Время литий-ионных ИБП: пожароопасность или безопасный шаг в буд

Время литий-ионных ИБП: пожароопасность или безопасный шаг в будущее?



Здравствуйте, друзья!

После публикации статьи «ИБП и батарейный массив: куда ставить? Да подожди ты» было много комментариев по поводу опасности Li-Ion решений для серверных и ЦОД. Поэтому сегодня попробуем разобраться, в чём отличия промышленных решений на литии для ИБП от батарейки в вашем гаджете, как отличаются условия эксплуатации батарей в серверной, почему в телефоне Li-Ion батарея служит не более 2-3 лет, а в ЦОДе эта цифра возрастёт до 10 и более лет. Почему риски возгорания лития в ЦОД/серверной минимальны.

Да, аварии на батареях ИБП возможны вне зависимости от типа накопителей энергии, а вот миф «пожароопасности» промышленных решений на литии не соответствует действительности.

Ведь многие видели тот ролик с возгоранием телефона c литиевым аккумулятором в движущейся по шоссе машине? Итак, посмотрим, разберёмся, сравним…

Здесь видим типичный случай неконтролируемого самонагрева, теплового разгона батареи телефона, приведшего к такому инциденту. Вы скажете: ВОТ! Это всего лишь телефон, в серверную поставит такое только сумасшедший!

Уверен, изучив данный материал, читатель изменит свою точку зрения по этому вопросу.

Текущая ситуация на рынке ЦОД


Ни для кого не секрет, что строительство ЦОД – это долгосрочное капиталовложение. Цена только инженерного оборудования может составлять 50% от стоимости всех капитальных затрат. Горизонт окупаемости – примерно 10-15 лет. Закономерно возникает желание снизить полную стоимость владения на всём жизненном цикле ЦОД, а попутно ещё и уплотнить инженерное оборудование, максимально освободив площади под полезную нагрузку.

Оптимальное решение – промышленные ИБП новой итерации на базе Li-Ion аккумуляторов, которые уже давно избавились от «детских болезней» в виде пожароопасности, некорректных алгоритмов заряда-разряда, обросли массой защитных механизмов.

С увеличением мощностей вычислительного и сетевого оборудования растёт спрос на ИБП. Одновременно увеличиваются требования ко времени автономной работы от аккумуляторных батарей в случае проблем с централизованным электроснабжением и/или сбоями при запуске резервного источника питания в случае применения/наличия ДГУ.

Основных причин, на наш взгляд, тут две:

  1. Стремительный рост объёмов обрабатываемой и передаваемой информации
    Например, новый пассажирский самолёт Boeing
    787 Dreamliner за один полёт генерирует более 500 гигабайт информации, которую
    нужно сохранить и обработать.
  2. Рост динамики потребления электрической энергии. Несмотря на общий тренд снижения энергопотребления ИТ-оборудования, снижения удельного потребления энергии электронными компонентами.


График энергопотребления всего одного действующего ЦОД


Эту же тенденцию демонстрируют прогнозы рынка ЦОД в нашей стране
По данным сайта expert.ru, суммарное количество введённых в эксплуатацию стойко-мест составляет более 20 тыс. «Число запущенных в эксплуатацию стойкомест у 20 крупнейших провайдеров услуг ЦОД в 2017 году увеличилось на 3% и достигло 22,4 тысячи (данные на 1 октября 2017 года)», – говорится в отчёте CNews Analytics. По оценкам консалтинговых агентств, к 2021 году прогнозируется увеличение стойкомест до 49 тысяч. То есть, за два года реальная ёмкость ЦОД может увеличиться в два раза. С чем это связано? В первую очередь, с ростом объёма информации: как хранимой, так и обрабатываемой.

Кроме облаков к точкам роста игроки причисляют развитие ЦОД-мощностей в регионах: они являются единственным сегментом, где сохраняется запас для развития бизнеса. По данным IKS-Consulting, в 2016 году на регионы пришлось только 10% всех предлагаемых на рынке ресурсов, в то время как столица и Московская область заняли 73% рынка, а Санкт-Петербург и Ленинградская область – 17%. В регионах продолжает сохраняться дефицит на ресурсы дата-центров с высокой степенью отказоустойчивости.


К 2025 году, согласно прогнозам, общий объём данных в мире увеличится в 10 раз по сравнению с 2016 годом.



Всё-таки, насколько безопасен литий для ИБП серверной или ЦОД?



Недостаток: высокая стоимость Li-Ion решений.

imageЦена литий-ионных АКБ всё ещё остаётся высокой по сравнению со стандартными решениями. По оценкам компании SE начальные расходы для мощных ИБП свыше 100 кВА для Li-Ion решений будут выше в 1,5 раза, но в конечном итоге экономия на владении составит 30-50%. Если провести сравнения с военно-промышленным комплексом других стран, то вот новость о запуске в эксплуатацию японской подводной лодки с Li-Ion батареями. Довольно часто в подобных решениях применяют литий-железо-фосфатные батареи (на фото- LFP) ввиду относительной дешевизны и большей безопасности.

В статье упоминается, что на новые батареи для субмарины потрачено $100 млн., попробуем пересчитать в другие величины...
4,2 тысячи тонн-подводное водоизмещение японской субмарины. Надводное водоизмещение- 2,95 тысяч тонн. Как правило 20-25% массы лодки составляют аккумуляторы. Отсюда берем примерно 740 тонн — свинцово-кислотные аккумуляторы. Далее: масса литий составляет примерно 1/3 от свинцово-кислотных батарей -> 246 тонн лития. По 70кВт*ч/кг для Li-Ion получаем примерно порядка 17 МВт*ч мощности батарейного массива. И разница в массе батарей — примерно 495 тонн… Здесь мы не берем в расчет серебряно-цинковые аккумуляторы, в составе которых на одну подводную лодку нужно 14,5 тонн серебра, а по стоимости они превышают свинцово-кислотные батареи в 4 раза. Напомню Li-Ion батареи сейчас дороже VRLA всего в 1,5- 2 раза в зависимости от мощности решения.
А что японцы? Они слишком поздно вспомнили что «облегчение лодки » на 700 тонн влечет за собой изменение ее мореходных качеств, остойчивости… Вероятно им пришлось добавлять вооружений на борт, чтобы вернуть проектные значения развесовки лодки.


Литиево-ионные аккумуляторы также весят меньше, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, поэтому проект подводной лодки типа Soryu пришлось несколько переработать для сохранения балластировки и остойчивости.

В Японии созданы и доведены до эксплуатационного состояния два типа литиево-ионных аккумуляторных батарей: литий-никель-кобальт-алюминий-оксидная (NCA) производства компании GS Yuasa и литий-титанатная (LTO) производства корпорации Toshiba. Японский флот будет использовать батареи типа NCA, при этом, согласно Кобаяси, Австралии для использования на подводных лодках на основе типа Soryu в недавнем тендере были предложены батареи типа LTO.


Зная трепетное отношение к безопасности в стране Восходящего Солнца, можно предположить, что вопросы безопасности лития у них решены, протестированы и сертифицированы.


Риск: пожароопасность.

Вот тут и разберёмся с целью публикации, так как мнения о безопасности данных решений существуют диаметрально противоположные. Но это всё лирика, а что у нас с конкретными промышленными решениями?

Вопросы безопасности мы уже рассматривали в нашей cтатье, но ещё раз остановимся на этом вопросе. Обратимся к рисунку, где рассматривался уровень защиты модуля и ячейки LMO/NMC аккумулятора производства Samsung SDI и используемой в составе ИБП Schneider Electric.

Химические процессы были рассмотрены в статье пользователя LadyN Как взрываются литий-ионные аккумуляторы. Попробуем разобраться в возможных рисках в нашем конкретном случае и сопоставить с многоуровневой защитой в ячейках Samsung SDI, являющихся составной частью готовой Li-Ion стойки Type G в составе комплексного решения на базе Galaxy VM.

Начнём с общего случая блок-схемы рисков и причин возгорания литий-ионной ячейки.


А покрупнее? Фото кликабельно.


Под спойлером можно изучить теоретические вопросы рисков возгорания литий-ионных аккумуляторов и физику процессов
Исходная блок-схема рисков и причин возгорания (Safety Hazard) литий-ионной ячейки из научной статьи 2018 года.



Поскольку в зависимости от химической структуры литий-ионной ячейки имеются отличия в характеристиках теплового разгона ячейки, здесь остановимся на изложенном в статье процессе в литий-никель-кобальт-алюминиевой ячейке (на базе LiNiCoAIO2) или NCA.
Процесс развития аварии в ячейке можно разделить на три стадии:



  1. стадия 1 (Onset). Нормальная работа ячейки, когда градиент нарастания температуры не превышает 0,2 гр.С в минуту, а сама температура ячейки не превышает 130-200 гр.С в зависимости от химической структуры ячейки;
  2. стадия 2, разогрев (Acceleration). На этом этапе температура повышается, градиент роста температуры стремительно увеличивается, происходит активное выделение тепловой энергии. В общем случае этот процесс сопровождается выделением газов. Избыточное газовыделение должно быть компенсировано срабатыванием предохранительного клапана;

  3. стадия 3, тепловой разгон (Runaway). Нагрев аккумулятора свыше 180-200 градусов. При этом материал катода вступает в реакцию диспропорционирования и выделяет кислород. Это и есть уровень теплового разгона, так как в этом случае может возникнуть смесь горючих газов с кислородом, что вызовет самовозгорание. Однако этот процесс в некоторых случаях может быть управляемым, читай – при изменении режима внешних факторов тепловой разгон в ряде случаев прекращается без фатальных последствий для окружающего пространства. Исправность и работоспособность самой литиевой ячейки после этих событий не рассматривается.


image
Температура теплового разгона зависит от размера ячейки, конструкции ячейки и материала. Температура теплового разгона может варьироваться от 130 до 200 градусов цельсия. Время теплового разгона может быть разным и составлять минуты, часы или даже дни...