Hola amigos
Después de la publicación del artículo "UPS y conjunto de baterías: ¿dónde instalar? Sí, espera, hubo muchos comentarios sobre los peligros de las soluciones de Li-Ion para servidores y centros de datos. Por lo tanto, hoy trataremos de descubrir cuáles son las diferencias entre las soluciones de litio industriales para UPS de la batería de su dispositivo, cómo difieren las condiciones de la batería en la sala de servidores, por qué la batería no dura más de 2-3 años en un teléfono de iones de litio, y en el centro de datos esta cifra aumentará a 10 o más años. Por qué los riesgos de incendio de litio en el centro de datos / servidor son mínimos.
Sí, los accidentes con baterías UPS son posibles independientemente del tipo de almacenamiento de energía, pero el mito del "peligro de incendio" de las soluciones industriales en litio no es cierto.
Después de todo, ¿muchos han visto ese video con un incendio de un teléfono con una batería de litio en un automóvil que se mueve a lo largo de la carretera? Entonces, vamos a ver, descifrar, comparar ...
Aquí vemos un caso típico de autocalentamiento incontrolado, aceleración térmica de la batería del teléfono, que condujo a tal incidente. Dirás: ¡AQUÍ! ¡Esto es solo un teléfono, solo un loco puede ponerlo en la sala de servidores!
Estoy seguro de que después de estudiar este material, el lector cambiará su punto de vista sobre este tema.
Situación actual en el mercado de centros de datos.
No es ningún secreto que la construcción de un centro de datos es una inversión a largo plazo. El precio de los equipos de ingeniería solo puede ser el 50% del costo de todos los costos de capital. El horizonte de recuperación es de aproximadamente 10-15 años. Naturalmente, existe el deseo de reducir el costo total de propiedad durante todo el ciclo de vida del centro de datos y, en el camino, también de compactar equipos de ingeniería, liberando espacio para la carga útil tanto como sea posible.
La solución óptima es el SAI industrial de una nueva iteración basada en baterías de iones de litio, que desde hace mucho tiempo se han librado de las "enfermedades infantiles" en forma de peligro de incendio, algoritmos de descarga de carga incorrectos y cubiertas de una gran cantidad de mecanismos de protección.
Con un aumento en el poder de los equipos informáticos y de red, la demanda de UPS está creciendo. Al mismo tiempo, aumentan los requisitos de duración de la batería en caso de problemas con el suministro de energía centralizado y / o fallas al iniciar una fuente de energía de respaldo en caso de aplicación / disponibilidad de grupos electrógenos diesel.
Las razones principales, en nuestra opinión, son dos:- Rápido crecimiento en el volumen de información procesada y transmitida.
Por ejemplo, el nuevo avión de pasajeros Boeing
El 787 Dreamliner en un vuelo genera más de 500 gigabytes de información que
Necesito guardar y procesar. - Crecimiento en la dinámica del consumo eléctrico. A pesar de la tendencia general de reducir el consumo de energía de los equipos de TI, reduciendo el consumo de energía específico de los componentes electrónicos.
Gráfico de consumo de energía de un solo centro de datos activo Los pronósticos del mercado de centros de datos en nuestro país demuestran la misma tendencia.Según
expert.ru , el número total de espacios en rack comisionados es de más de 20 mil. "El número de espacios en rack puestos en funcionamiento por los 20 proveedores de servicios de centros de datos más grandes en 2017 aumentó en un 3% y alcanzó 22,4 mil (datos al 1 de octubre 2017) ”, dice el informe de CNews Analytics. Según las estimaciones de las agencias de consultoría, para 2021, se espera un aumento de las estancias de hasta 49 mil. Es decir, en dos años la capacidad real del centro de datos puede duplicarse. ¿Cuál es la razón de esto? En primer lugar, con el crecimiento de la información: tanto almacenada como procesada.
Además de las nubes, los jugadores clasifican el desarrollo de centros de datos en las regiones como puntos de crecimiento: son el único segmento donde se preserva la reserva para el desarrollo empresarial. Según IKS-Consulting, en 2016, las regiones representaban solo el 10% de todos los recursos ofrecidos en el mercado, mientras que la capital y la región de Moscú ocupaban el 73% del mercado, y la región de San Petersburgo y Leningrado - 17%. En las regiones, la escasez de recursos de los centros de datos con un alto grado de tolerancia a fallas continúa persistiendo.
Para 2025, según las previsiones, la cantidad total de datos en el mundo aumentará 10 veces en comparación con 2016.
Aún así, ¿qué tan seguro es el litio para un servidor o centro de datos UPS?
Desventaja: el alto costo de las soluciones de iones de litio.
El precio de las baterías de iones de litio sigue siendo alto en comparación con las soluciones estándar. SE estima que el costo inicial de los UPS de alta potencia de más de 100 kVA para las soluciones de iones de litio será 1.5 veces mayor, pero en última instancia, el costo de propiedad será del 30-50%. Si hacemos comparaciones con el complejo militar-industrial de otros países, aquí están las noticias sobre la
puesta en servicio de un submarino japonés con baterías de iones de litio. Muy a menudo, las baterías de litio-hierro-fosfato (en la foto-LFP) se usan en tales soluciones debido a su relativa bajo costo y mayor seguridad.
El artículo menciona que se gastaron $ 100 millones en baterías nuevas para el submarino, intentemos recalcularlo a otros valores ...4.2 mil toneladas de desplazamiento submarino del submarino japonés. Desplazamiento de superficie - 2.95 mil toneladas. Por lo general, el 20-25% de la masa del bote está compuesto por baterías. Desde aquí tomamos alrededor de 740 toneladas: baterías de plomo-ácido. Además: la masa de litio es aproximadamente 1/3 de las baterías de plomo-ácido -> 246 toneladas de litio. A 70 kW * h / kg para Li-Ion obtenemos aproximadamente 17 MW * h de capacidad de batería. Y la diferencia en la masa de las baterías es de aproximadamente 495 toneladas ... Aquí no tenemos en cuenta
las baterías de plata-zinc , que contienen 14.5 toneladas de plata por submarino, y cuestan 4 veces el costo de las baterías de plomo-ácido. Permítame recordarle que las baterías de iones de litio ahora son más caras que VRLA solo de 1.5 a 2 veces, dependiendo de la potencia de la solución.
¿Qué hay de los japoneses? Recordaron demasiado tarde que el "aligeramiento del bote" en 700 toneladas implica un cambio en su navegabilidad, estabilidad ... Probablemente tuvieron que agregar armas a bordo para devolver los valores de peso de diseño del bote.
Las baterías de iones de litio también pesan menos que las baterías de plomo y ácido, por lo que el proyecto submarino tipo Soryu tuvo que ser rediseñado para mantener el lastre y la estabilidad.
En Japón, se han creado y puesto en funcionamiento dos tipos de baterías de iones de litio: litio-níquel-cobalto-óxido de aluminio (NCA) fabricado por GS Yuasa y titanato de litio (LTO) fabricado por Toshiba Corporation. La flota japonesa usará baterías NCA, mientras que según Kobayashi de Australia, las baterías LTO fueron propuestas en una licitación reciente para su uso en submarinos tipo Soryu.
Conociendo la actitud reverente hacia la seguridad en el país del Sol Naciente, se puede suponer que sus problemas de seguridad de litio se han resuelto, probado y certificado.
Riesgo: peligro de incendio.Aquí lo resolveremos con fines de publicación, ya que las opiniones sobre la seguridad de estas soluciones existen diametralmente opuestas. Pero esta es toda la letra, pero ¿qué pasa con las soluciones industriales concretas?
Problemas de seguridad que ya hemos considerado en nuestro
artículo , pero una vez más nos detenemos en este tema. Pasemos a la figura, donde se consideró el nivel de protección del módulo y el módulo LMO / NMC de la batería Samsung SDI y el utilizado en el UPS Schneider Electric.
Los procesos químicos han sido revisados en
el artículo
de LadyN Cómo explotan las baterías de iones de litio . Tratemos de comprender los posibles riesgos en nuestro caso particular y compárelos con la protección multinivel en las células SDI de Samsung, que son parte del bastidor de iones de litio Type-G terminado como parte de una solución integral basada en Galaxy VM.
Comencemos con el caso general de un diagrama de flujo de los riesgos y las causas de un incendio de células de iones de litio.
A mayor? Se puede hacer clic en la foto.Bajo el spoiler, puede estudiar los problemas teóricos de los riesgos de ignición de las baterías de iones de litio y la física de los procesos.El diagrama de bloques original de los riesgos y causas de incendio (Riesgo de seguridad) de una celda de iones de litio de un
artículo científico de 2018.
Dado que, dependiendo de la estructura química de la celda de iones de litio, existen diferencias en las características de la aceleración térmica de la celda, nos detendremos en el proceso descrito en el artículo en una celda de litio-níquel-cobalto-aluminio (basada en LiNiCoAIO2) o NCA.
El proceso de desarrollar un accidente en una celda se puede dividir en tres etapas:
- Etapa 1 (inicio). Funcionamiento normal de la celda, cuando el gradiente del aumento de temperatura no excede los 0.2 g. C por minuto, y la temperatura de la celda en sí no excede los 130-200 g. C, dependiendo de la estructura química de la celda;
- Etapa 2, calentamiento (aceleración). En esta etapa, la temperatura aumenta, el gradiente de temperatura aumenta rápidamente, hay una liberación activa de energía térmica. En el caso general, este proceso está acompañado por la evolución de gas. La emisión excesiva de gas debe ser compensada por la operación de la válvula de seguridad;
- Etapa 3, aceleración térmica (fugitivo). Calentamiento de la batería de más de 180-200 grados. En este caso, el material del cátodo entra en una reacción de desproporción y libera oxígeno. Este es el nivel de aceleración térmica, ya que en este caso puede producirse una mezcla de gases combustibles con oxígeno, lo que provocará una combustión espontánea. Sin embargo, en algunos casos, este proceso puede controlarse, leer, cuando cambia el régimen de factores externos, la aceleración térmica en algunos casos se detiene sin consecuencias fatales para el espacio circundante. La capacidad de servicio y operatividad de la célula de litio en sí misma después de estos eventos no se considera.
La temperatura de aceleración térmica depende del tamaño de la celda, el diseño de la celda y el material. La temperatura de aceleración térmica puede variar de 130 a 200 grados centígrados. El tiempo de aceleración térmica puede ser diferente y puede ser minutos, horas o incluso días ...
¿Qué pasa con las células LMO / NMC en UPS de iones de litio?
A mayor? Se puede hacer clic en la foto.- Para evitar el contacto del ánodo con el electrolito, se utiliza una capa de cerámica en la celda (SFL). El bloqueo del movimiento de iones de litio se produce a 130 ° C.
- Además de la válvula de ventilación protectora, se utiliza un sistema de Dispositivo de sobrecarga (OSD), que funciona junto con un fusible interno y desconecta la celda dañada, evitando que el proceso de aceleración térmica alcance valores peligrosos. Además, la activación del sistema OSD interno será más temprano, cuando la presión alcance 3.5 kgf / cm2, es decir, la mitad de la presión de la válvula protectora de la celda.
Por cierto, el fusible de la celda se disparará a corrientes superiores a 2500 A en un tiempo de no más de 2 segundos. Supongamos que un gradiente de temperatura alcanza una lectura de 10 ° C / min. En 10 segundos, la celda tendrá tiempo para agregar aproximadamente 1.7 grados a su temperatura, mientras está en modo de aceleración.
- Un separador de tres capas en la celda en el modo de recarga bloqueará la transición de los iones de litio al ánodo de la celda. La temperatura de bloqueo es de 250 ° C.
Ahora veamos qué tenemos con la temperatura de la celda; compare en qué etapas se activan los diferentes tipos de protecciones a nivel celular.
- Sistema OSD - 3.5 + -0.1 kgf / cm2 <= presión externa
Protección adicional contra sobrecorrientes.
- válvula de seguridad 7.0 + -1.0 kgf / cm2 <= presión externa
- fusible dentro de la celda 2 segundos a 2500 A (modo de corriente de sobrecarga)
El riesgo de aceleración térmica de la celda depende directamente del grado / nivel de carga de la celda, más detalles aquí ...Considere el efecto del nivel de carga celular en el contexto de los riesgos de aceleración térmica. Considere la tabla de correspondencia de la temperatura de la celda del parámetro SOC (estado de carga).
El grado de carga de la batería se mide en porcentaje y muestra la cantidad de carga total que aún se almacena en la batería. En este caso, estamos considerando el modo de recargar la batería. Se puede concluir que, dependiendo de la composición química de la celda de litio, la batería puede comportarse de manera diferente durante la recarga y tener una tendencia diferente a la aceleración térmica. Esto se debe a la diferente capacidad específica (A * h / gramo) de varios tipos de células de iones de litio. Cuanto mayor sea la capacidad específica de la celda, más rápida será la liberación de calor durante la recarga.
Además, al 100% de SOC, un cortocircuito externo a menudo conduce a un overclocking térmico de la celda. Por otro lado, cuando la celda tiene un nivel de carga del 80% de SOC, la temperatura máxima del inicio de la aceleración térmica de la celda se desplaza hacia arriba. La célula se vuelve más resistente a las condiciones de emergencia.
Y finalmente, para 70% de SOC, los cortocircuitos externos pueden no causar dispersión térmica en absoluto. Es decir, el riesgo de ignición de la celda se reduce significativamente, y el escenario más probable es solo el accionamiento de la válvula de seguridad de la batería de litio.
Además, de la tabla se puede concluir que la LFP (curva púrpura) de la batería generalmente tiene una pendiente pronunciada del aumento de temperatura, es decir, la etapa de "calentamiento" pasa suavemente a la etapa de "overclock térmico", y la resistencia de este sistema a la sobrecarga es algo peor. Las baterías del tipo LMO, como vemos, tienen una característica de calentamiento más suave cuando se recargan.
IMPORTANTE: cuando se activa el sistema OSD, la celda se restablece para omitir. Por lo tanto, el voltaje en el rack se reduce, pero permanece en funcionamiento y da una señal al sistema de monitoreo del UPS a través del sistema BMS del rack en sí. En el caso de un sistema UPS clásico con baterías VRLA, un cortocircuito o una rotura de una batería en una cadena puede ocasionar una falla del UPS en su conjunto y la pérdida de la operación del equipo de TI.
Con base en lo anterior, para el caso de usar soluciones de litio en UPS, los riesgos siguen siendo relevantes:
- Aceleración térmica de una celda, módulo como resultado de una falla externa: varios niveles de protección.
- Aceleración térmica de la celda, módulo como resultado de un mal funcionamiento de la batería interna: varios niveles de protección a nivel de la celda, módulo.
- Recarga: protección mediante BMS más todos los niveles de protección del bastidor, módulo y celda.
- El daño mecánico es irrelevante para nuestro caso, el riesgo del evento es insignificante.
- Sobrecalentamiento del bastidor y todas las baterías (módulos, celdas). No es crítico para 70-90 grados. Si la temperatura en la sala de instalación del UPS sube por encima de estos valores, esto ya es un incendio en el edificio. En las operaciones normales del centro de datos, el riesgo de un evento es insignificante.
- Vida útil de la batería reducida a temperaturas ambiente elevadas: se permite el funcionamiento continuo a temperaturas de hasta 40 grados sin una disminución notable de la vida útil de la batería. Las baterías de plomo son muy sensibles a cualquier aumento de temperatura y reducen su vida residual en proporción a un aumento de temperatura.
Echemos un vistazo al diagrama de flujo de los riesgos de accidentes con baterías de iones de litio en nuestro caso de uso en el centro de datos, servidor. Simplifiquemos un poco el circuito, porque los UPS de litio funcionarán en condiciones ideales si comparamos las condiciones de funcionamiento de las baterías en su dispositivo, teléfono.
Se puede hacer clic en la foto.CONCLUSIÓN: Las baterías de litio especializadas para los centros de datos de UPS, el servidor tienen un nivel suficiente de protección contra situaciones de emergencia, y en una solución integral, una gran cantidad de grados de protección variada y más de cinco años de experiencia en el funcionamiento de estas soluciones nos permiten hablar sobre el alto nivel de seguridad de las nuevas tecnologías. Entre otras cosas, no olvide que el funcionamiento de las baterías de litio en nuestro sector se ve como condiciones de "invernadero" para las tecnologías de iones de litio: a diferencia de su teléfono inteligente en su bolsillo, nadie dejará caer la batería en el centro de datos, la sobrecalentará, la descargará todos los días, activamente utilizar en modo buffer.
Puede encontrar detalles y discutir una solución específica usando baterías de iones de litio para su servidor o centro de datos enviando una solicitud a info@ot.ru o haciendo una solicitud en el sitio web de la compañía www.ot.ru.
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Autor: Oleg Kulikov
Ingeniero de diseño principal
Departamento de Soluciones de Integración
Empresa de tecnología abierta