Bună ziua, prieteni!
După publicarea articolului au fost multe comentarii referitoare la pericolele soluțiilor Li-Ion pentru servere și centre de date. Prin urmare, astăzi vom încerca să înțelegem ce diferențe există între soluțiile industriale pe bază de litiu pentru UPS și bateria din gadgetul tău, cum variază condițiile de utilizare a bateriilor în servere, de ce în telefon bateria Li-Ion durează nu mai mult de 2-3 ani, iar în centru de date acest număr va crește la 10 sau mai mulți ani. De ce riscurile de incendiu cu litiu în centrul de date/server sunt minime.
Da, accidentele cu bateriile UPS sunt posibile indiferent de tipul de stocare a energiei, iar mitul despre „pericolul de incendiul” soluțiilor industriale pe bază de litiu nu corespunde realității.
Dar mulți au văzut acel cu o baterie litiu în mașina ce circula pe autostradă? Așadar, să ne uităm, să analizăm, să comparăm...
Aici vedem un caz tipic de autoîncălzire necontrolată, accelerarea termică a bateriei telefonului, care a dus la acest incident. Vei spune: IATĂ! Acesta este doar un telefon, în server nu ar pune așa ceva decât un nebun!
Sunt sigur că, studiind acest material, cititorul își va schimba punctul de vedere asupra acestei probleme.
Situația actuală pe piața centrelor de date
Nu este un secret pentru nimeni că construirea centrelor de date este o investiție pe termen lung. Prețul doar pentru echipamentele ingineresti poate reprezenta 50% din costurile totale de capital. Orizontul de recuperare este de aproximativ 10-15 ani. Este normal să existe dorința de a reduce costul total de proprietate pe întreaga durată de viață a centrului de date, în timp ce se optimizează echipamentele ingineresti, eliberând cât mai multe spații pentru sarcina utilizabilă.
Soluția optimă sunt UPS-urile industriale de nouă generație pe bază de baterii Li-Ion, care s-au descurcat de mult timp de „bolile copilăriei” precum pericolul de incendiu, algoritmi incorecți de încărcare-descărcare, și s-au înconjurat cu o mulțime de mecanisme de protecție.
Pe măsură ce puterea echipamentelor de calcul și rețea crește, cererea pentru UPS-uri crește. În același timp, cerințele referitoare la timpul de funcționare autonom sunt tot mai mari în cazul problemelor cu alimentarea electrică centralizată și/sau erorile la inițierea sursei de alimentare de rezervă în cazul aplicării/existenței grupurilor electrogene.
După părerea noastră, există două cauze principale aici:
- Creșterea rapidă a volumului de informații procesate și transmise
De exemplu, , pe care
trebuie să o salvăm și să o procesăm. - Creșterea dinamicii consumului de energie electrică. În ciuda tendinței generale de reducere a consumului de energie al echipamentului IT, se observă o scădere a consumului specific de energie al componentelor electronice.
Grafica consumului de energie a unui singur centru de date funcțional
Aceeași tendință este reflectată de prognozele pieței centrelor de date din țara noastrăConform datelor de pe site-ul, numărul total de locuri de lucru puse în funcțiune depășește 20 de mii. „Numărul locurilor de lucru active la cei 20 cei mai mari furnizori de servicii de centre de date a crescut cu 3% în 2017 și a ajuns la 22,4 mii (datele de pe 1 octombrie 2017)”, se menționează în raportul CNews Analytics. Conform estimărilor agențiilor de consultanță, se preconizează o creștere a numărului de locuri de lucru până la 49 de mii până în 2021. Adică, în doi ani capacitatea reală a centrelor de date se poate dubla. Ce determină asta? În primul rând, creșterea volumului de informații: atât a celor stocate, cât și a celor procesate.
Pe lângă cloud-uri, jucătorii consideră dezvoltarea capacităților centrelor de date din regiuni ca puncte de creștere: acestea sunt singurul segment în care există un rezervor pentru dezvoltarea afacerii. Conform datelor IKS-Consulting, în 2016, regiunile reprezentau doar 10% din resursele disponibile pe piață, în timp ce capitala și regiunea Moscova au ocupat 73% din piață, iar Sankt Petersburg și regiunea Leningrad – 17%. Regiunile continuă să aibă un deficit de resurse de centre de date cu un grad ridicat de fiabilitate.
Până în 2025, conform prognozelor, volumul total al datelor din lume se va tripla față de 2016.
În cele din urmă, cât de sigur este litiul pentru UPS-urile din server sau centre de date?
Dezavantaj: costurile ridicate ale soluțiilor Li-Ion.
Prețul bateriilor litiu-ion rămâne încă mare comparativ cu soluțiile standard. Conform estimărilor companiei SE, costurile inițiale pentru UPS-uri puternice de peste 100 kVA pentru soluțiile Li-Ion vor fi cu 1,5 ori mai mari, dar, în cele din urmă, economiile deținării vor fi de 30-50%. Comparând cu complexul militar-industrial din alte țări, aceasta este vestea despre lansarea în cu baterii Li-Ion. Destul de des, în astfel de soluții se folosesc baterii pe bază de litiu-fier-fosfat (în fotografie - LFP) datorită costului relativ scăzut și siguranței mai mari.
În articol se menționează că pentru noile baterii ale submarinei s-au cheltuit 100 de milioane de dolari, să încercăm să transformăm în alte valori...4,2 mii tone - deplasamentul submersibil al submarinei japoneze. Deplasamentul de suprafață - 2,95 mii tone. De obicei, 20-25% din masa bărcii o constituie acumulatorii. Așadar, luăm aproximativ 740 de tone - acumulatori cu plumb- acid. În continuare: masa de litiu reprezintă aproximativ 1/3 din bateriile cu plumb-acid -> 246 tone de litiu. La 70 kWh/kg pentru Li-Ion obținem aproximativ 17 MWh de putere a băncii de baterii. Și diferența de masă a bateriilor - aproximativ 495 tone… Aici nu luăm în calcul , în compoziția cărora pentru o submarină este nevoie de 14,5 tone de argint, iar ca preț depășesc bateriile cu plumb-acid de 4 ori. Să amintim că bateriile Li-Ion sunt acum cu 1,5-2 ori mai scumpe decât VRLA, în funcție de puterea soluției.
Și ce fac japonezii? S-au gândit prea târziu că „ușurarea bărcii” cu 700 de tone implică o modificare a calităților sale maritime, a stabilității… Probabil că a trebuit să adauge armament pe bord pentru a readuce valorile de greutate planificate pentru submarină.
Bateriile litiu-ion cântăresc de asemenea mai puțin decât bateriile cu plumb-acid, astfel că proiectul submarinei de tip Soryu a trebuit să fie revizuit pentru a menține balastajul și stabilitatea.
În Japonia au fost dezvoltate și duse la starea de exploatare două tipuri de baterii cu litiu-ion: oxid de litiu-nichel-cobalt-aluminiu (NCA) produse de GS Yuasa și titanatul de litiu (LTO) produse de corporația Toshiba. Flota japoneză va folosi baterii de tip NCA, în timp ce, conform lui Kobayashi, Australia a propus baterii de tip LTO pentru utilizare pe submarinele bazate pe tipul Soryu în recentul tender.
Știind atentă atitudinea față de siguranță în țara Soarelui Răsare, se poate presupune că problemele legate de siguranța litiului sunt rezolvate, testate și certificate.
Riscul: pericol de incendiu.
Aici vom analiza scopul publicării, deoarece opiniile cu privire la securitatea acestor soluții sunt diametral opuse. Dar asta e doar latură, ce avem despre soluțiile industriale concrete?
Întrebările de securitate le-am abordat deja în articolul nostru , dar să ne oprim din nou asupra acestei probleme. Să ne referim la imaginea în care a fost discutat nivelul de protecție al modulului și celulei LMO/NMC a acumulatorului produs de Samsung SDI, folosit în cadrul UPS-ului Schneider Electric.
Procesele chimice au fost discutate în articolul utilizatorului . Vom încerca să ne dăm seama de riscurile posibile în cazul nostru concret și să le corelăm cu protecția multistrat în celulele Samsung SDI, care fac parte din rack-ul Li-Ion de tip G în cadrul unei soluții integrate pe baza Galaxy VM.
Să începem cu cazul general al diagramei de riscuri și cauzelor incendiului unei celule litiu-ion.
Sub spoiler, se pot studia întrebările teoretice despre riscurile incendiului acumulatorilor litiu-ion și fizica proceselorDiagrama inițială a riscurilor și cauzelor incendiului (Safety Hazard) a celulei litiu-ion din din 2018.
În funcție de structura chimică a celulei litiu-ion, există diferențe în caracteristicile de desfășurare termică a celulei, așadar ne vom opri asupra procesului descris în articol în celula litiu-nichel-cobalt-aluminiu (pe baza LiNiCoAIO2) sau NCA.
Procesul de dezvoltare a accidentului în celulă poate fi împărțit în trei stadii:
- stadiul 1 (Onset). Funcționare normală a celulei, când gradientul de creștere a temperaturii nu depășește 0,2 °C pe minut, iar temperatura celulei nu depășește 130-200 °C în funcție de structura chimică a celulei;
- stadiul 2, încălzire (Acceleration). În această etapă temperatura crește, gradientul de creștere a temperaturii se intensifică rapid, iar energia termică este eliberată activ. În general, acest proces este însoțit de eliberarea de gaze. Eliberarea excesivă de gaze trebuie compensată prin activarea supapei de siguranță;
- etapa 3, accelerare termică (Runaway). Încălzirea acumulatorului la peste 180-200 de grade. În acest proces, materialul catodului reacționează prin disproporționare și eliberează oxigen. Acesta este nivelul de accelerare termică, deoarece în acest caz se poate forma un amestec de gaze inflamabile cu oxigen, ceea ce va provoca autoaprinderea. Cu toate acestea, acest proces poate fi controlat în unele cazuri; citind – prin schimbarea regimului factorilor externi, accelerarea termică se oprește în anumite situații fără consecințe fatale pentru spațiul înconjurător. Integritatea și funcționalitatea celulei de litiu după aceste evenimente nu sunt luate în considerare.
Temperatura accelerării termice depinde de dimensiunea celulei, de construcția acesteia și de material. Temperatura accelerării termice poate varia de la 130 la 200 de grade Celsius. Timpul de accelerare termică poate fi diferit și poate dura minute, ore sau chiar zile…
Ce se întâmplă cu celulele de tip LMO/NMC în UPS-urile cu litiu-ion?
– Pentru a preveni contactul anodului cu electrolitul, se utilizează un strat ceramic în structura celulei (SFL). Blocarea mișcării ionilor de litiu are loc la 130 °C.
– În plus față de supapa de ventilație de protecție, se aplică un sistem de protecție împotriva supraîncărcării (Over Charge Device, OSD), care funcționează împreună cu un siguranță internă și deconectează celula defectă, fără a permite procesul de accelerare termică să ajungă la valori periculoase. De asemenea, activarea sistemului intern OSD va avea loc mai devreme, la atingerea unei presiuni de 3,5 kgf/cm2, adică, de două ori mai mică decât presiunea de activare a supapei de protecție a celulei.
Apropo, siguranța celulei se va activa la curenți de peste 2500 A în decurs de maximum 2 secunde. Să presupunem că gradientul de temperatură a ajuns la 10 °C/min. În 10 secunde, celula va reuși să adauge la temperatura sa aproximativ 1,7 grade, fiind în modul de accelerare.
– Separatorul triplu din celulă în modul de supraîncărcare va bloca trecerea ionilor de litiu către anodul celulei. Temperatura de blocare este de 250 °C.
Acum să vedem ce avem cu temperatura celulei; să comparăm în ce etape se activează diferitele tipuri de protecție la nivelul celulei.
— sistemul OSD – 3,5 ± 0,1 kgf/cm2 <= presiunea exterioară
Protecție suplimentară împotriva supracurentilor.
— supapa de siguranță 7,0±1,0 kgf/cm² <= presiune externă
— siguranță în interiorul celulei 2 secunde la 2500A (modul supracurent)
Riscul de depășire termică a celulei depinde direct de gradul/nivelul de încărcare a celulei, detalii aici…Să considerăm efectul nivelului de încărcare a celulei în contextul riscurilor de apariție a depășirii termice. Să examinăm tabelul corespondenței temperaturii celulei în funcție de parametrul SOC (Starea de Încărcare).
Starea de încărcare a bateriei este măsurată în procente și indică ce parte din întreaga încărcare este încă stocată în baterie. În acest caz, ne concentrăm pe modul de supraîncărcare a bateriei. Se poate concluziona că, în funcție de compoziția chimică a celulei litiu, bateria poate avea comportamente diferite în timpul supraîncărcării și o predispoziție diferită la depășirea termică. Acest lucru se datorează capacității specifice diferitelor tipuri de celule Li-Ion (Ah/gram). Cu cât capacitatea specifică a celulei este mai mare, cu atât eliberarea de căldură în timpul supraîncărcării va fi mai rapidă.
În plus, la 100% SOC, un scurtcircuit extern duce adesea la depășirea termică a celulei. Pe de altă parte, când celula are un nivel de încărcare de 80% SOC, temperatura maximă de început a depășirii termice a celulei se mută mai sus. Celula devine mai rezistentă la modurile de urgență.
Și, în final, pentru 70% SOC, scurtcircuitele externe pot să nu fie în niciun caz cauza depășirii termice. Asta înseamnă că riscul de incendiu al celulei scade semnificativ, iar cel mai probabil scenariu este doar activarea supapei de siguranță a bateriei litiu.
În plus, din tabel se poate concluziona că bateriile LFP (linia violetă) au de obicei o panta abruptă a creșterii temperaturii, adică, etapa „încălzire” trece lin în etapa „depășire termică”, iar rezistența acestui sistem la supraîncărcare este oarecum mai slabă. Bateriile de tip LMO, așa cum vedem, au o caracteristică mai lină a încălzirii în timpul supraîncărcării.
IMPORTANT: În cazul activării sistemului OSD, celula este resetată pe bypass. Astfel, tensiunea pe rack este redusă, dar acesta rămâne operațional și transmite un semnal în sistemul de monitorizare a UPS-ului prin sistemul BMS al rack-ului. În cazul unui sistem UPS clasic cu baterii VRLA, un scurtcircuit sau o întrerupere în interiorul unei baterii dintr-un string poate duce la defectarea UPS-ului în ansamblu și la pierderea funcționalității echipamentului IT.
În lumina celor de mai sus, riscurile rămân relevante pentru utilizarea soluțiilor cu litiu în UPS-uri:
- Supraîncălzirea celulei, modulului ca urmare a unui scurtcircuit extern – mai multe niveluri de protecție.
- Supraîncălzirea celulei, modulului din cauza unei defectiuni interne a bateriei – mai multe niveluri de protecție la nivelul celulei, modulului.
- Supraincarcare – protecție prin intermediul BMS plus toate nivelurile de protecție ale rack-ului, modulului, celulei.
- Daune mecanice – nerelevante pentru cazul nostru, riscul este nesemnificativ.
- Supraîncălzirea rack-ului și a tuturor bateriilor (modulilor, celulelor). Nu este critică până la 70-90 grade. Dacă temperatura din spațiul unde este instalat UPS-ul depășește aceste valori – înseamnă că deja există un incendiu în clădire. În mod normal, riscul este nesemnificativ.
- Reducerea duratei de viață a bateriilor la temperaturi ridicate ale camerei – se permite funcționarea continuă la temperaturi de până la 40 de grade fără o scădere semnificativă a duratei de viață a bateriilor. Bateriile cu plumb sunt foarte sensibile la orice creștere a temperaturii și își reduc resursa rămasă proporțional cu creșterea temperaturii.
Să aruncăm o privire asupra diagramei riscurilor de accidente cu baterii litiu-ion în cazul nostru de utilizare în data center, server. Să simplificăm un pic schema, deoarece UPS-urile cu litiu vor fi operate în condiții ideale, comparativ cu condițiile de funcționare ale bateriilor din gadgetul tău, telefon.
CONCLUZIE: Bateriile litiu specializate pentru UPS în centrele de date și servere au un nivel suficient de protecție împotriva situațiilor neprevăzute, iar în cadrul unei soluții complexe, un număr mare de grade de protecție variate și o experiență de peste cinci ani în utilizarea acestor soluții permit să vorbim despre un nivel ridicat de securitate al noilor tehnologii. În plus, nu trebuie să uităm că operarea bateriilor litiu în sectorul nostru se desfășoară în condiții ideale pentru tehnologia Li-Ion: spre deosebire de smartphone-ul dumneavoastră din buzunar, nimeni nu va arunca, supraîncălzi sau descărca zilnic bateria din centrul de date, folosită activ în modul de rezervă.
Pentru a afla detalii și a discuta o soluție specifică cu utilizarea bateriilor litiu-ion pentru centrul dumneavoastră de server sau centru de date, puteți trimite o solicitare prin e-mail , sau puteți face o solicitare pe site-ul companiei .
TEHNOLOGII DESCHISE – soluții complexe fiabile de la lideri mondiali, adaptate exact nevoilor și obiectivelor dumneavoastră.
Autor: Oleg Kulikov
Inginer senior proiectant
Departamentul soluțiilor de integrare
Compania Tehnologii Deschise
Numai utilizatorii înregistrați pot participa la sondaj. , vă rugăm.
Care este părerea dumneavoastră cu privire la securitatea și aplicabilitatea soluțiilor industriale bazate pe tehnologia Li-Ion?
16,2%Periculos, se poate autoaprinde, cu siguranță nu aș folosi în server.11
10,3%Nu mă interesează, oricum schimbăm periodic bateriile clasice, și totul e OK.7
16,2%Trebuie să mă gândesc, poate că e sigur și promițător.11
23,5%Interesant, voi analiza posibilitățile.16
13,2%Sunt interesat! O investiție unică – și nu trebuie să-mi fac griji că voi face tot centrul de date nefuncțional din cauza unei baterii cu plumb defecte.9
20,6%Interesant! Avantajele sunt cu mult mai multe decât dezavantajele și riscurile.14
Au votat 68 de utilizatori. 25 de utilizatori s-au abținut.
Sursa: habr.com
