Rambler's Top100
 
 
Статьи
Андрей Георгиевич ЗУЕВ  06 февраля 2019

Литий-ионные батареи для ЦОДа: достоинства, недостатки и перспективы использования

Литий-ионные аккумуляторы начинают вытеснять традиционные свинцово-кислотные батареи. Почему так происходит и каковы перспективы ИБП с литий-ионными аккумуляторами, читайте в нашей статье.

Литий-ионные аккумуляторы известны давно, а в промышленности используются больше 20 лет. Их применение в источниках бесперебойного питания для центров обработки данных было ограничено по одной причине: слишком дорого. Благодаря достижениям в электромобилестроении ситуация изменилась. Начальная стоимость литий-ионных аккумуляторов и сейчас выше, чем классических свинцово-кислотных с регулирующим клапаном, но ситуация меняется, если учесть их основные характеристики и эксплуатационные затраты.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Задача аккумуляторов, используемых в источниках бесперебойного питания, – обеспечить такой запас электроэнергии при перебоях в электроснабжении, которого окажется достаточно для работы оборудования в ЦОДе в течение примерно 10 мин. За это время запускаются дизель-генераторы, которые берут на себя задачу электроснабжения. Оба вида батарей – свинцово-кислотные с регулирующим клапаном и литий-ионные – справляются с этой задачей. При этом последние имеют ряд преимуществ.

Габаритные размеры и масса

По сравнению со свинцово-кислотными литий-ионные аккумуляторы имеют бо́льшую удельную энергоемкость. Их показатели варьируются в интервале 70–280 кВт·ч/кг. Для свинцово-кислотных батарей аналогичный показатель составляет 30–60 кВт·ч/кг. По этой причине литий-ионные батареи компактнее и легче свинцово-кислотных. Соответственно, для их размещения требуется помещение меньшей площади, а транспортировка обходится дешевле.

Срок службы

При оценке этой характеристики речь может идти о ресурсе или о календарном сроке службы. Это разные параметры. Ресурс характеризует время работы аккумулятора до достижения им энергоемкости 80% начального значения в реальных условиях. На практике ресурс может существенно варьироваться. Календарный срок службы рассчитывается при условии сохранения в помещении постоянной температуры (как правило, +25°С) и непрерывной подзарядки батареи малым током.

Ресурс свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов заметно разлиается. У первых он составляет 3–6 лет, а у вторых может превышать 10 лет.

Величина саморазряда

Этот показатель характеризует разряд батареи, когда она не используется. Для литий-ионных аккумуляторов он составляет 1–2% в месяц, а у свинцово-кислотных может доходить до 5% в месяц.

Время заряда

Длительность заряда батареи важна при частых перебоях в электропитании. По этому параметру литий-ионные аккумуляторы однозначно выигрывают у свинцово-кислотных. Они заряжаются не более 3 ч. Для свинцово-кислотных батарей аналогичный показатель доходит до 15 ч.

Максимальное количество циклов заряда/разряда

Этот показатель можно отнести к второстепенным, но на него тоже следует обращать внимание. В этом отношении литий-ионные аккумуляторы также оказываются предпочтительнее. Они выдерживают до 5 000 циклов заряда/разряда. Для свинцово-кислотных батарей этот параметр, как правило, не превышает 700 циклов.

Мониторинг состояния

При использовании свинцово-кислотных аккумуляторов системы контроля являются дополнительной опцией. Литий-ионные батареи оснащаются ими в обязательном порядке. Системы мониторинга используются для контроля степени зарядки, измерения напряжения и температуры каждой ячейки или всего шкафа. Они позволяют ограничить ток заряда, избежать ложных срабатываний и глубокого разряда батарей. В результате обеспечивается их стабильная и безопасная работа.

Возможность поэлементной замены

Для свинцово-кислотных аккумуляторов поэлементная замена невозможна. В линейку соединяются батареи одного производителя, имеющие одинаковую емкость и желательно одну дату изготовления. Если из строя выходит один аккумулятор, заменяется сразу вся линейка.

Для литий-ионных батарей с системой мониторинга поэлементная замена вполне возможна.Она позволяет минимизировать длительность ремонта и стоимость эксплуатационного обслуживания.

Температурный режим работы

Для свинцово-кислотных аккумуляторов нормальной температурой эксплуатации считается 25°С. Для ее поддержания батареи требуется помещать в отдельное помещение с хорошей системой кондиционирования. Соответственно, увеличивается общая площадь ЦОДа и затраты на содержание ИБП.

Литий-ионные аккумуляторы менее чувствительны к температуре. Для них приемлемыми являются показатели от 0 до 40°С. Такие батареи можно разместить в общем помещении, не используя специальной системы кондиционирования.

Эксплуатационные затраты

За счет увеличенного ресурса, возможности поэлементной замены, меньших габаритных размеров и массы эксплуатационные затраты на литий-ионные аккумуляторы в течение 10 лет могут быть на 70% меньше, чем на свинцово-кислотные. Даже при учете более высокой цены литий-ионных батарей совокупная стоимость владения ими ориентировочно на 30–40% ниже, чем для свинцово-кислотных аккумуляторов за тот же период.

Недостатки литий-ионных аккумуляторов

Недостаток у литий-ионных аккумуляторов один, но существенный – высокая цена. Она может на 80% превышать стоимость свинцово-кислотных аналогов.

ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ DELTA ELECTRONICS

Один из производителей литий-ионных аккумуляторов – компания Delta Electronics . Имея собственные научно-исследовательские лаборатории и завод для производства литий-ионных батарей, она предлагает ИБП с литий-ионными аккумуляторами для ЦОДов и других объектов. Это инновационное решение сочетает низкие эксплуатационные расходы с высокой эффективностью, что позволяет максимально оптимизировать элементы питания под ИБП и предлагать лучшую для покупателя стоимость.
Delta Electronics предлагает литий-ионные аккумуляторы со следующими характеристиками:
  • Высокая емкость – 50 Ач.
  • Номинальное напряжение – 3,7 В.
  • Диапазон рабочего напряжения – 2,7–4,15 В постоянного тока.
  • Выходная мощность – 1,1 кВт.
 ИБП со свинцово-кислотными и литий-ионными аккумуляторами
ИБП с литий-ионными аккумуляторами компактней и эффективней

В КАКИХ СЛУЧАЯХ ВЫГОДНА ЗАМЕНА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТРОВ НА ЛИТИЙ-ИОННЫЕ

Средний срок службы источников бесперебойного питания составляет 10–15 лет. С учетом ресурса свинцово-кислотных (3–6 лет) и литий-ионных (10 лет и выше) аккумуляторов можно рассмотреть три варианта:
  1. Срок эксплуатации ИБП менее 5 лет. Это самое удачное время для обновления свинцово-кислотных аккумуляторов, поскольку заканчивается их ресурс. Отслужившие батареи удобнее заменить литий-ионными. В этом случае их срок эксплуатации закончится одновременно со сроком эксплуатации ИБП.
  2. Срок эксплуатации ИБП 5–10 лет. В такой ситуации менять свинцово-кислотные аккумуляторы на литий-ионные невыгодно. Последние значительно дороже, и свой ресурс за оставшееся время они не исчерпают. Проще обновить свинцово-кислотные батареи.
  3. Срок эксплуатации ИБП более 10 лет. В этом случае оптимальным решением может оказаться замена не аккумуляторов, а всего источника бесперебойного питания. При этом новый ИБП выгоднее комплектовать уже литий-ионными батареями.
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Активное использование литий-ионных аккумуляторов в ИБП для ЦОДов существенно сдерживает их цена. Это вполне объяснимо: увеличение капитальных затрат приемлемо не для каждой компании. Тем не менее перспективы применения таких батарей оцениваются положительно. Так, специалисты компании Bloomberg New Energy Finance пришли к заключению, что в Северной Америке и Европе к 2025 году 40% или 5,6 ГВт·ч энергии для ЦОДов будет храниться в литий-ионных батареях. Что касается таких гигантов, как Google, Facebook и Amazon, то здесь аналогичные прогнозные цифры еще выше: до 55%.
Прогноз по использованию литий-ионных аккумуляторов


Из этой диаграммы по данным отчета Bloomberg New Energy Finance видно, как предположительно изменится соотношение энергии, хранящейся в литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторах, к 2025 году. Соответствующие цифры составят 5,6 ГВт·ч и 8,3 ГВт·ч

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сейчас в источниках бесперебойного питания для ЦОДов чаще используются свинцово-кислотные аккумуляторы. Единственная причина этому – более низкая цена. Ожидается, что к 2025 году стоимость литий-ионных батарей может снизиться более чем на 60%. Это и станет главным фактором их более активного использования не только на американском и европейском, но и на российском рынке.

Андрей Зуев, главный инженер по технической поддержке ИБП, Delta Electronics
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!