezione a livello di cella, modulo.
- Sovraccarica – protezione tramite BMS più tutti i livelli di protezione del rack, modulo, cella.
- Danno meccanico – non rilevante per il nostro caso, il rischio di evento è nullo.
- Surriscaldamento del rack e di tutte le batterie (moduli, celle). Non critico fino a 70-90 gradi. Se la temperatura nella sala degli UPS supera questi valori, significa che c'è già un incendio nell'edificio. In normali condizioni operative dei Data Center, il rischio di evento è nullo.
- Riduzione della durata delle batterie a temperature elevate – è consentito il funzionamento prolungato a temperature fino a 40 gradi senza un notevole abbattimento della durata delle batterie. Le batterie al piombo sono molto sensibili a qualsiasi incremento di temperatura e riducono la loro durata residua in modo proporzionale all’aumento della temperatura.
Diamo un'occhiata al diagramma dei rischi di incidenti con batterie agli ioni di litio nel nostro caso di utilizzo nei Data Center, server. Semplifichiamo un po' il diagramma, poiché gli UPS a litio saranno utilizzati in condizioni ideali, se confrontiamo le condizioni di lavoro delle batterie nel tuo gadget, telefono.
CONCLUSIONE: Le batterie specializzate agli ioni di litio per i gruppi di continuità nei data center e nei server offrono un adeguato livello di protezione contro situazioni impreviste, e la soluzione complessiva con un’ampia varietà di gradi di protezione e oltre cinque anni di esperienza nell’utilizzo di queste soluzioni permette di parlare di un alto livello di sicurezza delle nuove tecnologie. Inoltre, non bisogna dimenticare che l'uso delle batterie agli ioni di litio nel nostro settore avviene in condizioni «controlled», a differenza del tuo smartphone in tasca, le batterie nei data center non vengono lasciate cadere, surriscaldate, scaricate quotidianamente o utilizzate intensamente in modalità di riserva.
Per conoscere i dettagli e discutere una soluzione specifica che utilizza batterie agli ioni di litio per il tuo server o data center, puoi inviare una richiesta via email , oppure facendo una richiesta sul sito dell'azienda .
TECNOLOGIE APERTE – soluzioni integrate affidabili da leader mondiali, adattate specificamente ai tuoi obiettivi e necessità.
Autore: Oleg Kulikov
Ingegnere capo progettista
Dipartimento delle soluzioni integrate
Azienda Tecnologie Aperte
Solo gli utenti registrati possono partecipare al sondaggio. , per favore.
Qual è la tua opinione in merito alla sicurezza e all’applicabilità delle soluzioni industriali basate su tecnologie agli ioni di litio?
16,2%Pericolosa, si auto-ignita, non la metterei mai nel mio server.11
10,3%Non mi interessa, così cambiamo periodicamente le batterie tradizionali e va tutto bene.7
16,2%Devo pensarci, forse è sicuro e promettente.11
23,5%È interessante, esaminerò le possibilità.16
13,2%Mi interessa! Investire una volta – e non preoccuparsi di compromettere l'intero data center a causa del guasto di una batteria al piombo.9
20,6%Interessante! I vantaggi sono molti di più rispetto agli svantaggi e ai rischi.14
68 utenti hanno votato. 25 utenti si sono astenuti.
Fonte: habr.com
