Ahojte priatelia!
Po publikovaní článku bolo veľa komentárov o nebezpečenstve riešení Li-Ion pre servery a dátové centrá. Preto sa dnes pokúsime zaoberať tým, aké sú rozdiely priemyselných lithium riešení pre UPS oproti batérii vo vašom zariadení, ako sa líšia podmienky prevádzky batérií v serverovni, prečo v telefóne Li-Ion batéria nevydrží viac ako 2-3 roky, kým v dátovom centre táto číslica vzrastie na 10 a viac rokov. Prečo sú riziká požiaru lítia v dátovom centre/serverovni minimálne.
Áno, havárie na batériách UPS sú možné bez ohľadu na typ energetických zásobníkov, avšak mýtus o „požiarnej nebezpečnosti“ priemyselných riešení na lítium nezodpovedá skutočnosti.
Veď mnohí videli ten s lítovým akumulátorom v pohybujúcom sa aute? Tak sa pozrime, rozoberme to, porovnajme…
Tu vidíme typický prípad nekontrolovaného samohrevu, tepelného úniku batérie telefónu, ktorý viedol k takému incidentu. Poviete: TOTO! To je len telefón, do serverovne takú vec umiestni len blázon!
Som si istý, že po preštudovaní tohto materiálu zmení čitateľ svoj názor na túto otázku.
Aktuálna situácia na trhu dátových centier
Nie je tajomstvom, že výstavba dátového centra je dlhodobou investíciou. Cena len inžinierskeho vybavenia môže predstavovať 50% nákladov na všetky kapitálové výdavky. Horizont návratnosti je približne 10-15 rokov. Logicky sa objavuje túžba znížiť celkové vlastnícke náklady v celom životnom cykle dátového centra, a popritom ešte aj zhutniť inžinierske vybavenie, aby sa maximalizoval priestor pre užitočné zaťaženie.
Optimálne riešenie – priemyselné UPS novej iterácie založené na Li-Ion akumulátoroch, ktoré sa už dávno zbavili „detských chorôb“ ako je požiarna nebezpečnosť, nesprávne algoritmy nabíjania-vybitia, a obohatili sa o množstvo ochranných mechanizmov.
S rastom výkonu výpočtových a sieťových zariadení rastie aj dopyt po UPS. Súčasne sa zvyšujú požiadavky na dobu prevádzky z akumulátorových batérií v prípade problémov s centralizovaným napájaním a/alebo poruchami pri spúšťaní záložného zdroja energie v prípade použitia/prítomnosti DG.
Podľa nášho názoru sú tu dve hlavné príčiny:
- Rýchly rast objemov spracovávaných a prenášaných informácií
Napríklad, , ktoré
je potrebné uchovať a spracovať. - Rast dynamiky spotreby elektrickej energie. Napriek celkovému trendu znižovania energetickej spotreby IT zariadení a znižovania špecifickej spotreby energie elektronickými komponentmi.
Graf energetickej spotreby jedného fungujúceho dátového centra
Túto istú tendenciu ukazujú prognózy trhu dátových centier v našej krajinePodľa údajov stránky, celkové množstvo uvedených do prevádzky stojísk presahuje 20 tisíc. "Počet spustených stojísk u 20 najväčších poskytovateľov služieb dátových centier v roku 2017 vzrástol o 3% a dosiahol 22,4 tisíc (údaje k 1. októbru 2017)," – uvádza sa v správe CNews Analytics. Podľa odhadov konzultačných agentúr sa do roku 2021 predpokladá zvýšenie stojísk na 49 tisíc. Teda za dva roky sa reálna kapacita dátových centier môže zdvojnásobiť. Čím to je spôsobené? Predovšetkým rastom objemu informácií: ako ukladaných, tak aj spracovávaných.
Okrem cloudov k miestam rastu hráči priraďujú rozvoj kapacít dátových centier v regiónoch: sú jediným segmentom, kde sa udržuje priestor na rozvoj biznisu. Podľa údajov IKS-Consulting v roku 2016 pripadalo iba 10% všetkých ponúkaných na trhu zdrojov na regióny, zatiaľ čo hlavné mesto a Moskovská oblasť obsadili 73% trhu a Petrohrad a Leningradská oblasť 17%. V regiónoch naďalej pretrváva nedostatok zdrojov dátových centier s vysokou úrovňou odolnosti voči poruchám.
Do roku 2025, podľa prognóz, sa celkový objem dát vo svete zvýši 10-násobne v porovnaní s rokom 2016.
Aká bezpečná je lítium pre UPS serverovne alebo dátové centrá?
Nevýhoda: vysoká cena Li-Ion riešení.
Cena lítium-iónových AKB stále zostáva vysoká v porovnaní so štandardnými riešeniami. Podľa odhadov spoločnosti SE budú počiatočné náklady pre mocné UPS nad 100 kVA pre Li-Ion riešenia o 1,5-násobne vyššie, ale nakoniec ušetríte 30-50% na vlastníctve. Ak porovnáme s vojensko-priemyselným komplexom iných krajín, tu je správa o uvedení do s Li-Ion batériami. Pomerne často sa v podobných riešeniach používajú lítium-železo-fosfátové batérie (na foto- LFP) z dôvodu relatívnej lacnosti a vyššej bezpečnosti.
V článku sa spomína, že na nové batérie pre ponorku bolo vynaložených 100 miliónov dolárov, pokúsme sa prepočítať na iné veličiny…4,2 tisícky ton-ponorná výtlak japonskej ponorky. Nadvodný výtlak- 2,95 tisíc ton. Zvyčajne 20-25% hmotnosti lode tvoria akumulátory. Odtiaľ berieme približne 740 ton — olovené-kyselinové akumulátory. Ďalej: hmotnosť lítia je približne 1/3 od olovených-kyselinových batérií -> 246 ton lítia. Pri 70 kWh/kg pre Li-Ion dostávame približne 17 MWh výkonu batériovej sústavy. A rozdiel v hmotnosti batérií — približne 495 ton… Tu nezohľadňujeme , v zložení ktorých na jednu ponorku potrebujeme 14,5 ton striebra, a po cene prevyšujú olovené-kyselinové batérie 4-násobne. Pripomínam, že Li-Ion batérie sú momentálne drahšie ako VRLA len 1,5- 2 krát v závislosti od výkonu riešenia.
A čo Japonci? Príliš neskoro si pripomenuli, že "uľahčenie lode" o 700 ton vedie k zmene jej námořných vlastností a stability… Pravdepodobne museli pridať zbrane na palubu, aby sa vrátili k projektovým hodnotám rozloženia lode.
Lítiovo-iónové akumulátory tiež vážia menej ako olovené-kyselinové batérie, preto bol projekt ponorky typu Soryu trochu prepracovaný na zachovanie vyváženosti a stability.
V Japonsku boli vyvinuté a dostali sa do prevádzkového stavu dva typy lítiovo-iónových akumulátorových batérií: lítium-nikel-kobalt-hliník-oxidová (NCA) vyrábaná spoločnosťou GS Yuasa a lítium-titanátová (LTO) vyrábaná spoločnosťou Toshiba. Japonské námorníctvo bude používať batérie typu NCA, pričom podľa Kobajašiho, Austrálii pre použitie na ponorkách na základe typu Soryu boli v nedávnom tendri ponúknuté batérie typu LTO.
Vedúc k osobe, ktorá si dáva záležať na bezpečnosti v krajine Vychádzajúceho Slnka, môžeme predpokladať, že otázky bezpečnosti lítia sú tam riešené, testované a certifikované.
Riziko: požiarna nebezpečnosť.
Tu sa pozrieme na cieľ publikácie, pretože existujú diametrálne opačné názory na bezpečnosť týchto riešení. Ale to je všetko teória, čo konkrétne máme s priemyselnými riešeniami?
Otázky bezpečnosti sme už preberali v našej , ale opäť sa na túto otázku zastavíme. Pozrieme sa na obrázok, kde bol posudzovaný úroveň ochrany modulu a článku LMO/NMC batérie vyrobenej spoločnosťou Samsung SDI a používané v UPS Schneider Electric.
Chemické procesy boli preberané v článku používateľa . Pokúsime sa porozumieť možným rizikám v našom konkrétnom prípade a porovnať ich s viacerými úrovňami ochrany v článkoch Samsung SDI, ktoré sú súčasťou hotovej Li-Ion rack Type G v komplexnom riešení založenom na Galaxy VM.
Začneme s obecným prípadom blokovej schémy rizík a príčin vzniku požiaru lítium-iónového článku.
Pod spoilerom si môžete študovať teoretické otázky rizika vzniku požiaru lítium-iónových batérií a fyziku procesovPôvodná bloková schéma rizík a príčin vzniku požiaru (Safety Hazard) lítium-iónového článku z z roku 2018.
Keďže v závislosti od chemickej štruktúry lítium-iónového článku existujú rozdiely v charakteristikách tepelného rozbehu článku, tu sa zameriame na proces v článku lítium-nikelnou-kobalt-alumínia (na báze LiNiCoAIO2) alebo NCA.
Proces vývoja havárie v článku môžeme rozdeliť do troch fáz:
- fáza 1 (Onset). Normálna prevádzka článku, keď gradient rastu teploty nepresahuje 0,2 °C za minútu a samotná teplota článku nepresahuje 130-200 °C v závislosti od chemickej štruktúry článku;
- fáza 2, zahriatie (Acceleration). V tejto fáze sa teplota zvyšuje, gradient rastu teploty sa rýchlo zvyšuje, dochádza k aktívnemu uvoľňovaniu tepelnej energie. Všeobecne tento proces sprevádza uvoľňovanie plynov. Prebytočné uvoľňovanie plynov by malo byť kompenzované aktivovaním bezpečnostného ventilu;
- fáza 3, termálne vyháňanie (Runaway). Otepľovanie batérie nad 180-200 stupňov. Materiál katódy reaguje s dispropámos, čím uvoľňuje kyslík. Toto je úroveň termálneho vyháňania, pretože v tomto prípade môže vzniknúť zmes horľavých plynov s kyslíkom, čo spôsobí samovznietenie. Tento proces je však v niektorých prípadoch riaditeľný, čítaj – zmenou režimu vonkajších faktorov sa termálne vyháňanie v niektorých prípadoch zastaví bez fatálnych následkov pre okolitý priestor. Oprávnenosť a funkčnosť samotnej lítijovej bunky po týchto udalostiach sa nerieši.
Teplota termálneho vyháňania závisí od veľkosti bunky, konštrukcie bunky a materiálu. Teplota termálneho vyháňania sa môže pohybovať od 130 do 200 stupňov Celzia. Čas termálneho vyháňania môže byť rôzny a pohybovať sa v minútach, hodinách alebo dokonca dňoch…
A čo máme s bunkami typu LMO/NMC v lítij-iónových UPS?
Na zabránenie styku anódy s elektrolytom sa používa keramický povrch v zložení bunky (SFL). Blokovanie pohybu lítiových iónov nastáva pri 130 °C.
Okrem ochranného ventilačného ventilu je použitý systém ochrany proti preťaženiu (Over Charge Device, OSD), ktorý pracuje v páre s vnútorným poistným systémom a odpojí poškodenú bunku, aby sa predišlo nebezpečným hodnotám procesu termálneho vyháňania. Predpokladaná aktivácia systému OSD nastane skôr, pri dosiahnutí tlaku 3,5 kgf/cm², teda polovicu zo spúšťacieho tlaku ochranného ventilu bunky.
Mimochodom, poistka bunky sa akční pri prúdoch nad 2500 A za čas nie dlhší ako 2 sekundy. Predpokladajme, že teplotný gradient dosiahol hodnotu 10 °C/min. Za 10 sekúnd sa bunka môže ohriať približne o 1,7 stupňa, nachádzajúc sa v režime vyháňania.
Trojvrstvový separátor v bunke v režime prebitia zabezpečí blokovanie prechodu lítiových iónov na anódu bunky. Teplota blokovania je 250 °C.
Teraz sa pozrime, čo máme s teplotou bunky; porovnáme, v akých fázach sa aktivujú rôzne druhy ochrany na úrovni bunky.
— systém OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm² <= vonkajší tlak
Dodatočná ochrana proti nadprúdom.
— bezpečnostný ventil 7,0+-1,0 kg/cm2 <= vonkajší tlak
— poistka vo vnútri článku 2 sekundy pri 2500A (režim preťaženia over current)
Riziko tepelného rozbehu článku priamo závisí od úrovne nabitia článku, podrobnosti tu…Pozrime sa na účinok úrovne nabitia článku v kontexte rizík vzniku tepelného rozbehu. Pozrime sa na tabuľku zodpovedajúcu teplote článku vo vzťahu k parametru SOC (State of Charge, úroveň nabitia akumulátora).
Úroveň nabitia akumulátora sa meria v percentách a ukazuje, aká časť celkového nabitia je ešte uložená v akumulátore. V tomto prípade sa zaoberáme režimom prebitia akumulátora. Môžeme dospieť k záveru, že v závislosti od chemického zloženia lithium článku sa batéria môže správať rôzne pri prebití a mať rôznu náchylnosť na tepelné rozbehy. Je to spôsobené rôznou špecifickou kapacitou (Ah/g) rôznych typov Li-Ion článkov. Čím väčšia je špecifická kapacita článku, tým rýchlejšie bude uvoľňovanie tepla pri prebití.
Okrem toho pri 100% SOC vonkajšie skraty často vedú k tepelnému rozbehu článku. Na druhej strane, keď má článok úroveň nabitia 80% SOC, maximálna teplota začiatku tepelného rozbehu článku sa posúva na vyššiu hodnotu. Článok sa stáva odolnejším voči havarijným režimom.
A nakoniec, pri 70% SOC vonkajšie skraty nemusia vôbec spôsobiť tepelný rozbeh. To znamená, že riziko vzplanutia článku sa výrazne znižuje a najpravdepodobnejší scenár je len aktivácia bezpečnostného ventilu lithium akumulátora.
Okrem toho, z tabuľky môžeme usúdiť, že LFP (fialová krivka) batérie zvyčajne má strmý nárast teploty, t.j. fáza „zahriatia“ plynule prechádza do fázy „tepelný rozbeh“, a odolnosť tohto systému voči prebitie je o niečo horšia. Batérie typu LMO, ako vidíme, majú plynulejšiu charakteristiku zahriatia pri prebití.
DÔLEŽITÉ: Pri aktivácii systému OSD dôjde k presunu bunky na bypass. Týmto sa znižuje napätie na stojane, avšak ten zostáva v prevádzke a vysiela signál do systému monitorovania UPS prostredníctvom systému BMS samotného stojana. V prípade klasického systému UPS s VRLA batériami môže krátke spojenie alebo porucha v rámci jedného AKB v strome viesť k zlyhaniu UPS ako celku a strate funkčnosti IT zariadenia.
Na základe vyššie uvedeného, pre prípad použitia lítiových riešení v UPS zostávajú aktuálne riziká:
- Tepelný rozvoj bunky, modulu v dôsledku vonkajšieho SK – niekoľko úrovní ochrany.
- Tepelný rozvoj bunky, modulu v dôsledku vnútorného zlyhania batérie – niekoľko úrovní ochrany na úrovni bunky, modulu.
- Prebičovanie – ochrana prostriedkami BMS plus všetky úrovne ochrany stojana, modulu, bunky.
- Mechanické poškodenie – nie je aktuálne pre náš prípad, riziko udalosti je zanedbateľné.
- Prehriatie stojana a všetkých batérií (modulov, buniek). Nie je kritické do 70-90 stupňov. Ak teplota v priestore inštalácie UPS vzrastie nad tieto hodnoty – to už znamená, že ide o požiar v budove. V normálnych prevádzkových podmienkach dátového centra je riziko udalosti zanedbateľné.
- Zníženie života batérií pri zvýšených teplotách priestoru – je povolená dlhodobá práca pri teplote do 40 stupňov bez cítenia zníženia životnosti batérií. Olovené batérie sú veľmi citlivé na akékoľvek zvýšenie teploty a znižujú svoj zostatkový život proporcionálne k zvýšeniu teploty.
Pozrime sa na blokovú schému rizík havárií s lítiovými batériami v našom prípade použitia v dátovom centre, serverovni. Trochu zjednodušíme schému, pretože lítiové UPS budú prevádzkované za ideálnych podmienok v porovnaní s podmienkami prevádzky batérií vo vašich zariadeniach, telefóne.
ZÁVER: Špecializované lítiové batérie pre UPS dátových centier a serverovní poskytujú dostatočnú úroveň ochrany pred neštandardnými situáciami. V komplexnom riešení množstvo rôznych ochranných stupňov a viac ako päťročné skúsenosti s prevádzkou týchto technológií dávajú dôvod hovoriť o vysokej úrovni bezpečnosti nových technológií. Okrem toho stojí za zmienku, že prevádzka lítiových akumulátorov v našom sektore predstavuje "skleníkové" podmienky pre Li-Ion technológie: na rozdiel od vášho smartfónu vo vrecku nikto nehodí batériu v dátovom centre, neprehrieva ju, nevybíja ju každý deň ani ju aktívne nevyužíva v bufferovom režime.
Získať podrobnosti a prediskutovať konkrétne riešenie s využitím lítiovo-iónových batérií pre vašu serverovňu alebo dátové centrum môžete tak, že pošlete dopyt na e-mail , alebo urobíte dopyt na stránke spoločnosti .
OTVORENÉ TECHNOLÓGIE – spoľahlivé komplexné riešenia od svetových lídrov, prispôsobené presne vašim cieľom a úlohám.
Autor: Kulikov Oleg
Vedúci inžinier konštruktér
Oddelenie integračných riešení
Spoločnosť Otvorené Technológie
Len registrovaní používatelia sa môžu zúčastniť prieskumu. , prosím.
Váš názor na tému bezpečnosti a aplikovateľnosti priemyselných riešení na technológie Li-Ion?
16,2%Nebezpečné, samovznietenie, za žiadnych okolností si ich nedám do serverovne.11
10,3%Nie je mi to zaujímavé, aj tak pravidelne meníme klasické batérie, a všetko je v poriadku.7
16,2%Musím popremýšľať, možno je to bezpečné a perspektívne.11
23,5%Zaujímavé, zvážim možnosti.16
13,2%Zaujíma ma! Investovať raz – a nebojím sa, že zlyhanie jednej olovené batérie spôsobí problém celému dátovému centru.9
20,6%Zaujímavé! Výhod je oveľa viac ako nevýhod a rizík.14
Hlasovalo 68 používateľov. Zdržalo sa 25 používateľov.
Zdroj: habr.com
