Dobrý deň, priatelia!
Po zverejnení článku Bolo veľa komentárov o nebezpečenstvách Li-Ion riešení pre servery a dátové centrá. Preto sa dnes pokúsime zistiť, aké sú rozdiely medzi priemyselnými lítiovými riešeniami pre UPS a batériou vo vašom gadgete, ako sa líšia prevádzkové podmienky batérií v serverovej miestnosti, prečo batéria v telefóne Li-Ion nevydrží viac ako 2-3 roky a v dátovom centre sa toto číslo zvýši na 10 alebo viac rokov. Prečo sú riziká požiaru lítia v dátovom centre/serverovej miestnosti minimálne.
Áno, nehody s batériami UPS sú možné bez ohľadu na typ zariadenia na ukladanie energie, ale mýtus o „nebezpečí požiaru“ priemyselných lítiových riešení nie je pravdivý.
Koniec koncov, mnohí to videli s lítiovou batériou v aute pohybujúcom sa po diaľnici? Tak sa pozrime, zistime, porovnajme...
Tu vidíme typický prípad nekontrolovaného samovoľného zahrievania, tepelného úniku batérie telefónu, čo viedlo k takémuto incidentu. Poviete si: TU! Je to len telefón, len blázon by niečo také dal do serverovne!
Som si istý, že po preštudovaní tohto materiálu čitateľ zmení svoj pohľad na túto problematiku.
Aktuálna situácia na trhu dátových centier
Nie je žiadnym tajomstvom, že vybudovanie dátového centra je dlhodobá investícia. Samotná cena inžinierskych zariadení môže predstavovať 50 % nákladov na všetky kapitálové náklady. Doba návratnosti je približne 10-15 rokov. Prirodzene existuje túžba znížiť celkové náklady na vlastníctvo počas celého životného cyklu dátového centra a zároveň aj kompaktné inžinierske vybavenie, čím sa uvoľní čo najviac priestoru pre užitočné zaťaženie.
Optimálnym riešením je nová iterácia priemyselných UPS na báze Li-Ion batérií, ktoré sa už dávno zbavili „detských chorôb“ v podobe nebezpečenstva požiaru, nesprávnych algoritmov nabíjania a vybíjania a získali množstvo ochranných mechanizmov.
S nárastom kapacity výpočtovej a sieťovej techniky rastie dopyt po UPS. Zároveň sa zvyšujú požiadavky na životnosť batérie pri problémoch s centralizovaným napájaním a/alebo poruchách pri štartovaní záložného zdroja v prípade použitia/dostupnosti dieselagregátu.
Podľa nášho názoru existujú dva hlavné dôvody:
- Rýchly rast objemu spracovávaných a prenášaných informácií
Napríklad, že
je potrebné uložiť a spracovať. - Rast dynamiky spotreby elektrickej energie. Napriek všeobecnému trendu znižovania energetickej náročnosti IT zariadení, znižovania mernej spotreby energie elektronických komponentov.
Graf spotreby energie len jedného prevádzkového dátového centra
Rovnaký trend ukazujú prognózy trhu dátových centier u nás.Podľa webovej stránky, celkový počet rackových priestorov uvedených do prevádzky je viac ako 20 tisíc „Počet rackových priestorov uvedených do prevádzky 20 najväčšími poskytovateľmi služieb dátových centier v roku 2017 vzrástol o 3 % a dosiahol 22,4 tisíc (údaje k 1. 2017),“ uvádza správa CNews Analytics. Podľa poradenských agentúr sa do roku 2021 očakáva nárast počtu rackových miest na 49 tisíc. To znamená, že za dva roky sa skutočná kapacita dátového centra môže zdvojnásobiť. S čím to súvisí? Po prvé, s nárastom objemu informácií: uchovávaných aj spracovávaných.
Okrem cloudov považujú hráči za rastové body aj rozvoj kapacít dátových centier v regiónoch: sú jediným segmentom, kde je rezerva na rozvoj podnikania. Podľa IKS-Consulting v roku 2016 regióny tvorili len 10 % všetkých zdrojov ponúkaných na trhu, pričom hlavné mesto a Moskovský región zaberali 73 % trhu a Petrohrad a Leningradská oblasť – 17 %. V regiónoch naďalej pretrváva nedostatok zdrojov dátových centier s vysokým stupňom odolnosti voči chybám.
Predpokladá sa, že do roku 2025 sa celkové množstvo údajov vo svete v porovnaní s rokom 10 zvýši 2016-krát.
Napriek tomu, ako bezpečné je lítium pre server alebo dátové centrum UPS?
Nevýhoda: vysoká cena Li-Ion riešení.
Cena lítium-iónových batérií je v porovnaní so štandardnými riešeniami stále vysoká. Podľa odhadov SE budú počiatočné náklady na vysokovýkonné UPS nad 100 kVA pre Li-Ion riešenia 1,5-krát vyššie, no v konečnom dôsledku budú úspory na vlastníctve 30 – 50 %. Ak porovnáme s vojensko-priemyselným komplexom iných krajín, tak tu je správa o spustení v r s Li-Ion batériami. Pomerne často sa v takýchto riešeniach používajú lítium-železofosfátové batérie (LFP na fotografii) kvôli ich relatívnej lacnosti a väčšej bezpečnosti.
V článku sa spomína, že 100 miliónov dolárov sa minulo na nové batérie do ponorky, skúsme to previesť na iné hodnoty...4,2 tisíc ton je podvodný výtlak japonskej ponorky. Povrchový výtlak - 2,95 tisíc ton. Spravidla 20-25% hmotnosti člna tvoria batérie. Odtiaľto odvezieme približne 740 ton olovených batérií. Ďalej: hmotnosť lítia je približne 1/3 hmotnosti olovených batérií -> 246 ton lítia. Pri 70 kWh/kg pre Li-Ion získame približne 17 MWh energie batériového poľa. A rozdiel v hmotnosti batérií je približne 495 ton... Tu neberieme do úvahy , ktoré vyžadujú 14,5 tony striebra na jednu ponorku a stoja 4-krát viac ako olovené batérie. Pripomínam, že Li-Ion batérie sú teraz len 1,5-2 krát drahšie ako VRLA, v závislosti od výkonu riešenia.
A čo Japonci? Príliš neskoro si spomenuli, že „odľahčenie lode“ o 700 ton znamená zmenu v jej plavebnosti a stabilite... Pravdepodobne museli na palubu pridať zbrane, aby sa vrátilo konštrukčné rozloženie hmotnosti lode.
Lítium-iónové batérie tiež vážia menej ako olovené batérie, takže dizajn ponorky triedy Soryu musel byť trochu prerobený, aby sa zachovala záťaž a stabilita.
V Japonsku boli vytvorené a uvedené do prevádzkyschopného stavu dva typy lítium-iónových batérií: lítium-nikel-kobalt-hlinitý oxid (NCA) vyrábaný spoločnosťou GS Yuasa a lítiumtitanát (LTO) vyrábaný spoločnosťou Toshiba Corporation. Japonské námorníctvo bude podľa Kobayashi používať batérie NCA, zatiaľ čo Austrálii boli v nedávnom výberovom konaní ponúknuté batérie LTO na použitie na ponorkách triedy Soryu.
Keďže poznáme úctyhodný postoj k bezpečnosti v krajine vychádzajúceho slnka, môžeme predpokladať, že otázky bezpečnosti lítia boli vyriešené, testované a certifikované.
Riziko: nebezpečenstvo požiaru.
Tu zistíme účel publikácie, pretože existujú diametrálne odlišné názory na bezpečnosť týchto riešení. Ale to je všetko len rétorika, ale čo konkrétne priemyselné riešenia?
O bezpečnostných otázkach sme už diskutovali v našom , ale zastavme sa ešte raz pri tejto problematike. Vráťme sa k obrázku, ktorý skúmal úroveň ochrany modulu a LMO/NMC článku batérie vyrábanej spoločnosťou Samsung SDI a používanej ako súčasť UPS Schneider Electric.
Chemické procesy boli diskutované v článku používateľa . Skúsme pochopiť možné riziká v našom konkrétnom prípade a porovnajme ich s viacúrovňovou ochranou v článkoch Samsung SDI, ktoré sú neoddeliteľnou súčasťou hotového Li-Ion racku typu G v rámci komplexného riešenia na báze Galaxy VM .
Začnime všeobecným vývojovým diagramom rizík a príčin požiaru v lítium-iónovom článku.
Pod spojlerom si môžete naštudovať teoretickú problematiku požiarnych rizík lítium-iónových batérií a fyziku procesovPočiatočná bloková schéma rizík a príčin požiaru (bezpečnostné nebezpečenstvo) lítium-iónového článku z 2018 rokov.
Pretože v závislosti od chemickej štruktúry lítium-iónového článku existujú rozdiely v tepelných charakteristikách článku, zameriame sa na proces opísaný v článku v lítium-nikel-kobalt-hliníkovom článku (na báze LiNiCoAIO2) alebo NCA.
Proces vzniku nehody v bunke možno rozdeliť do troch etáp:
- štádium 1 (začiatok). Normálna prevádzka článku, keď gradient zvyšovania teploty nepresahuje 0,2 stupňa Celzia za minútu a samotná teplota článku nepresahuje 130-200 stupňov Celzia, v závislosti od chemickej štruktúry článku;
- etapa 2, zahrievanie (zrýchlenie). V tomto štádiu teplota stúpa, teplotný gradient sa rýchlo zvyšuje a tepelná energia sa aktívne uvoľňuje. Vo všeobecnosti je tento proces sprevádzaný uvoľňovaním plynov. Nadmerný vývoj plynu musí byť kompenzovaný prevádzkou poistného ventilu;
- štádium 3, tepelný útek (Runaway). Ohrev batérie nad 180-200 stupňov. V tomto prípade katódový materiál vstupuje do disproporcionačnej reakcie a uvoľňuje kyslík. Toto je úroveň tepelného úniku, pretože v tomto prípade môže dôjsť k zmiešaniu horľavých plynov s kyslíkom, čo spôsobí samovznietenie. Tento proces sa však v niektorých prípadoch dá kontrolovať, čítať – pri zmene režimu vonkajších faktorov sa tepelný útek v niektorých prípadoch zastaví bez fatálnych následkov pre okolitý priestor. Použiteľnosť a výkon samotného lítiového článku po týchto udalostiach sa neberie do úvahy.
Teplotná úniková teplota závisí od veľkosti bunky, konštrukcie bunky a materiálu. Tepelná úniková teplota sa môže pohybovať od 130 do 200 stupňov Celzia. Čas tepelného úniku sa môže meniť a pohybovať sa od minút, hodín alebo dokonca dní...
A čo články typu LMO/NMC v lítium-iónových UPS?
– Aby sa zabránilo kontaktu anódy s elektrolytom, je ako súčasť článku použitá keramická vrstva (SFL). Pohyb lítiových iónov je blokovaný pri 130 stupňoch Celzia.
– Okrem ochranného odvzdušňovacieho ventilu sa používa ochranný systém Over Charge Device (OSD), ktorý funguje v spojení s internou poistkou a vypína poškodený článok, čím bráni tomu, aby proces tepelného úniku dosiahol nebezpečnú úroveň. Okrem toho sa interný systém OSD spustí skôr, keď tlak dosiahne 3,5 kgf/cm2, čo je o polovicu menej ako tlak odozvy bezpečnostného ventilu článku.
Mimochodom, poistka článku bude fungovať pri prúdoch nad 2500 A nie viac ako 2 sekundy. Predpokladajme, že teplotný gradient dosiahne hodnotu 10 stupňov C/min. Za 10 sekúnd bude mať bunka v režime pretaktovania čas pridať k svojej teplote približne 1,7 stupňa.
– Trojvrstvový separátor v článku v režime nabíjania blokuje prechod lítiových iónov na anódu článku. Teplota blokovania je 250 stupňov Celzia.
Teraz sa pozrime, čo máme s teplotou bunky; Porovnajme, v akých fázach sa spúšťajú rôzne typy ochrany na bunkovej úrovni.
— Systém OSD – 3,5 ± 0,1 kgf/cm2 <= vonkajší tlak
Dodatočná ochrana proti nadprúdom.
— poistný ventil 7,0 ± 1,0 kgf/cm2 <= vonkajší tlak
- poistka vo vnútri článku 2 sekundy pri 2500A (režim nadprúdu)
Riziko tepelného úniku článku priamo závisí od stupňa/úrovne nabitia článku, viac podrobností tu...Uvažujme o vplyve úrovne nabitia článku v kontexte rizík tepelného úniku. Zoberme si tabuľku zhody medzi teplotou článku a parametrom SOC (State of Charge, stupeň nabitia batérie).
Úroveň nabitia batérie sa meria v percentách a ukazuje, koľko z celkového nabitia ešte zostáva uložené v batérii. V tomto prípade uvažujeme o režime dobíjania batérie. Dá sa konštatovať, že v závislosti od chemického zloženia lítiového článku sa batéria môže pri prebíjaní správať odlišne a môže mať rôznu náchylnosť na tepelný únik. Je to spôsobené rôznou špecifickou kapacitou (A*h/gram) rôznych typov Li-Ion článkov. Čím väčšia je špecifická kapacita článku, tým rýchlejšie sa uvoľňuje teplo počas nabíjania.
Okrem toho pri 100% SOC externý skrat často spôsobuje tepelný únik článku. Na druhej strane, keď je v článku 80 % SOC, maximálna tepelná úniková teplota článku sa posunie nahor. Bunka sa stáva odolnejšou voči núdzovým podmienkam.
Nakoniec, pre 70 % SOC nemusia vonkajšie skraty vôbec spôsobiť tepelný únik. To znamená, že riziko vznietenia článkov je výrazne znížené a najpravdepodobnejším scenárom je iba činnosť bezpečnostného ventilu lítiovej batérie.
Okrem toho z tabuľky môžeme vyvodiť záver, že LFP (fialová krivka) batérie má zvyčajne prudký nárast teploty, to znamená, že fáza „zahrievania“ plynulo prechádza do fázy „tepelného úniku“ a stabilita tento systém prebíjania je o niečo horší. Batérie LMO, ako vidíme, majú pri nabíjaní jemnejšiu charakteristiku ohrevu.
dôležité: Keď sa spustí systém OSD, bunka sa resetuje na bypass. Napätie na stojane sa teda zníži, ale zostane v prevádzke a prostredníctvom systému BMS samotného stojana poskytuje signál do monitorovacieho systému UPS. V prípade klasického UPS systému s VRLA batériami môže skrat alebo prerušenie jednej batérie v reťazci viesť k poruche UPS ako celku a strate funkčnosti IT zariadení.
Na základe vyššie uvedeného, v prípade použitia lítiových roztokov v UPS zostávajú relevantné nasledujúce riziká:
- Tepelný únik článku alebo modulu v dôsledku vonkajšieho skratu - niekoľko úrovní ochrany.
- Tepelný únik článku alebo modulu v dôsledku poruchy vnútornej batérie - niekoľko úrovní ochrany na úrovni článku alebo modulu.
- Overcharge – ochrana pomocou BMS plus všetky úrovne ochrany pre rack, modul, bunku.
- Mechanické poškodenie nie je pre náš prípad podstatné, riziko udalosti je zanedbateľné.
- Prehriatie stojana a všetkých batérií (modulov, článkov). Nekritické do 70-90 stupňov. Ak teplota v miestnosti inštalácie UPS stúpne nad tieto hodnoty, znamená to, že v budove došlo k požiaru. Za normálnych prevádzkových podmienok dátového centra je riziko udalosti zanedbateľné.
- Znížená výdrž batérie pri zvýšených izbových teplotách - je povolená dlhodobá prevádzka pri teplotách do 40 stupňov bez citeľného zníženia životnosti batérie. Olovené batérie sú veľmi citlivé na akékoľvek zvýšenie teploty a úmerne so zvýšením teploty znižujú svoju zostávajúcu životnosť.
Pozrime sa na vývojový diagram rizika nehôd s lítium-iónovými batériami v našom dátovom centre, serverovej miestnosti. Poďme trochu zjednodušiť schému, pretože lítiové UPS budú prevádzkované v ideálnych podmienkach, ak porovnáme prevádzkové podmienky batérií vo vašom gadget, telefóne.
záver: Špecializované lítiové batérie pre UPS dátových centier a serverovní majú dostatočnú úroveň ochrany pred núdzovými situáciami a v komplexnom riešení veľké množstvo stupňov rôznej ochrany a viac ako päťročné skúsenosti s prevádzkou týchto riešení umožňujú hovoriť o vysoká úroveň bezpečnosti nových technológií. Okrem iného netreba zabúdať, že prevádzka lítiových batérií v našom sektore vyzerá ako „skleníkové“ podmienky pre Li-Ion technológie: na rozdiel od smartfónu vo vrecku vám batéria v dátovom centre nikomu nevypadne, neprehreje sa, nevybije každý deň, aktívne používať v režime vyrovnávacej pamäte.
Môžete sa dozvedieť viac podrobností a diskutovať o konkrétnom riešení pomocou lítium-iónových batérií pre vašu serverovňu alebo dátové centrum odoslaním požiadavky e-mailom alebo žiadosťou na webovej stránke spoločnosti .
OTVORENÉ TECHNOLÓGIE – spoľahlivé komplexné riešenia od svetových lídrov, prispôsobené špeciálne vašim cieľom a zámerom.
Autor: Kulikov Oleg
Popredný dizajnérsky inžinier
Oddelenie integračných riešení
Spoločnosť Open Technologies
Do prieskumu sa môžu zapojiť iba registrovaní užívatelia. Prosím.
Aký je váš názor na bezpečnosť a použiteľnosť priemyselných riešení založených na Li-Ion technológiách?
-
16,2%Nebezpečný, samozápalný, za žiadnych okolností by som ho nedal do svojej serverovne.11
-
10,3%Mňa to nezaujíma, tak pravidelne meníme klasické batérie a všetko je OK.7
-
16,2%Musíme sa zamyslieť nad tým, či by to mohlo byť bezpečné a sľubné.11
-
23,5%Zaujímavé, pozriem sa na možnosti.16
-
13,2%Mám záujem! Investujte raz – a nebojte sa zahltiť celé dátové centrum kvôli poruche jednej olovenej batérie.9
-
20,6%Zaujímavé! Výhody výrazne prevyšujú nevýhody a riziká.14
Hlasovalo 68 užívateľov. 25 užívateľov sa zdržalo hlasovania.
Zdroj: hab.com