Olá, amigos!
Após a publicação do artigo houve muitos comentários sobre a perigosidade das soluções Li-Ion para servidores e Data Centers. Portanto, hoje vamos tentar entender quais são as diferenças entre as soluções industriais de lítio para UPS e a bateria do seu dispositivo, como as condições de operação das baterias são diferentes em um servidor, por que a bateria Li-Ion de um telefone dura no máximo 2-3 anos, enquanto em um Data Center esse número pode aumentar para 10 anos ou mais. Por que os riscos de combustão do lítio em Data Centers/servidores são mínimos.
Sim, acidentes com baterias UPS são possíveis, independentemente do tipo de armazenadores de energia, mas o mito da "periculosidade" das soluções industriais de lítio não está de acordo com a realidade.
Pois muitos viram aquele com uma bateria de lítio dentro de um carro em movimento? Então, vamos observar, analisar, comparar…
Aqui vemos um caso típico de superaquecimento incontrolável, uma corrida térmica da bateria do telefone, que levou a tal incidente. Você dirá: OLHA! Isso é apenas um telefone, só um louco colocaria isso em um servidor!
Estou certo de que, ao estudar este material, o leitor mudará sua opinião sobre este assunto.
A situação atual no mercado de Data Centers
Ninguém pode ignorar que a construção de Data Centers é um investimento a longo prazo. O preço apenas do equipamento de engenharia pode representar 50% do custo total de todos os investimentos de capital. O horizonte de retorno é de aproximadamente 10 a 15 anos. Surge, portanto, o desejo de reduzir o custo total de propriedade ao longo de todo o ciclo de vida do Data Center, além de também otimizar o equipamento de engenharia para liberar ao máximo o espaço para a carga útil.
A solução ideal são os UPS industriais de nova iteração baseados em baterias Li-Ion, que já se livraram das "doenças infantis" como periculosidade, algoritmos de carga-descarregamento incorretos, e acumularam uma série de mecanismos de proteção.
Com o aumento da capacidade de equipamentos computacionais e de rede, cresce a demanda por UPS. Ao mesmo tempo, aumentam os requisitos para o tempo de autonomia das baterias em caso de problemas com a rede elétrica centralizada e/ou falhas na partida da fonte de energia reserva em caso de uso/presença de geradores.
Na nossa opinião, há duas razões principais aqui:
- O crescimento acelerado do volume de informações processadas e transmitidas
Por exemplo, , que
precisam ser armazenadas e processadas. - Aumenta a dinâmica do consumo de energia elétrica. Apesar da tendência geral de redução do consumo de energia dos equipamentos de TI, houve uma diminuição no consumo específico de energia dos componentes eletrônicos.
Gráfico de consumo de energia de um único data center em operação
A mesma tendência é demonstrada pelas previsões do mercado de data centers em nosso paísDe acordo com o site, o número total de locais em operação ultrapassa 20 mil. "O número de locais em operação entre os 20 maiores provedores de serviços de data center aumentou 3% em 2017, alcançando 22,4 mil (dados de 1º de outubro de 2017)", afirma o relatório da CNews Analytics. Segundo estimativas de consultorias, até 2021, espera-se que o número de locais aumente para 49 mil. Ou seja, em dois anos, a capacidade real dos data centers pode dobrar. A que isso se deve? Principalmente ao crescimento do volume de informações: tanto armazenadas quanto processadas.
Além das nuvens, os players atribuem ao desenvolvimento das capacidades dos data centers nas regiões um ponto de crescimento: elas são o único segmento onde há espaço para o desenvolvimento dos negócios. Segundo dados da IKS-Consulting, em 2016, as regiões representavam apenas 10% de todos os recursos disponíveis 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, ainda persiste uma escassez de recursos de data centers com alta confiabilidade.
Até 2025, segundo previsões, o volume total de dados no mundo aumentará 10 vezes em relação a 2016.
Contudo, quão seguro é o lítio para o UPS de um servidor ou data center?
Desvantagem: alto custo das soluções Li-Ion.
O preço das baterias de íon de lítio ainda é elevado em comparação com as soluções padrão. Segundo estimativas da empresa SE, os custos iniciais para UPS poderosos acima de 100 kVA para soluções Li-Ion serão 1,5 vezes maiores, mas, no final, a economia com a propriedade será de 30-50%. Se compararmos com o complexo industrial militar de outros países, há uma notícia sobre o lançamento de com baterias de Li-Ion. Soluções semelhantes frequentemente utilizam baterias de fosfato de ferro de lítio (na foto - LFP) devido ao seu custo relativamente baixo e segurança maior.
O artigo menciona que foram gastos $100 milhões em novas baterias para o submarino, vamos tentar converter isso em outras magnitudes...4,2 mil toneladas - deslocamento submerso do submarino japonês. O deslocamento em superfície é de 2,95 mil toneladas. Geralmente, 20-25% do peso do submarino são compostos por baterias. Portanto, temos aproximadamente 740 toneladas - baterias de chumbo-ácido. Além disso: o peso do lítio é cerca de 1/3 do das baterias de chumbo-ácido -> 246 toneladas de lítio. Considerando 70 kWh/kg para Li-Ion, obtemos cerca de 17 MWh de capacidade do sistema de baterias. E a diferença no peso das baterias é de aproximadamente 495 toneladas... Aqui não estamos considerando , em que uma única submarino precisa de 14,5 toneladas de prata, enquanto o seu custo é quatro vezes superior ao das baterias de chumbo-ácido. Lembro que as baterias Li-Ion atualmente são apenas 1,5 a 2 vezes mais caras que as VRLA, dependendo da capacidade da solução.
E os japoneses? Eles se lembraram muito tarde de que a "redução do peso do submarino" em 700 toneladas altera suas qualidades marinhas e estabilidade... Provavelmente tiveram que adicionar armamentos a bordo para retornar aos valores de distribuição de peso projetados do submarino.
As baterias de lítio-íon também pesam menos do que as baterias de chumbo-ácido, por isso o projeto do submarino do tipo Soryu teve que ser um pouco revisto para manter o lastro e a estabilidade.
No Japão, foram desenvolvidos e colocados em operação dois tipos de baterias de íon de lítio: óxido de níquel-cobalto-alumínio (NCA) da empresa GS Yuasa e titanato de lítio (LTO) da Toshiba. A marinha japonesa usará baterias do tipo NCA, enquanto, segundo Kobayashi, para submarinos baseados no tipo Soryu, baterias do tipo LTO foram propostas recentemente na licitação da Austrália.
Sabendo da atenção cuidadosa à segurança no país do Sol Nascente, pode-se supor que as questões de segurança do lítio foram resolvidas, testadas e certificadas.
Risco: inflamabilidade.
Aqui vamos abordar o objetivo da publicação, pois existem opiniões diametralmente opostas sobre a segurança dessas soluções de dados. Mas isso é apenas uma introdução, e o que temos sobre soluções industriais específicas?
Já abordamos questões de segurança em nossa , mas vamos nos deter novamente nesse assunto. Vamos nos referir à figura que analisou o nível de proteção do módulo e da célula LMO/NMC da bateria fabricada pela Samsung SDI, utilizada no sistema de UPS da Schneider Electric.
Os processos químicos foram discutidos no artigo do usuário . Tentaremos entender os riscos potenciais em nosso caso específico e compará-los com a proteção em múltiplos níveis das células Samsung SDI, que fazem parte da estrutura da unidade Li-Ion Type G em uma solução integrada baseada no Galaxy VM.
Começaremos com um caso geral do fluxograma de riscos e causas de ignição da célula de íon de lítio.
Em um spoiler, é possível estudar questões teóricas sobre os riscos de ignição das baterias de íon de lítio e a física dos processos.O fluxograma inicial de riscos e causas de ignição (Safety Hazard) da célula de íon de lítio é do ano de 2018.
Como existem diferenças nas características de aquecimento térmico da célula dependendo da estrutura química da célula de íon de lítio, vamos nos fixar no processo descrito no artigo sobre a célula de níquel-cobalto-alumínio (baseado em LiNiCoAIO2) ou NCA.
O processo de desenvolvimento de uma emergência na célula pode ser dividido em três estágios:
- Estágio 1 (Início). Funcionamento normal da célula, quando o gradiente de aumento da temperatura não ultrapassa 0,2 °C por minuto, e a temperatura da célula não ultrapassa 130-200 °C, dependendo da estrutura química da célula;
- Estágio 2, aquecimento (Aceleração). Neste estágio, a temperatura aumenta, o gradiente de crescimento da temperatura aumenta rapidamente e ocorre a liberação ativa de energia térmica. Em geral, esse processo é acompanhado pela liberação de gases. A liberação excessiva de gases deve ser compensada pelo acionamento da válvula de segurança;
- Estágio 3, superaquecimento (Runaway). Temperatura da bateria acima de 180-200 graus. Nesse ponto, o material do cátodo reage de forma desproporcional e libera oxigênio. Este é o nível de superaquecimento, pois neste caso pode ocorrer uma mistura de gases inflamáveis com oxigênio, levando à autoignição. No entanto, este processo pode, em alguns casos, ser controlado; ou seja, ao alterar o modo dos fatores externos, o superaquecimento pode cessar em determinados casos sem consequências fatais para o ambiente ao redor. A integridade e funcionalidade da célula de lítio após esses eventos não é considerada.
A temperatura do superaquecimento depende do tamanho da célula, da construção da célula e do material. A temperatura do superaquecimento pode variar de 130 a 200 graus Celsius. O tempo de superaquecimento pode ser diferente e variar de minutos, horas ou até dias...
E quanto às células do tipo LMO/NMC em UPS de lítio-íon?
– Para evitar o contato do ânodo com o eletrólito, é usada uma camada cerâmica na composição da célula (SFL). O bloqueio do movimento dos íons de lítio ocorre a 130 graus Celsius.
– Além da válvula de ventilação de proteção, é aplicada um sistema de proteção contra sobrecarga (Over Charge Device, OSD), que funciona em conjunto com um fusível interno e desativa a célula danificada, impedindo que o processo de superaquecimento atinja valores perigosos. Além disso, a ativação do sistema interno OSD ocorrerá antes, ao atingir uma pressão de 3,5 kgf/cm², ou seja, metade da pressão de ativação da válvula de proteção da célula.
Por falar nisso, o fusível da célula acionará com correntes acima de 2500 A em menos de 2 segundos. Suponha que o gradiente de temperatura atinja 10 graus Celsius/min. Em 10 segundos, a célula conseguirá acrescentar cerca de 1,7 graus à sua temperatura, estando em modo de aceleração.
– Um separador de três camadas na célula em modo de sobrecarga garantirá o bloqueio da passagem de íons de lítio para o ânodo da célula. A temperatura de bloqueio é de 250 graus Celsius.
Agora vamos ver qual é a temperatura da célula; vamos comparar em quais etapas ocorrem a ativação dos diferentes tipos de proteção a nível da célula.
— sistema OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm² <= pressão externa
Proteção adicional contra sobrecargas.
– válvula de segurança 7,0+-1,0 kgf/cm² <= pressão externa
– fusível dentro da célula 2 segundos a 2500A (modo de sobrecarga de corrente)
O risco de superaquecimento da célula depende diretamente do nível de carga da célula; mais detalhes aqui…Vamos analisar o efeito do nível de carga da célula no contexto dos riscos de superaquecimento. Vamos considerar a tabela de correspondência da temperatura da célula em relação ao parâmetro SOC (State of Charge, nível de carga da bateria).
O nível de carga da bateria é medido em porcentagens e mostra qual parte do total de carga ainda está armazenada. Neste caso, estamos analisando o modo de recarga da bateria. Pode-se concluir que, dependendo da composição química da célula de lítio, a bateria pode se comportar de maneiras diferentes durante a recarga e ter diferentes tendências ao superaquecimento. Isso se deve à capacidade específica (A*h/grama) de diferentes tipos de células Li-Ion. Quanto maior a capacidade específica da célula, mais rápida será a liberação de calor durante a recarga.
Além disso, com 100% de SOC, um curto-circuito externo frequentemente leva ao superaquecimento da célula. Por outro lado, quando a célula tem um nível de carga de 80% de SOC, a temperatura máxima de início do superaquecimento da célula se desloca para um valor mais alto. A célula se torna mais resistente a modos de falha.
E, finalmente, para 70% de SOC, curtos-circuitos externos podem não causar superaquecimento. Ou seja, o risco de ignição da célula diminui significativamente, e o cenário mais provável é apenas a ativação da válvula de segurança da bateria de lítio.
Além disso, da tabela pode-se concluir que as baterias LFP (curva roxa) geralmente apresentam uma inclinação acentuada no aumento da temperatura, ou seja, a fase de "aquecimento" transita suavemente para a fase de "superaquecimento", e a resistência desse sistema à recarga é ligeiramente pior. As baterias do tipo LMO, como podemos ver, têm uma característica de aquecimento mais suave durante a recarga.
IMPORTANTE: Quando o sistema OSD é ativado, a célula é reiniciada para bypass. Assim, a tensão na estrutura é reduzida, mas ela continua operando e envia um sinal ao sistema de monitoramento do UPS através do sistema BMS da própria estrutura. No caso de sistemas UPS clássicos com baterias VRLA, um curto-circuito ou falha dentro de uma bateria na string pode causar a falha total do UPS e a perda de funcionalidade do equipamento de TI.
Com base no exposto, permanecem riscos relevantes para o uso de soluções de lítio em sistemas UPS:
- Aquecimento térmico da célula, módulo devido a curto-circuito externo – várias camadas de proteção.
- Aquecimento térmico da célula, módulo devido a falha interna da bateria – várias camadas de proteção a nível da célula, módulo.
- Sobrecarga – proteção através de BMS mais todos os níveis de proteção da estrutura, módulo, célula.
- Danos mecânicos – irrelevante para nosso caso, risco de evento é desprezível.
- Superaquecimento da estrutura e de todas as baterias (módulos, células). Não crítico até 70-90 graus. Se a temperatura no local de instalação do UPS subir acima desses valores – significa que já há um incêndio no edifício. Em condições normais de operação do datacenter, o risco de evento é desprezível.
- Redução da vida útil das baterias a temperaturas ambientes elevadas – trabalho contínuo é permitido em temperaturas até 40 graus sem redução significativa na vida útil das baterias. Baterias de chumbo são muito sensíveis a qualquer aumento de temperatura e reduzem sua vida residual proporcionalmente ao aumento da temperatura.
Vamos dar uma olhada no diagrama de riscos de falhas com baterias de íon de lítio em nosso caso de uso em datacenters, servidores. Vamos simplificar um pouco o diagrama, pois os UPS de lítio funcionarão em condições ideais, se comparadas às condições de operação das baterias em seu dispositivo, telefone.
CONCLUSÃO: Baterias de lítio especializadas para UPS de data center possuem um nível adequado de proteção contra situações de emergência, e em uma solução integrada, uma grande variedade de níveis de proteção e mais de cinco anos de experiência na operação dessas soluções permitem afirmar que há um alto nível de segurança nas novas tecnologias. Além de tudo isso, não podemos esquecer que a operação de baterias de lítio em nosso setor ocorre em condições 'de estufa' para tecnologias de Li-Ion: ao contrário do seu smartphone no bolso, a bateria no data center não será derrubada, superaquecida, descarregada diariamente ou utilizada ativamente em modo de reserva.
Para saber mais e discutir uma solução específica utilizando baterias de íon de lítio para o seu servidor ou data center, envie uma consulta para o e-mail , ou faça uma solicitação no site da empresa .
TECNOLOGIAS ABERTAS – soluções robustas e integradas de líderes globais, adaptadas exatamente para seus objetivos e necessidades.
Autor: Oleg Kulikov
Engenheiro Chefe
Departamento de Soluções de Integração
Empresa Tecnologias Abertas
Apenas usuários registrados podem participar da pesquisa. , por favor.
Qual a sua opinião sobre a segurança e a aplicação de soluções industriais baseadas em tecnologias de Li-Ion?
16,2%Perigosa, se autoignita, de jeito nenhum a colocarei no meu servidor.11
10,3%Não estou interessado, já trocamos as baterias clássicas periodicamente e tudo está OK.7
16,2%Preciso pensar, talvez seja seguro e promissor.11
23,5%Interessante, considerarei as possibilidades.16
13,2%Estou interessado! Investir uma vez – e não ter medo de derrubar todo o data center por causa de uma falha de uma bateria de chumbo.9
20,6%É interessante! Os méritos superam de longe os problemas e riscos.14
68 usuários votaram. 25 usuários se abstiveram.
Fonte: habr.com
