De adoptie van Li-ion voor datacenter powerbeveiliging.

Published on 25 maart 2022

De technologische vooruitgang in de loop der jaren heeft er voor gezorgd dat de nieuwste generatie Centiel UPS-en nu ongeveer 97% efficiëntie heeft. We gebruiken echter al ongeveer 30 jaar dezelfde loodzuur- of VRLA-batterijen als de back-up energieopslag van de UPS! Ze doen nog steeds hun werk en ze doen het goed: dus waarom zouden we dit veranderen?

De uitdaging met VRLA-batterijen is dat ze nog steeds een temperatuur van ongeveer 20 °C nodig hebben om hun levensduur te optimaliseren. Een industriestandaard schatting is dat voor elke 10 graden boven de 20 °C de levensduur van een VRLA-batterij wordt gehalveerd. Om deze reden in relatie tot energiebeheer, wordt actief gezocht naar alternatieven.

Li-ion batterijen bieden een alternatief voor VRLA, omdat ze zonder problemen op veel hogere temperaturen werken: tot hoge twintig/lage dertig graden Celsius. De meeste IT-systemen werken ook op > 25 °C en de UPS-technologie zelf kan goed werken tot 40 °C. Zeker in veel Europese landen zou dit kunnen betekenen dat de natuurlijke luchttemperatuur (die gemiddeld tussen de 20-22 °C ligt) de behoefte aan airconditioning helemaal zou kunnen wegnemen. Dit zou resulteren in aanzienlijke besparingen op de bedrijfskosten van datacenters en een kleinere CO2 uitstoot.

Ruimtebesparing is ook een potentieel voordeel. Veel datacenters hebben voldoende ruimte om zonder problemen loodzuuraccu's te huisvesten. Waar de ruimte echter beperkt is, hebben Li-ion batterijen meestal een derde van de fysieke ruimte van de equivalente VRLA-blokken nodig en zijn ze minder dan een kwart van het gewicht. Deze ruimtebesparende eigenschappen kunnen voordelen bieden aan kleinere regionale, edge datacenters bijvoorbeeld. Maar geeft ook meer oppervlak voor racks in verband met een kleinere technische ruimte.

Tot nu toe was een nadeel van het overschakelen naar Li-ion de hogere kosten bij aanschaf. De prijzen zijn de afgelopen jaren echter gedaald en het verschil met VRLA is aanzienlijk kleiner geworden. We zien over het algemeen dat de initiële CAPEX-kosten van het kopen van Li-ion batterijen tot twee keer zo duur zijn als bij loodzuurbatterijen. Li-ion gaat echter twee keer zo lang mee. Loodzuurbatterijen met een ontwerplevensduur van 10/12 jaar worden normaal gesproken na zeven of acht jaar vervangen. Bij Li-ion is dit 13-15 jaar. Wanneer dit gegeven plus de totale energiebesparing ook in overweging worden genomen, kan Li-ion de totale eigendomskosten (TCO) verlagen.

In het verleden zijn er veiligheidsproblemen geweest met betrekking tot Li-ion-batterijen. Hoe dan ook, de technologie is verder gegaan. Het beheer en testen van Li-ion batterijen valt onder de IEC62619 norm die meer dan twee jaar geleden internationaal werd geïntroduceerd en specifiek betrekking heeft op de besturingssystemen in industriële batterijen. Li-ion batterijen zijn gevoeliger voor hoe ze worden opgeladen en ontladen, omdat sommige Li-Ion-materialen O2 afgeven bij hoge temperaturen tijdens overbelasting omstandigheden of gewoon thermisch weglopen. Daarom is het een vereiste door IEC62619 om een intern batterij management systeem (BMS) te hebben. Dit voorkomt dat de organische vloeibare elektrolyt te heet wordt door over- of onderladen. Het BMS geeft een waarschuwing als het veilige spanningsbereik wordt overschreden en dan kan de compatibele UPS reageren. Als dit wordt genegeerd, wordt een alarm van niveau twee gekoppeld aan een stroomonderbreker om verder opladen of ontladen van de cel te voorkomen. Dit dubbele beschermingsniveau moet worden geïmplementeerd en getest om te voldoen aan de IEC62619-regelgeving.

Elke batterij, inclusief loodzuuraccu's, is een potentieel gevaar, maar correct beheerd, is Li-ion technologie nu ontwikkeld om veilig te zijn voor gebruik in datacenters en andere faciliteiten die kritieke stroombeveiliging vereisen.

Er zijn verschillende soorten Li-ion batterijen materialen beschikbaar; NCM, LCO, LMO en LFP zijn de meest gebruikte. Een materiaal met een hoge stabiliteit in alle omstandigheden is nodig. De veiligste en betrouwbaarste is LFP, omdat de ontbinding van LFP geen O2 genereert, wat het explosiegevaar drastisch vermindert.

In de zeer nabije toekomst zal ongetwijfeld de acceptatie van Li-ion in de UPS-industrie toenemen. Systemen moeten echter wel Li-ion-ready zijn en fabrikanten van UPS-apparatuur moeten ervoor zorgen dat hun technologie compatibel is en kan 'praten' met het Li-ion batterijbewakingssysteem.

Interessant is dat de acceptatie van Li-ion binnen UPS-systemen tot nu toe groter is geweest in ontwikkelingslanden als Afrika en het Midden-Oosten, waar het belangrijkste elektriciteitsnet minder betrouwbaar is dan bijvoorbeeld het Verenigd Koninkrijk en frequente stroomproblemen vaker voorkomen. In deze gevallen moeten de UPS- en batterijsystemen meerdere keren per dag worden aangesproken. Deze grotere opname is voornamelijk te wijten aan de hogere levensduur van Li-ion: meestal 3.000 power-up en down-cycli vergeleken met ongeveer 300 voor VRLA-technologie.

Dit kan wijzen op een andere toepassing van Li-ion. Met de toenemende druk op de energievoorziening van onze steden, zou het beheer van de vraagzijde van energie ertoe kunnen leiden dat datacenters worden betaald voor hun overtollige energie. Opgeslagen energie kan tijdens downtime worden teruggevoerd naar het net en kan de UPS een hub zijn en inkomsten genereren door te profiteren van de vraag naar en het gebruik van stroom. De eigenschappen van Li-ion batterijen maken interessante alternatief gebruik/inzet mogelijk.

De Li-ion-oplossing van CENTIEL wordt al geïnstalleerd door onze meest vooruitstrevende klanten, die willen profiteren van de voordelen die Li-ion heeft ten opzichte van loodzuuraccu's, namelijk: ze zijn kleiner, lichter, hebben een hoge vermogensdichtheid, een langere levensduur en werken bij hogere temperaturen. In de komende vijf jaar verwachten we dat er een belangrijke industriële omschakeling naar Li-ion zal plaatsvinden. Het goede nieuws is dat de technologie van CENTIEL al Li-ion-ready is. Bestaande loodzuuraccu-installaties hebben de mogelijkheid om in de toekomst naar Li-ion te upgraden zonder de UPS te hoeven vervangen.

Tekst: Gerado Lecuona, mede-oprichter en Global Sales Director, CENTIEL SA