Witaj, przyjaciele!
Po publikacji artykułu pojawiło się wiele komentarzy na temat zagrożenia związanego z rozwiązaniami Li-Ion dla serwerów i centrów danych. Dlatego dzisiaj spróbujemy zrozumieć, jakie są różnice między przemysłowymi rozwiązaniami na bazie litu dla UPS a baterią w twoim urządzeniu, jak różnią się warunki użytkowania akumulatorów w serwerowni, dlaczego bateria Li-Ion w telefonie działa nie dłużej niż 2-3 lata, a w centrum danych ten czas wydłuża się do 10 lat i więcej. Dlaczego ryzyko zapłonu litu w centrze danych/serwerowni jest minimalne.
Tak, awarie akumulatorów UPS są możliwe niezależnie od typu akumulatorów, a mit o „zagrożeniu pożarowym” przemysłowych rozwiązań na bazie litu jest niezgodny z rzeczywistością.
W końcu wielu widziało ten z akumulatorem litowym w poruszającym się samochodzie? Przejdźmy więc dalej, zrozummy, porównajmy…
Tutaj widzimy typowy przypadek niekontrolowanego samozagrzewania, termicznego rozwoju akumulatora w telefonie, co doprowadziło do tego incydentu. Powiecie: O! To tylko telefon, tylko szalony wkładałby coś takiego do serwerowni!
Jestem pewien, że po zapoznaniu się z tym materiałem, czytelnik zmieni swoje zdanie w tej kwestii.
Bieżąca sytuacja na rynku centrów danych
Nie jest tajemnicą, że budowa centrów danych to długoterminowa inwestycja kapitałowa. Cena samego sprzętu inżynieryjnego może stanowić 50% wszystkich kosztów inwestycyjnych. Horyzont zwrotu z inwestycji wynosi około 10-15 lat. Nic dziwnego, że pojawia się chęć zmniejszenia całkowitego kosztu posiadania przez cały cykl życia centrum danych, a dodatkowo także zwiększenia gęstości sprzętu inżynieryjnego, aby maksymalnie uwolnić przestrzeń pod obciążenie użyteczne.
Optymalnym rozwiązaniem są przemysłowe UPS nowej generacji oparte na akumulatorach Li-Ion, które od dawna pozbyły się „dziecięcych chorób” w postaci zagrożenia pożarem, nieprawidłowych algorytmów ładowania-rozładowania oraz wzbogaciły się o wiele mechanizmów zabezpieczających.
Wraz ze zwiększeniem mocy sprzętu obliczeniowego i sieciowego rośnie zapotrzebowanie na UPS. Jednocześnie wzrastają wymagania co do czasu pracy w warunkach awaryjnych akumulatorów w przypadku problemów z centralnym zasilaniem i/lub awarii przy uruchamianiu rezerwowego źródła zasilania w przypadku zastosowania/obecności agregatów prądotwórczych.
Według nas istnieją dwie główne przyczyny:
- Szybki wzrost objętości przetwarzanych i przesyłanych informacji
Na przykład, , którą
należy zachować i przetworzyć. - Wzrost dynamiki zużycia energii elektrycznej. Pomimo ogólnego trendu spadku zużycia energii przez sprzęt IT oraz zmniejszenia jednostkowego zużycia energii przez komponenty elektroniczne.
Wykres zużycia energii jednego działającego centrum danych
Ten sam trend pokazują prognozy rynku centrów danych w naszym krajuWedług danych z witryny, łączna liczba oddanych do użytku miejsc serwerowych wynosi ponad 20 tys. "Liczba uruchomionych miejsc serwerowych u 20 największych dostawców usług centrów danych w 2017 roku wzrosła o 3% i osiągnęła 22,4 tysiąca (dane z 1 października 2017 roku)", – głosi raport CNews Analytics. Według ocen firm doradczych, do 2021 roku prognozowane jest zwiększenie liczby miejsc do 49 tysięcy. Oznacza to, że w ciągu dwóch lat rzeczywista pojemność centrów danych może podwoić się. Z czym jest to związane? Przede wszystkim ze wzrostem objętości informacji: zarówno przechowywanych, jak i przetwarzanych.
Oprócz chmur, punkty wzrostu obejmują rozwój mocy centrum danych w krajach: są one jedynym segmentem, w którym zachowuje się potencjał rozwoju biznesu. Według danych IKS-Consulting, w 2016 roku na regiony przypadało tylko 10% wszystkich dostępnych zasobów na rynku, podczas gdy stolica i obszar moskiewski zajmowały 73% rynku, a Sankt Petersburg i obwód leningradzki – 17%. W regionach nadal występuje deficyt zasobów centrów danych o wysokiej odporności na awarie.
Do 2025 roku, według prognoz, ogólny wolumen danych na świecie wzrośnie dziesięciokrotnie w porównaniu z 2016 rokiem.
Jak bezpieczny jest lit w UPS serwerów lub centrów danych?
Niedobór: wysoka cena rozwiązań Li-Ion.
Cena baterii litowo-jonowych wciąż pozostaje wysoka w porównaniu do standardowych rozwiązań. Według wyceny firmy SE, początkowe koszty dla potężnych UPS o mocy powyżej 100 kVA dla rozwiązań Li-Ion będą wyższe o 1,5 raza, ale ostatecznie oszczędności z tytułu posiadania wyniosą 30-50%. Porównując z wojskowo-przemysłowym kompleksem innych krajów, oto wiadomość o rozpoczęciu z ogniwami Li-Ion. Dość często w takich rozwiązaniach stosuje się ogniwa litowo-żelazo-fosforowe (na zdjęciu - LFP) z powodu względnej taniości i większego bezpieczeństwa.
W artykule wspomniano, że na nowe ogniwa do okrętu podwodnego wydano 100 mln dolarów, spróbujmy przeliczyć to na inne wartości…4,2 tysiąca ton - podwodna wyporność japońskiego okrętu podwodnego. Wyporność nawodna - 2,95 tysiąca ton. Zasadniczo 20-25% masy łodzi stanowią akumulatory. Stąd bierzemy około 740 ton - akumulatory kwasowo-ołowiowe. Następnie: masa litowanego materiału stanowi około 1/3 masy akumulatorów kwasowo-ołowiowych -> 246 ton litu. Przy 70 kWh/kg dla Li-Ion otrzymujemy około 17 MWh mocy zespół akumulatorów. A różnica w masie akumulatorów - około 495 ton… Tutaj nie bierzemy pod uwagę , w skład których na jeden okręt podwodny potrzeba 14,5 ton srebra, a ich koszt przewyższa akumulatory kwasowo-ołowiowe czterokrotnie. Przypomnę, że akumulatory Li-Ion są obecnie droższe od VRLA tylko 1,5-2 razy, w zależności od mocy rozwiązania.
A co z Japończykami? Przypomnieli sobie o tym za późno, że "odciążenie łodzi" o 700 ton wiąże się ze zmianą jej właściwości morskich, stabilności… Prawdopodobnie musieli dodać uzbrojenie na pokład, aby przywrócić projektowe wartości rozkładu masy łodzi.
Akumulatory litowo-jonowe również ważą mniej niż akumulatory kwasowo-ołowiowe, dlatego projekt okrętu podwodnego typu Soryu musiał zostać nieco zmodyfikowany, aby zachować balast i stabilność.
W Japonii stworzono i doprowadzono do stanu eksploatacyjnego dwa typy akumulatorów litowo-jonowych: litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowych (NCA) produkcji firmy GS Yuasa oraz litowo-tytanowych (LTO) produkcji korporacji Toshiba. Japońska marynarka wojenna będzie używać akumulatorów typu NCA, jednak zgodnie z informacjami od Kobayashiego, Australii zaproponowano akumulatory typu LTO do użycia na okrętach podwodnych typu Soryu w niedawno przeprowadzonym przetargu.
Zważywszy na szczególną troskę o bezpieczeństwo w kraju Wschodzącego Słońca, można przypuszczać, że kwestie bezpieczeństwa litu zostały tam rozwiązane, przetestowane i certyfikowane.
Ryzyko: łatwopalność.
Tutaj zajmiemy się celem publikacji, ponieważ istnieją diametralnie różne opinie na temat bezpieczeństwa tych rozwiązań. Ale to wszystko tylko teoria, co z konkretnymi rozwiązaniami przemysłowymi?
Kwestię bezpieczeństwa omówiliśmy już w naszym , ale jeszcze raz zwrócimy na to uwagę. Spójrzmy na rysunek, gdzie omawiano poziom ochrony modułu i ogniwa LMO/NMC akumulatora produkcji Samsung SDI, używanego w UPS-ach Schneider Electric.
Procesy chemiczne zostały omówione w artykule użytkownika . Spróbujemy przyjrzeć się możliwym ryzykom w naszym konkretnym przypadku i porównać je z wielowarstwowymi środkami ochrony w ogniwach Samsung SDI, które są częścią gotowego modułu Li-Ion typu G w złożonym rozwiązaniu opartym na Galaxy VM.
Zacznijmy od ogólnej schematu ryzyk i przyczyn zapłonu ogniwa litowo-jonowego.
Pod spoilerem można zapoznać się z teoretycznymi kwestiami ryzyka zapłonu akumulatorów litowo-jonowych i fizyką procesówPoczątkowy schemat ryzyk i przyczyn zapłonu (Safety Hazard) ogniwa litowo-jonowego z z 2018 roku.
Ponieważ zależnie od struktury chemicznej ogniwa litowo-jonowego istnieją różnice w charakterystykach rozwoju termicznego ogniwa, zatrzymamy się na opisywanym w artykule procesie w ogniwie litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowym (opartym na LiNiCoAIO2) lub NCA.
Proces rozwoju awarii w ogniwie można podzielić na trzy etapy:
- Etap 1 (Onset). Normalna praca ogniwa, kiedy gradient wzrostu temperatury nie przekracza 0,2 °C na minutę, a sama temperatura ogniwa nie przekracza 130-200 °C w zależności od struktury chemicznej ogniwa;
- Etap 2, ogrzewanie (Acceleration). Na tym etapie temperatura wzrasta, gradient wzrostu temperatury gwałtownie się zwiększa, następuje aktywne wydzielanie energii cieplnej. W ogólnym przypadku temu procesowi towarzyszy wydzielanie gazów. Nadmiar wydzielania gazu powinien być skompensowany przez uruchomienie zaworu bezpieczeństwa;
- Etap 3, termiczne rozkręcanie (Runaway). Podgrzewanie akumulatora do ponad 180-200 stopni. W tym momencie materiał katody reaguje z dysproporcjonowaniem i wydziela tlen. To jest poziom rozkręcania termicznego, ponieważ w tej sytuacji może powstać mieszanka gazów palnych z tlenem, co spowoduje samozapłon. Jednak w niektórych przypadkach ten proces może być kontrolowany, to znaczy, że zmieniając warunki zewnętrzne, rozkręcanie termiczne w wielu przypadkach ustaje bez fatalnych konsekwencji dla otoczenia. Sprawność i funkcjonalność samego ogniwa litowego po tych wydarzeniach nie jest brana pod uwagę.
Temperatura rozkręcania termicznego zależy od rozmiaru ogniwa, konstrukcji ogniwa i materiału. Temperatura rozkręcania termicznego może wynosić od 130 do 200 stopni Celsjusza. Czas rozkręcania termicznego może być różny i wynosić minuty, godziny a nawet dni…
A co z ogniwami typu LMO/NMC w litowo-jonowych UPS?
– Aby zapobiec kontaktowi anody z elektrolitem, stosowana jest ceramiczna warstwa w składzie ogniwa (SFL). Blokada ruchu jonów litu zachodzi przy 130 °C.
– Oprócz zaworu wentylacyjnego do zabezpieczeń, stosowany jest system ochrony przed przeładowaniem (Over Charge Device, OSD), działający w parze z wewnętrznym bezpiecznikiem i odłączający uszkodzone ogniwo, zapobiegając przyprowadzeniu procesu rozkręcania termicznego do niebezpiecznych wartości. Przy czym uruchomienie wewnętrznego systemu OSD nastąpi wcześniej, przy osiągnięciu ciśnienia 3,5 kg/cm², co oznacza, że jest to o połowę mniej niż ciśnienie uruchomienia zaworu ochronnego ogniwa.
Przy okazji, bezpiecznik ogniwa zadziała przy prądach powyżej 2500 A w czasie nie dłuższym niż 2 sekundy. Załóżmy, że gradient temperatury osiągnął wartość 10 °C/min. W ciągu 10 sekund ogniwo zdąży dodać do swojej temperatury około 1,7 stopnia, będąc w trybie rozkręcania.
– Trójwarstwowy separator w ogniwie w trybie przeładowania zapewni zablokowanie przejścia jonów litu do anody ogniwa. Temperatura blokady wynosi 250 °C.
Teraz przyjrzyjmy się, co dzieje się z temperaturą ogniwa; porównajmy, na jakich etapach następuje uruchomienie różnych rodzajów zabezpieczeń na poziomie ogniwa.
— system OSD – 3,5±0,1 kg/cm² <= ciśnienie zewnętrzne
Dodatkowa ochrona przed dużymi prądami.
— zawór bezpieczeństwa 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= ciśnienie zewnętrzne
— bezpiecznik wewnątrz ogniwa 2 sekundy przy 2500A (tryb przeciążenia)
Ryzyko termicznego rozprężania ogniwa zależy bezpośrednio od stopnia/poziomu naładowania ogniwa, więcej szczegółów tutaj…Rozważmy efekt poziomu naładowania ogniwa w kontekście ryzyk związanych z termicznym rozprężaniem. Zobaczmy tabelę zależności temperatury ogniwa od parametru SOC (Stan Naładowania).
Stopień naładowania akumulatora mierzony jest w procentach i pokazuje, jaka część całkowitego naładowania jeszcze pozostaje w akumulatorze. W tym przypadku analizujemy tryb przeładowania akumulatora. Można stwierdzić, że w zależności od składu chemicznego ogniwa litowego, akumulator może zachowywać się różnie podczas przeładowania i mieć różną skłonność do termicznego rozprężania. Wynika to z różnej gęstości energetycznej (Ah/g) różnych typów ogniw Li-Ion. Im większa gęstość energetyczna ogniwa, tym szybciej wydziela się ciepło podczas przeładowania.
Ponadto przy 100% SOC zewnętrzne zwarcie często prowadzi do termicznego rozprężania ogniwa. Z drugiej strony, gdy ogniwo ma poziom naładowania 80% SOC, maksymalna temperatura rozpoczęcia termicznego rozprężania ogniwa przesuwa się w górę. Ogniwo staje się bardziej odporne na tryby awaryjne.
I wreszcie, dla 70% SOC zewnętrzne zwarcia mogą nie prowadzić do termicznego rozprężania w ogóle. Oznacza to, że ryzyko zapłonu ogniwa znacznie się zmniejsza, a najbardziej prawdopodobnym scenariuszem jest jedynie uruchomienie zaworu bezpieczeństwa akumulatora litowego.
Ponadto z tabeli można wywnioskować, że ogniwa LFP (fioletowa krzywa) zazwyczaj mają stromy wzrost temperatury, to znaczy, że etap "nagrzewania" płynnie przechodzi w etap "rozprężania termicznego", a odporność tego systemu na przeładowanie jest nieco gorsza. Ogniwa typu LMO, jak widać, mają bardziej łagodną charakterystykę nagrzewania podczas przeładowania.
WAŻNE: Podczas działania systemu OSD następuje zresetowanie ogniwa na bypass. W ten sposób napięcie na szafie się zmniejsza, ale pozostaje w działaniu i wysyła sygnał do systemu monitorowania UPS za pomocą systemu BMS samej szafy. W przypadku klasycznego systemu UPS z bateriami VRLA, zwarcie lub przerwanie wewnątrz jednego akumulatora w stringu może prowadzić do awarii UPS jako całości i utraty sprawności sprzętu IT.
Z powyższego wynika, że w przypadku zastosowania rozwiązań litowych w UPS pozostają aktualne ryzyka:
- Przegrzanie ogniwa, modułu w wyniku zewnętrznego zwarcia – kilka poziomów zabezpieczeń.
- Przegrzanie ogniwa, modułu w wyniku wewnętrznej awarii baterii – kilka poziomów zabezpieczeń na poziomie ogniwa, modułu.
- Przeładowanie – ochrona za pomocą systemu BMS oraz wszystkie poziomy zabezpieczeń szafy, modułu, ogniwa.
- Uszkodzenie mechaniczne – nieaktualne w naszym przypadku, ryzyko zdarzenia znikome.
- Przegrzanie szafy i wszystkich baterii (modułów, ogniw). Nie krytyczne do 70-90 stopni. Jeśli temperatura w pomieszczeniu, w którym znajduje się UPS, wzrośnie powyżej tych wartości – znaczy, że to już pożar w budynku. W normalnych warunkach pracy centrum danych ryzyko zdarzenia znikome.
- Zmniejszenie żywotności baterii przy podwyższonych temperaturach pomieszczenia – dozwolona jest długotrwała praca przy temperaturze do 40 stopni bez odczuwalnego zmniejszenia żywotności baterii. Baterie kwasowo-ołowiowe są bardzo wrażliwe na jakiekolwiek podwyższenie temperatury i zmniejszają swoją pozostałą żywotność proporcjonalnie do wzrostu temperatury.
Przyjrzyjmy się schematowi blokowemu ryzyk awaryjnych z bateriami litowo-jonowymi w naszym przypadku użycia w centrum danych, serwerowni. Nieco uprościmy schemat, ponieważ litowe UPS będą eksploatowane w idealnych warunkach, w porównaniu do warunków pracy baterii w twoim urządzeniu, telefonie.
WYNIK: Specjalistyczne akumulatory litowo-jonowe do zasilaczy UPS w centrach danych i serwerowniach mają wystarczający poziom ochrony przed sytuacjami awaryjnymi. W kompleksowym rozwiązaniu znajduje się wiele stopni różnorodnej ochrony, a ponad pięcioletnie doświadczenie w eksploatacji tych rozwiązań pozwala mówić o wysokim poziomie bezpieczeństwa nowych technologii. Co więcej, nie należy zapominać, że eksploatacja akumulatorów litowo-jonowych w naszym sektorze ma „szklarniane” warunki dla technologii Li-Ion: w przeciwieństwie do twojego smartfona w kieszeni, akumulator w centrum danych nie będzie upuszczany, przegrzewany ani rozładowywany każdego dnia, ani aktywnie wykorzystywany w trybie buforowym.
Aby uzyskać szczegółowe informacje i omówić konkretne rozwiązanie z wykorzystaniem akumulatorów litowo-jonowych do swojej serwerowni lub centrum danych, można wysłać zapytanie na adres e-mail , lub wysyłając zapytanie na stronie firmy .
OTWARTE TECHNOLOGIE – niezawodne kompleksowe rozwiązania od światowych liderów, dostosowane do Twoich celów i zadań.
Autor: Oleg Kuliok
Główny inżynier konstruktor
Departament rozwiązań integracyjnych
Firma Otwarte Technologie
Tylko zarejestrowani użytkownicy mogą brać udział w ankiecie. , proszę.
Jakie jest Twoje zdanie na temat bezpieczeństwa i zastosowalności przemysłowych rozwiązań opartych na technologiach Li-Ion?
16,2%Niebezpieczne, samoistnie zapalające się, w żadnym wypadku nie zainstaluję w mojej serwerowni.
10,3%Nie interesuje mnie to, i tak regularnie wymieniam klasyczne akumulatory, i wszystko jest w porządku.
16,2%Muszę pomyśleć, być może jest to bezpieczne i perspektywiczne.
23,5%Ciekawe, rozważę możliwości.
13,2%Interesuje mnie! Zainwestować raz – i nie bać się, że cała centrala danych padnie z powodu awarii jednej ołowiowej baterii.
20,6%Interesujące! Zalet jest znacznie więcej niż wad i ryzyk.
Zagłosowało 68 użytkowników. Wstrzymało się 25 użytkowników.
Źródło: habr.com
