Goed, goed!
Nadat het artikel is gepubliceerd Er zijn veel opmerkingen gemaakt over de gevaren van Li-Ion-oplossingen voor server- en datacenters. Daarom zullen we vandaag proberen erachter te komen wat de verschillen zijn tussen industriële lithiumoplossingen voor een UPS en de batterij in uw gadget, hoe de bedrijfsomstandigheden van batterijen in een serverruimte verschillen, waarom in een Li-Ion-telefoon de batterij niet meegaat meer dan 2-3 jaar, en in een datacenter zal dit cijfer oplopen tot 10 of meer jaar. Waarom de risico's van lithiumbrand in een datacenter/serverruimte minimaal zijn.
Ja, ongelukken met UPS-batterijen zijn mogelijk, ongeacht het type energieopslagapparaat, maar de mythe van het ‘brandgevaar’ van industriële lithiumoplossingen is niet waar.
Velen hebben dat immers gezien met een lithiumbatterij in een auto die over de snelweg rijdt? Laten we eens kijken, uitzoeken, vergelijken...
Hier zien we een typisch geval van ongecontroleerde zelfverhitting, thermische overstroming van de telefoonbatterij, wat tot een dergelijk incident heeft geleid. Je zult zeggen: HIER! Het is maar een telefoon, alleen een gek zou zoiets in de serverruimte zetten!
Ik ben er zeker van dat de lezer na het bestuderen van dit materiaal zijn standpunt over deze kwestie zal veranderen.
Huidige situatie op de datacentermarkt
Het is geen geheim dat het bouwen van een datacenter een langetermijninvestering is. Alleen al de prijs van technische apparatuur kan 50% van de kosten van alle kapitaalkosten bedragen. De terugverdientijd bedraagt ongeveer 10 tot 15 jaar. Uiteraard bestaat er een wens om de totale eigendomskosten gedurende de gehele levenscyclus van het datacenter te verlagen, en tegelijkertijd ook de technische apparatuur te comprimeren, waardoor zoveel mogelijk ruimte vrijkomt voor de payload.
De optimale oplossing is een nieuwe iteratie van industriële UPS op basis van Li-Ion-batterijen, die al lang een einde hebben gemaakt aan ‘kinderziektes’ in de vorm van brandgevaar, onjuiste laad-ontlaadalgoritmen, en die een groot aantal beschermende mechanismen hebben verworven.
Met de toename van de capaciteit van computer- en netwerkapparatuur groeit de vraag naar UPS. Tegelijkertijd nemen de eisen aan de levensduur van de batterij toe bij problemen met de gecentraliseerde stroomvoorziening en/of storingen bij het starten van een back-upstroombron bij gebruik/beschikbaarheid van een dieselgeneratorset.
Naar onze mening zijn er twee belangrijke redenen:
- Snelle groei van de hoeveelheid informatie die wordt verwerkt en verzonden
Bijvoorbeeld , welke
moet worden opgeslagen en verwerkt. - Groei in de dynamiek van het elektriciteitsverbruik. Ondanks de algemene trend om het energieverbruik van IT-apparatuur te verminderen, wordt het specifieke energieverbruik van elektronische componenten verminderd.
Energieverbruikgrafiek van slechts één operationeel datacenter
Dezelfde trend blijkt uit de marktvoorspellingen voor datacenters in ons land.Volgens de websitebedraagt het totale aantal rackspaces dat in gebruik is genomen ruim 20 duizend. “Het aantal rackspaces dat in 20 door de 2017 grootste datacenterdienstverleners in gebruik werd genomen, steeg met 3% en bereikte 22,4 duizend (gegevens per 1 oktober 2017),” – zegt het CNews Analytics-rapport. Volgens adviesbureaus zal het aantal rackspaces in 2021 naar verwachting toenemen tot 49 duizend. Dat wil zeggen dat in twee jaar tijd de werkelijke capaciteit van het datacenter kan verdubbelen. Waar is dit mee verbonden? In de eerste plaats door de toename van de hoeveelheid informatie: zowel opgeslagen als verwerkt.
Naast clouds beschouwen spelers de ontwikkeling van datacentercapaciteiten in de regio’s als groeipunten: zij zijn het enige segment waar er een reserve is voor bedrijfsontwikkeling. Volgens IKS-Consulting waren de regio's in 2016 goed voor slechts 10% van alle hulpbronnen die op de markt werden aangeboden, terwijl de hoofdstad en de regio Moskou 73% van de markt bezetten, en St. Petersburg en de regio Leningrad - 17%. In de regio's blijft er een tekort aan datacenterbronnen met een hoge mate van fouttolerantie.
In 2025 zal de totale hoeveelheid data in de wereld naar verwachting tien keer zo groot zijn als in 10.
Maar hoe veilig is lithium voor een server- of datacenter-UPS?
Nadeel: hoge kosten van Li-Ion-oplossingen.
De prijs van lithium-ionbatterijen is nog steeds hoog in vergelijking met standaardoplossingen. Volgens schattingen van SE zullen de initiële kosten voor krachtige UPS'en van meer dan 100 kVA voor Li-Ion-oplossingen anderhalf keer hoger zijn, maar uiteindelijk zullen de besparingen op eigendom 1,5-30% bedragen. Als we vergelijkingen maken met het militair-industriële complex van andere landen, dan is hier het nieuws over de lancering in met Li-Ion-batterijen. Heel vaak worden lithium-ijzerfosfaatbatterijen (LFP op de foto) in dergelijke oplossingen gebruikt vanwege hun relatieve goedkoopheid en grotere veiligheid.
Het artikel vermeldt dat $100 miljoen is uitgegeven aan nieuwe batterijen voor de onderzeeër, laten we proberen dit om te zetten in andere waarden...4,2 duizend ton is de onderwaterverplaatsing van een Japanse onderzeeër. Oppervlakteverplaatsing - 2,95 duizend ton. In de regel bestaat 20-25% van het gewicht van de boot uit batterijen. Vanaf hier nemen we ongeveer 740 ton loodzuuraccu's mee. Verder: de massa van lithium is ongeveer 1/3 van die van loodzuuraccu’s -> 246 ton lithium. Bij 70 kWh/kg voor Li-Ion krijgen we ongeveer 17 MWh batterijvermogen. En het verschil in massa van batterijen is ongeveer 495 ton. Hier houden we geen rekening mee , waarvoor 14,5 ton zilver per onderzeeër nodig is, en vier keer meer kosten dan loodzuurbatterijen. Ik wil u eraan herinneren dat Li-Ion-batterijen nu slechts 4-1,5 keer duurder zijn dan VRLA, afhankelijk van de kracht van de oplossing.
Hoe zit het met de Japanners? Ze herinnerden zich te laat dat “het lichter maken van de boot” met 700 ton een verandering in de zeewaardigheid en stabiliteit met zich meebrengt... Ze moesten waarschijnlijk wapens aan boord toevoegen om de ontwerpgewichtsverdeling van de boot terug te brengen.
Lithium-ionbatterijen wegen ook minder dan loodzuurbatterijen, dus het ontwerp van de onderzeeër van de Soryu-klasse moest enigszins opnieuw worden ontworpen om de ballast en stabiliteit te behouden.
In Japan zijn twee soorten lithium-ionbatterijen gemaakt en operationeel gemaakt: lithium-nikkel-kobalt-aluminiumoxide (NCA) geproduceerd door GS Yuasa en lithiumtitanaat (LTO) geproduceerd door Toshiba Corporation. De Japanse marine zal NCA-batterijen gebruiken, terwijl Australië volgens Kobayashi bij een recente aanbesteding LTO-batterijen kreeg aangeboden voor gebruik op onderzeeërs van de Soryu-klasse.
Als we de eerbiedige houding ten opzichte van de veiligheid in het Land van de Rijzende Zon kennen, kunnen we ervan uitgaan dat de veiligheidsproblemen met lithium zijn opgelost, getest en gecertificeerd.
Risico: brandgevaar.
Dit is waar we het doel van de publicatie zullen achterhalen, aangezien er diametraal tegenovergestelde meningen bestaan over de veiligheid van deze oplossingen. Maar dit is allemaal retoriek, maar hoe zit het met specifieke industriële oplossingen?
We hebben beveiligingskwesties al besproken in onze , maar laten we nog eens bij dit onderwerp stilstaan. Laten we eens kijken naar de figuur, waarin het beschermingsniveau werd onderzocht van de module en de LMO/NMC-cel van de batterij vervaardigd door Samsung SDI en gebruikt als onderdeel van de Schneider Electric UPS.
Chemische processen werden besproken in het gebruikersartikel . Laten we proberen de mogelijke risico's in ons specifieke geval te begrijpen en deze te vergelijken met bescherming op meerdere niveaus in Samsung SDI-cellen, die een integraal onderdeel vormen van een kant-en-klaar Type G Li-Ion-rack als onderdeel van een alomvattende oplossing op basis van Galaxy VM .
Laten we beginnen met een algemeen stroomschema van de risico's en oorzaken van brand in een lithium-ioncel.
Onder de spoiler kun je de theoretische kwesties van brandrisico's van lithium-ionbatterijen en de fysica van processen bestuderenEerste blokdiagram van de risico's en oorzaken van brand (veiligheidsgevaar) van een lithium-ioncel uit 2018 jaar.
Omdat er afhankelijk van de chemische structuur van de lithium-ioncel verschillen zijn in de thermische runaway-eigenschappen van de cel, zullen we ons hier concentreren op het proces dat in het artikel wordt beschreven in een lithium-nikkel-kobalt-aluminium cel (gebaseerd op LiNiCoAIO2) of NCA.
Het proces van het ontwikkelen van een ongeval in een cel kan in drie fasen worden verdeeld:
- fase 1 (begin). Normale werking van de cel wanneer de temperatuurstijgingsgradiënt niet groter is dan 0,2 graden Celsius per minuut en de celtemperatuur zelf niet hoger is dan 130-200 graden Celsius, afhankelijk van de chemische structuur van de cel;
- fase 2, opwarming (versnelling). In dit stadium stijgt de temperatuur, neemt de temperatuurgradiënt snel toe en wordt thermische energie actief vrijgegeven. Over het algemeen gaat dit proces gepaard met het vrijkomen van gassen. Overmatige gasontwikkeling moet worden gecompenseerd door bediening van de veiligheidsklep;
- fase 3, thermische wegloper (Runaway). Batterijverwarming meer dan 180-200 graden. In dit geval gaat het kathodemateriaal een disproportioneringsreactie aan en geeft zuurstof af. Dit is het niveau van thermische overstroming, omdat in dit geval een mengsel van brandbare gassen met zuurstof kan ontstaan, wat tot spontane ontbranding zal leiden. Dit proces kan in sommige gevallen echter worden gecontroleerd, lees: wanneer het regime van externe factoren verandert, stopt de thermische runaway in sommige gevallen zonder fatale gevolgen voor de omringende ruimte. Er wordt geen rekening gehouden met de bruikbaarheid en prestaties van de lithiumcel zelf na deze gebeurtenissen.
De thermische runaway-temperatuur is afhankelijk van de celgrootte, het celontwerp en het materiaal. De thermische op hol geslagen temperatuur kan variëren van 130 tot 200 graden Celsius. De thermische runaway-tijd kan variëren en variëren van minuten, uren of zelfs dagen...
Hoe zit het met cellen van het LMO/NMC-type in lithium-ion-UPS's?
– Om contact van de anode met de elektrolyt te voorkomen, wordt een keramische laag gebruikt als onderdeel van de cel (SFL). De beweging van lithiumionen wordt geblokkeerd bij 130 graden Celsius.
– Naast de beschermende ontluchtingsklep wordt er een Over Charge Device (OSD)-beveiligingssysteem gebruikt, dat in combinatie met een interne zekering werkt en de beschadigde cel uitschakelt, waardoor wordt voorkomen dat het thermische op hol geslagen proces een gevaarlijk niveau bereikt. Bovendien zal het interne OSD-systeem eerder in werking treden, wanneer de druk 3,5 kgf/cm2 bereikt, dat wil zeggen de helft minder dan de reactiedruk van de veiligheidsklep van de cel.
Overigens zal de celzekering bij stromen boven 2500 A binnen maximaal 2 seconden werken. Laten we aannemen dat de temperatuurgradiënt een waarde van 10 graden C/min bereikt. In 10 seconden heeft de cel de tijd om ongeveer 1,7 graden aan de temperatuur toe te voegen in de overklokmodus.
– Een drielaagse separator in de cel in de oplaadmodus blokkeert de overgang van lithiumionen naar de anode van de cel. De blokkeertemperatuur bedraagt 250 graden Celsius.
Laten we nu eens kijken wat we hebben met de celtemperatuur; Laten we eens vergelijken in welke stadia verschillende soorten bescherming op celniveau worden geactiveerd.
— OSD-systeem – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= externe druk
Extra bescherming tegen overstroom.
— veiligheidsklep 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= externe druk
- zekering in de cel 2 seconden bij 2500A (overstroommodus)
Het risico op thermische overstroming van een cel hangt rechtstreeks af van de mate/niveau van lading van de cel, meer details hier...Laten we eens kijken naar het effect van het celladingsniveau in de context van de risico's van thermische runaway. Laten we eens kijken naar de tabel met overeenkomsten tussen de celtemperatuur en de SOC-parameter (State of Charge, mate van lading van de batterij).
Het laadniveau van de accu wordt gemeten als een percentage en geeft aan hoeveel van de totale lading er nog in de accu is opgeslagen. In dit geval overwegen we de oplaadmodus van de batterij. Er kan worden geconcludeerd dat, afhankelijk van de chemie van de lithiumcel, de batterij zich anders kan gedragen bij overbelasting en een andere gevoeligheid kan hebben voor thermische overbelasting. Dit komt door de verschillende specifieke capaciteit (A*h/gram) van verschillende soorten Li-Ion-cellen. Hoe groter de specifieke capaciteit van de cel, hoe sneller de warmteafgifte tijdens het opladen.
Bovendien veroorzaakt een externe kortsluiting bij 100% SOC vaak een thermische overstroming van de cel. Aan de andere kant, wanneer de cel een SOC van 80% heeft, verschuift de maximale thermische uitlooptemperatuur van de cel naar boven. De cel wordt beter bestand tegen noodsituaties.
Ten slotte is het mogelijk dat externe kortsluitingen voor 70% SOC helemaal geen thermische runaway veroorzaken. Dat wil zeggen dat het risico op celontsteking aanzienlijk wordt verminderd, en het meest waarschijnlijke scenario is alleen de werking van de veiligheidsklep van de lithiumbatterij.
Bovendien kunnen we uit de tabel concluderen dat de LFP (paarse curve) van een batterij gewoonlijk een steile temperatuurstijging kent, dat wil zeggen dat de fase van “opwarming” soepel overgaat in de fase van “thermal runaway”, en dat de stabiliteit van dit systeem tegen overladen is iets erger. LMO-batterijen hebben, zoals we zien, een soepelere verwarmingskarakteristiek tijdens het opladen.
BELANGRIJK: Wanneer het OSD-systeem wordt geactiveerd, wordt de cel gereset naar bypass. Zo wordt de spanning op het rack verlaagd, maar blijft het in bedrijf en geeft het een signaal aan het UPS-monitoringsysteem via het GBS-systeem van het rack zelf. Bij een klassiek UPS-systeem met VRLA-batterijen kan een kortsluiting of breuk binnen één batterij in een string leiden tot uitval van de UPS als geheel en verlies van functionaliteit van IT-apparatuur.
Op basis van het bovenstaande blijven de volgende risico's relevant bij het gebruik van lithiumoplossingen in UPS:
- Thermische runaway van een cel of module als gevolg van een externe kortsluiting - verschillende beschermingsniveaus.
- Thermische runaway van een cel of module als gevolg van een interne batterijstoring - verschillende beschermingsniveaus op cel- of moduleniveau.
- Overbelasting – bescherming door BMS plus alle beschermingsniveaus voor een rack, module, cel.
- Mechanische schade is voor ons geval niet relevant, het risico van de gebeurtenis is verwaarloosbaar.
- Oververhitting van het rack en alle batterijen (modules, cellen). Onkritisch tot 70-90 graden. Als de temperatuur in de UPS-installatieruimte boven deze waarden stijgt, betekent dit dat er brand is in het gebouw. Onder normale bedrijfsomstandigheden van een datacenter is het risico op een gebeurtenis verwaarloosbaar.
- Verminderde levensduur van de batterij bij hogere kamertemperatuur - langdurig gebruik bij temperaturen tot 40 graden is toegestaan zonder merkbare afname van de levensduur van de batterij. Loodaccu's zijn zeer gevoelig voor elke temperatuurstijging en verminderen hun resterende levensduur in verhouding tot de temperatuurstijging.
Laten we eens kijken naar een stroomdiagram van het risico op ongelukken met lithium-ionbatterijen in ons datacenter, in een serverruimte. Laten we het diagram een beetje vereenvoudigen, omdat lithium-UPS's onder ideale omstandigheden zullen werken als we de bedrijfsomstandigheden van de batterijen in uw gadget, telefoon, vergelijken.
CONCLUSIE: Gespecialiseerde lithiumbatterijen voor datacenter- en serverruimte-UPS's hebben een voldoende beschermingsniveau tegen noodsituaties, en in een alomvattende oplossing kunnen we dankzij een groot aantal verschillende beschermingsniveaus en meer dan vijf jaar ervaring met het gebruik van deze oplossingen spreken van een hoog veiligheidsniveau van nieuwe technologieën. We mogen onder meer niet vergeten dat de werking van lithiumbatterijen in onze sector lijkt op ‘broeikaseffect’-omstandigheden voor Li-Ion-technologieën: in tegenstelling tot uw smartphone in uw zak zal niemand de batterij in het datacenter laten vallen, oververhitten, ontladen elke dag actief gebruiken in de buffermodus.
U kunt meer details vinden en een specifieke oplossing bespreken met behulp van lithium-ionbatterijen voor uw serverruimte of datacenter door een verzoek per e-mail te sturen , of door een verzoek in te dienen op de website van het bedrijf .
OPEN TECHNOLOGIEËN – betrouwbare totaaloplossingen van wereldleiders, specifiek aangepast aan uw doelstellingen.
auteur: Kulikov Oleg
Toonaangevend ontwerpingenieur
Afdeling Integratieoplossingen
OpenTechnologiebedrijf
Alleen geregistreerde gebruikers kunnen deelnemen aan het onderzoek. , Alsjeblieft.
Wat is uw mening over de veiligheid en toepasbaarheid van industriële oplossingen op basis van Li-Ion-technologieën?
-
16,2%Gevaarlijk, zelfontbrandend, ik zou het onder geen enkele omstandigheid in mijn serverruimte plaatsen.11
-
10,3%Ik ben hier niet in geïnteresseerd, dus vervangen we periodiek klassieke batterijen, en alles is in orde.7
-
16,2%We moeten erover nadenken of het veilig en veelbelovend kan zijn.11
-
23,5%Interessant, ik zal de mogelijkheden onderzoeken.16
-
13,2%Geïnteresseerd! Investeer een keer - en wees niet bang om het hele datacenter te overweldigen door het uitvallen van één loodaccu.9
-
20,6%Interessant! De voordelen wegen ruimschoots op tegen de nadelen en risico's.14
68 gebruikers hebben gestemd. 25 gebruikers onthielden zich van stemming.
Bron: www.habr.com