Аккумуляторы для ЦОДа: сравнение литий-ионных аккумуляторов со свинцово-кислотными

Литий-ионные аккумуляторы используются в промышленности уже более 20 лет. Почему же они не применяются повсеместно в качестве аккумуляторов для статических ИБП в ЦОДах? Ответ заключается в том, что элементы литий-ионных аккумуляторов не могли обеспечить необходимый баланс между ценой, удельной энергией, мощностью, безопасностью и надежностью. Однако благодаря успехам, достигнутым за последние 10 лет в области литий-ионной химии, и появлению новых технологий поставщики ИБП получили наконец то, что требовалось. Эти достижения стали возможны прежде всего благодаря разработкам аккумуляторов для электромобилей.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов перед свинцово-кислотными с регулирующим клапаном (Valve-Regulated Lead-Acid, VRLA) заключаются в следующем:

• меньшее число (а зачастую и полное отсутствие) замен аккумулятора в течение срока службы ИБП устраняет риск простоя из-за замены аккумулятора;
• в три раза меньший вес при аналогичной запасаемой энергии;
• до десяти раз больше циклов заряда-разряда в зависимости от химии, применяемой технологии, температуры окружающей среды и глубины разряда;
• приблизительно в четыре раза меньший саморазряд (то есть медленный разряд аккумулятора, когда он не используется);
• заряд быстрее в четыре раза и более — ключевое преимущество при многочисленных перебоях энергии.

В то же время литий-ионные аккумуляторы имеют два основных недостатка по сравнению с VRLA:

• капитальные затраты на одинаковаое количество запасаемой энергии в два-три раза выше из-за бо`льших затрат на изготовление и стоимости необходимой системы управления аккумулятором;
• более жесткие требования к транспортировке.

Модуль литий-ионного аккумулятора для трехфазных устройств ИБП	Секция из нескольких соединенных модулей

Пример ИБП с литий-ионными аккумуляторами — Galaxy VX от Schneider Electric

ОБЗОР ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Все литий-ионные элементы обладают некоторыми общими характеристиками. Например, они все являются перезаряжаемыми, все используют электролит и у всех ионы лития движутся между электродами. Однако конкретные характеристики зависят от химии и технологии. Под химией подразумеваются компоненты, от которых зависит химическая реакция, заряжающая и разряжающая ячейку. Химия определяет напряжение ячейки. К технологии относятся прочие особенности реализации (толщина электрода, состав электролита, покрытия, присадки и т. д.), от которых в значительной степени зависят количество энергии (Вт×ч), мощность (Вт), удельная энергия (Вт×ч/кг), удельная мощность (Вт/кг), а также ресурс, чувствительность к температуре, стабильность и множество других характеристик.

Оптимальная химия. Аккумуляторы для ИБП должны быть способны выдать большую мощность в течение 5–10 мин. Иначе говоря, химия и технология должны обеспечить подачу сильного тока в течение короткого промежутка времени при сохранении безопасной внутренней температуры каждого элемента. По сравнению с химией свинцово-кислотных аккумуляторов химия литий-ионных обеспечивает более высокие энергию и мощность на единицу веса, которые обычно называют удельной энергией (Вт×ч/кг) и удельной мощностью (Вт/кг).

Сравнение силовых и энергоемких элементов. Как указано выше, аккумуляторы для ИБП должны выдавать высокий ток и большую мощность в течение 5–10 мин. С этой точки зрения ключевым различием между литий-ионными и VRLA-аккумуляторами является то, насколько сильно они разряжаются за это время.

Силовой элемент спроектирован таким образом, чтобы он мог выдать большую мощность за короткий промежуток времени и использовать при этом почти всю энергетическую емкость аккумулятора. Например, мощный аккумулятор в ИБП может поддерживать полную нагрузку на протяжении 1–2 мин, при этом аккумулятор разрядится на 80%.

Энергоемкий элемент рассчитан на предоставление относительно небольшой мощности в течение длительного периода. Емкий аккумулятор в ИБП может предоставить такую же мощность в течение того же промежутка времени (см. выше), но при этом израсходуется только 10–30% емкости аккумулятора.

В рассматриваемом здесь случае емкий аккумулятор имеет избыточные характеристики (по энергии) и, скорее всего, способен обеспечить более длительное время работы, чем необходимо. Поэтому может оказаться, что в ИБП выгоднее использовать именно его. На рис. 1 показано соотношение между энергией и мощностью для различных технологий накопления энергии вместе с соответствующим влиянием на время работы. Нисходящая кривая для каждой линии указывает на ограничение аккумулятора в части предоставления его полной энергетической емкости за более короткое время. Обратите внимание на относительное положение на графике как удельной энергии, так и удельной мощности свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов.

Рис. 1. Схема, показывающая взаимосвязь между удельной энергией и удельной мощностью (схема Рагоне)

Таким образом, литий-ионные аккумуляторы имеют два варианта исполнения — с силовыми и энергоемкими элементами. В то же время из-за ограничений химии и технологии свинцово-кислотные аккумуляторы могут применяться исключительно в качестве энергоемких элементов.

Срок службы. Сколько же прослужит аккумулятор, прежде чем придется его заменить? Этот вопрос является наиболее важным. Особое значение имеет ресурс аккумулятора: расчетное время работы до тех пор, пока его энергетическая емкость не снизится до 80% от первоначальной, что является типовым определением окончания срока его службы. Данный параметр предполагает работу аккумулятора в реальных условиях для конкретной области применения и, как следствие, является крайне изменчивой величиной. Календарный срок службы — это оценочное время, которое прослужит аккумулятор, если весь срок службы будет происходить только непрерывная подзарядка малым током при определенной температуре (обычно 25°C) без перебоев в подаче питания. Ресурс свинцово-кислотных аккумуляторов составляет от 3 до 6 лет, а литий-ионных аккумуляторов — 10 лет и более (по результатам ускоренного испытания на долговечность). Обратите внимание на то, что, хотя реальные эксплуатационные данные по ресурсу появятся лишь через несколько лет, для некоторых литий-ионных аккумуляторов уже установлен 10-летний гарантийный срок службы.

Занимаемая площадь. Благодаря более высокой энергоемкости литий-ионные аккумуляторы имеют меньший объем и занимают гораздо меньшую площадь, чем свинцово-кислотные аккумуляторы. Эта экономия пространства особенно важна для коммерческих ЦОДов, а также в случае высокой стоимости аренды площадей.

Масса. Высокая энергоемкость означает и более низкую массу литий-ионных аккумуляторов, что в том числе приводит к удешевлению транспортировки.

Мониторинг аккумулятора. Некоторые операторы ЦОДов приобретают системы контроля аккумулятора в качестве дополнения к традиционным свинцово-кислотным аккумуляторам, чтобы продлить срок их службы. Литий-ионные аккумуляторы оснащены системой контроля по умолчанию, так как для них необходим полный контроль зарядки и разрядки во избежание нежелательного перегрева.

Безопасность. Безопасность является основным приоритетом, когда дело касается аккумуляторов, особенно литий-ионных. Поставщики ИБП должны работать в тесном взаимодействии с надежными производителями литий-ионных аккумуляторов, чтобы найти наилучшую комбинацию химических и технологических характеристик, компоновки элементов и средств управления.

Регламенты. К транспортировке любых типов аккумуляторов, включая литий-ионные и свинцово-кислотные, предъявляются особые требования. Как правило, они более жесткие в случае литий-ионных — из-за их высокой энергоемкости и значительной активности некоторых химических составляющих.

ФИНАНСОВЫЙ АНАЛИЗ

Cовокупная стоимость владения становится ключевым критерием при принятии решения об инвестициях в системы охлаждения, оснащенные экономайзерами, и батареи для ИПБ. Для литий-ионных аккумуляторов химический состав и технологии силовых элементов обеспечивают более привлекательную — по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами — совокупную стоимость владения за период 10–15 лет. Это как раз типовой срок службы ИБП.

Имеющиеся исследования издержек оказываются не слишком полезными по нескольким причинам:

• они сфокусированы на исследовании применения аккумуляторов в электромобилях и установках с длительным рабочим циклом, для которых требуются энергоемкие, а не силовые элементы, идеально подходящие для ИБП;
• сравнивается стоимость различных литий-ионных аккумуляторов, а свинцово-кислотные аккумуляторы не рассматриваются;
• не указываются конкретные химические составы и технологии литий-ионных аккумуляторов применительно к ИБП;
• внимание акцентируется на капитальных затратах, а не на совокупной стоимости владения.

Из-за недостатка исследований силовых элементов для ИБП за основу были приняты данные, предоставленные изготовителями силовых элементов для двух семейств трехфазных ИБП: Symmetra MW и Galaxy. В следующих разделах приведен анализ капитальных и эксплуатационных затрат, а также совокупной стоимости владения в течение 10 лет для ИБП мощностью 1 МВт.

Допущения. Характеристики аккумуляторов, имеющие отношение к данному анализу совокупной стоимости владения, приведены в табл. 1. Использованные допущения перечислены в табл. 2.

Таблица 1. Характеристики аккумуляторов, используемые при анализе совокупной стоимости владения

Таблица 2. Допущения, используемые при анализе совокупной стоимости владения

Капитальные затраты. Первоначальные затраты (год 0) включают расходы на материалы, монтаж и транспортировку. Разбивка капитальных затрат для обоих типов аккумуляторов дана в табл. 3.

Таблица 3. Разбивка капитальных затрат

Эксплуатационные затраты. Эксплуатационные затраты начинаются с года 1 и продолжаются до года 10. Издержки на техническое обслуживание аккумуляторов, аренду помещения и энергоресурсы приходится нести ежегодно, а на обновление аккумуляторов — в годы 4 и 8. В табл. 4 представлена разбивка эксплуатационных затрат для обоих типов аккумуляторов.

Таблица 4. Разбивка эксплуатационных затрат

При зарядке аккумулятора энергия теряется двумя способами: фиксированные потери от компенсационной зарядки аккумулятора и нерегулярные потери от разрядки или зарядки аккумулятора после перебоя в подаче питания. В данном анализе при определении стоимости энергии учитываются фиксированные потери при стационарном режиме зарядки, а также энергия, необходимая для отвода тепловой энергии вследствие этих потерь. Однако для лучшего понимания влияния нерегулярных событий в работе аккумулятора на требования к охлаждению нужен более подробный анализ. Теплоемкость выбранного аккумулятора имеет существенное значение при определении интенсивности теплоотвода системы охлаждения, а также расхода энергии на охлаждение. Для оценки влияния на TCO нерегулярных событий пока нет достаточных данных. Табл. 4 содержит описание эксплуатационных затрат для обоих типов аккумуляторов.

Совокупная стоимость владения. TCO за 10 лет учитывает капитальные и эксплуатационные затраты. Для решения с литий-ионным аккумулятором совокупная стоимость владения за 10 лет на 39% ниже, чем для свинцово-кислотного аккумулятора. Причем в более высокие первоначальные капитальные затраты для первых удается компенсировать всего за 3,4 года благодаря более низким операционным расходам (табл. 5).

Таблица 5. Разбивка совокупной стоимости владения

Анализ чувствительности модели. Мы независимо изменяли 12 стоимостных параметров, чтобы проверить, какое влияние они оказывают на совокупную стоимость владения. Например, в результате варьирования ресурса свинцово-кислотных аккумуляторов в диапазоне от 2 до 7 лет совокупная стоимость владения изменялась в интервале от 0,8 до 15,5%. На основании проведенного анализа чувствительности можно сказать, что факторами, имеющими наибольшее влияние на разницу совокупной стоимости владения для литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов, являются:

• ресурс VRLA;
• ресурс ИБП;
• стоимость VRLA (долл/Вт);
• стоимость Li-ion (долл/Вт);
• площадь помещения с аккумуляторами;
• техническое обслуживание VRLA;
• стоимость капитала.

Важно отметить, что, хотя в обоих случаях каждый из этих факторов может привести к значительным изменениям совокупной стоимости владения, на выбор того или иного варианта может повлиять комбинация нескольких из них. В частности, поскольку ресурс VRLA короче, чем у литий-ионных аккумуляторов, изменение в ресурсе ИБП может привести к существенному расхождению в результатах. Например, при четырехлетнем ресурсе свинцово-кислотного аккумулятора и восьмилетнем ресурсе ИБП достаточно однократного обновления аккумулятора. Однако увеличение ресурса ИБП всего лишь на два года оборачивается двукратным обновлением свинцово-кислотных аккумуляторов, а это ведет к значительному изменению совокупной стоимости владения в пользу литий-ионного аккумулятора.

Стоимость аккумулятора играет важную роль в данной модели совокупной стоимости владения, но в случае VRLA фактор долл/Вт важнее, чем для литий-ионного аккумулятора, так как каждое обновление умножает эффект более низкой или более высокой цены VRLA. Фактически при выборе аккумулятора любая составляющая затрат с весомой ежегодной стоимостью играет большую роль и рассматривается как нежелательный фактор. Вот почему значительная по размеру площадь помещения для установки аккумуляторов и более дорогое техническое обслуживание VRLA являются важными параметрами совокупной стоимости владения. И наконец, очевидно, что стоимость капитала может либо минимизировать финансовые потоки (например, при кредитной ставке 20%), либо довести их до максимума (ставка процента по кредитам 0%), что увеличивает или уменьшает совокупную стоимость владения.

ПЕРЕОСНАЩЕНИЕ И НОВЫЕ УСТРОЙСТВА ИБП

При выборе литий-ионных аккумуляторов для статических ИБП необходимо учитывать различные факторы в зависимости от того, заменяете ли вы батареи существующего ИБП или покупаете новый ИБП. При этом предполагается, что ожидаемый срок службы ИБП составляет около 10–15 лет, ресурс VRLA — около 3–6 лет, а ресурс литий-ионного аккумулятора — 10 лет и более.

Решение о замене аккумуляторов существующего ИБП может приниматься на одном из трех этапов его жизненного цикла:

• начало срока эксплуатации ИБП;
• приблизительно середина срока эксплуатации ИБП;
• приблизительно конец срока эксплуатации ИБП.

На начальном этапе (обычно менее 5 лет) замена свинцово-кислотных аккумуляторов на литий-ионные может иметь смысл, так как с большой вероятностью окончание срока их службы совпадет с завершением периода эксплуатации ИБП.

В середине срока эксплуатации ИБП (около 5–10 лет) имеет смысл обновить свинцово-кислотные аккумуляторы. Замена их на литий-ионные на данном этапе может быть невыгодна, так как у последних останется еще более пяти лет невыработанного срока эксплуатации после окончания срока службы ИБП. Однако при дальнейшем снижении цен на литий-ионные аккумуляторы экономические факторы могут обернуться в пользу такой замены.

Ближе к концу срока эксплуатации ИБП (более 10 лет) имеет смысл рассмотреть возможность замены ИБП на новый с литий-ионными аккумуляторами. Решение об этом следует принимать с учетом соотношения затрат на сохранение и техническое обслуживание старого ИБП (контракты на обслуживание, запчасти и т. д.) и на новое решение.

Замену необходимо тщательно продумать. Даже если литий-ионные аккумуляторы будут иметь такое же номинальное напряжение, как имеющиеся свинцово-кислотные, может потребоваться обновление программного обеспечения и аппаратной части ИБП. Дело в том, что характеристики зарядки аккумулятора могут измениться, формула рабочего цикла — отличаться, а оценка времени работы — оказаться некорректной. Нередко поставщику ИБП приходится интегрировать систему контроля аккумуляторов в ИБП, поэтому он должен учесть многие факторы, прежде чем предлагать решение с литий-ионными аккумуляторами для конкретных моделей ИБП.

Покупка нового ИБП является самым простым сценарием модернизации при условии, что поставщик эффективно интегрировал литий-ионную технологию в ИБП. Интеграция ИБП и системы управления литий-ионными аккумуляторами существенно зависит от набора функций, который у каждого бренда свой. Со временем, несомненно, появятся стандарты для обеспечения согласованности между ИБП и системами контроля аккумуляторов разных производителей.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Влияние изменения температуры на состояние аккумуляторов проявляется по-разному, и в некоторых случаях причина заключается в особенностях химических составляющих аккумулятора. Но в конечном счете существует три важных параметра, на которые воздействует температура:

• ресурс аккумулятора;
• время работы аккумулятора;
• энергия, затрачиваемая на охлаждение.

Ресурс аккумулятора. Согласно опубликованным научным исследованиям, изменение температуры оказывает влияние на ресурс большинства компонентов и аккумуляторов. Общее эмпирическое правило для аккумуляторов (как для свинцово-кислотных, так и для литий-ионных): ресурс аккумулятора сокращается на 50% при каждом повышении средней температуры окружающей среды на 8–10°. С учетом того, что ресурс свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 3–6 лет, а литий-ионных — 10 лет, повышение температуры приведет к более частому обновлению VRLA по сравнению с литий-ионными (в течение срока службы ИБП). Количественные показатели этого влияния представлены выше — в анализе совокупной стоимости владения.

Продолжительность работы. Понятие «продолжительность работы» относится к аккумулятору, подающему определенное количество тока (А) под определенным напряжением (В). При умножении этих параметров получаем мощность (Вт) для поддержки ИТ-нагрузки.

V × A = Вт

Теперь добавим к этой формуле время и получим энергию, измеряемую в ватт-часах (Вт×ч).

V × A × время = Вт×ч

По мере разрядки аккумулятора его выходное напряжение уменьшается, а это означает, что требуется больший ток для подачи постоянной мощности на нагрузку. С увеличением температуры внутреннее сопротивление уменьшается как у свинцово-кислотных аккумуляторов с регулирующим клапаном, так и у литий-ионных. Низкое сопротивление означает меньшие потери, а следовательно, и выходное напряжение падает не слишком быстро, то есть при более высокой температуре можно извлечь из аккумулятора меньше амперов в минуту, чем при низкой. Так почему бы не использовать аккумуляторы при высоких температурах, чтобы повысить энергетическую емкость и продолжительность работы? Ответ возвращает нас к предыдущему вопросу: в таком случае уменьшится ресурс аккумулятора. Обратите внимание на то, что взаимосвязь температуры и сопротивления остается справедливой и для зарядки аккумулятора.

Как оговаривалось ранее, литий-ионные элементы делятся на два типа: силовые и энергоемкие. Они ведут себя по-разному, так как сопротивление силовых элементов заведомо меньше, чем у энергоемких. Таким образом, при одинаковом времени работы от батареи энергоемкий элемент будет иметь более высокую внутреннюю температуру, чем силовой. При разрядке первого его внутренняя температура может вырасти на 30°C. Это не страшно, если в помещении, где находятся аккумуляторы, всего 25°C, но при 40°C дополнительный нагрев на 30°C может привести к активации системы контроля и отключению аккумулятора в целях предотвращения его выхода из строя. Однако, благодаря более длительному сроку службы (ресурсу), литий-ионные аккумуляторы гораздо лучше ведут себя в условиях повышенной температуры, чем свинцово-кислотные аккумуляторы. Следует отметить, что для нормального функционирования свинцово-кислотных аккумуляторов температура не должна повышаться более чем 10°C.

Охлаждение. При выборе параметров системы охлаждения для обоих типов аккумуляторов используются два подхода: подбор параметров только с учетом потерь в установившемся режиме (при компенсационной зарядке) или в расчете на тепло, выделяемое во время разрядки (нерегулярные потери). Кратковременные потери значительно превышают потери в установившемся режиме по мощности (кВт), но общее количество тепловой энергии (кВт×ч) при условии продолжительности работы под нагрузкой 6 мин и 20 отключений внешней электросети в год приблизительно в 100 раз меньше, чем тепловая энергия, выделенная за счет компенсационной зарядки в течение года.

При разрядке любой из двух рассматриваемых систем аккумуляторов температура помещения, в котором они установлены, повысится на определенное количество градусов. Если параметры системы охлаждения подобраны в расчете на установившийся режим, достижение заданной температуры займет больше времени (несколько часов). Как это скажется на состоянии системы аккумуляторов? Очевидно, что литий-ионные аккумуляторы пострадают меньше.

Исходя из имеющихся на сегодняшний день знаний, параметры системы охлаждения литий-ионных аккумуляторов следует подбирать для установившегося режима работы. Это позволит сократить капитальные и операционные издержки за счет отказа от мощной системы охлаждения и благодаря соответствующей экономии на потреблении энергии (при условии более высоких фиксированных потерь). И наконец, вследствие относительно длительного срока службы литий-ионных аккумуляторов, оператор ЦОДа имеет возможность выбора из несколько вариантов. Можно увеличить температуру помещения, чтобы сэкономить энергию (или полностью убрать систему охлаждения) и целиком положиться на гарантийные обязательства поставщика аккумуляторов в надежде на то, что они отработают свой ресурс на протяжении срока службы ИБП без каких-либо капитальных затрат. Или охладить помещение до 25°C с учетом потерь в установившемся режиме, согласившись на минимальные ежегодные расходы на электроэнергию.

Для свинцово-кислотных аккумуляторов ситуация обстоит иначе из-за значительно более короткого срока службы. Если есть возможность увеличить этот срок на один год путем уменьшения температуры помещения и увеличения производительности системы охлаждения, то такие дополнительные эксплуатационные и капитальные затраты будут оправданы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Можно с уверенностью сказать, что цены на литий-ионные аккумуляторы продолжат снижаться, на рынке появятся новые решения с улучшенными химическими характеристиками и технологиями, а уже существующие будут усовершенствованы. Сегодня можно утверждать, что литий-ионные системы аккумуляторов для ИБП имеют несомненные преимущества. Несмотря на то что цены на них являются порой слишком высокими, из-за чего необходимость замены свинцово-кислотных аккумуляторов не кажется очевидной, некоторые из них демонстрируют положительную совокупную стоимость владения за 10 лет с окупаемостью менее чем за 4 года.

Виктор Авелар, директор и ведущий аналитик научно-исследовательского центра по ЦОДам компании Schneider Electric. Мартин Захо, главный инженер по технологиям аккумулирования энергии для источников питания в подразделении IT Business компании Schneider Electric.