Olá amigos!
Após a publicação do artigo “UPS e conjunto de baterias: onde instalar? Sim, espere, houve muitos comentários sobre os perigos das soluções Li-Ion para servidores e data centers. Portanto, hoje tentaremos descobrir quais são as diferenças entre as soluções industriais de lítio para UPS da bateria do seu dispositivo, como as condições da bateria na sala do servidor diferem, por que a bateria não dura mais de 2 a 3 anos em um telefone Li-Ion e no data center esse número aumentará para 10 anos ou mais. Por que os riscos de incêndio de lítio no data center / servidor são mínimos.
Sim, são possíveis acidentes com as baterias do no-break, independentemente do tipo de armazenamento de energia, mas o mito do "risco de incêndio" das soluções industriais em lítio não é verdadeiro.
Afinal, muitos viram esse vídeo com o fogo de um telefone com uma bateria de lítio em um carro andando pela estrada? Então, vamos ver, descobrir, comparar ...
Aqui vemos um caso típico de auto-aquecimento descontrolado, aceleração térmica da bateria do telefone, que levou a esse incidente. Você dirá: AQUI! Este é apenas um telefone, apenas um louco pode colocá-lo na sala do servidor!
Estou certo de que, tendo estudado esse material, o leitor mudará seu ponto de vista sobre esse assunto.
Situação atual no mercado de data center
Não é segredo que a construção de um data center é um investimento a longo prazo. O preço do equipamento de engenharia sozinho pode ser de 50% do custo de todos os custos de capital. O horizonte de retorno é de aproximadamente 10 a 15 anos. Naturalmente, há um desejo de reduzir o custo total de propriedade durante todo o ciclo de vida do data center e, ao longo do caminho, também compactar equipamentos de engenharia, liberando espaço para carga útil o máximo possível.
A solução ideal é o no-break industrial de uma nova iteração baseada em baterias de íon de lítio, que há muito se livravam de "doenças da infância" na forma de risco de incêndio, algoritmos incorretos de descarga de carga e cobertos por uma série de mecanismos de proteção.
Com o aumento do poder dos equipamentos de computação e de rede, a demanda por UPSs está crescendo. Ao mesmo tempo, aumento dos requisitos de vida útil da bateria no caso de problemas com a fonte de alimentação centralizada e / ou falhas ao iniciar uma fonte de energia de backup em caso de aplicação / disponibilidade de grupos geradores a diesel.
Os principais motivos, em nossa opinião, são dois:- Rápido crescimento do volume de informações processadas e transmitidas
Por exemplo, o novo avião de passageiros Boeing
O 787 Dreamliner em um vôo gera mais de 500 gigabytes de informações que
precisa salvar e processar. - Crescimento na dinâmica do consumo de eletricidade. Apesar da tendência geral de reduzir o consumo de energia de equipamentos de TI, reduz o consumo específico de energia de componentes eletrônicos.
Gráfico de consumo de energia de apenas um data center ativo A mesma tendência é demonstrada pelas previsões do mercado de data centers em nosso país.Segundo o
expert.ru , o número total de locais em rack colocados em operação é superior a 20 mil. “O número de locais em rack colocados em operação pelos 20 maiores fornecedores de serviços de data center em 2017 aumentou 3% e atingiu 22,4 mil (dados a partir de 1º de outubro 2017) ”, diz o relatório do CNews Analytics. Segundo as estimativas das agências de consultoria, até 2021, espera-se um aumento nas estadias de até 49 mil. Ou seja, em dois anos a capacidade real do data center pode dobrar. Qual o motivo disso? Primeiro de tudo, com o crescimento da informação: armazenada e processada.
Além das nuvens, os participantes classificam o desenvolvimento de data centers nas regiões como pontos de crescimento: eles são o único segmento em que a reserva para desenvolvimento de negócios é preservada. Segundo a IKS-Consulting, em 2016, as regiões representavam apenas 10% de todos os recursos oferecidos no mercado, enquanto a capital e a região de Moscou ocupavam 73% do mercado, e as regiões de São Petersburgo e Leningrado - 17%. Nas regiões, a escassez de recursos de data centers com um alto grau de tolerância a falhas continua a persistir.
Até 2025, de acordo com as previsões, a quantidade total de dados no mundo aumentará 10 vezes em comparação com 2016.
Ainda assim, quão seguro é o lítio para um servidor ou data center da UPS?
Desvantagem: o alto custo das soluções de íons de lítio.
O preço das baterias de íon-lítio ainda é alto comparado às soluções padrão. A SE estima que o custo inicial de no-breaks de alta potência acima de 100 kVA para soluções de íons de lítio será 1,5 vezes maior, mas, em última análise, o custo de propriedade será de 30 a 50%. Se fizermos comparações com o complexo industrial militar de outros países, aqui estão as notícias sobre o
comissionamento de um submarino japonês com baterias de íon de lítio. Muitas vezes, as baterias de lítio-ferro-fosfato (na foto-LFP) são usadas em tais soluções devido ao seu baixo custo relativo e maior segurança.
O artigo menciona que US $ 100 milhões foram gastos em baterias novas para o submarino, vamos tentar recalculá-lo para outros valores ...4,2 mil toneladas de deslocamento subaquático do submarino japonês. Deslocamento de superfície - 2,95 mil toneladas. Normalmente, 20-25% da massa do barco é composta de baterias. A partir daqui, levamos cerca de 740 toneladas - baterias de chumbo-ácido. Além disso: a massa de lítio é de aproximadamente 1/3 das baterias de chumbo-ácido -> 246 toneladas de lítio. A 70 kW * h / kg para Li-Ion, obtemos cerca de 17 MW * h de capacidade da bateria. E a diferença na massa das baterias é de cerca de 495 toneladas ... Aqui não levamos em consideração
as baterias de prata-zinco , que exigem 14,5 toneladas de prata por submarino, e elas custam quatro vezes o custo das baterias de chumbo-ácido. Deixe-me lembrá-lo de que as baterias de íon de lítio agora são mais caras que o VRLA em apenas 1,5 a 2 vezes, dependendo da potência da solução.
E os japoneses? Lembraram tarde demais que o “raio do barco” em 700 toneladas acarreta uma alteração em sua navegabilidade, estabilidade ... Provavelmente eles tiveram que adicionar armas a bordo para retornar os valores de peso projetados do barco.
As baterias de íon-lítio também pesam menos que as baterias de chumbo-ácido; portanto, o projeto submarino do tipo Soryu teve que ser redesenhado para manter o reator e a estabilidade.
No Japão, dois tipos de baterias de íon de lítio foram criados e postos em operação: NCA (lítio-níquel-cobalto-alumínio-óxido) fabricado pela GS Yuasa e titanato de lítio (LTO) fabricado pela Toshiba Corporation. A frota japonesa usará baterias da NCA, enquanto, de acordo com Kobayashi da Austrália, as baterias LTO foram propostas em um concurso recente para uso em submarinos do tipo Soryu.
Conhecendo a atitude reverente em relação à segurança no país do Sol Nascente, pode-se supor que seus problemas de segurança com lítio foram resolvidos, testados e certificados.
Risco: risco de incêndio.Aqui, vamos resolver isso para fins de publicação, uma vez que opiniões sobre a segurança dessas soluções existem diametralmente opostas. Mas estas são as letras, mas e as soluções industriais concretas?
Problemas de segurança que já consideramos em nosso
artigo , mas mais uma vez abordamos esse problema. Vamos passar à figura, onde foi considerado o nível de proteção do módulo e do módulo LMO / NMC da bateria Samsung SDI e usado no no-break Schneider Electric.
Os processos químicos foram revisados no artigo
de LadyN. Como as baterias de íons de lítio explodem . Vamos tentar entender os possíveis riscos em nosso caso específico e comparar com a proteção de vários níveis nas células SDI da Samsung, que fazem parte do rack Type-Li-Ion finalizado como parte de uma solução abrangente baseada em Galaxy VM.
Vamos começar com o caso geral de um fluxograma dos riscos e causas de um incêndio nas células de íons de lítio.
Um maior? A foto é clicável.Sob o spoiler, você pode estudar as questões teóricas dos riscos de ignição das baterias de íons de lítio e a física dos processosO diagrama de blocos original dos riscos e causas de incêndio (risco de segurança) de uma célula de íon de lítio de um
artigo científico de 2018.
Como, dependendo da estrutura química da célula de íons de lítio, há diferenças nas características de aceleração térmica da célula, iremos nos concentrar no processo descrito no artigo em uma célula de lítio-níquel-cobalto-alumínio (com base em LiNiCoAIO2) ou NCA.
O processo de desenvolvimento de um acidente em uma célula pode ser dividido em três etapas:
- Estágio 1 (Início). Operação normal da célula, quando o gradiente da elevação da temperatura não excede 0,2 g.C por minuto, e a própria temperatura da célula não excede 130-200 g.C, dependendo da estrutura química da célula;
- Etapa 2, aquecimento (Aceleração). Nesta fase, a temperatura aumenta, o gradiente de temperatura aumenta rapidamente, há uma liberação ativa de energia térmica. No caso geral, esse processo é acompanhado pela evolução dos gases. A emissão excessiva de gás deve ser compensada pela operação da válvula de segurança;
- Etapa 3, Aceleração Térmica (Fugitivo). Aquecimento da bateria acima de 180-200 graus. Nesse caso, o material do cátodo entra em uma reação de desproporção e libera oxigênio. Esse é o nível de aceleração térmica, pois, neste caso, pode ocorrer uma mistura de gases combustíveis com oxigênio, o que causará combustão espontânea. No entanto, em alguns casos, esse processo pode ser controlado, leia - quando o regime de fatores externos muda, a aceleração térmica em alguns casos para sem consequências fatais para o espaço circundante. A capacidade de manutenção e operacionalidade da própria célula de lítio após esses eventos não é considerada.
A temperatura de aceleração térmica depende do tamanho da célula, do design da célula e do material. A temperatura da aceleração térmica pode variar de 130 a 200 graus Celsius. O tempo de aceleração térmica pode ser diferente e pode ser minutos, horas ou até dias ...
E as células LMO / NMC no no-break de íon de lítio?
Um maior? A foto é clicável.- Para impedir o contato do ânodo com o eletrólito, é utilizada uma camada de cerâmica na célula (SFL). O bloqueio do movimento de íons de lítio ocorre a 130 ° C.
- Além da válvula de ventilação de proteção, é utilizado um sistema OSD (Over Charge Device), trabalhando em conjunto com um fusível interno e desconectando a célula danificada, impedindo que o processo de aceleração térmica atinja valores perigosos. Além disso, o acionamento do sistema OSD interno será mais precoce, quando a pressão atingir 3,5 kgf / cm2, ou seja, metade da pressão da válvula protetora da célula.
A propósito, o fusível da célula disparará a correntes acima de 2500 A em um tempo não superior a 2 segundos. Suponha que um gradiente de temperatura alcance uma leitura de 10 ° C / min. Em 10 segundos, a célula terá tempo para adicionar cerca de 1,7 graus à sua temperatura, enquanto estiver no modo de aceleração.
- Um separador de três camadas na célula no modo de recarga irá bloquear a transição de íons de lítio para o ânodo da célula. A temperatura de bloqueio é de 250 ° C.
Agora vamos ver o que temos com a temperatura da célula; compare em que estágios os diferentes tipos de proteção são acionados no nível da célula.
- Sistema OSD - 3,5 + -0,1 kgf / cm2 <= pressão externa
Proteção extra contra sobrecorrentes.
- válvula de segurança 7.0 + -1.0 kgf / cm2 <= pressão externa
- fusível dentro da célula 2 segundos a 2500A (modo de sobrecarga de corrente)
O risco de aceleração térmica da célula depende diretamente do grau / nível de carga da célula, mais detalhes aqui ...Considere o efeito do nível de carga da célula no contexto dos riscos de aceleração térmica. Considere a tabela de correspondência da temperatura da célula a partir do parâmetro SOC (State of Charge, o grau de carga da bateria).
O grau de carga da bateria é medido em porcentagem e mostra quanto da carga total ainda está armazenada na bateria. Nesse caso, estamos considerando o modo de recarregar a bateria. Pode-se concluir que, dependendo da composição química da célula de lítio, a bateria pode se comportar de maneira diferente durante a recarga e ter uma tendência diferente à aceleração térmica. Isto é devido à capacidade específica diferente (A * h / grama) de vários tipos de células de íons de lítio. Quanto maior a capacidade específica da célula, mais rápida será a liberação de calor durante a recarga.
Além disso, com 100% de SOC, um curto-circuito externo geralmente leva ao overclock térmico da célula. Por outro lado, quando a célula possui um nível de carga de 80% SOC, a temperatura máxima do início da aceleração térmica da célula é deslocada para cima. A célula se torna mais resistente a condições de emergência.
E, finalmente, para 70% de SOC, curtos-circuitos externos podem não causar dispersão térmica. Ou seja, o risco de ignição da célula é reduzido significativamente e o cenário mais provável é apenas o acionamento da válvula de segurança da bateria de lítio.
Além disso, a partir da tabela, pode-se concluir que o LFP (curva púrpura) da bateria geralmente apresenta uma inclinação acentuada do aumento de temperatura, ou seja, o estágio de “aquecimento” transita suavemente para o estágio de “overclock térmico” e a resistência desse sistema a sobrecarga é um pouco pior. As baterias do tipo LMO, como vemos, têm uma característica de aquecimento mais suave ao recarregar.
IMPORTANTE: quando o sistema OSD é acionado, a célula é redefinida para ignorar. Portanto, a tensão no rack é reduzida, mas permanece em operação e emite um sinal ao sistema de monitoramento do no-break através do sistema BMS do próprio rack. No caso de um sistema no-break clássico com baterias VRLA, um curto-circuito ou uma quebra de uma bateria em uma corda pode levar a uma falha do no-break como um todo e à perda de operação do equipamento de TI.
Com base no exposto, no caso do uso de soluções de lítio em no-breaks, os riscos permanecem relevantes:
- Aceleração térmica de uma célula, módulo como resultado de uma falha externa - vários níveis de proteção.
- Aceleração térmica da célula, módulo como resultado de um mau funcionamento da bateria interna - vários níveis de proteção no nível da célula, módulo.
- Recarga - proteção por meio do BMS mais todos os níveis de proteção do rack, módulo e célula.
- Danos mecânicos são irrelevantes para o nosso caso, o risco do evento é insignificante.
- Superaquecimento do rack e de todas as baterias (módulos, células). Não é crítico para 70-90 graus. Se a temperatura na sala de instalação do no-break subir acima desses valores, isso já é um incêndio no prédio. Nas operações normais do datacenter, o risco de um evento é insignificante.
- Vida útil da bateria reduzida em temperaturas ambiente elevadas - a operação contínua em temperaturas de até 40 graus é permitida sem uma diminuição perceptível na vida útil da bateria. As baterias de chumbo são muito sensíveis a qualquer aumento de temperatura e reduzem sua vida útil na proporção de um aumento de temperatura.
Vamos dar uma olhada no fluxograma dos riscos de acidentes com baterias de íons de lítio no nosso caso de uso no data center, servidor. Vamos simplificar um pouco o circuito, porque os no-breaks de lítio serão operados em condições ideais se compararmos as condições operacionais das baterias do seu dispositivo, telefone.
A foto é clicável.CONCLUSÃO: As baterias de lítio especializadas para os no-breaks e servidores de data center e servidor da UPS têm um nível suficiente de proteção contra situações de emergência e, na solução integrada, um grande número de graus de várias proteções e mais de cinco anos de experiência na operação dessas soluções nos permitem falar sobre o alto nível de segurança das novas tecnologias. Entre outras coisas, não esqueça que a operação de baterias de lítio em nosso setor se parece com condições de “estufa” para as tecnologias de íons de lítio: ao contrário do seu smartphone no bolso, ninguém deixa cair a bateria no data center, superaquece, descarrega todos os dias, ativamente use no modo buffer.
Você pode descobrir detalhes e discutir uma solução específica usando baterias de íon de lítio para seu servidor ou data center enviando uma solicitação para info@ot.ru ou fazendo uma solicitação no site da empresa www.ot.ru.
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Autor: Oleg Kulikov
Engenheiro de Design Líder
Departamento de Soluções de Integração
Empresa de tecnologia aberta