Что выбрать – свинец или литий?

Какой компонент системы электропитания является важнейшим, неким узким горлышком, в системе электроснабжения ЦОД, да и не только?

На первый взгляд, однозначного ответа нет, поэтому в рамках данной статьи предлагаем рассмотреть достаточно важный компонент, критичность которого ни у кого не вызывает сомнений. При этом, к сожалению, это немного «обделенный» вниманием элемент системы, даже не всегда отмеченный на электрической схеме, но являющийся неотъемлемой частью некоего «черного ящика» под названием ИБП, а именно Накопитель Энергии. Так что рассмотрим подробнее накопители на свинце и литии, учитывая серьезный рост применения второго в различных отраслях промышленности.

Со свинцово-кислотными аккумуляторными батареями (СКА) все в целом ясно: это проверенная временем система и, что важно, понятная большинству. Но тем не менее некоторые важные моменты стоит все же зафиксировать, а именно:

— Принцип действия СКА основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца, помещенных в раствор серной кислоты. При этом в классических обсуживаемых СКА в результате данных реакций расходуется водород, образуется серная кислота и увеличивается плотность электролита. Как результат, во-первых, требуется контролировать плотность электролита, во-вторых, накладывать специальные требования к приточно-вытяжной вентиляции для недопущения достижения критичной концентрации водорода, в-третьих, не допускать критичную сульфатацию пластин.

В системах ИБП сегодня в подавляющем большинстве случаев применяются СКА, выполненные по VRLA (Valve Regulated Lead Acid) технологии со связанным электролитом, в которых происходит 99%-ная рекомбинация молекул водорода и кислорода, и выделение газа возможно только при достижении предельного внутреннего давления, при котором и происходит срабатывание регулирующего клапана. Также сам электролит в них не «плещется» свободно в баке аккумулятора, а либо абсорбирован в пористые маты (AGM технология, чаще всего используется в ИБП), либо находится в желеобразном состоянии (GEL технология).

— Ни для кого не является секретом, что СКА достаточно критичны к условиям эксплуатации, а особенно к температурному режиму. Для простоты понимания можно отталкиваться от несложного эмпирического правила – каждые 10Cº свыше рекомендованного диапазона приводят к снижения срока службы вдвое.

И все же СКА – это проверенная временем технология, имеющая пока еще максимальную популярность в решениях для систем бесперебойного питания, не накладывающих требования к большому циклическому ресурсу, массогабаритным параметрам и уровню саморазряда. Так что это, как механическая коробка передач у автомобиля: все понимают, как работает, да и отремонтировать можно практически, где угодно – до пункта В скорее всего добраться получится, но приходится включать голову в процессе эксплуатации. Более того, в современных решениях СКА могут собираться в модули с горячей заменой и, при необходимости, с внешней системой мониторинга и балансировки (Рисунок 1.).

А вот к литию вопросов сильно больше – тут даже есть где разгуляться: LCO, LFP, LMO, NMC и другие. Не дает расслабиться и огромное количество страхов, связанных с потенциальной пожароопасностью литий-ионных аккумуляторов или ЛИА, как мы будем их называть дальше.

При это необходимо понимать, что под ЛИА скрывается большое количество различных технологий, отличающихся не только составом катода, но и отрицательного электрода – анода. Чаще всего в качестве накопителя для источника бесперебойного питания используются ЛИА с литий-железо-фосфатным (или LFP) или никель-марганце-кобальтовым (или NMC) катодом; анод в обоих случаях – на основе графита. Другие технологии (LMO, LCO, LTO и т.д.) в рамках поста мы рассматривать не будем, так как в системах с ИБП они используются крайне редко. Оба решения обладают как преимуществами, так и недостатками. И те, и другие важны и стоят нашего внимания.

К примеру, NMC ЛИА имеют:

• Более высокую удельную плотность энергии (150-200 Вт*ч/кг). То есть в итоге можно получить лучшие массогабаритные показатели системы.

• Выше рабочее напряжение ячейки (4 В против 3.2В у LFP) – потребуется меньше ячеек, для получения требуемого напряжения шины АКБ, а также будет ниже вероятность разбаланса системы и лучшие массогабаритные показатели.

• Продолжительный циклический ресурс (2500-10000 циклов при 80-100% DoD). Этот параметр менее важен для источников бесперебойного питания, в которых АКБ работают большую часть времени в буферном режиме. Но, тем не менее, учитывая, что в случае ЛИА эта «буферность» достигается за счет коротких циклов «саморазряда – заряда», то принимать во внимание этот параметр все же стоит.

Но вот недостаток – по сравнению с LFP терморазгон NMC ЛИА происходит намного быстрее, из-за чего мы имеем более высокие требования к системе управления процессом разряда/заряда ячеек и точности их балансировки. А также, на наш взгляд, крайне целесообразно изначально закладывать в проект специализированные системы пожаротушения (обычные огнетушители тут не подойдут).

Одно из ключевых преимуществ LFP ЛИА – медленный терморазгон, при этом он начинается при достаточно высокой температуре (более 240 °C), а значит LFP являются одними из самых безопасных ЛИА. Каковы же его недостатки? У LFP ЛИА короче циклический ресурс (до 4000 циклов) и ниже удельная плотность энергии (90-120 Вт*ч/кг).

Да, литий-ионную АКБ очень сложно потушить – как иногда говорят, проще дать догореть. Но ее также сложно перевести в состояние устойчивого горения, особенно когда речь идет про LFP. Поэтому мы на текущий момент используем именно LFP ЛИА. А поджечь при желании можно и свинец…, что мы никому не рекомендуем делать. Тем не менее, для тушения ЛИА не рекомендуется использовать воду – это допустимо только с целью снижения температуры очага возгорания.

Теперь немного про «мозги» ЛИА – BMS.

Сразу необходимо отметить, что в отличие от СКА, BMS (CBMS) для литий-ионного аккумулятора является неотъемлемой и обязательной частью, которая отвечает не только за мониторинг и пассивную (либо активную) балансировку, но и не допускает перезаряд или переразряд ячеек. При этом существует миф, что ЛИА должны иметь постоянную активную коммуникацию с ИБП для контроля процесса заряда/разряда. И это действительно так, но не всегда. Есть системы ЛИА с пассивным режимом работы: это когда ИБП даже не знает, что к нему подключен массив ЛИА, и ведет себя так же, как это было бы со свинцом. Фактически в головном модуле ЛИА-шкафа имеются отдельные цепи заряда и разряда, и ЛИА сам понимает, когда надо отключить разряд, оставив в работе цепь заряда, и наоборот. Разумеется, зарядное устройство ИБП тоже в деле и, если потребуется, проконтролирует процесс заряда/разряда.

Так вот ЛИА-шкафы Systeme Electric умеют работать как в активном режиме, так и в пассивном, поэтому без проблем можно заменить СКА-массив практически любого трехфазного ИБП Systeme Electric на ЛИА.

Теперь перейдем к следующему мифу: литий – это же дорого!

Не совсем так. Литий на текущий момент дороже свинца, но легче, мощнее и долговечнее. Также сравнение необходимо проводить в обязательной привязке к конкретному проекту с учетом КПД самого накопителя энергии. Для примера проведем сравнение на системе с нагрузкой 300кВт и временем автономной работы 20 минут:

В то же время, если уже рассматривать системы на 15 минут и менее, то в определенных случаях решения на СКА могут получиться выгоднее по причине достаточно ограниченного выбора проверенных высокоразрядных ЛИА, то есть, под токи разряда более 4С.

Для более яркой картины к сравнению необходимо еще добавить такой показатель, как тепловыделение. Уже было отмечено выше, что для СКА желательно поддержание температурного режима в интервале 20-25Сº – увеличение температуры приводит к снижению срока службы. При этом ЛИА менее критичен к температуре, но имеет большее влияние со стороны нижней части диапазона – основные ограничения касаются минусовых температур и связаны с процессом заряда.

Таким образом, если продолжить сопоставление с автомобильной темой, то ЛИА – это некий DSG7: вроде в основе лежит та же самая механика, а вот интеллектуальные, технические и эксплуатационные показатели заметно лучше, но, разумеется, с поправкой на конкретную задачу!

Если вернуться к вопросу в заголовке статьи, то, как видно, определенного ответа нет и быть не может. Здесь важно еще раз отметить, что оба решения имеют как преимущества, так и недостатки, поэтому для правильно выбора необходимо отталкиваться от конкретного проекта: нет серьезных ограничений по габаритам и нагрузке на пол, сильно ограничен бюджет и есть возможность поддерживать определенный температурный режим – при определенных условиях СКА все равно останутся наилучшим вариантом, который позволит решить поставленную задачу, как минимум, на ближайшие 3-5-7 лет, пока не придет время замены батарейного массива.