MEDIA CENTER

Ημερίδα NIGICO “Managing Energy in the Big Data World”
January 18, 2018
Η NIGICO συμβάλει στην εξοικονόμηση ενέργειας των τηλεπικοινωνιών
September 5, 2018
at

H ανάπτυξη των συσσωρευτών Lithium-Ion στα Data Centers

H ανάπτυξη των συσσωρευτών LithiumIon στα Data Centers

Πολλοί επαγγελματίες κατασκευής Data Centers εμφανίζονται προβληματισμένοι από την ασυνέπεια απόδοσης των μπαταριών. Όταν ερωτούνται εάν είναι απαραίτητη μια βελτιωμένη λύση αποθήκευσης ενέργειας για τις εφαρμογές των Data Centers, ιδιοκτήτες, IT managers και χρήστες λένε αναμφίβολα ΝΑΙ.

Οι συσσωρευτές λιθίου-ιόντος, έχουν εμφανιστεί ως μια νέα εναλλακτική λύση προσφέροντας  πολλαπλά πλεονεκτήματα όταν χρησιμοποιούνται σε συστήματα UPS και εφαρμογές Data Centers. Οι ειδικοί του χώρου προβλέπουν ότι οι συσσωρευτές λιθίου-ιόντος έχουν τη δυναμική να φέρουν την επανάσταση στον σχεδιασμό του σύγχρονου Data Center.

Παρόλα αυτά υπάρχουν εύλογα ερωτήματα σχετικά με τις λειτουργικές παραμέτρους και τα θέματα ασφαλείας της ανερχόμενης αυτής τεχνολογίας καθώς και για τα συγκριτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις μπαταρίες μολύβδου-οξέως VRLA.

Σε παγκόσμιο επίπεδο οι συσσωρευτές λιθίου-ιόντος τοποθετούνται μαζί με UPS στα Data Centers. Η εμπειρία από τις εφαρμογές αυτές, σε συνδυασμό με τη ταχύτατα αναπτυσσόμενη τεχνολογία και τα νέα πρότυπα ασφαλείας κάνουν τις συσσωρευτές λιθίου ιόντος μια άκρως ελκυστική λύση αποθήκευσης ενέργειας για επαγγελματικές υποδομές.

 Το πρόβλημα με τους παραδοσιακούς συσσωρευτές

Οι συσσωρευτές VRLA ήταν για πολύ καιρό η αποδεκτή λύση αποθήκευσης ενέργειας, παρά το γεγονός ότι ανέκαθεν αποτελούσαν τον αδύναμο κρίκο λόγω της διάρκειας ζωής τους.

Οι μπαταρίες αυτές έχουν λοιπόν υψηλή συντήρηση, μεγάλο βάρος και απαιτούν συχνή αντικατάσταση. Οι καινοτομίες στον τομέα της παρακολούθησής τους έχουν βοηθήσει στην μερική επίλυση του προβλήματος, με μεγάλο όμως τελικό κόστος.

 

Αξιοπιστία Μπαταριών

Οι ειδικοί των Data Centers θεωρούν τους συσσωρευτές VRLA ως ένα αποδεκτό κόστος και μια συνηθισμένη απώλεια.  Παρόλα αυτά σε μια μελέτη που έγινε το 2013 από το ινστιτούτο Ponemon, με χορηγία της Vertiv, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι 55% της πτώσης του Data Center σχετίζονται με τους συμβατικούς συσσωρευτές μολύβδου-οξέως (σχήμα 1). Συμπληρωματικές μελέτες το 2016, έδειξαν κάποια βελτίωση, χωρίς όμως να αλλάζουν εντελώς το αποτέλεσμα.

Φυσικά, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι στην αξιοπιστία των συσσωρευτών μεγάλο ρόλο παίζει η κατάλληλη συντήρηση και ο απομακρυσμένος έλεγχος.

Σχήμα 1. Αιτίες πτώσης του Data Center

 

Προβλήματα εγκαταστάσεων

Κατά μέσο όρο, οι συσσωρευτές VRLA σε κρίσιμες εφαρμογές πρέπει να αντικαθίστανται κάθε 4 με 5 έτη. Καθώς ο αριθμός των μπαταριών μπορεί να είναι μεγάλος, οι χρήστες νοιώθουν ότι είναι σε μια συνεχή διαδικασία αντικατάστασης που απαιτεί χρόνο και χρήμα και δημιουργεί “πονοκέφαλο” στο προσωπικό και στο site.

Μπορούν οι συσσωρευτές Λιθίου – ιόντος να αποτελέσουν τη λύση στο πρόβλημα;

Για να απαντηθεί αυτό το ερώτημα πρέπει να δούμε συνοπτικά τα πλεονεκτήματα της χρήσης τους στις εφαρμογές UPS.

 

Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής

O χρόνος ζωής που προσφέρουν οι συσσωρευτές Li-Ion είναι έως και τετραπλάσιος από αυτόν των παραδοσιακών VRLA. Το γεγονός αυτό μειώνει το πρόβλημα των συχνών αντικαταστάσεων που οδηγεί σε μειωμένα κόστη αντικατάστασης και λιγότερες διαταραχές λειτουργίας.

Ας πάρουμε το παράδειγμα μιας κοινής μπαταρίας 10ετίας που προσφέρει 3 χρόνια εγγύηση και αναμένουμε να έχει μέσο χρόνο ζωής 7 έτη. Στους 25C σε 4 με 5 έτη, τα κελιά θα αρχίσουν να παρουσιάζουν κάποια προβλήματα. Για μια κρίσιμη εφαρμογή, αυτός είναι και ο χρόνος εκκίνησης της αντικατάστασης. Φυσικά υπάρχουν και οι συσσωρευτές που προσφέρουν διάρκεια ζωής 15-20 έτη, αλλά το κόστος τους είναι ιδιαίτερα μεγάλο.

Επίσης οι συσσωρευτές Li-Ion προσφέρουν δυνατότητα διαχείρισης, όπως ενσωματωμένη διαχείριση σε επίπεδο κελιού, module και καμπίνας. Η δυνατότητα αυτή επιτρέπει την αναβαθμισμένη συλλογή δεδομένων της κατάστασης των συσσωρευτών, ώστε να είναι εφικτή η μέγιστη ασφάλεια.

Σχήμα 2. Τάση αντικατάστασης συσσωρευτών VRLA στους 25C

Μικρότερο βάρος

Οι LIB έχουν 60% λιγότερο βάρος από τους συσσωρευτές VRLA. Το γεγονός αυτό σημαίνει μειωμένα στηρίγματα φόρτισης του δαπέδου, άρα και μικρότερο κατασκευαστικό κόστος. Επίσης πιθανώς συνεπάγεται και μειωμένο κόστος μεταφοράς.

Μικρότερο μέγεθος

Σε γενικές γραμμές, οι συσσωρευτές Li-ion έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας, με αποτέλεσμα τη μείωση έως και 75% του footprint. Η εξοικονόμηση αυτή του χώρου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην προσθήκη servers και λοιπού εξοπλισμού ΙΤ ή να οδηγήσει σε μειωμένα κατασκευαστικά κόστη.

Τοποθέτηση σε υψηλότερη θερμοκρασία

Ανάλογα με τη χημική σύστασή τους, οι μπαταρίες Li-ion μπορούν να τοποθετηθούν σε περιβάλλον με υψηλότερη θερμοκρασία δίχως την αναμενόμενη μειωμένη διάρκεια ζωής, ενώ οι μπαταρίες VRLA μπορεί να χάσουν έως και 50% της διάρκειας ζωής τους σε κάθε αύξηση των 10C.  Συνεπώς έχουμε οικονομία στον κλιματισμό και περισσότερες επιλογές στον χώρο τοποθέτησής τους.

 Χρόνος αποθήκευσης

Αντίθετα με τους συσσωρευτές VRLA που απαιτούν φόρτιση κάθε 6 μήνες, σε περίπτωση που παραμένουν αποθηκευμένοι, οι συσσωρευτές Li-ion, απαιτούν φόρτιση κάθε 18 μήνες.

Συνεπώς η αυξημένη διάρκεια ζωής, τα μειωμένα λειτουργικά κόστη και τα κόστη συντήρησης, μειώνουν το συνολικό TCO σε σχέση με τους συσσωρευτές VRLA. Επίσης οι συσσωρευτές Li-Ion είναι μικρότεροι, ελαφρύτεροι και πιο αποδοτικοί. Τέλος πρέπει να αντιληφθούμε ότι οι μπαταρίες Li-ion είναι απολύτως συμβατές με τις απαιτήσεις των νέων Data Centers, όπου τα ζητούμενα είναι η άριστη λειτουργία συστημάτων ΙΤ και η διαθεσιμότητα σε συνδυασμό με τους περιορισμούς χώρου και το μειωμένο κόστος.

 

ΒΑΣΙΚΟ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΟLEAD-ACID (VRLA)LITHIUM-ION
Πυκνότητα ΕνέργειαςΜέτριαΥψηλή
Χρόνος ΖωήςΜέτριοςΥψηλός
ΒάροςΜεγάλοΜικρό
Απαιτούμενος χώροςΜεγάλοςΜικρός – Μεσαίος
ΕπαναφόρτισηΜέτριαΓρήγορη
Κόστος ΣυντήρησηςΜέτριοΧαμηλό
Απαίτηση ΚλιματισμούΜέτριαΧαμηλή – Μέτρια
Διαχείριση ΜπαταριώνΔεν είναι δυνατήΕνσωματωμένη
Παρακολούθηση ΜπαταριώνOptionalHigh Recommended
Θέματα ΜεταφοράςΕυέλικτεςΕιδικές απαιτήσεις
Απόρριψη / ΑνακύκλωσηΚοινή Αναπτύσσεται
Αρχικό κόστοςΜέτριοΜέτριο – Υψηλό

Πίνακας 1. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ LITHIUM – ION & VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid)

 

Διαλέξτε την κατάλληλη χημική σύσταση για την εφαρμογή σας.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι μπαταριών li-ion, ανάλογα με τη μείξη των υλικών της μπαταρίας. Κάθε μία έχει διαφορετική εφαρμογή (Σχήμα 3).

Οι φορητές ηλεκτρονικές συσκευές συνήθως χρησιμοποιούν συσσωρευτές LCO που προσφέρουν υψηλή πυκνότητα ενέργειας, αλλά εμφανίζουν ρίσκο σταθερότητας, ειδικά όταν φθείρονται.

Οι συσσωρευτές NMC, LFP & LMO έχουν μικρότερη πυκνότητα ενέργειας αλλά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Τέλος, οι συσσωρευτές Li-ion δεν περιέχουν υδράργυρο, μόλυβδο, κάδμιο ή άλλα επικίνδυνα υλικά.

               

Σχήμα 3. Τύποι συσσωρευτών Li-ion

 

 

Σχήμα 4. Απεικόνιση χαρακτηριστικών διαφόρων τύπων Liion

 

Γιατί δε χρησιμοποιείται ευρέως η τεχνολογία Li-Ion στα Data Centers;

Η αργή και σταδιακή ενσωμάτωση των συσσωρευτών Li-Ion δεν προκαλεί εντύπωση. Καταρχάς, οι μπαταρίες είναι σχετικά νέες και πρόσφατα πήραν την έγκριση CE. Συνεπώς, η έλλειψη αυτή των πιστοποιήσεων έκανε πολλές εγκαταστάσεις Data Centers να μη επιδιώκουν την εγκατάστασή τους.

 

 Τι εξελίξεις περιλαμβάνουν οι οδηγίες ασφαλείας για τους li-ion συσσωρευτές στις μεγαλύτερες εργοστασιακές εφαρμογές;

Έχουν αναπτυχθεί διάφορα πρότυπα και πρωτόκολλα ελέγχου ώστε να παρέχονται οι οδηγίες για τον ασφαλή τρόπο κατασκευής και τοποθέτησης των συσσωρευτών li-ion (βλ. πίνακας 2). Καθώς οι εγκαταστάσεις συσσωρευτών li-ion αυξάνονται στις βιομηχανικές εφαρμογές, έχουν αναπτυχθεί και τα σχετικά πρότυπα και κανονισμοί, ώστε να επιτευχθεί ένα ασφαλέστερο πλαίσιο.  Η επιτροπή IEC διεξάγει έρευνες για τα ευρύτερα θέματα που επηρεάζουν τη σωστή λειτουργία των συσσωρευτών li-ion  ώστε να βοηθήσει τους κατασκευαστές αλλά και τους τελικούς χρήστες να κατανοήσουν τα θέματα ασφαλείας.

Αρχικά ο έλεγχος LIB γινόταν για μικρότερες μπαταρίες Li-Ion, που χρησιμοποιούνται σε καταναλωτικές εφαρμογές. Αργότερα όμως ο έλεγχος αναπτύχθηκε και σε μεγαλύτερης κλίμακας συστήματα βιομηχανικών εφαρμογών, όπως συστήματα UPS και εφαρμογές αυτοκίνησης. Σήμερα η IEC έχει αναπτύξει τυποποιημένες διαδικασίες ελέγχου και αξιολόγησης ώστε να επιβεβαιώνεται η ασφαλή χρήση στις εργοστασιακές εφαρμογές. Τα κελιά συσσωρευτών λιθίου καλύπτονται με το πρότυπο IEC 62619:2017 τόσο για την κατασκευή των κελιών όσο και για το σύστημα διαχείρισής τους.

Απεναντίας το σύστημα των συσσωρευτών ως μια οντότητα δεν καλύπτεται ακόμα από κάποιο πρότυπο. Πολλά IEC standards όμως συντελούν στη δημιουργία μιας λίστας κανονισμών που καλύπτει την ασφάλεια της καμπίνας.

ΕΠΙΤΡΟΠΗΠΡΟΤΥΠΟΠΛΑΙΣΙΟ
IECIEC 62619Συμβατικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες λιθίου
IECIEC 62897Απαιτήσεις ασφαλείας για secondary κελιά λιθίου και μπαταρίες για χρήση σε βιομηχανικές εφαρμογές
UNUN 38.3Απαιτήσεις για τη ασφάλεια των μπαταριών liIon κατά τη μεταφορά
IECIEC 62281Ασφάλεια primary & secondary κελιών και συσσωρευτών κατά τη μεταφορά

Πίνακας 2. Πρότυπα σχετικά με τους συσσωρευτές Liion

Τα πρότυπα αυτά αφορούν σε μια σειρά από δοκιμασίες ασφαλείας σε θέματα που επηρεάζουν τους συσσωρευτές, όπως υπερφόρτωση, βραχυκύκλωμα, overdischarge και υψηλή θερμοκρασία. Η ασφαλής μεταφορά των συσσωρευτών li-ion δημιούργησε συμπληρωματικά πρότυπα UN3480,3481 & IEC 62281:2016 για τα κελιά και τους συσσωρευτές λιθίου.

 

Τα πρότυπα αυτά και τα πρωτόκολλα ελέγχου επαγωγικά αποτελούν τις δοκιμές ασφάλειας ώστε να εκτιμηθεί η ικανότητα της  μπαταρίας να αντέχει διάφορες “κακουχίες”.

 

Πως εξασφαλίζεται η ασφάλεια στις εφαρμογές UPS;

H χημική σύσταση των συσσωρευτών LIB στο UPS είναι λιγότερο ευαίσθητες στη θερμότητα σε σχέση με τις συμβατικές. Οι βασικοί κατασκευαστές χρησιμοποιούν υψηλής ποιότητα υλικά για την ασφάλεια και την ποιότητα, με σκοπό την ελαχιστοποίηση των θερμικών εκλύσεων.

Ασφαλειοδιακόπτες, προστασία υπερφόρτωσης, πιο σκληρές στρώσεις υλικών και μέτρα ενάντια στις θερμικές απώλειες είναι μερικά από τα ενσωματωμένα χαρακτηριστικά ασφαλείας. Συμπληρωματικά σε αυτά δρουν και οι δυνατότητες παρακολούθησης και διαχείρισης των συσσωρευτών, χαρακτηριστικά που συμβάλουν όχι μόνο στην ασφάλεια, αλλά και στην απόδοσή τους.

Το σύστημα διαχείρισης, γνωστό και ως BMS, που χρησιμοποιείται γενικά στις εφαρμογές των UPS, αποτελείται από δύο επίπεδα. Το ένα παρακολουθεί την τάση, θερμοκρασία και ρεύμα σε επίπεδο κελιού. Η πληροφορία αυτή στέλνεται στο δεύτερο επίπεδο, έναν  controller που βρίσκεται στο rack και διαχειρίζεται τις λειτουργίες ασφαλείας σε επίπεδο συστήματος. Το BMS του rack μεταδίδει την απόδοση των συσσωρευτών και αναφέρει τα δεδομένα ώστε οι υπεύθυνοι των συστημάτων να εκτιμήσουν την κατάσταση των συσσωρευτών. Συμπληρωματικά το BMS μπορεί να διαχειριστεί το σύστημα των συσσωρευτών μέσω των κελιών με λειτουργίες ελέγχου και παροχής ισορροπίας.

Τα παραπάνω σε συνδυασμό με τη κατάλληλη χημική σύσταση και τις αναβαθμισμένες τεχνικές κατασκευής, κάνουν τα συστήματα με συσσωρευτές LIB ιδανική λύση αποθήκευσης ενέργειας για τα Data Centers.

Συμπέρασμα

Κατόπιν της  παραπάνω ανάλυσης φαίνεται ότι το μέλλον των συσσωρευτών Li-ion φαίνεται πολλά υποσχόμενο. Είναι σχεδιασμένοι ώστε να προσφέρουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, μειωμένο βάρος, μικρότερο μέγεθος και μεγαλύτερη ευελιξία στους σύγχρονους κατασκευαστές Data Centers. Φυσικά οι αρχικές εγκαταστάσεις γίνονται από τις καινοτόμες εταιρείες.  Το πότε θα γίνει κύρια τάση θα εξαρτηθεί από το πόσο γρήγορα θα γίνουν εμφανή τα πλεονεκτήματά τους σε σχέση με τους συμβατικούς συσσωρευτές.

Στη NIGICO δίνουμε μεγάλη έμφαση στις νέες τεχνολογίες και στον καινοτόμο σχεδιασμό και υλοποίηση έργων με βάση το μειωμένο TCO. Παρέχουμε λύσεις ανάλογα με τις απαιτήσεις της εγκατάστασης και για τον λόγο αυτό μπορούμε να σχεδιάσουμε τη βέλτιστη λύση, ανάλογα με τις ανάγκες σας.

 

References

https://www.vertivco.com/globalassets/documents/white-papers/vertiv-lithium-ion-batteries-safety-wp-en-emea_239293_0.pdf

https://www.vertivco.com/globalassets/products/critical-power/uninterruptible-power-supplies-ups/vertiv-lithium-ion-battery-wp-en-na-sl-24692_138606_00.pdf