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 chiarire le differenze tra le soluzioni industriali al litio per UPS e le batterie dei vostri dispositivi, come variano le condizioni di utilizzo delle batterie nei server, perché in uno smartphone la batteria Li-Ion dura al massimo 2-3 anni, mentre in un data center questo numero può arrivare a 10 anni o più. Perché i rischi di incendi del litio nei data center/server sono minimi.
Sì, gli incidenti con le batterie UPS possono avvenire indipendentemente dal tipo di accumuli energetici, ma il mito della «pericolosità incendiaria» delle soluzioni industriali al litio non corrisponde alla realtà.
Infatti, molti hanno visto quel con batteria al litio in un'auto in movimento, giusto? Quindi, vediamo, analizziamo, confrontiamo…
Qui vediamo un caso tipico di auto-riscaldamento incontrollato, un'overheating della batteria del telefono, che ha portato a tale incidente. Direte: ECCO! Questo è solo un telefono, solo un folle installerebbe qualcosa di simile in un server!
Sono sicuro che, dopo aver studiato questo materiale, il lettore cambierà idea su questo argomento.
Situazione attuale del mercato dei data center
Non è un segreto che la costruzione di un data center rappresenti un investimento a lungo termine. Il costo delle sole attrezzature ingegneristiche può rappresentare il 50% del totale degli investimenti di capitale. L'orizzonte di recupero è di circa 10-15 anni. Nasce quindi il desiderio di ridurre il costo totale di proprietà durante l'intero ciclo di vita del data center, liberando arie per il carico utile e ottimizzando le attrezzature ingegneristiche.
La soluzione ottimale sono gli UPS industriali di nuova generazione basati su batterie Li-Ion, che hanno ormai superato le 'malattie infantili' come l'infiammabilità, algoritmi di carica-scarica errati e sono dotati di numerosi meccanismi di protezione.
Con l'aumento delle potenzialità delle attrezzature informatiche e di rete cresce la domanda di UPS. Allo stesso tempo, aumentano le richieste riguardo il tempo di autonomia delle batterie 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 DGUs.
A nostro avviso, ci sono due principali motivi:
- La rapida crescita dei volumi di informazioni elaborate e trasmesse.
Ad esempio, , che
devono essere conservate e elaborate. - L'aumento della dinamica del consumo di energia elettrica. Nonostante la tendenza generale alla riduzione del consumo energetico delle attrezzature IT, si verifica una diminuzione del consumo energetico specifico dei componenti elettronici.
Il grafico del consumo energetico di un solo data center attivo.
Questa stessa tendenza è mostrata dalle previsioni del mercato dei data center nel nostro paese.Secondo il sito, il numero totale di posti in rack messi in servizio supera i 20.000. «Il numero di posti in rack messi in servizio dai 20 principali fornitori di servizi di data center è aumentato del 3% nel 2017, raggiungendo 22.400 (dati al 1 ottobre 2017)», afferma il report di CNews Analytics. Secondo le stime delle società di consulenza, entro il 2021 si prevede che il numero di posti in rack aumenti a 49.000. Questo significa che, nei prossimi due anni, la reale capacità dei data center potrebbe raddoppiare. Da cosa dipende? Principalmente dalla crescita del volume delle informazioni: sia quelle archiviate che quelle elaborate.
Oltre al cloud, gli operatori identificano nello sviluppo delle capacità dei data center nelle regioni un punto di crescita: questo è l'unico segmento in cui esiste ancora un margine per lo sviluppo del business. Secondo IKS-Consulting, nel 2016 solo il 10% di tutte le risorse offerte sul mercato era localizzato nelle regioni, mentre la capitale e la regione di Mosca rappresentavano il 73% del mercato e San Pietroburgo e la regione di Leningrado il 17%. Nelle regioni continua a persistere una carenza di risorse nei data center con alti livelli di disponibilità.
Entro il 2025, secondo le previsioni, il volume totale di dati nel mondo aumenterà di dieci volte rispetto al 2016.
Quanto è sicuro il litio per gli UPS nei server o nei data center?
Svantaggio: alto costo delle soluzioni Li-Ion.
Il costo delle batterie agli ioni di litio rimane ancora elevato rispetto alle soluzioni standard. Secondo le stime di SE, i costi iniziali per potenti UPS superiori a 100 kVA per le soluzioni Li-Ion saranno superiori di 1,5 volte, ma alla fine il risparmio totale si attesterà tra il 30% e il 50%. Se confrontiamo con il complesso militare-industriale di altri paesi, ecco la notizia del lancio della con batterie Li-Ion. Spesso, in queste soluzioni, si utilizzano batterie al litio-ferro-fosfato (nella foto - LFP) per il loro costo relativamente basso e la maggiore sicurezza.
L'articolo menziona che sono stati spesi 100 milioni di dollari per le nuove batterie della sottomarina, cerchiamo di convertire in altre grandezze...4.2 mila tonnellate di dislocamento subacqueo per il sottomarino giapponese. Dislocamento in superficie - 2,95 mila tonnellate. Generalmente, il 20-25% del peso della nave è costituito da batterie. Quindi, prendiamo circa 740 tonnellate - batterie al piombo-acido. In seguito: il peso del litio è circa 1/3 rispetto alle batterie al piombo-acido -> 246 tonnellate di litio. A 70 kWh/kg per Li-Ion otteniamo circa 17 MWh di potenza per il pacco batteria. E la differenza nel peso delle batterie è di circa 495 tonnellate… Qui non consideriamo , per le quali un sottomarino ha bisogno di 14,5 tonnellate di argento, e per costo superano le batterie al piombo-acido di 4 volte. Ricordo che le batterie Li-Ion ora costano solo 1,5-2 volte in più rispetto alle batterie VRLA, a seconda della potenza della soluzione.
E per quanto riguarda i giapponesi? Si sono ricordati troppo tardi che "alleggerire la nave" di 700 tonnellate comporta cambiamenti nelle sue qualità di navigabilità e stabilità... Probabilmente hanno dovuto aggiungere armamenti a bordo per ripristinare i valori di progettazione della distribuzione del peso della nave.
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 riprogettato per mantenere il galleggiamento e la stabilità.
In Giappone sono stati sviluppati e messi in servizio due tipi di batterie agli ioni di litio: l'ossido di litio-nichel-cobalto-alluminio (NCA) della GS Yuasa e l'ossido di litio-titanio (LTO) della Toshiba. La flotta giapponese utilizzerà le batterie di tipo NCA, mentre, secondo Kobayashi, per l'uso su sottomarini di tipo Soryu, nel recente appalto sono state proposte batterie di tipo LTO.
Considerando la particolare attenzione alla sicurezza nel Paese del Sol Levante, si può supporre che le questioni di sicurezza relative al litio siano state risolte, testate e certificate.
Rischio: infiammabilità.
Qui approfondiremo l'obiettivo della pubblicazione, poiché ci sono opinioni diametralmente opposte sulla sicurezza di queste soluzioni. Ma questo è tutto lirismo; quali sono le nostre soluzioni industriali concrete?
Le questioni di sicurezza sono già state trattate nel nostro , ma fermiamoci di nuovo su questo argomento. Rivolgiamoci all'immagine, dove è stato considerato il livello di protezione del modulo e della cella LMO/NMC della batteria prodotta da Samsung SDI e utilizzata nel sistema UPS di Schneider Electric.
I processi chimici sono stati discussi nell'articolo dell'utente . Cerchiamo di comprendere i rischi potenziali nel nostro caso specifico e di confrontarli con la protezione multilivello delle celle Samsung SDI, che fanno parte della batteria Li-Ion Type G in una soluzione integrata basata su Galaxy VM.
Iniziamo con un diagramma generale dei rischi e delle cause di incendio delle celle al litio-ionico.
Sotto il spoiler puoi studiare le domande teoriche sui rischi di incendio delle batterie al litio-ionico e la fisica dei processiIl diagramma iniziale dei rischi e delle cause di incendio (Safety Hazard) della cella al litio-ionico tratto da del 2018.
Poiché le caratteristiche di surriscaldamento delle celle agli ioni di litio variano in base alla loro struttura chimica, ci concentreremo sul processo descritto nell'articolo per le celle di litio-nichel-cobalto-alluminio (basate su LiNiCoAIO2) o NCA.
Il processo di sviluppo di un incidente nella cella può essere suddiviso in tre fasi:
- fase 1 (Onset). Funzionamento normale della cella, quando il gradiente di aumento della temperatura non supera 0,2 °C al minuto e la temperatura stessa non supera i 130-200 °C a seconda della struttura chimica della cella;
- fase 2, riscaldamento (Acceleration). 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 bilanciato dall'attivazione della valvola di sicurezza;
- fase 3, runaway termico. Riscaldamento della batteria oltre i 180-200 gradi. In questo caso, il materiale del catodo reagisce con la disproporzionamento e rilascia ossigeno. Questo è il livello di runaway termico, poiché può verificarsi una miscela di gas infiammabili con ossigeno, causando auto-ignizione. Tuttavia, questo processo può a volte essere controllato; in altre parole, modificando le condizioni esterne, il runaway termico può cessare senza conseguenze fatali per l'ambiente circostante. L'integrità e la funzionalità della cella agli ioni di litio dopo questi eventi non è considerata.
La temperatura di runaway termico dipende dalle dimensioni della cella, dalla sua costruzione e dai materiali. La temperatura di runaway termico può variare da 130 a 200 gradi Celsius. Il tempo di runaway termico può variare, da minuti a ore, o addirittura giorni...
E per quanto riguarda le celle di tipo LMO/NMC nelle UPS agli ioni di 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 gradi C.
– In aggiunta alla valvola di ventilazione di sicurezza, viene utilizzato un sistema di protezione contro la sovraccarica (Over Charge Device, OSD), che lavora insieme a un fusibile interno e disattiva la cella danneggiata, evitando di portare il processo di runaway termico a valori pericolosi. Inoltre, l'attivazione del sistema OSD interno avverrà prima, al raggiungimento della pressione di 3,5 kgf/cm2, cioè la metà rispetto alla pressione di attivazione della valvola di sicurezza della cella.
A proposito, il fusibile della cella si attiverà a correnti superiori a 2500 A in non più di 2 secondi. Supponiamo che il gradiente di temperatura abbia raggiunto 10 °C/min. In 10 secondi, la cella riuscirà ad aumentare la propria temperatura di circa 1,7 gradi, rimanendo in modalità di accelerazione.
– Il separatore a tre strati nella cella in modalità di sovraccarica garantirà il blocco del passaggio degli ioni di litio verso l'anodo della cella. La temperatura di blocco è di 250 °C.
Ora vediamo qual è la temperatura della cella; compariamo in quali fasi si attivano i diversi tipi di protezione a livello della cella.
— sistema OSD – 3,5±0,1 kgf/cm2 <= pressione esterna
Protezione aggiuntiva contro 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 runaway termico della cella dipende direttamente dal livello di carica della cella, maggiori dettagli qui…Esaminiamo l'effetto del livello di carica della cella nel contesto dei rischi di runaway termico. Consideriamo la tabella di corrispondenza tra la temperatura della cella e il parametro SOC (State of Charge, stato di carica della batteria).
Il livello di carica della batteria è misurato in percentuale e indica quale parte della carica totale resta immagazzinata nella batteria. In questo caso stiamo esaminando la modalità di sovraccarica della batteria. Si può concludere che, a seconda della composizione chimica della cella litio, la batteria può comportarsi in modo diverso durante la sovraccarica e presentare una diversa propensione al runaway termico. 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 sovraccarica.
Inoltre, a 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 dell'80% di SOC, la temperatura massima di inizio dell'accelerazione termica si sposta verso l'alto. La cella diventa più resistente alle modalità di guasto.
E, infine, per il 70% di SOC i corti circuiti esterni possono non essere affatto la causa dell'accelerazione termica. Cioè, il rischio di incendio della cella si riduce notevolmente, e lo scenario più probabile è solo l'attivazione della valvola di sicurezza della batteria agli ioni di litio.
Inoltre, dalla tabella si può dedurre che le batterie LFP (curva viola) hanno generalmente una ripida inclinazione nell'aumento della temperatura, cioè, la fase di 'riscaldamento' passa gradualmente alla fase di 'accelerazione termica', e la stabilità di questo sistema contro la sovraccarica è leggermente inferiore. Le batterie di tipo LMO, come vediamo, hanno una caratteristica di riscaldamento più dolce durante la sovraccarica.
IMPORTANTE: In caso di attivazione del sistema OSD, la cella viene bypassata. Di conseguenza, si riduce la tensione sull'armadio, ma rimane operativa e invia un segnale al sistema di monitoraggio dell'UPS tramite il sistema BMS dell'armadio stesso. In un sistema UPS classico con batterie VRLA, un corto circuito o un guasto all'interno di una singola batteria nella stringa può portare al fallimento dell'UPS nel suo complesso e alla perdita di operatività delle apparecchiature IT.
Da quanto detto sopra, per l'uso di soluzioni al litio negli UPS rimangono rilevanti i rischi:
- Crescita termica della cella, del modulo a causa di un corto circuito esterno – più livelli di protezione.
- Crescita termica della cella, del modulo a causa di un guasto interno della batteria – più livelli di protezione a livello di cella, modulo.
- Sovraccarico – protezione tramite BMS più tutti i livelli di protezione dell'armadio, del modulo, della cella.
- Danno meccanico – non pertinente nel nostro caso, il rischio è trascurabile.
- Surriscaldamento del rack e di tutte le batterie (moduli, celle). Non critico fino a 70-90 gradi. Se la temperatura nella sala dove è installato l'UPS supera questi valori, significa che c'è già un incendio nell'edificio. In normali condizioni operative, il rischio di un evento è trascurabile.
- Riduzione della durata delle batterie a temperature ambientali elevate – è consentito un funzionamento prolungato a temperature fino a 40 gradi senza una riduzione significativa della durata delle batterie. Le batterie al piombo sono molto sensibili a qualsiasi aumento di temperatura e riducono la loro capacità residua in modo proporzionale all'aumento della temperatura.
Diamo un'occhiata al diagramma dei rischi di guasto delle batterie agli ioni di litio nel nostro caso d'uso nel data center, server room. Semplifichiamo un po' lo schema, poiché gli UPS al litio saranno utilizzati in condizioni ideali, se confrontate con le condizioni operative delle batterie nel vostro gadget, telefono.
CONCLUSIONE: Le batterie al litio specializzate per UPS di data center e server offrono un adeguato livello di protezione contro situazioni straordinarie. Inoltre, in una soluzione complessiva, una grande varietà di gradi di protezione e oltre cinque anni di esperienza nell'uso di queste soluzioni permettono di affermare un alto livello di sicurezza delle nuove tecnologie. Inoltre, è importante sottolineare che l'utilizzo delle batterie al litio nel nostro settore rappresenta condizioni 'di serra' per le tecnologie Li-Ion: a differenza dello smartphone che si ha in tasca, la batteria in un data center non verrà mai fatta cadere, surriscaldata, scaricata quotidianamente o utilizzata attivamente in modalità di backup.
Per scoprire ulteriori dettagli e discutere una soluzione specifica utilizzando batterie al litio per il tuo server o data center, puoi inviare una richiesta all'indirizzo email , oppure effettuare una richiesta sul sito dell'azienda .
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Autore: Oleg Kulikov
Ingegnere progettista senior
Dipartimento delle soluzioni integrate
Azienda Open Technologies
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Qual è la vostra opinione sulla sicurezza e l'applicabilità delle soluzioni industriali basate sulla tecnologia Li-Ion?
16,2%È pericoloso, si autoaccende, non lo metterò mai nel mio server.11
10,3%Non mi interessa, di tanto in tanto cambiamo comunque le batterie tradizionali e va tutto bene.7
16,2%Devo pensarci, potrebbe essere sicuro e promettente.11
23,5%È interessante, valuterò le possibilità.16
13,2%Mi interessa! Investire una sola volta e non temere di compromettere l'intero data center a causa di un guasto di una batteria al piombo.9
20,6%È interessante! I vantaggi superano di gran lunga gli svantaggi e i rischi.14
Hanno votato 68 utenti. 25 utenti si sono astenuti.
Fonte: habr.com
