ЛИ АКБ: считаем TCO

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.

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).

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.

В ближайшее время повышению спроса индустрии ЦОДов на аккумуляторные батареи, в первую очередь на более передовые литий-ионные АКБ, будет способствовать ряд тенденций:

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).

 

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. 

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.

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).

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.

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. 

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).

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:

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.

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.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!

<< Предыдущая статья   Вернуться к содержанию   Следующая статья >>