В трёхфазных источниках бесперебойного питания обычно используются свинцово-кислотные аккумуляторы с регулирующим клапаном (VRLA). Их масса и габариты требуют наличия усиленных несущих конструкций в дата-центрах, а зависимость рабочих характеристик от температуры увеличивает нагрузку на системы кондиционирования. VRLA не особенно долговечны, их регулярная замена ведет к росту операционных издержек.
Из-за отсутствия экономически целесообразной альтернативы инженерам-конструкторам приходилось мириться с недостатками VRLA, однако в последние годы ситуация изменилась. Прежде всего мы говорим о литий-ионных аккумуляторах, использовать которые в ИБП для центров обработки данных ранее мешало отсутствие оптимального баланса цены, удельной энергии, мощности, безопасности и надежности. Благодаря успехам в создании электромобилей, эта проблема была решена. Первые источники бесперебойного питания на литий-ионных батареях вышли на рынок в 2016 году, а сегодня их предлагают все ведущие вендоры. Сегодня данное направление считается наиболее перспективным: согласно отчету Bloomberg New Energy Finance, в 2025 году решения с литий-ионными батареями займут 40% рынка ИБП для дата-центров.
В потребительской электронике обычно используют литиево-кобальтовые батареи емкостью несколько ампер-часов. В источники бесперебойного питания устанавливают литиево-марганцевые прямоугольные ячейки ёмкостью 60 ампер-часов с гораздо более длительным сроком службы и множеством степеней защиты от сбоев. Мониторинг основных параметров работы (температуры, напряжения и силы тока) реализован как на уровне отдельного модуля и даже на уровне отдельной ячейки, так и на уровне шкафа и всей системы в целом — полный контроль процессов зарядки и разрядки здесь необходим для предотвращения критического нагрева и начала необратимых химических процессов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы отличаются более высокой удельной энергией (Вт•ч/кг) и более высокой удельной мощностью (Вт/кг). При аналогичной запасаемой энергии их масса примерно в три раза меньше массы свинцово-кислотных батарей, что уменьшает общую массу системы где-то на 60-80%.
В последние годы центры обработки данных наращивают плотность мощности для более эффективного использования помещений — этот показатель стал одним из важнейших. Компактные литий-ионные батареи позволяют сократить занимаемую системой бесперебойного электроснабжения площадь на 50-80%. Такие батареи требуют меньше времени для зарядки, а также имеют меньший саморазряд, что играет огромную роль в случае частых сбоев электропитания. Когда литий-ионная батарея не используется, она теряет примерно 1-2% заряда в месяц. Самое главное преимущество — длительный срок службы. Свинцово-кислотные батареи работают от 3 до 6 лет, в то время как ресурс некоторых литий-ионных превышает 10 лет. В зависимости от химии, технологии и температуры, они способны выдержать до 5000 циклов заряда-разряда и не требуют технического обслуживания, тогда как для средний показатель свинцово-кислотных аккумуляторов равен 700 циклам заряда.
Совокупная стоимость владения за 10 лет (средний срок службы ИБП для ЦОД) снизилась на 39% по сравнению со свинцово-кислотными батареями — это очень оптимистичная оценка, но минимум 10% экономии получить можно в любом случае. Серьезный недостаток у литий-ионных батарей только один — первоначальные вложения будут значительно выше. Именно поэтому внедрение новых решений началось с крупных центров обработки данных: возможность уменьшить TCO для таких объектов гораздо важнее сиюминутной выгоды, и даже небольшой процент экономии в денежном выражении огромен. Кроме того, компактные батареи позволяют эффективнее задействовать имеющуюся площадь, а надёжная система мониторинга обеспечивает высокую безопасность и стабильную производительность решения. Литий-ионные батареи могут работать при более высоких температурах чем VRLA без потери емкости, это снижает нагрузку на системы охлаждения. Конечно, производители оснащают литий-ионными батареями и однофазные ИБП — существуют модели для самых разных сценариев применения, от крупнейших ЦОДов до промышленных приложений, небольших серверных комнат и даже для отдельных стоек.
Самый главный вопрос, который возникает перед конечным заказчиком: а не пора ли нам перевести свою систему бесперебойного электроснабжения на литий-ионные батареи? Чтобы на него ответить, в первую очередь нужно учесть наличие технической возможности. Не для всех моделей ИБП доступны новые аккумуляторы, также может потребоваться существенное обновление «железа» и встраиваемого ПО. Даже при аналогичном номинальном напряжении характеристики зарядки и разрядки батарей будут различаться.
Ожидаемый срок службы ИБП в дата-центре обычно составляет 10-15 лет. Ресурс свинцово-кислотного аккумулятора — 3-6 лет, а литий-ионного — 10 лет и более. В начале срока эксплуатации ИБП (менее 5 лет) замена выработавших значительную часть ресурса свинцово-кислотных батарей окажется целесообразной — литий-ионные с высокой вероятностью подойдут к концу срока эксплуатации вместе с ИБП. Если жизнь вашего источника бесперебойного питания уже близится к «экватору», срок службы батарей может оказаться более длительным, и в большинстве случаев замена не имеет смысла. В конце срока службы стоит подумать о замене всего ИБП на новое решение с литий-ионными батареями. Тем не менее, даже для достаточно старых ИБП установка дорогих аккумуляторов может оказаться целесообразной — нужно учитывать постоянное снижение цены на них, а также соотношение затрат на обслуживание старой системы и затрат на её полную замену.
Несмотря на то, что ИБП на литий-ионных аккумуляторах серьёзно снижают операционные расходы и уменьшают полную стоимость владения, значительная часть заказчиков до сих пор использует проверенные временем решения на VRLA. Одна из важных причин заключается в том, что использование литий-ионных батарей выгодно на больших временных горизонтах, но капитальные затраты оно увеличивает весьма существенно. В любом случае, интерес заказчиков к новинкам год от года только растёт и дальше он будет только увеличиваться. Для крупных центров обработки данных объём сэкономленных средств может оказаться гигантским, поэтому литий-ионные системы станут все чаще применяться в корпоративном секторе. Литий-ионная химия тоже на месте не стоит — со временем появятся новые решения и технологии, а цена батарей снизится ещё больше
Два варианта конфигурации аккумуляторных батарей в ЦОД: VRLA и литий-ионные батареи
