Bonjour mes amis!
Après la publication de l'article «UPS et batterie: où installer? Oui, attendez, il y a eu de nombreux commentaires sur les dangers des solutions Li-Ion pour les serveurs et les centres de données. Par conséquent, aujourd'hui, nous allons essayer de comprendre quelles sont les différences entre les solutions industrielles au lithium pour UPS de la batterie de votre gadget, en quoi les conditions de fonctionnement des batteries dans la salle des serveurs diffèrent, pourquoi la batterie ne dure pas plus de 2-3 ans dans un téléphone Li-Ion, et dans le centre de données, ce chiffre augmentera jusqu'à 10 ans ou plus. Pourquoi les risques d'incendie au lithium dans le centre de données / serveur sont minimes.
Oui, les accidents sur batteries UPS sont possibles quel que soit le type de stockage d'énergie, mais le mythe du «risque incendie» des solutions industrielles au lithium n'est pas vrai.
Après tout, beaucoup ont vu cette vidéo avec le feu d'un téléphone avec une batterie au lithium dans une voiture roulant sur l'autoroute? Voyons donc, comprenons-le, comparons ...
Nous voyons ici un cas typique d'auto-échauffement incontrôlé, d'accélération thermique de la batterie du téléphone, qui a conduit à un tel incident. Vous direz: ICI! Ce n'est qu'un téléphone, seul un fou peut le mettre dans la salle des serveurs!
Je suis sûr qu'après avoir étudié ce matériel, le lecteur changera son point de vue sur cette question.
Situation actuelle sur le marché des centres de données
Ce n'est un secret pour personne que la construction d'un centre de données est un investissement à long terme. Le prix de l'équipement d'ingénierie à lui seul peut représenter 50% du coût de tous les coûts d'investissement. L'horizon de récupération est d'environ 10 à 15 ans. Naturellement, nous souhaitons réduire le coût total de possession tout au long du cycle de vie du centre de données et, en cours de route, également pour compacter les équipements d'ingénierie, en libérant autant que possible de l'espace pour la charge utile.
La solution optimale est l'onduleur industriel d'une nouvelle itération basée sur des batteries Li-Ion, qui s'est depuis longtemps débarrassée des «maladies infantiles» sous la forme de risques d'incendie, d'algorithmes de charge-décharge incorrects et recouverte d'une multitude de mécanismes de protection.
Avec l'augmentation de la puissance des équipements informatiques et réseau, la demande d'onduleurs est en augmentation. Dans le même temps, des exigences accrues pour la durée de vie de la batterie en cas de problèmes d'alimentation centralisée et / ou de pannes lors du démarrage d'une source d'alimentation de secours en cas d'application / disponibilité de groupes électrogènes diesel.
À notre avis, les principales raisons sont deux:- Croissance rapide du volume d'informations traitées et transmises
Par exemple, le nouvel avion de passagers Boeing
787 Dreamliner en un vol génère plus de 500 gigaoctets d'informations qui
besoin de sauvegarder et de traiter. - Croissance de la dynamique de consommation d'électricité. Malgré la tendance générale de réduction de la consommation d'énergie des équipements informatiques, la réduction de la consommation d'énergie spécifique des composants électroniques.
Graphique de consommation d'énergie d'un seul centre de données actif La même tendance est démontrée par les prévisions du marché des centres de données dans notre pays.Selon
expert.ru , le nombre total d'emplacements de rack mis en service est supérieur à 20
000. «Le nombre d'emplacements de rack mis en service par les 20 plus grands fournisseurs de services de centres de données en 2017 a augmenté de 3% et a atteint 22,4 milliers (données au 1er octobre 2017) », indique le rapport de CNews Analytics. Selon les estimations des agences de conseil, d'ici 2021, une augmentation des séjours est attendue jusqu'à 49 mille. Autrement dit, en deux ans, la capacité réelle du centre de données peut doubler. Quelle en est la raison? Tout d'abord, avec la croissance de l'information: à la fois stockée et traitée.
Outre les nuages, les acteurs classent le développement des centres de données dans les régions comme des points de croissance: ils sont le seul segment où la réserve de développement des affaires est préservée. Selon IKS-Consulting, en 2016, les régions ne représentaient que 10% de toutes les ressources offertes sur le marché, tandis que la capitale et la région de Moscou occupaient 73% du marché, et Saint-Pétersbourg et la région de Leningrad - 17%. Dans les régions, la pénurie de ressources des centres de données avec un haut degré de tolérance aux pannes persiste.
D'ici 2025, selon les prévisions, la quantité totale de données dans le monde augmentera de 10 fois par rapport à 2016.
Néanmoins, le lithium est-il sûr pour un serveur ou un onduleur de centre de données?
Inconvénient: le coût élevé des solutions Li-Ion.
Le prix des batteries lithium-ion est toujours élevé par rapport aux solutions standard. SE estime que le coût initial des onduleurs haute puissance de plus de 100 kVA pour les solutions Li-Ion sera 1,5 fois plus élevé, mais finalement le coût de possession sera de 30 à 50%. Si nous faisons des comparaisons avec le complexe militaro-industriel d'autres pays, voici l'actualité de la
mise en service d'un sous -
marin japonais avec des batteries Li-Ion. Très souvent, les batteries lithium-fer-phosphate (dans la photo-LFP) sont utilisées dans de telles solutions en raison de leur coût relativement faible et de leur plus grande sécurité.
L'article mentionne que 100 millions de dollars ont été dépensés pour de nouvelles batteries pour le sous-marin, essayons de le recalculer à d'autres valeurs ...4,2 milliers de tonnes de déplacement sous-marin du sous-marin japonais. Déplacement en surface - 2,95 milliers de tonnes. En règle générale, 20 à 25% de la masse du bateau sont des batteries. De là , nous prenons environ 740 tonnes - des batteries au plomb. De plus: la masse de lithium est d'environ 1/3 des batteries au plomb -> 246 tonnes de lithium. À 70 kW * h / kg pour le Li-Ion, nous obtenons environ 17 MW * h de capacité de batterie. Et la différence de masse des batteries est d'environ 495 tonnes ... Ici on ne prend pas en compte
les batteries argent-zinc , qui nécessitent 14,5 tonnes d'argent par sous-marin, et elles coûtent 4 fois le coût des batteries plomb-acide. Permettez-moi de vous rappeler que les batteries Li-Ion sont désormais plus chères que VRLA de 1,5 à 2 fois seulement, selon la puissance de la solution.
Et les Japonais? Ils se sont souvenus trop tard que «l'allègement du bateau» de 700 tonnes entraîne une modification de sa navigabilité, de sa stabilité ... Probablement ils ont dû ajouter des armes à bord afin de restituer les valeurs de conception pour la répartition du poids du bateau.
Les batteries au lithium-ion pèsent également moins que les batteries au plomb, le projet de sous-marin de type Soryu a donc dû être repensé pour maintenir le ballast et la stabilité.
Au Japon, deux types de batteries lithium-ion ont été créées et mises en service: l'oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium (NCA) fabriqué par GS Yuasa et le lithium-titanate (LTO) fabriqué par Toshiba Corporation. La flotte japonaise utilisera des batteries NCA, alors que selon Kobayashi de l'Australie, des batteries LTO ont été proposées pour une utilisation sur des sous-marins de type Soryu dans un récent appel d'offres.
Connaissant l'attitude respectueuse envers la sécurité dans le pays du Soleil Levant, on peut supposer que leurs problèmes de sécurité au lithium ont été résolus, testés et certifiés.
Risque: risque d'incendie.Ici, nous allons le trier aux fins de publication, car les avis sur la sécurité de ces solutions existent diamétralement opposés. Mais ce sont toutes les paroles, mais qu'en est-il des solutions industrielles concrètes?
Les questions de sécurité que nous avons déjà examinées dans notre
article , mais nous nous attardons encore une fois sur cette question. Passons à la figure, où le niveau de protection du module et du module LMO / NMC de la batterie Samsung SDI et utilisé dans l'onduleur Schneider Electric a été pris en compte.
Les processus chimiques ont été passés en revue dans
l' article
de LadyN sur l'
explosion des batteries lithium-ion . Essayons de comprendre les risques possibles dans notre cas particulier et comparons-le avec la protection à plusieurs niveaux dans les cellules Samsung SDI, qui font partie du rack Li-Ion Type-G fini dans le cadre d'une solution complète basée sur Galaxy VM.
Commençons par le cas général d'un organigramme des risques et causes d'un incendie de cellule lithium-ion.
Un plus gros? La photo est cliquable.Sous le spoiler, vous pourrez étudier les enjeux théoriques des risques d'allumage des batteries lithium-ion et la physique des processusLe schéma fonctionnel original des risques et causes d'incendie (Danger de sécurité) d'une cellule lithium-ion d'un
article scientifique de 2018.
Étant donné que, selon la structure chimique de la cellule lithium-ion, il existe des différences dans les caractéristiques d'accélération thermique de la cellule, nous nous attarderons sur le processus décrit dans l'article dans une cellule lithium-nickel-cobalt-aluminium (basée sur LiNiCoAIO2) ou NCA.
Le processus de développement d'un accident dans une cellule peut être divisé en trois étapes:
- Étape 1 (début). Fonctionnement normal de la cellule, lorsque le gradient de l'élévation de température ne dépasse pas 0,2 g. C par minute, et la température de la cellule elle-même ne dépasse pas 130-200 g. C, selon la structure chimique de la cellule;
- Étape 2, échauffement (accélération). À ce stade, la température augmente, le gradient de température augmente rapidement, il y a une libération active d'énergie thermique. Dans le cas général, ce processus s'accompagne d'un dégagement gazeux. Les émissions excessives de gaz doivent être compensées par le fonctionnement de la soupape de sécurité;
- Étape 3, Accélération thermique (Runaway). Chauffage de la batterie sur 180-200 degrés. Dans ce cas, le matériau de la cathode entre dans une réaction de disproportion et libère de l'oxygène. Il s'agit du niveau d'accélération thermique, car dans ce cas, un mélange de gaz combustibles avec de l'oxygène peut se produire, ce qui provoquera une combustion spontanée. Cependant, dans certains cas, ce processus peut être contrôlé, lire - lorsque le régime des facteurs externes change, l'accélération thermique dans certains cas s'arrête sans conséquences fatales pour l'espace environnant. L'aptitude au service et l'opérabilité de la pile au lithium elle-même après ces événements ne sont pas prises en compte.
La température d'accélération thermique dépend de la taille de la cellule, de la conception de la cellule et du matériau. La température d'accélération thermique peut varier de 130 à 200 degrés Celsius. Le temps d'accélération thermique peut être différent et peut être en minutes, heures ou même jours ...
Qu'en est-il des cellules LMO / NMC dans les onduleurs lithium-ion?
Un plus gros? La photo est cliquable.- Pour éviter le contact de l'anode avec l'électrolyte, une couche de céramique dans la cellule (SFL) est utilisée. Le blocage du mouvement des ions lithium se produit à 130 ° C.
- En plus de la soupape de ventilation de protection, un système de dispositif de surcharge (OSD) est utilisé, fonctionnant en conjonction avec un fusible interne et déconnectant la cellule endommagée, empêchant le processus d'accélération thermique d'atteindre des valeurs dangereuses. De plus, le déclenchement du système OSD interne sera plus précoce, lorsque la pression atteindra 3,5 kgf / cm2, soit la moitié de la pression de la valve de protection de la cellule.
Soit dit en passant, le fusible de la cellule se déclenchera à des courants supérieurs à 2500 A en un temps ne dépassant pas 2 secondes. Supposons qu'un gradient de température atteigne une lecture de 10 ° C / min. En 10 secondes, la cellule aura le temps d'ajouter environ 1,7 degrés à sa température, en mode accélération.
- Un séparateur à trois couches dans la cellule en mode de recharge bloquera la transition des ions lithium vers l'anode de la cellule. La température de blocage est de 250 ° C.
Voyons maintenant ce que nous avons avec la température des cellules; comparer à quelles étapes les différents types de protections sont déclenchés au niveau cellulaire.
- Système OSD - 3,5 + -0,1 kgf / cm2 <= pression externe
Protection supplémentaire contre les surintensités.
- soupape de sécurité 7,0 + -1,0 kgf / cm2 <= pression externe
- fusible à l'intérieur de la cellule 2 secondes à 2500A (mode courant de surcharge)
Le risque d'accélération thermique de la cellule dépend directement du degré / niveau de charge de la cellule, plus de détails ici ...Considérons l'effet du niveau de charge des cellules dans le contexte des risques d'accélération thermique. Considérez le tableau de correspondance de la température de la cellule à partir du paramètre SOC (State of Charge, le degré de charge de la batterie).
Le degré de charge de la batterie est mesuré en pourcentage et montre quelle part de la charge totale est encore stockée dans la batterie. Dans ce cas, nous envisageons le mode de recharge de la batterie. On peut conclure que, selon la composition chimique de la pile au lithium, la batterie peut se comporter différemment lors de la recharge et avoir une tendance différente à l'accélération thermique. Cela est dû à la capacité spécifique différente (A * h / gram) de divers types de cellules Li-Ion. Plus la capacité spécifique de la cellule est grande, plus la chaleur dégagée lors de la recharge sera rapide.
De plus, à 100% SOC, un court-circuit externe conduit souvent à un overclocking thermique de la cellule. D'autre part, lorsque la cellule a un niveau de charge de 80% SOC, la température maximale du début de l'accélération thermique de la cellule est décalée vers le haut. La cellule devient plus résistante aux conditions d'urgence.
Et enfin, pour 70% SOC, les courts-circuits externes peuvent ne pas provoquer de dispersion thermique du tout. Autrement dit, le risque d'inflammation de la cellule est considérablement réduit, et le scénario le plus probable n'est que l'actionnement de la soupape de sécurité de la batterie au lithium.
De plus, d'après le tableau, on peut conclure que la LFP (courbe violette) de la batterie a généralement une pente raide de l'augmentation de température, c'est-à -dire que l'étape de «réchauffement» passe en douceur à l'étape «d'overclock thermique» et que la résistance de ce système à la surcharge est légèrement pire. Les batteries de type LMO, comme nous le voyons, ont une caractéristique d'échauffement plus douce lors de la recharge.
IMPORTANT: lorsque le système OSD est déclenché, la cellule est réinitialisée pour contourner. Ainsi, la tension sur le rack est réduite, mais elle reste en fonctionnement et donne un signal au système de surveillance UPS via le système BMS du rack lui-même. Dans le cas d'un système UPS classique avec batteries VRLA, un court-circuit ou une rupture d'une batterie dans une chaîne peut entraîner une défaillance de l'onduleur dans son ensemble et une perte de fonctionnement de l'équipement informatique.
Sur la base de ce qui précède, dans le cas de l'utilisation de solutions au lithium dans des onduleurs, les risques restent pertinents:
- Accélération thermique d'une cellule, module à la suite d'un défaut externe - plusieurs niveaux de protection.
- Accélération thermique de la cellule, module à la suite d'un dysfonctionnement interne de la batterie - plusieurs niveaux de protection au niveau de la cellule, module.
- Recharge - protection par BMS plus tous les niveaux de protection du rack, module, cellule.
- Les dommages mécaniques ne sont pas pertinents pour notre cas, le risque de l'événement est négligeable.
- Surchauffe du rack et de toutes les batteries (modules, cellules). Pas critique à 70-90 degrés. Si la température dans la salle d'installation de l'onduleur dépasse ces valeurs, il s'agit déjà d'un incendie dans le bâtiment. Dans les opérations normales d'un centre de données, le risque d'un événement est négligeable.
- Durée de vie réduite de la batterie à des températures ambiantes élevées - un fonctionnement continu à des températures allant jusqu'à 40 degrés est autorisé sans diminution notable de la durée de vie de la batterie. Les batteries au plomb sont très sensibles à toute augmentation de température et réduisent leur durée de vie résiduelle proportionnellement à une augmentation de température.
Jetons un coup d'œil à l'organigramme des risques d'accidents avec des batteries lithium-ion dans notre cas d'utilisation dans le centre de données, serveur. Simplifions un peu le circuit, car les onduleurs au lithium fonctionneront dans des conditions idéales si nous comparons les conditions de fonctionnement des batteries de votre gadget, téléphone.
La photo est cliquable.CONCLUSION: Les batteries au lithium spécialisées pour les onduleurs de centre de données et de serveur UPS ont un niveau de protection suffisant contre les situations d'urgence, et dans la solution intégrée, un grand nombre de degrés de protection divers et plus de cinq ans d'expérience dans l'exploitation de ces solutions nous permettent de parler du haut niveau de sécurité des nouvelles technologies. N'oubliez pas, entre autres, que le fonctionnement des batteries au lithium dans notre secteur ressemble à des conditions de «serre» pour les technologies Li-Ion: contrairement à votre smartphone dans votre poche, personne ne laissera tomber la batterie dans le centre de données, la surchauffera, la déchargera tous les jours, activement utiliser en mode tampon.
Vous pouvez trouver des détails et discuter d'une solution spécifique utilisant des batteries lithium-ion pour votre serveur ou centre de données en envoyant une demande à info@ot.ru ou en faisant une demande sur le site Web de la société www.ot.ru.
TECHNOLOGIES OUVERTES - des solutions intégrées fiables de leaders mondiaux, adaptées spécifiquement à vos buts et objectifs.
Auteur: Oleg Kulikov
Ingénieur de conception en chef
Département des solutions d'intégration
Entreprise de technologie ouverte