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Após a publicação do artigo Tem havido muitos comentários sobre os perigos das soluções de íons de lítio para servidores e data centers. Portanto, hoje tentaremos descobrir quais são as diferenças entre as soluções industriais de lítio para um UPS e a bateria do seu gadget, como diferem as condições de operação das baterias em uma sala de servidores, por que a bateria em um telefone Li-Ion não dura mais de 2 a 3 anos e, em um data center, esse número aumentará para 10 anos ou mais. Por que os riscos de incêndio de lítio em um data center/sala de servidores são mínimos.
Sim, acidentes com baterias UPS são possíveis independentemente do tipo de dispositivo de armazenamento de energia, mas o mito do “risco de incêndio” das soluções industriais de lítio não é verdade.
Afinal, muitos já viram isso com bateria de lítio em um carro andando na rodovia? Então, vamos ver, descobrir, comparar...
Aqui vemos um caso típico de autoaquecimento descontrolado, fuga térmica da bateria do telefone, que levou a tal incidente. Você dirá: AQUI! É só um telefone, só um maluco colocaria algo assim na sala do servidor!
Tenho certeza que depois de estudar este material, o leitor mudará seu ponto de vista sobre o assunto.
Situação atual do mercado de data centers
Não é nenhum segredo que construir um data center é um investimento de longo prazo. Somente o preço do equipamento de engenharia pode ser 50% do custo de todos os custos de capital. O horizonte de retorno é de aproximadamente 10 a 15 anos. Naturalmente, existe o desejo de reduzir o custo total de propriedade ao longo de todo o ciclo de vida do data center e, ao mesmo tempo, compactar os equipamentos de engenharia, liberando o máximo de espaço possível para a carga útil.
A solução ideal é uma nova iteração de UPS industriais baseados em baterias de íons de lítio, que há muito se livraram de “doenças infantis” na forma de riscos de incêndio, algoritmos de carga e descarga incorretos e adquiriram uma série de mecanismos de proteção.
Com o aumento da capacidade dos equipamentos de computação e de rede, a procura por UPS está a crescer. Ao mesmo tempo, os requisitos de vida útil da bateria aumentam em caso de problemas com o fornecimento de energia centralizado e/ou falhas ao iniciar uma fonte de energia de reserva no caso de utilização/disponibilidade de um grupo gerador a diesel.
Em nossa opinião, existem duas razões principais:
- Rápido crescimento no volume de informações processadas e transmitidas
Por exemplo, qual
precisa ser salvo e processado. - Crescimento na dinâmica do consumo de energia elétrica. Apesar da tendência geral de redução do consumo de energia dos equipamentos de TI, reduzindo o consumo específico de energia dos componentes eletrônicos.
Gráfico de consumo de energia de apenas um data center em operação
A mesma tendência é demonstrada pelas previsões do mercado de data centers em nosso país.De acordo com o site, o número total de espaços de rack colocados em operação é superior a 20 mil. “O número de espaços de rack colocados em operação pelos 20 maiores prestadores de serviços de data center em 2017 aumentou 3% e atingiu 22,4 mil (dados de 1º de outubro de 2017). 2021),” – diz o relatório CNews Analytics. Segundo consultorias, até 49 o número de espaços em rack deverá aumentar para XNUMX mil. Ou seja, em dois anos a capacidade real do data center pode dobrar. Com o que isso está relacionado? Em primeiro lugar, com o aumento do volume de informação: tanto armazenada como processada.
Além das nuvens, os players consideram o desenvolvimento das capacidades dos data centers nas regiões como pontos de crescimento: são o único segmento onde há reserva para o desenvolvimento dos negócios. Segundo a IKS-Consulting, em 2016, as regiões representavam apenas 10% de todos os recursos oferecidos no mercado, enquanto a capital e a região de Moscou ocupavam 73% do mercado, e São Petersburgo e a região de Leningrado - 17%. Nas regiões, continua a haver escassez de recursos de data centers com alto grau de tolerância a falhas.
Até 2025, prevê-se que a quantidade total de dados no mundo aumente 10 vezes em comparação com 2016.
Ainda assim, quão seguro é o lítio para um UPS de servidor ou data center?
Desvantagem: alto custo das soluções Li-Ion.
O preço das baterias de íons de lítio ainda é alto em comparação com as soluções padrão. De acordo com estimativas da SE, os custos iniciais para UPS de alta potência acima de 100 kVA para soluções de iões de lítio serão 1,5 vezes mais elevados, mas em última análise a poupança na propriedade será de 30-50%. Se fizermos comparações com o complexo militar-industrial de outros países, aí ficam as novidades sobre o lançamento em com baterias de íon-lítio. Muitas vezes, baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP na foto) são usadas em tais soluções devido ao seu relativo baixo custo e maior segurança.
A matéria menciona que foram gastos US$ 100 milhões em novas baterias para o submarino, vamos tentar converter em outros valores...4,2 mil toneladas é o deslocamento subaquático de um submarino japonês. Deslocamento superficial - 2,95 mil toneladas. Via de regra, 20-25% do peso do barco consiste em baterias. Daqui retiramos aproximadamente 740 toneladas - baterias de chumbo-ácido. Além disso: a massa do lítio é aproximadamente 1/3 da massa das baterias de chumbo-ácido -> 246 toneladas de lítio. Com 70 kWh/kg para íons de lítio, obtemos aproximadamente 17 MWh de energia do conjunto de baterias. E a diferença na massa das baterias é de aproximadamente 495 toneladas... Aqui não levamos em consideração , que requerem 14,5 toneladas de prata por submarino e custam 4 vezes mais que as baterias de chumbo-ácido. Deixe-me lembrá-lo de que as baterias de íon-lítio são agora apenas 1,5 a 2 vezes mais caras que as VRLA, dependendo da potência da solução.
E os japoneses? Eles se lembraram tarde demais que “aliviar o barco” em 700 toneladas implica uma mudança em sua navegabilidade e estabilidade... Eles provavelmente tiveram que adicionar armas a bordo para retornar a distribuição de peso projetada do barco.
As baterias de íon-lítio também pesam menos que as baterias de chumbo-ácido, então o projeto do submarino da classe Soryu teve que ser um pouco redesenhado para manter o lastro e a estabilidade.
No Japão, dois tipos de baterias de íon-lítio foram criados e colocados em condições operacionais: óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA) produzido pela GS Yuasa e titanato de lítio (LTO) produzido pela Toshiba Corporation. A marinha japonesa usará baterias NCA, enquanto a Austrália recebeu baterias LTO para uso em submarinos da classe Soryu em uma licitação recente, de acordo com Kobayashi.
Conhecendo a atitude reverente em relação à segurança na Terra do Sol Nascente, podemos assumir que os problemas de segurança do lítio foram resolvidos, testados e certificados.
Risco: perigo de incêndio.
É aqui que descobriremos o propósito da publicação, uma vez que existem opiniões diametralmente opostas sobre a segurança destas soluções. Mas tudo isto é retórica, mas e as soluções industriais específicas?
Já discutimos questões de segurança no nosso , mas vamos nos debruçar sobre esse assunto novamente. Vejamos a figura, que examinou o nível de proteção do módulo e da célula LMO/NMC da bateria fabricada pela Samsung SDI e usada como parte do UPS Schneider Electric.
Os processos químicos foram discutidos no artigo do usuário . Vamos tentar entender os possíveis riscos em nosso caso específico e compará-los com a proteção multinível nas células Samsung SDI, que são parte integrante de um rack de íons de lítio Tipo G pronto como parte de uma solução abrangente baseada no Galaxy VM .
Vamos começar com um fluxograma geral dos riscos e causas de incêndio em uma célula de íon-lítio.
Sob o spoiler você pode estudar as questões teóricas dos riscos de incêndio das baterias de íon-lítio e da física dos processosDiagrama de blocos inicial dos riscos e causas de incêndio (Perigo de Segurança) de uma célula de íon-lítio de 2018 anos.
Como dependendo da estrutura química da célula de íon-lítio existem diferenças nas características de fuga térmica da célula, aqui nos concentraremos no processo descrito no artigo em uma célula de lítio-níquel-cobalto-alumínio (baseada em LiNiCoAIO2) ou NCA.
O processo de desenvolvimento de um acidente celular pode ser dividido em três etapas:
- estágio 1 (início). Operação normal da célula quando o gradiente de aumento de temperatura não excede 0,2 graus Celsius por minuto, e a temperatura da célula em si não excede 130-200 graus Celsius, dependendo da estrutura química da célula;
- etapa 2, aquecimento (Aceleração). Nesta fase, a temperatura aumenta, o gradiente de temperatura aumenta rapidamente e a energia térmica é liberada ativamente. Em geral, esse processo é acompanhado pela liberação de gases. A evolução excessiva de gás deve ser compensada pela operação da válvula de segurança;
- estágio 3, fuga térmica (Runaway). Aquecimento da bateria acima de 180-200 graus. Neste caso, o material do cátodo entra em uma reação de desproporção e libera oxigênio. Este é o nível de fuga térmica, pois neste caso pode ocorrer uma mistura de gases inflamáveis com oxigênio, o que causará combustão espontânea. No entanto, este processo em alguns casos pode ser controlado, leia - quando o regime dos fatores externos muda, a fuga térmica em alguns casos cessa sem consequências fatais para o espaço envolvente. A capacidade de manutenção e o desempenho da própria célula de lítio após esses eventos não são considerados.
A temperatura de fuga térmica depende do tamanho da célula, do design da célula e do material. A temperatura de fuga térmica pode variar de 130 a 200 graus Celsius. O tempo de fuga térmica pode variar e variar de minutos, horas ou até dias...
E quanto às células do tipo LMO/NMC em UPSs de íons de lítio?
– Para evitar o contato do ânodo com o eletrólito, uma camada cerâmica é utilizada como parte da célula (SFL). O movimento dos íons de lítio é bloqueado a 130 graus Celsius.
– Além da válvula de ventilação protetora, é utilizado um sistema de proteção Over Charge Device (OSD), que funciona em conjunto com um fusível interno e desliga a célula danificada, evitando que o processo de fuga térmica atinja níveis perigosos. Além disso, o sistema OSD interno irá acionar mais cedo, quando a pressão atingir 3,5 kgf/cm2, ou seja, metade menos que a pressão de resposta da válvula de segurança da célula.
A propósito, o fusível da célula operará em correntes acima de 2500 A em no máximo 2 segundos. Vamos supor que o gradiente de temperatura atinja uma leitura de 10 graus C/min. Em 10 segundos, a célula terá tempo de adicionar cerca de 1,7 graus à sua temperatura durante o modo de overclock.
– Um separador de três camadas na célula em modo de recarga bloqueará a transição dos íons de lítio para o ânodo da célula. A temperatura de bloqueio é de 250 graus Celsius.
Agora vamos ver o que temos com a temperatura da célula; Vamos comparar em quais estágios os diferentes tipos de proteção são acionados no nível celular.
— Sistema OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= pressão externa
Proteção adicional contra sobrecorrentes.
— válvula de segurança 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= pressão externa
- fusível dentro da célula 2 segundos a 2500A (modo de sobrecorrente)
O risco de fuga térmica de uma célula depende diretamente do grau/nível de carga da célula, mais detalhes aqui...Consideremos o efeito do nível de carga da célula no contexto dos riscos de fuga térmica. Consideremos a tabela de correspondência entre a temperatura da célula e o parâmetro SOC (Estado de Carga, grau de carga da bateria).
O nível de carga da bateria é medido como uma porcentagem e mostra quanto da carga total ainda permanece armazenada na bateria. Neste caso, estamos considerando o modo de recarga da bateria. Pode-se concluir que dependendo da química da célula de lítio, a bateria pode se comportar de maneira diferente quando sobrecarregada e ter diferentes suscetibilidades à fuga térmica. Isto se deve às diferentes capacidades específicas (A*h/grama) de diferentes tipos de células de íons de lítio. Quanto maior a capacidade específica da célula, mais rápida será a liberação de calor durante a recarga.
Além disso, em 100% SOC, um curto-circuito externo geralmente causa fuga térmica da célula. Por outro lado, quando a célula está a 80% SOC, a temperatura máxima de fuga térmica da célula muda para cima. A célula se torna mais resistente a condições de emergência.
Finalmente, para 70% SOC, curtos-circuitos externos podem não causar fuga térmica. Ou seja, o risco de ignição da célula é significativamente reduzido, e o cenário mais provável é apenas o funcionamento da válvula de segurança da bateria de lítio.
Além disso, a partir da tabela podemos concluir que a LFP (curva roxa) de uma bateria geralmente apresenta um aumento acentuado de temperatura, ou seja, o estágio de “aquecimento” transita suavemente para o estágio de “fuga térmica”, e a estabilidade de este sistema para sobrecarga é um pouco pior. As baterias LMO, como podemos ver, têm uma característica de aquecimento mais suave durante a recarga.
IMPORTANTE: Quando o sistema OSD é acionado, a célula é redefinida para bypass. Assim, a tensão no rack é reduzida, mas permanece em operação e fornece sinal ao sistema de monitoramento do UPS através do sistema BMS do próprio rack. No caso de um sistema UPS clássico com baterias VRLA, um curto-circuito ou ruptura dentro de uma bateria em uma sequência pode levar à falha do UPS como um todo e à perda de funcionalidade do equipamento de TI.
Com base no exposto, no caso da utilização de soluções de lítio em UPS, os seguintes riscos permanecem relevantes:
- Fuga térmica de uma célula ou módulo como resultado de um curto-circuito externo - vários níveis de proteção.
- Fuga térmica de uma célula ou módulo como resultado de um mau funcionamento da bateria interna - vários níveis de proteção no nível da célula ou módulo.
- Sobrecarga – proteção por BMS mais todos os níveis de proteção para rack, módulo, célula.
- Danos mecânicos não são relevantes para o nosso caso, o risco do evento é insignificante.
- Superaquecimento do rack e de todas as baterias (módulos, células). Não crítico até 70-90 graus. Se a temperatura na sala de instalação do UPS ultrapassar estes valores, significa que há um incêndio no edifício. Sob condições normais de operação do data center, o risco de um evento é insignificante.
- Vida útil da bateria reduzida em temperaturas ambientes elevadas - a operação de longo prazo em temperaturas de até 40 graus é permitida sem uma diminuição perceptível na vida útil da bateria. As baterias de chumbo são muito sensíveis a qualquer aumento de temperatura e reduzem a sua vida útil restante proporcionalmente ao aumento da temperatura.
Vamos dar uma olhada em um fluxograma do risco de acidentes com baterias de íons de lítio em nosso data center, caso de uso em sala de servidores. Vamos simplificar um pouco o diagrama, pois os UPSs de lítio funcionarão em condições ideais, se compararmos as condições de funcionamento das baterias do seu gadget, telefone.
CONCLUSÃO: Baterias de lítio especializadas para UPSs de data centers e salas de servidores têm um nível de proteção suficiente contra situações de emergência e, em uma solução abrangente, um grande número de graus de proteção diversos e mais de cinco anos de experiência na operação dessas soluções nos permitem falar de um elevado nível de segurança das novas tecnologias. Entre outras coisas, não devemos esquecer que o funcionamento das baterias de lítio no nosso setor parece uma condição de “estufa” para as tecnologias Li-Ion: ao contrário do seu smartphone no bolso, ninguém deixará cair a bateria no data center, superaquecerá, descarregará todos os dias, use ativamente no modo buffer.
Você pode saber mais detalhes e discutir uma solução específica usando baterias de íons de lítio para sua sala de servidores ou data center enviando uma solicitação por e-mail , ou fazendo uma solicitação no site da empresa .
TECNOLOGIAS ABERTAS – soluções abrangentes e confiáveis de líderes mundiais, adaptadas especificamente às suas metas e objetivos.
Autor: Kulikov Oleg
Engenheiro de Design Líder
Departamento de Soluções de Integração
Empresa de tecnologias abertas
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Qual a sua opinião sobre a segurança e aplicabilidade de soluções industriais baseadas em tecnologias Li-Ion?
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16,2%Perigoso, auto-inflamável, sob nenhuma circunstância eu o colocaria na minha sala de servidores.11
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10,3%Não estou interessado nisso, então trocamos periodicamente as baterias clássicas e está tudo bem.7
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16,2%Precisamos de pensar se poderá ser seguro e promissor.11
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23,5%Interessante, vou analisar as possibilidades.16
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13,2%Interessado! Invista uma vez – e não tenha medo de sobrecarregar todo o data center devido à falha de uma bateria de chumbo.9
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20,6%Interessante! As vantagens superam em muito as desvantagens e os riscos.14
68 usuários votaram. 25 usuários se abstiveram.
Fonte: habr.com