Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 2 2021
Александр БАРСКОВ  13 июля 2021

ЛИ АКБ: считаем TCO

Как показал анализ TCO, наибольшую выгоду использование литий-ионных АКБ дает в крупных ЦОДах со стандартным временем автономного электропитания от батарей. Среди разных типов АКБ наилучший баланс безопасности и плотности энергии обеспечивают акку­муляторы LFP.

Каждый раз, когда мир начинает использовать новое поколение источников энергии – будь то огонь, пар или атомная реакция, – в нашей жизни происходят фундаментальные и масштабные улучшения. Электрическая энергия, хранящаяся в аккумуляторных батареях, будет иметь огромное значение для мира в ближайшие двадцать лет, поскольку благодаря ей цифровая (ИТ-) инфраструктура, электромобили, «умные» дома, робототехника и другие инновации смогут полностью реализовать свой потенциал.

Среди всех технологий аккумуляторов литий-ионная видится сегодня наиболее перспективной. Разработчики и производители литий-ионных аккумуляторов (ЛИ АКБ) регулярно демонстрируют улучшения характеристик этих источников энергии, которые по большинству показателей уже превосходят другие технические решения. А масштабные инвестиции в эту область служат еще одним доказательством, что именно данный тип АКБ в ближайшие годы станет основным, в том числе для центров обработки данных.

АКБ в системе электропитания ЦОДа

Гарантированное обеспечение ИТ-оборудо­вания бесперебойным качественным электропитанием – ключевая функция современных ЦОДов. Надежность системы бесперебойного гарантированного питания (СБГП) является важнейшим условием беспрерывного предоставления ИТ-сервисов. По данным Uptime Institute, чаще всего инциденты, приводящие к нарушению работы ИТ-сервисов, вызваны именно проблемами в электропитании ЦОДов. Согласно данным исследования, опубликованного в 2020 г., этими проблемами обусловлено 37% отказов (рис. 1).
Источник: Uptime Institute, 2020 
Рис. 1. Основные причины инцидентов, приводящих к нарушению работы ИТ-сервисов 

Основу комплекса бесперебойного электропитания ЦОДа составляют ИБП. В большинстве ЦОДов используют статические ИБП с аккумуляторными батареями. АКБ позволяют гарантировать качественное и бесперебойное электропитание критической нагрузки при появлении искажений во внешней электросети или временном отключении электричества. Как правило, характеристики АКБ подбираются таким образом, чтобы гарантировать автономное электропитание в течение 10–15 мин. За это время на объекте должен быть запущен дизель-генератор, который обеспечит долговременное автономное питание ИТ-нагрузки и инженерных систем ЦОДа.

Согласно статистике, именно нарушение работы АКБ является основным источником перебоев и незапланированных отключений в ЦОДах (рис. 2). Обусловлено это в значительной степени недостатками традиционных свинцово-кислотных батарей, которые сейчас используются в большинстве проектов. Переход на литий-ионные технологии устраняет многие недостатки АКБ, что повышает надежность всей СБГП.
Источник: по данным Ponemon Institute, Vertiv
Рис. 2. Основные причины незапланированных перерывов и простоев в работе ЦОДов

В ближайшее время повышению спроса индустрии ЦОДов на аккумуляторные батареи, в первую очередь на более передовые литий-ионные АКБ, будет способствовать ряд тенденций:
  • ускорение темпов развития отрасли, простимулированное, в частности, ростом спроса на аутсорсинг ИТ и цифровые (облачные) сервисы во время пандемии;
  • развитие небольших дата-центров, в том числе для периферийных вычислений (edge-ЦОДов);
  • рост потребности в ЦОДах с повышенным временем автономии без ДГУ;
  • использование систем накопления электроэнергии, позволяющих снизить зависимость от центральной электросети и расходы на оплату электроэнергии.
Литий-ионные АКБ: от идеи до массового внедрения

Принципиальная возможность создания литиевых аккумуляторов была показана в 1970 г. Майклом Стэнли Уиттингемом. Существенным недостатком таких аккумуляторов являлось низкое напряжение (2,3 В) и высокая пожароопасность. Позднее Джону Гуденафу удалось повысить напряжение до 4 В, заменив материал катода аккумулятора. Вариант литий-ионного аккумулятора с анодом из графита и катодом из кобальтита лития предложил в 1991 г. Акира Ёсино. Первый литий-ионный аккумулятор по его патенту выпустила корпорация Sony в 1991 г. В 2019 г. Уиттингем, Гуденаф и Ёсино получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «За создание литий-ионных батарей».

По данным Avicenne, объем рынка перезаряжаемых АКБ в 2018 г. составил по общей емкости проданных батарей примерно 600 ГВт•ч, по их стоимости – $80 млрд. По общей емкости явным лидером на рынке остаются свинцово-кислотные батареи, хотя доля литий-ионных стремительно растет. И они уже опережают свинцово-кислотные батареи по объему продаж. Связан такой расклад с тем, что сегодня большое количество литий-ионных АКБ используется в приборах бытовой электроники, тогда как свинцово-кислотные работают преимущественно в более «тяжелых» приложениях, в первую очередь в качестве стартовых батарей автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (75% общей емкости всех поставленных АКБ) и в промышленных системах. К последним относятся телекоммуникационные системы (в них применяется примерно 3,7% всех свинцово-кислотных батарей) и ИБП (3,4%).

 Интересно отметить, что если в 2000 г. литий-ионные батареи использовались исключительно в бытовой электронике (телефоны, ноутбуки и т.д.), то к 2018 г. доля электронных устройств в общем объеме литий-ионных батарей составила всего 20%, тогда как основной областью применения (64%) стали электромобили. На промышленные приложения, куда входят телекоммуникационные системы и ИБП, в 2018 г. пришлось 5% всего рынка литий-ионных батарей (рис. 3).
 
Источник: Avicenne Energy, 2019
Рис. 3. Основные области применения ЛИ АКБ в разное время

К 2030 г., по прогнозу экспертов Avicenne, общий объем рынка литий-ионных батарей (измеряемый в суммарной емкости) увеличится в 7,5 раз и достигнет 1200 ГВт•ч. Его основным драйвером останутся электромобили, на которые в 2030 г. придется 85% поставок всех таких батарей. Объем рынка промышленных применений ЛИ АКБ вырастет в 4,5 раза и достигнет 36 ГВт•ч.

Одним из ключевых факторов роста спроса на литий-ионные батареи, помимо совершенствования технологий, является снижение стоимости таких батарей, обусловленное усиливающейся конкуренцией среди производителей, использованием более эффективных материалов и совершенствованием процессов производства.

Средняя цена ЛИ АКБ за 2015–2020 гг. снизилась практически вдвое до $120 за 1 кВт•ч (рис. 4). Аналитики Bloomberg New Energy Finance прогнозируют, что к 2030 г. она упадет еще как минимум вдвое – примерно до $62 за 1 кВт•ч. 

Источники: CBIA, CAAM, Huawei
Рис. 4. Динамика снижения стоимости и рост рынка ЛИ АКБ

Технологии и безопасность ЛИ АКБ

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода и анода), разделенных пропитанным электролитом пористым сепаратором. Переносчиком заряда в таком аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала.
Источник: batteryuniversity.com
Сравнительные характеристики основных типов ЛИ АКБ 

В настоящее время распространение получили шесть основных типов ЛИ АКБ (см. таблицу), различающихся удельной энергоемкостью (рис. 5, для сравнения приведена энергоемкость свинцовых и никелевых АКБ).

Источник: batteryuniversity.com
Рис. 5. Удельная энергоемкость свинцовых, никелевых и литиевых батарей

По совокупности характеристик для использования в ЦОДах (и других ИКТ-приложениях) лучше всего подходят NMC (литий-никель-марганец-кобальтовые) и LFP (литий-железо-фосфатные) АКБ.

Отдельно следует рассмотреть вопрос безопасности литий-ионных АКБ, поскольку до недавнего времени они практически не использовались на ИТ-объектах именно по причине пожароопасности. Говоря проще, такие аккумуляторы часто взрывались и приводили к пожару. Однако совершенствование химического состава, материалов, процессов разработки, производства и тестирования, применение средств защиты ячеек от перезаряда позволили решить эту проблему.

В современных аккумуляторах используются развитые средства защиты, что практически исключает подобные негативные явления. Это, в частности, пассивный слой внутри ячейки, который останавливает химическую реакцию при критическом нагреве; встроенная аппаратная защита от перезаряда – когда напряжение превышает критическое значение, срабатывает защита, цепь размыкается и процесс зарядки останавливается; встроенные предохранители и т.д.

Однако следует обратить внимание, что используемый в аккумуляторах LFP материал (LiFePO4) имеет более стабильную структуру (чем материалы, применяемые в других типах ЛИ АКБ) и не выделяет кислород при разложении. Даже при разложении, которое происходит при температуре 480°C, в LFP-батареях не выделяется кислород или другие горючие вещества (рис. 6). Это еще один дополнительный уровень безопасности, «на уровне химии». Важно и то, что LFP-аккумуляторы имеют наименьшее тепловыделение среди всех типов ЛИ АКБ.
Источник: Huawei
Рис. 6. Реакции при зарядке и тепловом разгоне различных типов ЛИ АКБ 

Сравнение литий-ионных и свинцово-кислотных АКБ

Преимущества ЛИ АКБ перед СК АКБ уже много раз рассматривались (см., например, А. Нискороднов. Батареи для ЦОДа: пора выбирать литий-ионные ). Поэтому здесь перечислим их с краткими пояснениями.

Более выгодные массогабаритные характеристики (меньшие вес и габариты). Существенно бо́льшая удельная энергоемкость обеспечивает меньший вес и размеры литий-ионных АКБ. В среднем они весят вдвое меньше и занимают на 70% меньшую площадь, чем свинцово-кислотные. Это не только позволяет экономно расходовать дорогостоящую площадь помещений в ЦОДах, но и снижает расходы на транспортировку.

Больший циклический ресурс. При глубине разряда 100% ЛИ АКБ поддерживают не менее 3000 циклов, тогда как свинцово-кислотные приблизительно 150, т.е. в 20 раз меньше. При глубине разряда 50% эти показатели составляют соответственно 6000 и 600 циклов.

Большие скорость и эффективность разряда. Для многих применений важна способность аккумулятора «отдать» как можно больше энергии за короткий промежуток времени. По скорости разряда ЛИ АКБ существенно превосходят свинцово-кислотные. Важно и то, что при увеличении скорости разряда емкость ЛИ АКБ остается стабильной и может превышать 90%. Свинцово-кислотные АКБ способны кратковременно высвободить существенно меньше энергии. А при увеличении скорости разряда их емкость быстро уменьшается.

Меньшие величина саморазряда и время заряда. Для литий-ионных аккумуляторов величина саморазряда составляет 1–2% в месяц, а у свинцово-кислотных она может достигать 5%. При этом литий-ионные АКБ заряжаются не более 3 ч. Для свинцово-кислотных батарей этот показатель доходит до 15 ч.

Больший срок службы. Срок службы ЛИ АКБ минимум в два раза превышает аналогичный показатель СК АКБ. Так, при эксплуатации при температуре 25°C и непрерывном подзаряде ЛИ АКБ способны через 15 лет сохранить 70% своей емкости. Для СК АКБ этот показатель (при аналогичных условиях) составляет максимум семь лет.

Меньшая требовательность к температурному режиму. Для эксплуатации СК АКБ нормальной считается температура 25°C. Для ее поддержания нужно устанавливать батареи в отдельном помещении с хорошей системой кондиционирования. Соответственно, увеличиваются общая площадь ЦОДа и затраты на инженерные системы. При эксплуатации в условиях повышенных температур фактический срок службы СК АКБ по сравнению с расчетным сокращается: превышение эталонной температуры на каждые 10°C уменьшает этот срок вдвое. Литий-ионные аккумуляторы менее чувствительны к температуре. Для них приемлемой является температура от 0 до 40°C. Такие батареи можно разместить в общем помещении без специальной системы кондиционирования.

Встроенные средства мониторинга. Для свинцово-кислотных аккумуляторов наличие систем контроля – это дополнительная опция. Литий-ионные батареи оснащаются ими в обязательном порядке. Системы мониторинга используются для контроля степени зарядки, измерения напряжения и температуры каждой ячейки или всего батарейного шкафа. Они позволяют ограничить ток заряда, избежать ложных срабатываний и глубокого разряда батарей. В результате обеспечивается более стабильная и безопасная работа. 

ЛИ АКБ в различных типах ЦОДов

Как отмечают российские специалисты, именно наличие встроенных средств управления делает решения на базе ЛИ АКБ сопоставимыми по стоимости с решениями на базе свинцово-кислотных батарей, дополненными довольно дорогими средствами мониторинга. В исследовании, выполненном совместно экспертами iKS-Consulting и Huawei, рассчитана общая стоимость владения (TCO) ЛИ АКБ и СК АКБ для основных типов ЦОДов: корпоративного, коммерческого (для colocation), облачного и edge-ЦОДа.

Как показал анализ TCO, наибольшая выгода при использовании ЛИ АКБ достигается на крупных объектах со стандартным временем автономного электропитания от батарей. Так, для типичного ЦОДа с мощностью нагрузки 10 МВт (2 тыс. стоек по 5 кВт) и временем автономии 10 мин при 10-летнем горизонте планирования общая стоимость владения ЛИ АКБ примерно в 1,4 раза меньше, чем TCO свинцово-кислотных АКБ (рис. 7).
Источник: 
Рис. 7. ТСО литий-ионных и свинцово-кислотных АКБ за 10 лет

Также в исследовании iKS-Consulting и Huawei проанализированы факторы, способствующие и препятствующие внедрению ЛИ АКБ на различных типах объектов. В частности, отмечается, что, поскольку корпоративные ЦОДы нередко организуются в выделенных помещениях внутри основного офиса компании, массогабаритные преимущества ЛИ АКБ могут оказаться фактором, определяющим выбор. Вот несколько примеров таких ситуаций:
  • недостаточная несущая способность перекрытия в офисном здании не позволяет установить СК АКБ необходимой емкости;
  • площадь выделенного под ИБП и/или АКБ помещения недостаточна для размещения СК АКБ при модернизации и увеличении общей общности ЦОДа;
  • помещение для ИБП и/или АКБ на неспециализированном объекте выделяли по остаточному принципу, и его характеристики не подходят для СК АКБ.
Во всех подобных случаях использование ЛИ АКБ оказывается чуть ли не единственным путем решения задачи. Кроме того, меньшая температурная требовательность таких батарей упрощает их размещение в помещениях, где отсутствует специальная подготовка (например, выделенные системы кондиционирования).

Коммерческие ЦОДы в большинстве случаев находятся в специально построенных (или прошедших капитальную реконструкцию) зданиях, подготовленных для размещения инженерных систем. Поэтому проблем с недостаточной несущей способностью перекрытий для размещения тяжелых батарей в них не возникает (тем более что для установки оборудования СБГП в таких зданиях обычно отводят помещения на первом этаже). Проблемы с местом и обеспечением температурного режима в специализированных зданиях не так остры, как в корпоративных дата-центрах, располагающихся в офисах. Однако возможность изначально спроектировать помещения под АКБ меньшего размера позволяет увеличить площадь машинных залов, а значит, получить больший доход от услуг colocation, что поможет сократить срок окупаемости батарей.

В отношении edge-ЦОДов эксперты отмечают, что, поскольку они должны размещаться в непосредственной близости к местам генерации/потребления данных, часто их устанавливают в неподготовленных местах, например, на площадках промышленных предприятий. Кроме того, они должны быть компактными и отличаться высокой степенью автономности. Литий-ионные АКБ практически идеально отвечают этим требованиям.

Перспективы использования ЛИ АКБ

Преимущества ЛИ АКБ по сравнению с СК АКБ по большинству характеристик, наряду с более низким TCO, делают их все более популярными. Эксперты Bloomberg New Energy Finance пришли к заключению, что в Северной Америке и Европе к 2025 г. 40% (5,6 ГВт•ч) энергии для ЦОДов будет храниться в литий-ионных батареях (рис. 8). Что касается гиперскейлеров, таких как Google, Apple, Amazon, Facebook и Microsoft, то для них аналогичный прогноз еще выше: до 55%.
 
Источник: по данным Bloomberg New Energy Finance
Рис. 8. Использование ЛИ и СК АКБ в ЦОДах (Северная Америка и Европа)

В ряде российских ЦОДов также успешно используют ЛИ АКБ. Так, в одном из крупнейших коммерческих ЦОДов IXcellerate, начиная с 2017 г., закупают только литий-ионные АКБ. Компактный размер таких батарей позволил компании выделить больше места для размещения коммерческих стоек, что обеспечило быструю окупаемость решения. ЛИ АКБ успешно эксплуатируются и на корпоративных объектах, например, в компании «Газпром нефть». 

Важным фактором повышения спроса на литий-ионные АКБ может стать рост спроса на накопители энергии. С учетом неравномерного потребления энергии ИТ-нагрузкой такие устройства (выполненные, например, как часть ИБП) будут накапливать энергию в периоды низкого спроса и отдавать, когда потребность вырастет. Это даст существенную экономию за счет снижения общей присоединяемой мощности и построения инженерной инфраструктуры без переразмеривания. 

Хотя массовое внедрение литий-ионных аккумуляторов в ЦОДах только начинается, все больше участников рынка рассматривают возможность использования литий-ионных хранилищ энергии в сочетании с различными технологиями ее генерации, чтобы уменьшить свою зависимость от традиционных дизель-генераторов. В ближайшее время вряд ли стоит рассматривать прямую замену генераторов на литий-ионные накопители. Но, реализуя перенос нагрузки и закрытие приложений в соответствии с уровнем их критичности, можно значительно увеличить время автономной работы от ИБП, а значит, позже запускать генераторы (или вовсе от них отказаться). 

Важно и то, что эксперты прогнозируют дальнейшее снижение стоимости литий-ионных батарей. Наряду с их неоспоримыми преимуществами эта тенденция делает данные источники автономного электропитания оптимальными для большинства ЦОДов всех типов.

Статья написана на основе исследования «Литий-ионные АКБ для ЦОДов», проведенного совместно iKS-Consulting и Huawei.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!