До сих пор проблема накопления (аккумулирования) электроэнергии существовала без каких-либо глобальных изменений, технологического прорыва в данной области никто предложить не мог. Это был тот самый аккумулятор Гастона Планте 1859 года, доработанный различными вспомогательными технологиями и оснащенный усовершенствованиями в области электрохимических процессов, борьбы с выделением водорода, другими материалами корпуса и пр. На рубеже начала 2000 годов появились различного вида литиевые аккумуляторы, которые уверенно вытесняют во всех областях стандартные щелочные, кальциевые, AGM и гелевые аккумуляторы. В данный момент литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы уже завоевали рынок бытовых устройств, технология отработана и позволяет делать АКБ любой формы, ёмкости и размеров. Пришло время отработанных промышленных решений на базе литиевых аккумуляторов. Предлагаю разобраться, почему в серверных и ЦОДах за этой технологией будущее…
Данная технология хоть и не является неким кардинальным прорывом, но все же обладает рядом очевидных преимуществ. И наиболее интересными для промышленных решений в ИТ-сфере является удельная масса батарей на единицу площади при сравнимой со свинцовыми батареями ёмкости. Эту же характеристику можно рассматривать как удельную мощность батарей к единице массы – кВт*ч/кг. Но, обо всем по порядку.
Итак, сегодня каждый из нас имеет в кармане телефон, в котором работает литиевая батарея и это уже привычно для каждого.
Рис. 1. Никелевый аккумулятор для электроинструмента
Рис. 2. Литиевый аккумулятор для электроинструмента
Возьмём ручной электроинструмент: буквально вчера это были съёмные батареи, изготовленные на основе сборки никелевых аккумуляторов Рис.1 (ранее свинцовых). Сегодня мы видим на полках магазинов гигантское количество любых электроинструментов с литиевыми аккумуляторами, которые визуально меньше по размерам, компактные, легкие и т.д. Рис.2. А что с ценой в бытовом секторе? Тот же электроинструмент с литиевыми батареями лишь незначительно дороже (а иногда и дешевле) по отношению к уходящему поколению, а удобство в работе – неоспоримо.
Для сравнения:
Разница в удельной массе аккумуляторов разных типов (Ампер*час) достигает 2,2 раза, то есть в одном килограмме литиевой батареи будет в 2,2 раза больше емкости. Но это необъективное сравнение, так как на аккумуляторах разные напряжения. Попробуем пересчитать значения удельной мощности (specific power) Вт/кг, и получаем: для никель-кадмиевой батареи 39,3 Вт/кг, а для литиевой АКБ — 80 Вт/кг. Разница составила более чем в два раза.
Надо заметить, что для шуруповертов и других энергоёмких бытовых устройств используются литий-ионные высокотоковые аккумуляторы, которые обеспечивают большой ток отдачи за короткий промежуток времени. При этом не происходит просадки напряжения на аккумуляторе ниже уровня защиты Li-Ion батареи от глубокого переразряда. Подобный сценарий возможен для режимов заворачивания и откручивания тяжелых шурупов, гаек и прочих электроинструментов, а в радиоуправляемых моделях при старте машинки.
Так в чём основные достоинства литиевых батарей по сравнению с различными видами классических батарей с электролитом?
Рис.3. График зависимости удельной энергии от удельной мощности различных типов батарей
Как такового электролита в свободном состоянии в литиевом аккумуляторе нет. Вместо него используется пористый сепаратор пропитанный электролитом. Здесь используются ионы лития, которые связаны молекулами дополнительных металлов. При разряде аккумулятора происходит переход ионов от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду) и наоборот при заряде. Схема аккумулятора предполагает наличие разделительного сепаратора между двумя частями элемента, это необходимо для предотвращения самопроизвольно перемещения ионов лития. Схемы химических процессов свинцового и литий-ионного аккумуляторов приведены на рисунке.
Рис. 4. Химические процессы в свинцовых батареях и в литиевой батарее
Класс литий-ионных аккумуляторов можно разделить на подвиды по основному химическому материалу, придающему аккумулятору его уникальные, собственные свойства:
Если сравнить данную классификацию с рис.3, то аккумуляторы типа LFP можно отнести к высокоэнергетическому классу, а литий-марганцевые LMO – к классу средней энергетической мощности.
Если рассматривать исключительно удельную энергию различных видов батарей, то структура выглядит следующим образом:
Рис. 5. Удельная энергия различных видов аккумуляторов (по материалам сайта batteryuniversity.com)
Класс литий-ионных аккумуляторов можно разделить на подвиды по форм-фактору:
Самый распространённый типоразмер литий-ионных аккумуляторов – цилиндры высотой 65 мм, чуть больше классической батарейки типа АА, которая используется в большинстве бытовых устройств и пультов дистанционного управления.
Из данного типа аккумуляторов на данный момент изготавливаются батареи для электровелосипедов, электроскутеров, именно такие батареи находятся в любых «несовременных» ноутбуках. Кроме того, из таких литиевых батарей были собраны батареи первых выпусков автомобилей TESLA. Посмотреть>>
Рис. 6. Внешний вид цилиндрического LIP аккумулятора
Лидером рынка в области производства призматических ячеек является сейчас Samsung CDI, подразделение всем известной корпорации. В области промышленных решений разработаны и успешно применяются LMO ячейки и батареи (модули). Ячейка стандартного напряжения 3,7В имеет емкость 67А*ч, модуль собран из 8 ячеек, имеет массу 17 кг, напряжение – 24-33,6В, и удельную энергию 140Вт*ч/кг.
Рис.7 Внешний вид призматической ячейки LMO производства Samsung
После начала шумихи с электромобилями, гибридными авто и общественным транспортом пришло время активного перехода на Li-Ion аккумуляторы и для промышленных решений в области ИБП.
Например, «низкоэнергетический» сегмент промышленных решений активно переходит на литий-ионные аккумуляторы. Поставщики оборудования систем безопасности так же не отстают и предлагают свои решения на литии для резервирования противопожарных и охранных систем. Основной упор делается на отсутствии необходимости замены батарей в течение 10 лет, вместо привычных 2-х лет. Подобная тенденция наблюдается в области систем оповещения и управления эвакуацией (системы СОУЭ), которые тоже относятся к противопожарным системам. Ранее такие системы оснащались АКБ кислотно-свинцового типа. Спустя 2-3 года у заказчика, который эксплуатировал подобные системы, свинцовые АКБ в системах оповещения уже критически теряли свою ёмкость, а денег на обновление батарей часто не хватало. Таким образом противопожарные и эвакуационные системы объекта номинально были полностью исправны, но фактически не могли обеспечить работу на батареях в случае чрезвычайной ситуации. А на безопасную эвакуацию людей, в зависимости от объекта, отводится не менее 30 минут.
В случае использования батарей на литии о таких проблемах можно забыть.
Если посмотреть аналитику производства и использования разных типов аккумуляторов, например, тут, то можно сказать, что «… касается аккумуляторных батарей, то текущие оценки затрат на их установку варьируются от $200 до $800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты соответствуют свинцово-кислотным аккумуляторам, поскольку они находятся на более высокой стадии технологического развития. Этот диапазон соответствует нижней границе стоимости для ГАЭС, но он гораздо ниже, чем у других потенциальных и новых технологий хранения. Однако, основным недостатком свинцово-кислотных и других АБ является их низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС, которые имеют гораздо более длительные сроки эксплуатации. Срок службы АБ существенно различается в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки».
Как мы видим, прогнозируемые темпы роста литиевых АКБ значительно превышают перспективы обычных аккумуляторов. В России в 2017 году на сайте Минэнерго РФ опубликована Концепция развития рынка систем хранения электроэнергии в РФ в которой идет речь, в том числе, и о производстве Li-Ion аккумуляторов, «…задел производства которых имеется в России, но требует развития». В документе дан прогноз снижения стоимость систем хранения энергии различных видов, в частности для Li-Ion батарей прогнозируется снижение стоимости с 550$/кВт*ч в 2016 году, до 300$/кВт*ч к 2025 году. Если прогнозы Navigant Research будут верны, то стоимость литиевых АКБ снизится еще на 40% относительно текущего уровня цен.
А что же питание ИТ-оборудования в серверных и ЦОДах? Давайте посмотрим.
Реальный кейс.
Один из наших заказчиков обратился к нам с просьбой помочь решить проблему питания небольшой серверной. Вроде бы ничего сложного, обычная работа для нас, в которой мы разбираемся лучше, чем кто-либо.
Но есть четыре осложняющих фактора, которые критически важны для заказчика:
Рис.8 Внешний вид планировки серверной
Вы спросите, что же тут необычного?
Во-первых, заказчик уже имел негативный опыт эксплуатации ИБП с массивом кислотно-свинцовых батарей. И вот как это было:
Шёл пятый год после начала эксплуатации достаточно мощного ИБП, батарейные шкафы эксплуатировались в штатных режимах, климат в помещении с батареями обеспечивался стабильный и нормированный. Сам ИБП демонстрировал готовность обеспечить работу серверной в течение 15 минут в случае отключения питания. Вроде бы пора уже было менять все батареи по сроку эксплуатации, но решения о замене все никак не принималось. И вот в один прекрасный момент происходит внезапное отключение сети из города. Вы думаете система ИБП проработала хотя бы 1-3 минуты для завершения сервисов на оборудовании? Как бы не так. Случилось самое плохое: ИБП не переключился на батареи, ввиду неисправности одной из них, «легли» все сервера и сервисы, которые работали в этом момент. Благо это был не банк, а ко-локейшн (co-location), и скандал как-то утрясли.
Всё дело в том, что классическая система мониторинга батарей не даёт объективного представления о состоянии каждой батареи в линейке, в шкафу. Неисправную батарею можно выявить, лишь проводя чётко регламентированные мероприятия по проверке ёмкости и исправности каждой свинцовой батареи. При наличии неисправной батареи замене подлежит весь массив свинцово-кислотных АКБ, а мероприятия по контролю состояния каждой батареи не проводились по объективным причинам:
Рис .9. Прогнозируемое время автономной работы на ИБП накануне аварии в ЦОД
Во-вторых, расчётами было установлено, что монтировать два батарейных шкафа массой 980 кг каждый в помещении серверной нельзя, так как нагрузка на перекрытия от серверных стоек и сопутствующего оборудования уже максимальная. Требовалась разработка и монтаж стальной разгрузочной рамы под шкаф АКБ. Это, в свою очередь, вызывало массу вопросов организационного характера: обеспечение down-time всей серверной, рама должна быть с болтовыми соединениями (сварка в действующем офисе невозможна) и прочее…
Рис. 10. Батарейный шкаф с обычными аккумуляторами (слева) и с литий-ионными ячейками (справа)
Рис. 11. Батарейный массив с литий-ионными ячейками в крупном ЦОД
Рис. 12. Внешний вид литий-ионной аккумуляторной ячейки с платой мониторинга BMS (Battery Monitoring System)
Каков выход из ситуации?
Нами было предложено решение ИБП на литиевых батареях, которое позволило:
Срок службы батарейного массива на Li-ion аккумуляторах составил 10 лет, что для обычных VRLA батарей составляет 3-5 лет.
В составе данного решения имеется продвинутая система контроля состояния и зарядки батарей (BMS), позволяющая иметь информацию о состоянии каждой ячейки батареи.
Уровень разряда батареи при кратковременных перерывах в электроснабжении никак не влияет на ресурс всего массива в целом и составляет более 5000 циклов, при ресурсе кислотно-свинцовых батарей 500 циклов и 3-4 года максимум.
Температурный режим эксплуатации литиевых батарей совершенно не критичен, перепады температуры в пределах батарейного шкафа не оказывают негативного влияния на ресурс батареи в целом.
Отпала необходимость в приточно-вытяжной вентиляции помещения, так как при использовании Li-ion аккумуляторов нет выделения водорода в принципе.
Рис. 13. Внешний вид серверной
В этом проекте заказчик заинтересовался решениями для локальной защиты рабочих станций важных сотрудников ИБП мощностью 1000 ВА, также с литиевыми батареями. Разница в стоимости данного вида ИБП составила порядка 400 $ — дороже относительно стандартной конфигурации, однако, достоинства данного решения позволили задуматься о выборе в пользу более высоких капитальных затрат (CAPEX) с целью снизить операционные расходы в перспективе.
Рис.14. Внешний вид ИБП с литиевыми батареями для защиты рабочих станций
Проведём сравнительную характеристику типов однофазных моделей ИБП производства APC by Schneider Electric c литиевыми и свинцово-кислотными батарейными модулями.
Какие выводы можно сделать из приведенных таблиц:
Важно заметить, что решение компании Schneider Electric в данном диапазоне мощностей – это решение с топологией On-Line. В настоящее время имеются решения на литии и других производителей, но все они построены по топологии Line-Interactive, то есть подключают батареи, лишь в случае проблем с питающей сетью.
Посмотрим, что происходит с оперативными расходами в течение срока службы обоих типов ИБП на горизонте 10 лет.
Как видно, по характеристикам OPEX и TCO, эксплуатация ИБП с литиевыми батареями предпочтительнее и дешевле. В данном сегменте ИБП (защита рабочих станций) важна, в первую очередь, безотказная работа ИБП и надёжное гарантированное время работы для завершения работы пользователем и в первый год, и спустя 5-7 лет. Знаете почему?
Потому что за такими ИБП наблюдение, контроль и проверка либо не ведётся вообще, либо проводится по случайному принципу и то, только после того, как «моргнул» свет, а ИБП, почему-то, не включился и пропали файлы, над которыми сотрудник работал целый день. А как часто бывает, именно в этот день сотрудник должен был сдать работу, отчёт, и именно в этот день на человека снизошло рабочее вдохновение и он реализовал все свои мысли в электронной форме. Терять информацию не хочет никто.
Но вернёмся опять к промышленным решениям средней и большой мощности. Что из себя представляют решения на литии?
Рассмотрим стандартную батарейную стойку от Samsung модели U6-M035
Как видим, масса стойки с литиевыми ячейками составляет всего 550 кг, при этом стойка поставляется с внутренней многоуровневой системой контроля и защиты батарей. Все уровни защиты имеют отработанный механизм селективности – по времени и по току, то есть защиты уровня «стойка» не сработают раньше защит на уровне ячейки или модуля:
1. Уровень защиты от короткого замыкания в стойке MCCB – автоматический выключатель, который имеет управление системой BMS стойки. Отключение всего батарейного массива по общей аварии. В дополнение к автомату имеется ещё и плавкая вставка (предохранитель) силовых цепей постоянного тока. Уровни защиты: короткие замыкания между полюсами стойки или короткие замыкания на землю (любого полюса батарейного массива);
Рис. 15 Защита АКБ на уровне стойки с Li-Ion аккумуляторами
2. Уровень защиты «модуль» включает в себя: применение негорючего пластика для модулей, высокотоковые выводы батарей (470 А), воздушные промежутки между ячейками модуля для выравнивания температурных режимов каждой ячейки, изоляционные крышки для подключения силовых кабелей и защиты от случайного прикосновения.
Рис. 16. Защита на уровне модуля
3. Уровень защиты ячейки — защита от перезаряда, предохранительный клапан ячейки, электрический предохранитель, многослойный сепаратор ячейки, который блокирует заряд на уровне электрохимических процессов при повышении температуры ячейки более 250°C.
Рис. 17. Защита на уровне ячейки
А вот так выглядит бытовой переносной аккумулятор (power bank), в котором не сработал предохранительный клапан и литиевый аккумулятор разорвало от внутреннего давления. Причина этого явления в данном случае – короткое замыкание в физической структуре аккумулятора, вероятно связанное с деградацией батареи или неправильной эксплуатацией. В результате произошел «тепловой разгон» аккумулятора и мы видим итог на фото
В России имеется свое производство литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LFP), их производит новосибирская компания ООО «Лиотех», дочернее предприятие ОАО «РОСНАНО». Компания «Лиотех» создана для реализации в России проекта по производству современных литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Подробности и дополнительную информацию вы можете почитать на официальном сайте Лиотех.
На данный момент предприятие поставляет готовые решения на базе инверторов off-line типа, ориентированных на бытовой сектор и солнечную и ветрогенерацию. Однако, завод ведёт работы по адаптации батарейных ячеек к любому ИБП промышленного исполнения. Задача заключается в отработке решения с точки зрения защит и получения пожарных сертификатов на внешний батарейный шкаф вместе с системой BMS в привязке к любому присутствующему на рынке промышленному ИБП.
Производитель литиевых аккумуляторов «Лиотех» заявляет в своих спецификациях, что при глубине разряда 80% можно получить 3000 циклов заряда-разряда, при этом они и дальше продолжают работать, в то время как свинцово-кислотные заметно теряют ёмкость. Для свинцово-кислотных батарей заявленное количество циклов даётся при снижении емкости на 40%, «Лиотех» же заявляет, что снижение ёмкости после 3000 циклов всего 20%. В буферном режиме и неглубоком циклировании АБ «Лиотех» отработают 5000-7000 циклов и более. Единственное, чего боятся такие аккумуляторы, это перезаряд (нельзя заряжать больше 3,75 вольт на ячейку), и глубокий разряд ячеек (меньше 2 вольта нельзя разряжать), поэтому нужно устанавливать на аккумуляторы BMS (Battery management system) и балансиры на каждую ячейку аккумуляторов.
В настоящее время технологии изготовления обеспечения защиты и правильной эксплуатации литий-ионных аккумуляторов вплотную приблизились к промышленному сектору и решениям для резервного питания критичных потребителей. И, хотя, на текущий момент они всё ещё остаются достаточно дорогими, по сравнению с классическими VRLA аккумуляторами, у них есть свои перспективы применения. В первую очередь, данные решения очень подходят для объектов, где нет возможности держать на постоянной основе группу инженеров-эксплуатационщиков – для крупных объектов, или там, где вся техническая поддержка по электроснабжению (и ИБП в частности) отдана на аутсорсинг.
Как заявляет компания Schneider Electric:
«Мы в Schneider Electric всегда пристально следим за трендами, развитием технологий и стараемся действовать проактивно. Сейчас мы видим перспективу развития более легких и удобных решений для обеспечения бесперебойного электропитания, основанных на литий-ионной технологии», – так объясняет стратегию компании Анна Мизиева, менеджер по развитию однофазной продукции подразделения IT Division компании Schneider Electric
Или вот ещё цитата статьи от 07 марта 2018 года в издании С-News под заголовком «Schneider Electric представила однофазные ИБП с литий-ионными аккумуляторами»:
«К преимуществам Li-Ion аккумуляторов по сравнению с традиционными АКБ относятся: компактные размеры и меньшая масса, до 4 раз выше скорость зарядки, вдвое больший срок службы аккумуляторной батареи (до 10 лет), возможность работы при температуре до +40 °C без существенного ухудшения параметров. Как результат, суммарная стоимость затрат на обслуживание снизилась на 35% по сравнению с аналогичными моделями с другим типом аккумуляторов. Применение Li-Ion аккумуляторов лежит в русле современной тенденции повышения температуры в залах центров обработки данных для экономии энергии за счёт менее интенсивного охлаждения.»
Подробнее>>
При видимых больших затратах на этапе реализации проекта заказчик получает надёжную систему бесперебойного питания на горизонте 8-10 лет, не требующую непосредственного контроля состояния каждой батареи, периодических «тренировок» массива АКБ для уточнения реальной автономии ИБП и прочее. Заметим, что проведение хотя бы одного полного цикла разряда-заряда VRLA батарей в составе ИБП требует большой организационной подготовки мероприятия и является достаточно опасным мероприятием для чувствительного информационного оборудования. В случае применения Li-ion батарей в составе ИБП полный цикл заряда-разряда батарей в принципе не требуется и даже противопоказан, а частичные разряды батарей в реальном цикле эксплуатации ЦОД даже рекомендованы производителем, и литиевые батареи изначально дружелюбны к подобному режиму эксплуатации.
рекламный ролик Schneider Electric
В данном материале использована информация:
Данная технология хоть и не является неким кардинальным прорывом, но все же обладает рядом очевидных преимуществ. И наиболее интересными для промышленных решений в ИТ-сфере является удельная масса батарей на единицу площади при сравнимой со свинцовыми батареями ёмкости. Эту же характеристику можно рассматривать как удельную мощность батарей к единице массы – кВт*ч/кг. Но, обо всем по порядку.
Современные реалии для бытовых устройств
Итак, сегодня каждый из нас имеет в кармане телефон, в котором работает литиевая батарея и это уже привычно для каждого.
Рис. 1. Никелевый аккумулятор для электроинструмента
Рис. 2. Литиевый аккумулятор для электроинструмента
Возьмём ручной электроинструмент: буквально вчера это были съёмные батареи, изготовленные на основе сборки никелевых аккумуляторов Рис.1 (ранее свинцовых). Сегодня мы видим на полках магазинов гигантское количество любых электроинструментов с литиевыми аккумуляторами, которые визуально меньше по размерам, компактные, легкие и т.д. Рис.2. А что с ценой в бытовом секторе? Тот же электроинструмент с литиевыми батареями лишь незначительно дороже (а иногда и дешевле) по отношению к уходящему поколению, а удобство в работе – неоспоримо.
Для сравнения:
- Стандартный никель-кадмиевый аккумулятор для шуруповерта Makita, 12 В, 2,0 А*ч имеет массу 0,61кг и габариты 110х100х90 мм. То есть имеем 0,305 кг/А*ч. При использовании подобных аккумуляторов бытовой электроинструмент будет снижать мощность (крутящий момент) и обороты в состоянии близком к полному разряду батарей. Гарантия – 1 год. Стоимость более 2000 руб.
- Литий-ионный аккумулятор для шуруповерта того же производителя (Makita), при напряжении 10,8 В, 2,0 А*ч будет обладать массой 270 грамм и габариты 220х190х42 мм. То есть имеем 0,135 кг/А*ч. Гарантия – 5 лет, стоимость порядка 1200 рублей. При использовании подобных аккумуляторов бытовой электроинструмент на всей ёмкости батарей будет иметь одинаковую мощность (крутящий момент) и полный диапазон оборотов, но в момент достижения минимальной ёмкости просто прекратит работу в результате срабатывания схемы защиты от глубокого разряда батарей.
Разница в удельной массе аккумуляторов разных типов (Ампер*час) достигает 2,2 раза, то есть в одном килограмме литиевой батареи будет в 2,2 раза больше емкости. Но это необъективное сравнение, так как на аккумуляторах разные напряжения. Попробуем пересчитать значения удельной мощности (specific power) Вт/кг, и получаем: для никель-кадмиевой батареи 39,3 Вт/кг, а для литиевой АКБ — 80 Вт/кг. Разница составила более чем в два раза.
Надо заметить, что для шуруповертов и других энергоёмких бытовых устройств используются литий-ионные высокотоковые аккумуляторы, которые обеспечивают большой ток отдачи за короткий промежуток времени. При этом не происходит просадки напряжения на аккумуляторе ниже уровня защиты Li-Ion батареи от глубокого переразряда. Подобный сценарий возможен для режимов заворачивания и откручивания тяжелых шурупов, гаек и прочих электроинструментов, а в радиоуправляемых моделях при старте машинки.
Так в чём основные достоинства литиевых батарей по сравнению с различными видами классических батарей с электролитом?
Рис.3. График зависимости удельной энергии от удельной мощности различных типов батарей
- Большая мощность и энергоёмкость на единицу массы. На рис.3 указана зависимость удельной мощности батарей различных типов (вертикальная шкала Ватт/кг от удельной энергии (горизонтальная шкала Ватт*ч/кг)), которую способна отдать батарея разного типа. Проще говоря – чем больше ток (соответственно и мощность) отдает батарея в нагрузку, тем меньше времени она отработает в минутах и часах. Как видим АКБ на основе литиевых технологий по сравнению с классическими свинцово-кислотными аккумуляторами находятся на диаметрально противоположных частях графика. Также из рисунка можно понять, что литиевые батареи имеют различные характеристики в зависимости от типа, но в общем и целом способны быстрее отдавать накопленную энергию;
- на треть меньшая удельная масса по сравнению со свинцовыми батареями;
- отсутствие эффекта «памяти». То есть, батареи на основе литий-полимера не снижают свою ёмкость при эксплуатации в режиме частичных разрядов. Например, никель-кадмиевые или никель-марганцевые батареи демонстрируют этот эффект в режиме повторяющихся частичных циклов заряда-разряда, что в итоге приводит к тому, что батарея «запоминает» меньшую доступную ёмкость;
- большее количество циклов разряда-заряда, по сравнению со свинцовыми АКБ;
- отсутствие выделения водорода или любых вредных и взрывопожароопасных газов. Как показано на рис.4 в химических процессах в Li-ION аккумуляторах не происходит абсолютно никакого газовыделения.
Принцип работы литий-ионного аккумулятора
Как такового электролита в свободном состоянии в литиевом аккумуляторе нет. Вместо него используется пористый сепаратор пропитанный электролитом. Здесь используются ионы лития, которые связаны молекулами дополнительных металлов. При разряде аккумулятора происходит переход ионов от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду) и наоборот при заряде. Схема аккумулятора предполагает наличие разделительного сепаратора между двумя частями элемента, это необходимо для предотвращения самопроизвольно перемещения ионов лития. Схемы химических процессов свинцового и литий-ионного аккумуляторов приведены на рисунке.
Рис. 4. Химические процессы в свинцовых батареях и в литиевой батарее
Класс литий-ионных аккумуляторов можно разделить на подвиды по основному химическому материалу, придающему аккумулятору его уникальные, собственные свойства:
Если сравнить данную классификацию с рис.3, то аккумуляторы типа LFP можно отнести к высокоэнергетическому классу, а литий-марганцевые LMO – к классу средней энергетической мощности.
Если рассматривать исключительно удельную энергию различных видов батарей, то структура выглядит следующим образом:
Рис. 5. Удельная энергия различных видов аккумуляторов (по материалам сайта batteryuniversity.com)
Класс литий-ионных аккумуляторов можно разделить на подвиды по форм-фактору:
Самый распространённый типоразмер литий-ионных аккумуляторов – цилиндры высотой 65 мм, чуть больше классической батарейки типа АА, которая используется в большинстве бытовых устройств и пультов дистанционного управления.
Из данного типа аккумуляторов на данный момент изготавливаются батареи для электровелосипедов, электроскутеров, именно такие батареи находятся в любых «несовременных» ноутбуках. Кроме того, из таких литиевых батарей были собраны батареи первых выпусков автомобилей TESLA. Посмотреть>>
Рис. 6. Внешний вид цилиндрического LIP аккумулятора
Лидером рынка в области производства призматических ячеек является сейчас Samsung CDI, подразделение всем известной корпорации. В области промышленных решений разработаны и успешно применяются LMO ячейки и батареи (модули). Ячейка стандартного напряжения 3,7В имеет емкость 67А*ч, модуль собран из 8 ячеек, имеет массу 17 кг, напряжение – 24-33,6В, и удельную энергию 140Вт*ч/кг.
Рис.7 Внешний вид призматической ячейки LMO производства Samsung
После начала шумихи с электромобилями, гибридными авто и общественным транспортом пришло время активного перехода на Li-Ion аккумуляторы и для промышленных решений в области ИБП.
Например, «низкоэнергетический» сегмент промышленных решений активно переходит на литий-ионные аккумуляторы. Поставщики оборудования систем безопасности так же не отстают и предлагают свои решения на литии для резервирования противопожарных и охранных систем. Основной упор делается на отсутствии необходимости замены батарей в течение 10 лет, вместо привычных 2-х лет. Подобная тенденция наблюдается в области систем оповещения и управления эвакуацией (системы СОУЭ), которые тоже относятся к противопожарным системам. Ранее такие системы оснащались АКБ кислотно-свинцового типа. Спустя 2-3 года у заказчика, который эксплуатировал подобные системы, свинцовые АКБ в системах оповещения уже критически теряли свою ёмкость, а денег на обновление батарей часто не хватало. Таким образом противопожарные и эвакуационные системы объекта номинально были полностью исправны, но фактически не могли обеспечить работу на батареях в случае чрезвычайной ситуации. А на безопасную эвакуацию людей, в зависимости от объекта, отводится не менее 30 минут.
В случае использования батарей на литии о таких проблемах можно забыть.
Если посмотреть аналитику производства и использования разных типов аккумуляторов, например, тут, то можно сказать, что «… касается аккумуляторных батарей, то текущие оценки затрат на их установку варьируются от $200 до $800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты соответствуют свинцово-кислотным аккумуляторам, поскольку они находятся на более высокой стадии технологического развития. Этот диапазон соответствует нижней границе стоимости для ГАЭС, но он гораздо ниже, чем у других потенциальных и новых технологий хранения. Однако, основным недостатком свинцово-кислотных и других АБ является их низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС, которые имеют гораздо более длительные сроки эксплуатации. Срок службы АБ существенно различается в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки».
Как мы видим, прогнозируемые темпы роста литиевых АКБ значительно превышают перспективы обычных аккумуляторов. В России в 2017 году на сайте Минэнерго РФ опубликована Концепция развития рынка систем хранения электроэнергии в РФ в которой идет речь, в том числе, и о производстве Li-Ion аккумуляторов, «…задел производства которых имеется в России, но требует развития». В документе дан прогноз снижения стоимость систем хранения энергии различных видов, в частности для Li-Ion батарей прогнозируется снижение стоимости с 550$/кВт*ч в 2016 году, до 300$/кВт*ч к 2025 году. Если прогнозы Navigant Research будут верны, то стоимость литиевых АКБ снизится еще на 40% относительно текущего уровня цен.
А что же питание ИТ-оборудования в серверных и ЦОДах? Давайте посмотрим.
Реальный кейс.
Один из наших заказчиков обратился к нам с просьбой помочь решить проблему питания небольшой серверной. Вроде бы ничего сложного, обычная работа для нас, в которой мы разбираемся лучше, чем кто-либо.
Но есть четыре осложняющих фактора, которые критически важны для заказчика:
- Несущая способность перекрытий помещения, где планировалось разместить серверную очень мала (не более 300 кг/м.кв), само помещение достаточно тесное и находится на 4-ом этаже офисного здания класса А.
- Заказчик хотел быть уверенным в надежности электроснабжения серверной в случае отключения питания и из соображений дорогой аренды площадей хотел разместить ИБП непосредственно в помещении серверной.
- Время автономной работы ИБП на батареях должно было обеспечить минимум 40 минут бесперебойной работы, и это при схеме питания 2N, то есть с двумя ИБП и парой одинаковых батарейных массивов.
- В процессе согласования основных технических решений появилось желание выделить часть помещения серверной под сторонние нужды, то есть еще более уплотнить оборудование
Рис.8 Внешний вид планировки серверной
Вы спросите, что же тут необычного?
Во-первых, заказчик уже имел негативный опыт эксплуатации ИБП с массивом кислотно-свинцовых батарей. И вот как это было:
Шёл пятый год после начала эксплуатации достаточно мощного ИБП, батарейные шкафы эксплуатировались в штатных режимах, климат в помещении с батареями обеспечивался стабильный и нормированный. Сам ИБП демонстрировал готовность обеспечить работу серверной в течение 15 минут в случае отключения питания. Вроде бы пора уже было менять все батареи по сроку эксплуатации, но решения о замене все никак не принималось. И вот в один прекрасный момент происходит внезапное отключение сети из города. Вы думаете система ИБП проработала хотя бы 1-3 минуты для завершения сервисов на оборудовании? Как бы не так. Случилось самое плохое: ИБП не переключился на батареи, ввиду неисправности одной из них, «легли» все сервера и сервисы, которые работали в этом момент. Благо это был не банк, а ко-локейшн (co-location), и скандал как-то утрясли.
Всё дело в том, что классическая система мониторинга батарей не даёт объективного представления о состоянии каждой батареи в линейке, в шкафу. Неисправную батарею можно выявить, лишь проводя чётко регламентированные мероприятия по проверке ёмкости и исправности каждой свинцовой батареи. При наличии неисправной батареи замене подлежит весь массив свинцово-кислотных АКБ, а мероприятия по контролю состояния каждой батареи не проводились по объективным причинам:
- круглосуточный режим работы ИТ-оборудования — вывод из эксплуатации схемы бесперебойного питания означал бы риск падения всех сервисов, если бы в этот момент произошло отключение питающей сети из города;
- отсутствие договора со специализированной организацией на техническое обслуживание ИБП и батарей, так как на момент отказа не были согласованы юридические вопросы продления договора на обслуживание;
- «успокаивающие» показания и прогнозы по времени автономной работы на дисплее ИБП и системах мониторинга состояния ИБП;
- опыт нормального перехода ИБП на батареи при пропадании сети полгода назад.
Рис .9. Прогнозируемое время автономной работы на ИБП накануне аварии в ЦОД
Во-вторых, расчётами было установлено, что монтировать два батарейных шкафа массой 980 кг каждый в помещении серверной нельзя, так как нагрузка на перекрытия от серверных стоек и сопутствующего оборудования уже максимальная. Требовалась разработка и монтаж стальной разгрузочной рамы под шкаф АКБ. Это, в свою очередь, вызывало массу вопросов организационного характера: обеспечение down-time всей серверной, рама должна быть с болтовыми соединениями (сварка в действующем офисе невозможна) и прочее…
Рис. 10. Батарейный шкаф с обычными аккумуляторами (слева) и с литий-ионными ячейками (справа)
Рис. 11. Батарейный массив с литий-ионными ячейками в крупном ЦОД
Рис. 12. Внешний вид литий-ионной аккумуляторной ячейки с платой мониторинга BMS (Battery Monitoring System)
Каков выход из ситуации?
Нами было предложено решение ИБП на литиевых батареях, которое позволило:
- Снизить массу батарейного шкафа до 550 кг, что в свою очередь сняло необходимость в мероприятиях по усилению перекрытий.
- Увеличить до 40 минут время автономной работы ИБП при отключении питания, что положительно сказалось на надежности работы ИТ-оборудования заказчика.
Срок службы батарейного массива на Li-ion аккумуляторах составил 10 лет, что для обычных VRLA батарей составляет 3-5 лет.
В составе данного решения имеется продвинутая система контроля состояния и зарядки батарей (BMS), позволяющая иметь информацию о состоянии каждой ячейки батареи.
Уровень разряда батареи при кратковременных перерывах в электроснабжении никак не влияет на ресурс всего массива в целом и составляет более 5000 циклов, при ресурсе кислотно-свинцовых батарей 500 циклов и 3-4 года максимум.
Температурный режим эксплуатации литиевых батарей совершенно не критичен, перепады температуры в пределах батарейного шкафа не оказывают негативного влияния на ресурс батареи в целом.
Отпала необходимость в приточно-вытяжной вентиляции помещения, так как при использовании Li-ion аккумуляторов нет выделения водорода в принципе.
Рис. 13. Внешний вид серверной
В этом проекте заказчик заинтересовался решениями для локальной защиты рабочих станций важных сотрудников ИБП мощностью 1000 ВА, также с литиевыми батареями. Разница в стоимости данного вида ИБП составила порядка 400 $ — дороже относительно стандартной конфигурации, однако, достоинства данного решения позволили задуматься о выборе в пользу более высоких капитальных затрат (CAPEX) с целью снизить операционные расходы в перспективе.
Рис.14. Внешний вид ИБП с литиевыми батареями для защиты рабочих станций
Проведём сравнительную характеристику типов однофазных моделей ИБП производства APC by Schneider Electric c литиевыми и свинцово-кислотными батарейными модулями.
Какие выводы можно сделать из приведенных таблиц:
- ИБП с литиевыми батареями обеспечит работу нагрузки мощностью 900 Вт в течение 32 минут, в то время как ИБП со встроенными VRLA батареями при нагрузке 700 Вт всего лишь 14 минут.
- Стоимость обычного ИБП с внешним батарейным боксом сравнима со стоимостью ИБП на литии /CAPEX/.
- Срок службы ИБП на литии обеспечивается минимум в два раза больше, и это при полной лояльности к температуре эксплуатации ИБП и батарей. Для свинцово-кислотных батарей оптимальная температура составляет 25°C и отклонения от этого значения сокращают срок службы. Все понимают, что температурными характеристиками эксплуатации батарей ИБП рабочих станций никто не озадачивается на практике, и это значит, что через 2 года зарядной ёмкости свинцовых батарей обычного ИБП хватит лишь на пару минут, только лишь успеть завершить работу критичных приложений и сохранить файлы.
- Замена батарей обычного ИБП потребует дополнительных расходов, как на сам аккумулятор, так и на работы по его замене и утилизации вышедшего из строя свинцового аккумулятора. Для ИБП на Li-Ion аккумуляторов замена батарей не требуется.
- Гарантия на решение ИБП с литием – 5лет, для обычных решений – 2 года.
Важно заметить, что решение компании Schneider Electric в данном диапазоне мощностей – это решение с топологией On-Line. В настоящее время имеются решения на литии и других производителей, но все они построены по топологии Line-Interactive, то есть подключают батареи, лишь в случае проблем с питающей сетью.
Посмотрим, что происходит с оперативными расходами в течение срока службы обоих типов ИБП на горизонте 10 лет.
Как видно, по характеристикам OPEX и TCO, эксплуатация ИБП с литиевыми батареями предпочтительнее и дешевле. В данном сегменте ИБП (защита рабочих станций) важна, в первую очередь, безотказная работа ИБП и надёжное гарантированное время работы для завершения работы пользователем и в первый год, и спустя 5-7 лет. Знаете почему?
Потому что за такими ИБП наблюдение, контроль и проверка либо не ведётся вообще, либо проводится по случайному принципу и то, только после того, как «моргнул» свет, а ИБП, почему-то, не включился и пропали файлы, над которыми сотрудник работал целый день. А как часто бывает, именно в этот день сотрудник должен был сдать работу, отчёт, и именно в этот день на человека снизошло рабочее вдохновение и он реализовал все свои мысли в электронной форме. Терять информацию не хочет никто.
Но вернёмся опять к промышленным решениям средней и большой мощности. Что из себя представляют решения на литии?
Рассмотрим стандартную батарейную стойку от Samsung модели U6-M035
Как видим, масса стойки с литиевыми ячейками составляет всего 550 кг, при этом стойка поставляется с внутренней многоуровневой системой контроля и защиты батарей. Все уровни защиты имеют отработанный механизм селективности – по времени и по току, то есть защиты уровня «стойка» не сработают раньше защит на уровне ячейки или модуля:
1. Уровень защиты от короткого замыкания в стойке MCCB – автоматический выключатель, который имеет управление системой BMS стойки. Отключение всего батарейного массива по общей аварии. В дополнение к автомату имеется ещё и плавкая вставка (предохранитель) силовых цепей постоянного тока. Уровни защиты: короткие замыкания между полюсами стойки или короткие замыкания на землю (любого полюса батарейного массива);
Рис. 15 Защита АКБ на уровне стойки с Li-Ion аккумуляторами
2. Уровень защиты «модуль» включает в себя: применение негорючего пластика для модулей, высокотоковые выводы батарей (470 А), воздушные промежутки между ячейками модуля для выравнивания температурных режимов каждой ячейки, изоляционные крышки для подключения силовых кабелей и защиты от случайного прикосновения.
Рис. 16. Защита на уровне модуля
3. Уровень защиты ячейки — защита от перезаряда, предохранительный клапан ячейки, электрический предохранитель, многослойный сепаратор ячейки, который блокирует заряд на уровне электрохимических процессов при повышении температуры ячейки более 250°C.
Рис. 17. Защита на уровне ячейки
А вот так выглядит бытовой переносной аккумулятор (power bank), в котором не сработал предохранительный клапан и литиевый аккумулятор разорвало от внутреннего давления. Причина этого явления в данном случае – короткое замыкание в физической структуре аккумулятора, вероятно связанное с деградацией батареи или неправильной эксплуатацией. В результате произошел «тепловой разгон» аккумулятора и мы видим итог на фото
В России имеется свое производство литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LFP), их производит новосибирская компания ООО «Лиотех», дочернее предприятие ОАО «РОСНАНО». Компания «Лиотех» создана для реализации в России проекта по производству современных литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Подробности и дополнительную информацию вы можете почитать на официальном сайте Лиотех.
На данный момент предприятие поставляет готовые решения на базе инверторов off-line типа, ориентированных на бытовой сектор и солнечную и ветрогенерацию. Однако, завод ведёт работы по адаптации батарейных ячеек к любому ИБП промышленного исполнения. Задача заключается в отработке решения с точки зрения защит и получения пожарных сертификатов на внешний батарейный шкаф вместе с системой BMS в привязке к любому присутствующему на рынке промышленному ИБП.
Производитель литиевых аккумуляторов «Лиотех» заявляет в своих спецификациях, что при глубине разряда 80% можно получить 3000 циклов заряда-разряда, при этом они и дальше продолжают работать, в то время как свинцово-кислотные заметно теряют ёмкость. Для свинцово-кислотных батарей заявленное количество циклов даётся при снижении емкости на 40%, «Лиотех» же заявляет, что снижение ёмкости после 3000 циклов всего 20%. В буферном режиме и неглубоком циклировании АБ «Лиотех» отработают 5000-7000 циклов и более. Единственное, чего боятся такие аккумуляторы, это перезаряд (нельзя заряжать больше 3,75 вольт на ячейку), и глубокий разряд ячеек (меньше 2 вольта нельзя разряжать), поэтому нужно устанавливать на аккумуляторы BMS (Battery management system) и балансиры на каждую ячейку аккумуляторов.
Заключение
В настоящее время технологии изготовления обеспечения защиты и правильной эксплуатации литий-ионных аккумуляторов вплотную приблизились к промышленному сектору и решениям для резервного питания критичных потребителей. И, хотя, на текущий момент они всё ещё остаются достаточно дорогими, по сравнению с классическими VRLA аккумуляторами, у них есть свои перспективы применения. В первую очередь, данные решения очень подходят для объектов, где нет возможности держать на постоянной основе группу инженеров-эксплуатационщиков – для крупных объектов, или там, где вся техническая поддержка по электроснабжению (и ИБП в частности) отдана на аутсорсинг.
Как заявляет компания Schneider Electric:
«Мы в Schneider Electric всегда пристально следим за трендами, развитием технологий и стараемся действовать проактивно. Сейчас мы видим перспективу развития более легких и удобных решений для обеспечения бесперебойного электропитания, основанных на литий-ионной технологии», – так объясняет стратегию компании Анна Мизиева, менеджер по развитию однофазной продукции подразделения IT Division компании Schneider Electric
Или вот ещё цитата статьи от 07 марта 2018 года в издании С-News под заголовком «Schneider Electric представила однофазные ИБП с литий-ионными аккумуляторами»:
«К преимуществам Li-Ion аккумуляторов по сравнению с традиционными АКБ относятся: компактные размеры и меньшая масса, до 4 раз выше скорость зарядки, вдвое больший срок службы аккумуляторной батареи (до 10 лет), возможность работы при температуре до +40 °C без существенного ухудшения параметров. Как результат, суммарная стоимость затрат на обслуживание снизилась на 35% по сравнению с аналогичными моделями с другим типом аккумуляторов. Применение Li-Ion аккумуляторов лежит в русле современной тенденции повышения температуры в залах центров обработки данных для экономии энергии за счёт менее интенсивного охлаждения.»
Подробнее>>
При видимых больших затратах на этапе реализации проекта заказчик получает надёжную систему бесперебойного питания на горизонте 8-10 лет, не требующую непосредственного контроля состояния каждой батареи, периодических «тренировок» массива АКБ для уточнения реальной автономии ИБП и прочее. Заметим, что проведение хотя бы одного полного цикла разряда-заряда VRLA батарей в составе ИБП требует большой организационной подготовки мероприятия и является достаточно опасным мероприятием для чувствительного информационного оборудования. В случае применения Li-ion батарей в составе ИБП полный цикл заряда-разряда батарей в принципе не требуется и даже противопоказан, а частичные разряды батарей в реальном цикле эксплуатации ЦОД даже рекомендованы производителем, и литиевые батареи изначально дружелюбны к подобному режиму эксплуатации.
Бонус:
рекламный ролик Schneider Electric
В данном материале использована информация:
- Информационная статья №231, «Часто задаваемые вопросы по использованию литий-ионных аккумуляторов с ИБП», Schneider Electric, 2016 год
- Информационная статья №266, «Типы аккумуляторов для однофазных ИБП: сравнение свинцово-кислотных аккумуляторов с клапанным регулированием (VRLA) с литий- ионными аккумуляторами» Schneider Electric, 2016 год
- Информационная статья №229, «Технология аккумляторов для ЦОД: сравнение Li-Ion аккумуляторов со свинцово-кислотными аккумуляторами с регулирующим клапаном (VRLA)», Schneider Electric, 2016 год
- «Концепция развития систем хранения электроэнергии в РФ», Минэнерго РФ, 21 августа 2017 года.
