Перспективы использования литий-ионных аккумуляторных батарей в ЦОД
Основной задачей источников бесперебойного питания (ИБП), входящих в систему электроснабжения центра обработки данных (ЦОД) – поддержание стабильной работы оборудования при возникновении перебоев с электроснабжением в течение времени, необходимого для включения резервных дизель-генераторов. Соответственно, продолжительность работы ИБП устанавливаются из расчета поддержки рабочей нагрузки в течение 5 – 30 минут (Стандарт TIA-942).
Аккумуляторная батарея (АКБ) - одна из самых дорогостоящих и уязвимых систем в составе ИБП. Традиционно здесь используются герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (СКБ), которые, наряду со своими достоинствами (к которым можно отнести простоту эксплуатации и большой накопленный опыт использования), имеют ряд недостатков, среди которых можно отметить следующие:
1. Низкая плотность запасаемой энергии.
Вследствие этого СКБ имеют значительные вес и габариты. Это требует усиления несущих конструкций зданий и резервирования дополнительных площадей для размещения оборудования.
2. Существенная зависимость времени жизни от температуры эксплуатации.
Вследствие ускорения химической коррозии свинцовых электродов с ростом температуры, срок службы СКБ снижается в два раза на каждые 10°С увеличения температуры. Вследствие этого возникает необходимость кондиционирования помещений ЦОД.
3. Ухудшение разрядных характеристик батарей при переходе ко времени разряда 30 минут и менее.
Это связано с тем, что при высокой интенсивности протекания химической реакции, сульфат свинца, осаждаясь на поверхности электродов, уменьшает эффективную площадь взаимодействия вещества электрода и электролита и, тем самым, в несколько раз снижает эффективную емкость аккумуляторов.
4. Недолговечность герметизированных СКБ.
Это связано как с неполной рекомбинаций водорода и кислорода в объеме аккумулятора, так и со смещением поляризационного потенциала на одном из электродов в процессе его старения. Характерными временем эксплуатации качественных СКБ в оптимальных условиях являются срок порядка 5 лет – для СКБ типа AGM, 10 лет – для СКБ типа Gel. Как утверждают специалисты компании Vertiv (ранее - Emerson Network Power), в среднем, за период эксплуатации 4,5 года этот показатель снижается в два раза (https://www.vertiv.com/globalassets/documents/white-papers/key-considerations-for-evaluating-lithium-ion-batteries-for-stationary-applications/vertiv-lib-keyconsiderations-wp-en-na-sl-70519-web_280471_0.pdf ).
Таким образом эксплуатация СКБ связана с высокими операционными расходами, в том числе на техническое обслуживание, периодическую замену, поддержание определенной температуры в помещениях, необходимой для их нормальной работы. Тем не менее в течение многих лет источники бесперебойного питания, входящие в состав систем электропитания ЦОД, оснащались только такими аккумуляторными батареями
В последние годы во многих отраслях промышленности все более широко используются новый тип перезаряжаемых химических источников тока – литий-ионные аккумуляторные батареи (ЛИАБ). Они лишены многих недостатков традиционных СКБ и имеют отличные перспективы потеснить последние на многих рынках.
ЛИАБ давно и успешно применяются в смартфонах, ноутбуках и на транспорте, но в других отраслях промышленности, в том числе в центрах обработки данных, их внедрение происходит сравнительно медленно. На наш взгляд, на это есть следующие причины:
1. Сравнительно высокая стоимость ЛИАБ по сравнению с СКБ.
2. Сложность эксплуатации. В состав ЛИАБ обязательно должна входить система управления (BMS), что многими заказчиками воспринимается как элемент ненадежности;
3. Безопасность. Широко известны случае возгорания и пожаров установок, использующих энергоемкие литий-ионные аккумуляторы.
4. Отсутствие достоверных сведений о долговечности эксплуатации ЛИАБ в режиме поддерживающего заряда (основного режима эксплуатации АКБ в составе ИБП). Более того, ряд зарубежных источников даже утверждают, что ЛИАБ вообще нельзя эксплуатировать в режиме поддерживающего заряда.
5. Инерция мышления. Отсутствие нужного опыта порождает нежелание рисковать, применяя незнакомое оборудование.
Рассмотрим указанные причины по порядку.
Стоимость
Стоимость запасаемой энергии в ЛИАБ снижается в среднем на 11 % в год. Уже сейчас стоимость 1 Вт⋅ч запасаемой энергии в ЛИАБ приближается к стоимости 1 Вт⋅ч запасаемой энергии в СКБ при сравнении батарей одинакового номинала. С другой стороны, важно учесть, что снижение фактической энергоемкости ЛИАБ при переходе к быстрым временам разряда (менее одного часа) почти не происходит. Это приводит к тому. что доступный ток разряда в течение заданного интервала времени для ЛИАБ одинакового номинала с СКБ при таких времена становится выше в 2 – 3 раза. На рисунке 1 представлена зависимость доступного тока разряда при временах разряда от 15 минут и выше для разных типов аккумуляторов одинакового номинала (LFP, AGM, Gel).
>
Рисунок 1 – доступный ток разряда в зависимости от времени для разных АКБ
Таким образом, можно утверждать, что стоимость ЛИАБ, рассчитанной на времена разряда 5 – 30 минут, становится ниже стоимости СКБ, что подтверждается сравнением ТКП различных производителей.
Сложность эксплуатации
Действительно, в составе ЛИАБ обязательно должна быть система управления. Это связано особенностью природы литий-ионных аккумуляторов и их способностью перезаряжаться. Кроме того, ЛИАБ, в отличие от СКБ, нужно периодически балансировать, то есть выравнивать степень заряженности отдельных аккумуляторов между собой. Но, с другой стороны, прогресс в электронике и отработка технологий позволяют достигать высокого уровня надежности систем. Испытания на отказоустойчивость показали, что выход из строя компонентов BMS не приводит к отказу ЛИАБ, а лишь сужает доступный при эксплуатации диапазон степени заряженности. Более того, наличие BMS позволяет следить за состоянием батареи в режиме реального времени, что позволяет своевременно проводить диагностику и гарантировать работоспособность батареи.
Таким образом, можно утверждать, что стоимость и сложность эксплуатации ЛИАБ не выше, чем у СКБ.
Безопасность
Степень безопасности ЛИАБ зависит от типа электрохимии. Аккумуляторы, использующие в качестве активного вещества положительного электрода литий-железо-фосфат, являются абсолютно безопасными. Благодаря ограниченной проводимости катодного материала эти аккумуляторы не взрываются при внутреннем коротком замыкании, даже будучи насквозь пробиты гвоздем через все электроды. Испытания также показали устойчивость этих аккумуляторов к длительному внешнему металлическому короткому замыканию (до полного разряда аккумулятора). Согласно классификации ГОСТ 12.1.044-89, ЛИАБ относятся к изделиям горючим трудновоспламеняемым, то есть имеют лучший класс пожаробезопасности по сравнению с СКБ (у которых используются корпуса из горючего материала). Таким образом, можно конструировать абсолютно безопасные ЛИАБ.
Эксплуатация ЛИАБ в режиме поддерживающего заряда
Эксплуатация ЛИАБ в данном случае имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании систем электроснабжения. Наша компания накопила серьезный опыт эксплуатации ЛИАБ в режиме подзаряда. Первые проекты, использующие ЛИАБ в составе систем оперативного и постоянного тока (СОПТ) и ИБП, были реализованы еще в 2013 году. Накопленный опыт позволяет утверждать, что срок эксплуатации ЛИАБ до снижения ее фактической емкости на 20 % составляет примерно 15 – 20 лет. Таким образом, длительный срок службы — одно из основных преимуществ ЛИАБ по сравнению с герметизированными СКБ.
Кроме указанных выше, ЛИАБ имеют еще ряд преимуществ, по сравнению с традиционными АКБ.
Компактность и малый вес
При сопоставимой емкости ЛИАБ обеспечивают более высокую плотность запасаемой энергии, занимают меньшую площадь и обладают меньшим весом. По данным специалистов Schneider Electric (https://www.se.com/ru/ru/work/solutions/for-business/data-centers-and-networks/lithium-ion-battery/), при использовании таких ИБП экономится 50–75% места, при этом они легче на 60–70%. Также они считают, что сокращение веса при равном запасе энергии может быть троекратным.
Теоретически ситуация еще лучше. На рисунке 2 представлены величины доступной удельной мощности (мощности, доступной при разряде в течение 15 минут, приведенной к весу аккумулятора), для разных типов аккумуляторов. Мощность аккумуляторов определялась исходя данных, представленных в разрядных таблицах производителей. Сравниваются герметизированные СКБ, изготовленные по технологии AGM, Gel, а также ЛИАБ, состоящая из LFP аккумуляторов. Номинальная емкость всех представленных АКБ примерно одинакова.
Рисунок 2 – Доступная удельная мощность при 15-ти минутном разряде для разных АКБ
Видно, доступная мощность, приведенная к весу аккумулятора, для ЛИАБ LFP в 8,6 раз выше, по сравнению с СКБ AGM и в 19 раз выше по сравнению с Gel. То есть, теоретически, при использовании ЛИАБ вес АКБ может быть снижен в 8 – 19 раз.
Не требуется кондиционирование
Как было указано выше, для обеспечения максимальной длительности работы СКБ рекомендуется поддерживать температуру окружающей среды на уровне 25°C, причем отклонения от данного показателя не должны превышать 2–3 градуса. При увеличении температуры на каждые 10°C они теряют свою емкость в два раза быстрее. ЛИАБ существенно менее чувствительны к колебаниям температуры: по данным Schneider Electric (https://www.se.com/ru/ru/download/document/SPD_VAVR-A5VTU5_EN/), они могут использоваться при 40°C без заметных изменений срока эксплуатации. Экономия из-за отсутствия необходимости кондиционирования на всем жизненном цикле оборудования может быть велика.
Экологичность
В процессе изготовления ЛИА используются только экологически чистые материалы (в отличие от СКБ, которые содержат токсичные материалы, в том числе свинец и кислоту). ЛИАБ LFP относятся к четвертому классу отходов (малоопасные или твердые бытовые отходы) и не требуют специальных методов утилизации, в отличие от СКБ, которые относятся ко второму классу отходов (высокоопасные), предъявляющие специальные требования к утилизации.
Таким образом видно, что нет никаких технических или экономических аргументов против использования ЛИАБ в составе ИБП. Это выгодно как с точки зрения начальных капитальных затрат, так и с точки зрения эксплуатационных затрат в течение всего жизненного цикла АКБ. С нашей точки зрения, единственная причина, из-за которой применение ЛИАБ сейчас ограничено, является инерция мышления. Что касается мирового опыта, то в последние годы наблюдается тенденция отказа от СКБ в пользу ЛИАБ. Так согласно данным, предоставленным компанией China Tower Co., специализирующейся на рынке телекоммуникационного оборудования, в течение 2018 г. на примерно 120 000 базовых станций в 31 провинции Китая было установлено 1,5 ГВт⋅ч литий-ионных батарей, заменивших свинцово-кислотные АКБ общим весом около 45 000 тонн. В 2019 г. специалисты компании установили литий-ионные аккумуляторы общей энергоемкостью около 5 ГВт⋅ч и заменили около 150 000 СКБ. В новых проектах компании использование СКБ не предусматривается.
Если Вас заинтересовала возможность получения прибыли на рынке использования ИБП, либо у Вас возникли вопросы, связанные с использованием литий-ионных аккумуляторных батарей, Вы можете направить их нам, и мы с удовольствием на них ответим. А также поможем рассчитать и сконфигурировать для вас любую систему резервного питания. Наша почта info@azimut54rus.ru.
Рисунок 3 – Примеры исполнений ЛИАБ