Ciao amici!
Dopo la pubblicazione dell'articolo Sono stati molti i commenti sui pericoli delle soluzioni agli ioni di litio per server e data center. Pertanto, oggi proveremo a capire quali sono le differenze tra le soluzioni industriali al litio per un UPS e la batteria del tuo gadget, come differiscono le condizioni operative delle batterie nella sala server, perché in un telefono agli ioni di litio la batteria non dura più di 2-3 anni e in un data center questa cifra aumenterà fino a 10 o più anni. Perché i rischi di incendio dovuti al litio in un data center/sala server sono minimi.
Sì, gli incidenti con le batterie UPS sono possibili indipendentemente dal tipo di dispositivo di accumulo dell’energia, ma il mito del “pericolo di incendio” delle soluzioni industriali al litio non è vero.
Dopotutto, molti lo hanno visto con una batteria al litio in un'auto che circola in autostrada? Quindi vediamo, scopriamolo, confrontiamo...
Qui vediamo un tipico caso di autoriscaldamento incontrollato, fuga termica della batteria del telefono, che ha portato a un simile incidente. Dirai: QUI! È solo un telefono, solo un pazzo metterebbe qualcosa del genere nella sala server!
Sono sicuro che dopo aver studiato questo materiale, il lettore cambierà il suo punto di vista su questo tema.
Situazione attuale nel mercato dei data center
Non è un segreto che costruire un data center sia un investimento a lungo termine. Il prezzo delle sole attrezzature tecniche può rappresentare il 50% del costo di tutti i costi di capitale. L’orizzonte di rimborso è di circa 10-15 anni. Naturalmente, c'è il desiderio di ridurre il costo totale di proprietà durante l'intero ciclo di vita del data center e, allo stesso tempo, anche di compattare le apparecchiature di ingegneria, liberando quanto più spazio possibile per il carico utile.
La soluzione ottimale è una nuova iterazione di UPS industriali basati su batterie agli ioni di litio, che da tempo si sono sbarazzati delle "malattie infantili" sotto forma di rischi di incendio, algoritmi di carica-scarica errati e hanno acquisito una massa di meccanismi protettivi.
Con l'aumento della capacità delle apparecchiature informatiche e di rete, la domanda di UPS è in crescita. Allo stesso tempo, i requisiti di durata della batteria aumentano in caso di problemi con l'alimentazione centralizzata e/o guasti all'avvio di una fonte di alimentazione di riserva nel caso di utilizzo/disponibilità di un gruppo elettrogeno diesel.
Secondo noi le ragioni principali sono due:
- Rapida crescita del volume di informazioni elaborate e trasmesse
Per esempio, che
deve essere salvato ed elaborato. - Crescita della dinamica dei consumi di energia elettrica. Nonostante la tendenza generale a ridurre il consumo energetico delle apparecchiature IT, si riduce il consumo energetico specifico dei componenti elettronici.
Grafico del consumo energetico di un solo data center operativo
La stessa tendenza è dimostrata dalle previsioni del mercato dei data center nel nostro Paese.Secondo il sito"Il numero totale di spazi rack messi in funzione è superiore a 20mila. "Il numero di spazi rack messi in funzione dai 20 maggiori fornitori di servizi di data center nel 2017 è aumentato del 3% e ha raggiunto 22,4mila (dati al 1° ottobre 2017)”, – afferma il rapporto CNews Analytics. Secondo le agenzie di consulenza, entro il 2021 il numero di posti sugli scaffali dovrebbe aumentare a 49mila. Cioè, in due anni la capacità effettiva del data center può raddoppiare. A cosa è collegato questo? Innanzitutto con l’aumento del volume delle informazioni: sia archiviate che elaborate.
Oltre al cloud, gli operatori considerano un punto di crescita lo sviluppo delle capacità dei data center nelle regioni: sono l'unico segmento in cui esiste una riserva per lo sviluppo del business. Secondo IKS-Consulting, nel 2016 le regioni rappresentavano solo il 10% di tutte le risorse offerte 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 si continua a riscontrare una carenza di risorse di data center con un elevato grado di tolleranza agli errori.
Entro il 2025, si prevede che la quantità totale di dati nel mondo aumenterà di 10 volte rispetto al 2016.
Tuttavia, quanto è sicuro il litio per un UPS per server o data center?
Svantaggio: costo elevato delle soluzioni agli ioni di litio.
Il prezzo delle batterie agli ioni di litio è ancora elevato rispetto alle soluzioni standard. Secondo le stime di SE, i costi iniziali per gli UPS ad alta potenza superiori a 100 kVA per le soluzioni agli ioni di litio saranno 1,5 volte superiori, ma alla fine il risparmio sulla proprietà sarà del 30-50%. Se facciamo paragoni con il complesso militare-industriale di altri paesi, ecco la novità sul lancio in con batterie agli ioni di litio. Molto spesso in tali soluzioni vengono utilizzate batterie al litio ferro fosfato (LFP nella foto) per la loro relativa economicità e maggiore sicurezza.
Nell'articolo si dice che sono stati spesi 100 milioni di dollari per nuove batterie per il sottomarino, proviamo a convertirli in altri valori...4,2 mila tonnellate è il dislocamento sott'acqua di un sottomarino giapponese. Dislocamento superficiale: 2,95 mila tonnellate. Di norma, il 20-25% del peso della barca è costituito da batterie. Da qui prendiamo circa 740 tonnellate: batterie al piombo. Inoltre: la massa del litio è circa 1/3 di quella delle batterie al piombo -> 246 tonnellate di litio. A 70 kWh/kg per gli ioni di litio otteniamo circa 17 MWh di potenza della batteria. E la differenza nella massa delle batterie è di circa 495 tonnellate... Qui non prendiamo in considerazione , che richiedono 14,5 tonnellate di argento per sottomarino e costano 4 volte di più delle batterie al piombo. Lascia che ti ricordi che le batterie agli ioni di litio ora costano solo 1,5-2 volte più delle VRLA, a seconda della potenza della soluzione.
E i giapponesi? Si sono ricordati troppo tardi che “alleggerire la barca” di 700 tonnellate comporta un cambiamento nella sua navigabilità e stabilità... Probabilmente hanno dovuto aggiungere armi a bordo per ripristinare la distribuzione del peso di progetto della barca.
Inoltre, le batterie agli ioni di litio pesano meno delle batterie al piombo-acido, quindi il design del sottomarino di classe Soryu ha dovuto essere riprogettato in qualche modo per mantenere zavorra e stabilità.
In Giappone sono stati creati e portati in condizioni operative due tipi di batterie agli ioni di litio: litio-nichel-cobalto-ossido di alluminio (NCA) prodotta da GS Yuasa e titanato di litio (LTO) prodotta da Toshiba Corporation. La marina giapponese utilizzerà batterie NCA, mentre all’Australia sono state offerte batterie LTO da utilizzare sui sottomarini di classe Soryu in una recente gara d’appalto, secondo Kobayashi.
Conoscendo l'atteggiamento riverente nei confronti della sicurezza nel Paese del Sol Levante, possiamo supporre che i problemi di sicurezza del litio siano stati risolti, testati e certificati.
Rischio: pericolo di incendio.
Qui scopriremo lo scopo della pubblicazione, poiché ci sono opinioni diametralmente opposte sulla sicurezza di queste soluzioni. Ma questa è tutta retorica, ma per quanto riguarda le soluzioni industriali specifiche?
Abbiamo già trattato delle questioni di sicurezza nel ns , ma soffermiamoci ancora su questo tema. Passiamo alla figura, che ha esaminato il livello di protezione del modulo e della cella LMO/NMC della batteria prodotta da Samsung SDI e utilizzata come parte dell'UPS Schneider Electric.
I processi chimici sono stati discussi nell'articolo dell'utente . Proviamo a comprendere i possibili rischi nel nostro caso particolare e confrontiamoli con la protezione multilivello nelle celle Samsung SDI, che sono parte integrante di un rack agli ioni di litio di tipo G già pronto come parte di una soluzione completa basata su Galaxy VM .
Cominciamo con un diagramma di flusso generale dei rischi e delle cause di incendio in una cella agli ioni di litio.
Sotto lo spoiler puoi studiare le questioni teoriche sui rischi di incendio delle batterie agli ioni di litio e la fisica dei processiSchema a blocchi iniziale dei rischi e delle cause di incendio (Safety Hazard) di una cella agli ioni di litio da anni 2018.
Poiché a seconda della struttura chimica della cella agli ioni di litio ci sono differenze nelle caratteristiche di fuga termica della cella, qui ci concentreremo sul processo descritto nell'articolo in una cella al litio-nichel-cobalto-alluminio (basata su LiNiCoAIO2) o NCA.
Il processo di sviluppo di un incidente in una cella può essere suddiviso in tre fasi:
- fase 1 (esordio). Funzionamento normale della cella quando il gradiente di aumento della temperatura non supera 0,2 gradi Celsius al minuto e la temperatura della cella stessa non supera 130-200 gradi Celsius, a seconda della struttura chimica della cella;
- fase 2, riscaldamento (Accelerazione). In questa fase, la temperatura aumenta, il gradiente di temperatura aumenta rapidamente e l'energia termica viene rilasciata attivamente. In generale, questo processo è accompagnato dal rilascio di gas. L'eccessiva evoluzione del gas deve essere compensata mediante l'azionamento della valvola di sicurezza;
- fase 3, fuga termica (Runaway). Riscaldamento della batteria oltre 180-200 gradi. In questo caso, il materiale del catodo entra in una reazione di sproporzione e rilascia ossigeno. Questo è il livello di fuga termica, poiché in questo caso potrebbe verificarsi una miscela di gas infiammabili con ossigeno, che causerà una combustione spontanea. Tuttavia, questo processo in alcuni casi può essere controllato, leggi: quando cambia il regime dei fattori esterni, la fuga termica in alcuni casi si interrompe senza conseguenze fatali per lo spazio circostante. La funzionalità e le prestazioni della cella al litio stessa dopo questi eventi non vengono prese in considerazione.
La temperatura di fuga termica dipende dalle dimensioni della cella, dal design della cella e dal materiale. La temperatura di fuga termica può variare da 130 a 200 gradi Celsius. Il tempo di fuga termica può variare e variare da minuti, ore o addirittura giorni...
Che dire delle celle di tipo LMO/NMC negli UPS agli ioni di litio?
– Per evitare il contatto dell'anodo con l'elettrolita, come parte della cella viene utilizzato uno strato ceramico (SFL). Il movimento degli ioni di litio è bloccato a 130 gradi Celsius.
– Oltre alla valvola di sfiato protettiva, viene utilizzato un sistema di protezione Over Charge Device (OSD), che funziona insieme a un fusibile interno e spegne la cella danneggiata, impedendo al processo di instabilità termica di raggiungere livelli pericolosi. Inoltre, il sistema OSD interno si attiverà prima, quando la pressione raggiunge i 3,5 kgf/cm2, cioè la metà in meno della pressione di risposta della valvola di sicurezza della cella.
A proposito, il fusibile della cella funzionerà con correnti superiori a 2500 A in non più di 2 secondi. Supponiamo che il gradiente di temperatura raggiunga una lettura di 10 gradi C/min. In 10 secondi, la cella avrà il tempo di aggiungere circa 1,7 gradi alla sua temperatura mentre è in modalità overclocking.
– Un separatore a tre strati nella cella in modalità di ricarica bloccherà la transizione degli ioni di litio verso l’anodo della cella. La temperatura di blocco è di 250 gradi Celsius.
Vediamo ora cosa abbiamo con la temperatura della cella; Confrontiamo in quali fasi vengono attivati i diversi tipi di protezione a livello cellulare.
— 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 interno alla cella 2 secondi a 2500A (modalità sovracorrente)
Il rischio di fuga termica di una cella dipende direttamente dal grado/livello di carica della cella, maggiori dettagli qui...Consideriamo l'effetto del livello di carica delle celle nel contesto dei rischi di fuga termica. Consideriamo la tabella di corrispondenza tra la temperatura della cella ed il parametro SOC (State of Charge, grado di carica della batteria).
Il livello di carica della batteria viene misurato in percentuale e mostra quanta 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 chimica della cella al litio, la batteria può comportarsi diversamente in caso di sovraccarico e avere una diversa suscettibilità alla fuga termica. Ciò è dovuto alla diversa capacità specifica (A*h/grammo) dei diversi tipi di celle agli ioni di litio. Maggiore è la capacità specifica della cella, più rapido sarà il rilascio del calore durante la ricarica.
Inoltre, al 100% del SOC, un cortocircuito esterno spesso provoca un instabilità termica della cella. D'altra parte, quando la cella è all'80% SOC, la temperatura massima di fuga termica della cella si sposta verso l'alto. La cellula diventa più resistente alle condizioni di emergenza.
Infine, per il 70% del SOC, i cortocircuiti esterni potrebbero non causare alcun instabilità termica. Ciò significa che il rischio di accensione delle celle è notevolmente ridotto e lo scenario più probabile è solo il funzionamento della valvola di sicurezza della batteria al litio.
Inoltre, dalla tabella possiamo concludere che l'LFP (curva viola) di una batteria di solito presenta un forte aumento della temperatura, cioè la fase di "riscaldamento" passa dolcemente alla fase di "fuga termica" e la stabilità di questo sistema di sovraccarico è leggermente peggiore. Le batterie LMO, come vediamo, hanno una caratteristica di riscaldamento più uniforme durante la ricarica.
IMPORTANTE: Quando il sistema OSD viene attivato, la cella viene reimpostata su bypass. In questo modo la tensione sul rack viene ridotta, ma questo rimane in funzione e fornisce un segnale al sistema di monitoraggio dell'UPS attraverso il sistema BMS del rack stesso. Nel caso di un classico sistema UPS con batterie VRLA, un cortocircuito o un'interruzione all'interno di una batteria di una stringa può portare al guasto dell'intero UPS e alla perdita di funzionalità delle apparecchiature IT.
Sulla base di quanto sopra, nel caso di utilizzo di soluzioni al litio negli UPS, rimangono rilevanti i seguenti rischi:
- Instabilità termica di una cella o di un modulo a causa di un cortocircuito esterno: diversi livelli di protezione.
- Instabilità termica di una cella o di un modulo a causa di un malfunzionamento della batteria interna: diversi livelli di protezione a livello di cella o di modulo.
- Sovraccarico: protezione tramite BMS più tutti i livelli di protezione per rack, modulo, cella.
- Il danno meccanico non è rilevante nel nostro caso, il rischio dell'evento è trascurabile.
- Surriscaldamento del rack e di tutte le batterie (moduli, celle). Acritico fino a 70-90 gradi. Se la temperatura nel locale di installazione dell'UPS supera questi valori significa che nell'edificio è presente un incendio. Nelle normali condizioni operative del data center, il rischio di un evento è trascurabile.
- Durata della batteria ridotta a temperature ambiente elevate: è consentito il funzionamento a lungo termine a temperature fino a 40 gradi senza una notevole diminuzione della durata della batteria. Le batterie al piombo sono molto sensibili ad ogni aumento di temperatura e riducono la loro vita residua in modo proporzionale all'aumento della temperatura.
Diamo un'occhiata a un diagramma di flusso del rischio di incidenti con le batterie agli ioni di litio nel nostro data center, caso d'uso della sala server. Semplifichiamo un po 'il diagramma, perché gli UPS al litio funzioneranno in condizioni ideali, se confrontiamo le condizioni operative delle batterie del tuo gadget, telefono.
CONCLUSIONE: Batterie al litio specializzate per data center e sale server Gli UPS hanno un livello sufficiente di protezione contro le situazioni di emergenza e, in una soluzione completa, un gran numero di diversi gradi di protezione e più di cinque anni di esperienza nell'utilizzo di queste soluzioni ci consentono di parlare di un elevato livello di sicurezza delle nuove tecnologie. Tra l'altro, non bisogna dimenticare che il funzionamento delle batterie al litio nel nostro settore assomiglia a condizioni “serra” per le tecnologie Li-Ion: a differenza dello smartphone in tasca, nessuno farà cadere la batteria nel data center, si surriscalderà, si scaricherà ogni giorno, utilizzare attivamente in modalità buffer.
Puoi scoprire maggiori dettagli e discutere una soluzione specifica utilizzando batterie agli ioni di litio per la tua sala server o data center inviando una richiesta via e-mail oppure facendone richiesta sul sito aziendale .
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Autore: Kulikov Oleg
Ingegnere progettista leader
Dipartimento Soluzioni di integrazione
Azienda di tecnologie aperte
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Qual è la tua opinione sulla sicurezza e sull'applicabilità delle soluzioni industriali basate sulle tecnologie Li-Ion?
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16,2%Pericoloso, autoinfiammabile, in nessun caso lo metterei nella mia sala server.11
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10,3%Questo non mi interessa, quindi cambiamo periodicamente le batterie classiche e va tutto bene.7
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16,2%Dobbiamo pensare se potrebbe essere sicuro e promettente.11
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23,5%Interessante, esaminerò le possibilità.16
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13,2%Interessato! Investi una volta e non aver paura di sovraccaricare l'intero data center a causa del guasto di una batteria al piombo.9
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20,6%Interessante! I vantaggi superano di gran lunga gli svantaggi e i rischi.14
68 utenti hanno votato. 25 utenti si sono astenuti.
Fonte: habr.com