Смена аккумуляторов: ИБП на технологии Li-Ion
Аккумуляторные батареи (АКБ) — уязвимое звено многих систем бесперебойного питания ЦОД. Проблемы — большой вес, требующий усиления несущих конструкций помещений, где размещаются такие батареи, сильная зависимость их характеристик от температуры, что вынуждает использовать средства кондиционирования, недолговечность — быстрый выход из строя ведет к частой замене с соответствующими затратами. Все это относится к традиционным, свинцово-кислотным аккумуляторам, которые на данный момент доминируют в проектах.
Специалисты возлагают надежды на новое поколение аккумуляторов, прежде всего на литий-ионные, которые лишены многих недостатков свинцово-кислотных АКБ и имеют отличные перспективы использования в самых разных областях, включая промышленность, системы связи, центры обработки данных и пр.
За последние несколько лет цены на литий-ионные аккумуляторы значительно снизились, благодаря чему они постепенно становятся целесообразным выбором для использования в качестве ИБП для ЦОД. Анализ совокупной стоимости владения за 10 лет показывает, что литий-ионные аккумуляторы имеют на 39% меньшую TCO, чем традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы с регулирующим клапаном (VRLA), несмотря на первоначальную разницу в цене.
Li-Ion в ИБП
Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion) используются в различных устройствах уже более двух десятков лет, однако в качестве аккумуляторов ИБП для ЦОД их стали применять относительно недавно, когда удалось добиться сбалансированных показателей цены, удельной энергии, мощности, безопасности и надежности. Развитие литий-ионной технологии в значительной степени стимулировалось потребностями электромобилестроения.
Промышленные литий-ионные аккумуляторы отличаются от тех, что применяются в потребительских устройствах, где чаще всего используют батареи LCO (литиево-кобальтовые) c емкостью несколько ампер-часов в корпусе из фольги. В ИБП устанавливают батареи с внутренней структурой LMO (литиево-марганцевые) с емкостью одной батареи более 60 А?ч в прочном алюминиевом корпусе. Батареи именно этого типа давно и успешно используются в электромобилях.
В такой батарее предусмотрено несколько ступеней защиты от неблагоприятных ситуаций. На разработку и обкатку подобных технологий уходит несколько лет, тогда как аккумуляторы для потребительских устройств выводятся на рынок за несколько месяцев.
Для устройств ИБП необходимы аккумуляторы, способные обеспечить большую мощность в течение 5-10 минут, то есть подачу большого тока в течение короткого промежутка времени, поддерживая при этом безопасную температуру каждого элемента. Литий-ионные аккумуляторы характеризует большая мощность на единицу веса — удельная энергия (Вт-ч/кг) и удельная мощность (Вт/кг).
Рост спроса на центральное резервирование электропитания ЦОД в Северной Америке и Европе в 2016-2025 гг., по данным отчета Bloomberg New Energy Financе. Ожидается, что к 2025 году в крупнейших центрах обработки данных (hyperscale) будет сосредоточено около 55% резервируемых мощностей.
В настоящее время литий-ионные аккумуляторы имеют, пожалуй, лишь один серьезный недостаток по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами с регулирующим клапаном: капитальные затраты на одинаковое количество энергии в два-три раза больше из-за более высокой стоимости изготовления и стоимости системы управления аккумулятором. Зато достоинств у них немало.
Преимущества литий-ионных батарей
Перечислим преимущества литий-ионных батарей перед традиционными свинцово-кислотными батареями с регулируемым клапаном (Valve-Regulated Lead-Acid, VRLA) с точки зрения применения в ИБП:
- В три раза меньший вес при аналогичной запасаемой энергии. Система литий-ионных аккумуляторов для ИБП весит на 60–80% меньше сопоставимой свинцово-кислотной системы.
- Компактность, свойственная литий-ионным аккумуляторам. Они занимают до 50-80% меньше площади.
- Высокая удельная энергия. Конкретные энергетические показатели для литиевых аккумуляторов, доступных на сегодняшний день, — от 70 кВт*ч/кг до 260 кВт*ч/кг. Типовые показатели свинцово-кислотных аккумуляторов находятся в диапазоне 30-50 кВт*ч/кг.
- Приблизительно в четыре раза меньший саморазряд (т. е. медленный разряд аккумулятора, когда он не используется) — 1-2% в месяц.
- Значительно более быстрый заряд — в четыре и более раз, а это ключевое преимущество в случае многочисленных перебоев подачи энергии (от 30 минут до одного часа).
- Продолжительный срок службы. До десяти раз больше циклов заряда-разряда, в зависимости от химии, технологии, температуры и глубины разряда. Некоторые современные литий-ионные аккумуляторы способны выдержать до 5000 циклов.
- Меньшее число (или полное отсутствие) замен аккумулятора, необходимое в течение срока службы ИБП, что устраняет риск простоя из-за замены аккумулятора.
- Литий-ионные аккумуляторы не требуют технического обслуживания.
- Экономия на TCO за 10 лет составляет 10-40%.
Однако говорить о переходе с традиционных свинцово-кислотных батарей на литий-ионные как о тенденции в области систем бесперебойного электропитания пока что, пожалуй, рано. Это лишь одна из альтернатив, но она быстро набирает популярность.
По данным IMS Research, уже в 2016 году на долю систем, использующих литий-ионные элементы питания, пришлось чуть менее 10% продаж. По оценке экспертов, в ближайшие несколько лет уже порядка 30% всех ИБП будут комплектоваться литий-ионными батареями.
По данным отчета Bloomberg New Energy Finance, в 2025 году на литий-ионные аккумуляторы будет приходиться 5,6 ГВт*ч резервируемых мощностей центров обработки данных по сравнению с 8,3 ГВт*ч у традиционной технологии VRLA. Это означает, что литий-ионная технология завоюет 40% рынка всего за 8 лет.
В числе первых такие решения для своих ИБП предложила компания Schneider Electric, сотрудничающая с Samsung. Литий-ионные батареи применяются в ее ИБП Galaxy 7000, VM, VX и Symmetra MW. С 2016 года она запустила такие решения в серию.
Литий-ионные аккумуляторы Samsung. Компания Samsung SDI, лидирующая на мировом рынке аккумуляторных батарей, используемых в источниках бесперебойного питания, (ИБП) сделала ставку именно на литий-ионные решения.
Системы Schneider Electric уже установлены на более чем 20 объектах общей мощностью свыше 10 МВт*ч. Интересно, что литий-ионные ИБП применяются в проектах разного масштаба — от крупных компаний, в том числе провайдеров услуг колокации/хостинга и компаний из сегмента финансовых услуг с дата-центрами корпоративного уровня, до промышленных приложений и серверных помещений. Очевидно, что технология применима к широкому спектру сценариев.
Сравнение ИБП Galaxy 7000 с аккумуляторами Li-Ion и VRLA (данные Schneider Electric).
Новое решение Schneider Electric отвечает таким требованиям к батареям для ИБП как безопасность (полный мониторинг), высокая плотность мощности (до 35 кВтч*ч и до 230 кВТ на стойку), длительная автономная работа (в течение 5-30 минут) и большой срок службы (15 лет). В ИБП Schneider Electric используется трехуровневая система мониторинга: на уровне отдельного модуля, шкафа и системы.
Li-ion батареи в модульном решении от Schneider Electric.
В настоящее время 30% поставок аккумуляторов для ИБП обеспечивает Samsung. Литий-ионные батареи она поставляет трем крупнейшим производителям ИБП: Schneider Electric, Vertiv и Eaton, которые контролируют больше половины мирового рынка ИБП.
Новый ИБП Eaton 1500VA удваивает время автономной работы по сравнению с обычным ИБП. Благодаря новой технологии Li-Ion клиенты могут ожидать значительного снижения общей стоимости владения энергетической инфраструктурой, считают разработчики.
Свинцово-кислотные аккумуляторы против литий-ионных
Итак, благодаря более высокой энергоемкости, литий-ионные аккумуляторы не только занимают меньше площади, но и имеют более низкую массу по сравнению со свинцово-кислотным — снижается стоимость транспортировки. Однако регламентные требования транспортировки литий-ионных аккумуляторов более жесткие из-за высокой энергоемкости и активности некоторых химических составляющих.
Ресурс свинцово-кислотных аккумуляторов с регулирующим клапаном — 3–6 лет, в то время как ресурс литий-ионных может составлять более 10 лет. Замена батарей — серьезные дополнительные расходы и даже остановка дата-центра, если в его схеме энергоснабжения не предусмотрено резервирование, либо дополнительные работы, во время которых надежность питания дата-центра снижается. Устаревшие батареи необходимо вывозить и утилизировать, а на смену им устанавливать новые. Все это требует времени и средств. Использование литий-ионных батарей избавляет подобных проблем и затрат.
Быстрая скорость перезарядки и больший срок службы литий-ионного аккумулятора обусловлены как его технологией, так и наличием в его составе обязательной системы мониторинга. Она следит за состоянием каждой аккумуляторной ячейки (температура, напряжение, ток) и всего шкафа. Системой контроля литий-ионные аккумуляторы оснащены по умолчанию, так как для них необходим полный контроль зарядки и разрядки, предотвращающий превышение температуры в литий-ионных элементах.
Литий-ионные аккумуляторы и свинцово-кислотные аккумуляторы: некоторые ключевые отличия.
Поскольку литий-ионные аккумуляторы предлагают улучшенные возможности управления, включая встроенное управление на уровне ячеек, модулей и шкафов, это приводит к предсказуемой, стабильной производительности и безопасности батарей. Снижаются требования к охлаждению в центре обработки данных: литий-ионные батареи занимают меньше места и, в отличие от традиционных батарей VLRA, могут работать при более высоких температурах, не жертвуя временем автономной работы.
Все эти преимущества помогают сократить затраты, что приводит к снижению общей стоимости владения литиево-ионными ИБП с течением времени по сравнению с VLRA. Именно поэтому владельцы центров обработки данных обращают внимание на литий-ионную технологию.
Для литий-ионных аккумуляторов определенные химические решения и технологии силовых элементов обеспечивают привлекательную совокупную стоимость владения на период более 10-15 лет — типового срока службы ИБП. По данным Schneider Electric, совокупная стоимость владения за 10 лет для решения с литий-ионным аккумулятором почти на 40% ниже, чем для решения со свинцово-кислотным аккумулятором с регулирующим клапаном. Его окупаемость составляет 3,4 года, несмотря на более высокие капитальные затраты на литий-ионные аккумуляторы.
TradeOff Tool, калькулятор для сравнения литий-ионных аккумуляторов со свинцово-кислотными, позволяет изменять различные исходные данные и смотреть, какой эффект они оказывают на совокупную стоимость владения двух типов аккумуляторов.
Менять или нет?
При выборе литий-ионных аккумуляторов для устройства ИБП важно учесть несколько факторов в зависимости от того, переоснащаете вы имеющийся ИБП или покупаете новый. Предполагается, что ожидаемый срок службы ИБП составляет около 10–15 лет, ресурс свинцово-кислотного аккумулятора с регулирующим клапаном — около 3–6 лет, а ресурс литий-ионного аккумулятора — 10 лет и более. Есть три возможных сценария переоснащения свинцово-кислотных аккумуляторов ИБП: начало, середина или конец срока эксплуатации ИБП. Вот какие рекомендации дает Schneider Electric.
В начале срока эксплуатации ИБП (обычно — менее 5 лет) может иметь смысл замена свинцово-кислотных аккумуляторов на литий-ионные, так как они с большой вероятностью достигнут окончания срока эксплуатации одновременно с ИБП.
В середине срока эксплуатации замена аккумуляторов на литий-ионные может не иметь смысла с экономической точки зрения, т.к. срок эксплуатации литий-ионных аккумуляторов превысит оставшийся срок эксплуатации ИБП более чем на 5 лет. Однако, учитывая снижение цен на литий-ионные аккумуляторы, экономические факторы могут все-таки сыграть в пользу замены.
При приближении конца срока эксплуатации ИБП (более 10 лет) может иметь смысл полностью заменить ИБП на новый, использующий литий-ионные аккумуляторы. Это решение зависит от соотношения затрат на сохранение и техническое обслуживание старого ИБП (т.е. контракты на обслуживание, запчасти, т. д.) и затрат на новую систему.
Даже если литий-ионный аккумулятор будет иметь такое же номинальное напряжение, как существующий свинцово-кислотный, может потребоваться обновление программного обеспечения и аппаратной части ИБП. Это, помимо прочего, обусловлено тем, что характеристики зарядки аккумулятора могут измениться, формула продолжительности работы может отличаться, и оценка времени работы может оказаться некорректной. Кроме того, поставщику может потребоваться интегрировать систему контроля аккумуляторов в ИБП.
Например, можно внедрить литий-ионные батареи в уже приобретенное решение Galaxy 7000. Потребуются обновление прошивки модуля управления в ИБП и замена некоторых плат.
Покупка нового ИБП является самым простым сценарием при условии, что поставщик эффективно интегрировал литий-ионную технологию в ИБП. Интеграция ИБП и системы управления литий-ионными аккумуляторами значительно зависит от работы этой системы.
ИБП Galaxy VM компании Schneider Electric, укомплектованные литий-ионными батареями. Такие батареи позволяют минимизировать операционные расходы за счет большого количества (до 5000) циклов заряда-разряда и увеличенного до 15 лет срока службы. Их можно использовать и с другими ИБП Schneider Electric, в том числе с Galaxy VX мощностью от 500 до 1500 кВт.
Использование литий-ионных аккумуляторов будет очень хорошим подспорьем в снижении операционных расходов на системы бесперебойного питания. Между тем, остается значительная часть рынка, которая по-прежнему будет продолжать использовать технологию VRLA, да и технология свинцово-кислотных аккумуляторов также совершенствуется.
Vertiv, ранее Emerson Network Power, объявила о пополнении линейки систем бесперебойного питания, совместимых с литиево-ионными АКБ. ИБП Liebert EXM 480V (50-250 кВт/кВА) с литиево-ионными батареями расширяют возможности хранения энергии в ЦОД среднего размера.
Однако литий-ионные системы станут еще шире применяться в крупных центрах обработки данных, подобных тем которые принадлежат интернет-гигантам, таким как Amazon, Facebook и Google, где даже незначительный выигрыш в потреблении энергии и эффективности использования пространства означает огромную экономию.
Выводы
Тем, кто хочет минимизировать капитальные расходы, литий-ионные аккумуляторы не подойдут, поскольку они дороже свинцово-кислотных батарей примерно на 15% (для типового ИБП). Но можно с уверенностью сказать, что цены на литий-ионные аккумуляторы продолжат снижаться, на рынке появятся новые химические решения и технологии, а уже существующие будут улучшены. Несмотря на то, что цены на некоторые литий-ионные решения пока еще слишком высоки для перехода на них со свинцово-кислотных аккумуляторов с регулирующим клапаном, они имеют привлекательную совокупную стоимость владения за 10 лет с окупаемостью менее чем за 4 года. Если принимать во внимание операционные расходы, то их выбор может быть вполне оправдан.
Источник