Літій-іонні батареї для ЦОД: переваги та недоліки

У трифазних джерелах безперебійного живлення зазвичай використовуються свинцево-кислотні акумулятори з регулюючим клапаном (VRLA). Їх маса і габарити вимагають наявності посилених тримальних конструкцій в дата-центрах, а залежність робочих характеристик від температури збільшує навантаження на системи кондиціонування. VRLA не дуже довговічні, їх регулярна заміна веде до зростання операційних витрат.

Через відсутність економічно доцільної альтернативи інженерам-конструкторам доводилося миритися з недоліками VRLA, проте в останні роки ситуація змінилася. Перш за все ми говоримо про літій-іонні акумулятори, використовувати які в ДБЖ для центрів обробки даних раніше заважала відсутність оптимального балансу ціни, енергії, потужності, безпеки і надійності. Завдяки успіхам у створенні електромобілів, ця проблема була вирішена. Перші джерела безперебійного живлення на літій-іонних батареях вийшли на ринок в 2016 році, а сьогодні їх пропонують всі провідні вендори. Сьогодні даний напрямок вважається найбільш перспективним: згідно зі звітом Bloomberg New Energy Finance, в 2025 році рішення з літій-іонними батареями займуть 40% ринку ДБЖ для дата-центрів.

Переваги літій-іонних батарей

У споживчій електроніці зазвичай використовують літієво-кобальтові батареї ємністю кілька ампер-годин. В джерела безперебійного живлення встановлюють літієво-марганцеві прямокутні осередки місткістю 60 ампер-годин з набагато більш тривалим терміном служби і безліччю ступенів захисту від збоїв. Моніторинг основних параметрів роботи (температури, напруги і сили струму) реалізований як на рівні окремого модуля і навіть на рівні окремого осередку, так і на рівні шафи і всієї системи в цілому - повний контроль процесів зарядки і розрядки тут необхідний для запобігання критичного нагріву і початку необоротних хімічних процесів. Крім того, літій-іонні акумулятори відрізняються більш високою енергією (Вт•год/кг) і більш високою питомою (Вт/кг). При аналогічній кількості накопичуваної енергії їх маса приблизно в три рази менше маси свинцево-кислотних батарей, що зменшує загальну масу системи десь на 60-80%.

В останні роки центри обробки даних нарощують щільність потужності для більш ефективного використання приміщень - цей показник став одним з найважливіших. Компактні літій-іонні батареї дозволяють скоротити займану системою безперебійного електропостачання площу на 50-80%. Такі батареї вимагають менше часу для зарядки, а також мають менший саморозряд, що грає величезну роль в разі частих збоїв електроживлення. Коли літій-іонна батарея не використовується, вона втрачає приблизно 1-2% заряду в місяць. Найголовніша перевага - тривалий термін служби. Свинцево-кислотні батареї працюють від 3 до 6 років, в той час як ресурс деяких літій-іонних перевищує 10 років. Залежно від хімії, технології і температури, вони здатні витримати до 5000 циклів заряду-розряду і не вимагають технічного обслуговування, тоді як середній показник свинцево-кислотних акумуляторів дорівнює 700 циклам заряду.

Сукупна вартість володіння за 10 років (середній термін служби ДБЖ для ЦОД) знизилася на 39% в порівнянні зі свинцево-кислотними батареями - це дуже оптимістична оцінка, але мінімум 10% економії отримати можна в будь-якому випадку. Серйозний недолік у літій-іонних батарей тільки один - початкові вкладення будуть значно вищими. Саме тому впровадження нових рішень почалося з великих центрів обробки даних: можливість зменшити технічний засіб навчання для таких об'єктів набагато важливіше сьогочасної вигоди, і навіть невеликий відсоток економії в грошовому вираженні величезний. Крім того, компактні батареї дозволяють ефективніше задіяти наявну площу, а надійна система моніторингу забезпечує високу безпеку і стабільну продуктивність рішення. Літій-іонні батареї можуть працювати при більш високих температурах ніж VRLA без втрати ємності, це знижує навантаження на системи охолодження. Звичайно, виробники оснащують літій-іонними батареями і однофазні ДБЖ - існують моделі для самих різних сценаріїв застосування, від найбільших ЦОДів до промислових об’єктів, невеликих серверних кімнат і навіть для окремих стійок.

Доцільність заміни

Найголовніше питання, яке виникає перед кінцевим замовником: а чи не час нам перевести свою систему безперебійного електропостачання на літій-іонні батареї? Щоб на нього відповісти, в першу чергу потрібно врахувати наявність технічної можливості. Лише у вибраних моделях ДБЖ доступні нові акумулятори, також може знадобитися суттєве оновлення «заліза» і вбудованого ПЗ. Навіть при аналогічній номінальній напрузі характеристики зарядки і розрядки батарей будуть відрізнятися.

Очікуваний термін служби ДБЖ в дата-центрі зазвичай становить 10-15 років. Ресурс свинцево-кислотного акумулятора - 3-6 років, а літій-іонного - 10 років і більше. На початку терміну експлуатації ДБЖ (менше 5 років) заміна відпрацювавших значну частину ресурсу свинцево-кислотних батарей виявиться доцільною - літій-іонні з високою ймовірністю підійдуть до кінця терміну експлуатації разом з ДБЖ. Якщо життя вашого джерела безперебійного живлення вже наближається до «екватору», термін служби батарей може виявитися більш тривалим, і в більшості випадків заміна не має сенсу. В кінці терміну служби варто подумати про заміну всього ДБЖ на нове рішення з літій-іонними батареями. Проте, навіть для досить старих ДБЖ установка дорогих акумуляторів може виявитися доцільною - потрібно враховувати постійне зниження ціни на них, а також співвідношення витрат на обслуговування старої системи і витрат на її повну заміну.

Прогнози та перспективи

Незважаючи на те, що джерело на літій-іонних акумуляторах серйозно знижують операційні витрати і зменшують повну вартість володіння, значна частина замовників досі використовує перевірені часом рішення на VRLA. Одна з важливих причин полягає в тому, що використання літій-іонних батарей вигідно на великих часових горизонтах, але капітальні витрати воно збільшує досить суттэво. У будь-якому випадку, інтерес замовників до новинок рік від року тільки зростає і далі він буде тільки збільшуватися. Для великих центрів обробки даних обсяг зекономлених коштів може виявитися гігантським, тому літій-іонні системи стануть все частіше застосовуватися в корпоративному секторі. Літій-іонна
хімія теж на місці не стоїть - з часом з'являться нові рішення і технології, а ціна батарей знизиться ще більше.