При строительстве крупных коммерческих центров обработки данных их владельцы стремятся использовать наиболее эффективные решения для ИТ- и инженерной инфраструктуры, включая источники бесперебойного питания. Производители ИБП добились очень высоких показателей КПД своих устройств, но это не единственный показатель эффективности их использования. При эксплуатации таких компонентов, как аккумуляторные батареи для классических статических ИБП, выявляется целый ряд недостатков.
В источниках бесперебойного питания, которые применяются в ЦОД, устанавливаются в основном свинцово-кислотные аккумуляторы с регулирующими клапанами. Нельзя сказать, что они полностью удовлетворяют персонал ЦОД: эксплуатация таких аккумуляторов связана с довольно высокими операционными расходами, в том числе на техническое обслуживание, периодическую замену, поддержание определенной температуры, необходимой для их нормальной работы. Однако в течение многих лет системы электропитания ЦОД оснащались только такими ИБП.
Владельцы ЦОД, отмечают эксперты компании IHS Markit, внимательно следят за ситуацией в области ИБП и проявляют все больший интерес к литий-ионным батареям, которые в последнее время заметно подешевели и стали более доступными. Они давно и успешно применяются в смартфонах и ноутбуках, но долгое время не использовались в центрах обработки данных, однако ситуация начинает меняться.
Во многом это происходит благодаря созданию новых технологий, разработкам в области литий-ионной химии и быстрому росту объемов производства литий-ионных батарей для таких применений, как электромобили и альтернативные источники электроэнергии. Показательно, что стоимость одного киловатт-часа энергии, произведенной автомобильным литиево-ионным аккумулятором, снизилась с 900 долларов в 2011 году до 100 долларов в 2016-м.
При возникновении нештатных ситуаций с электроснабжением батареи ИБП должны поддерживать стабильную работу аппаратных и программных систем ЦОД до включения дизель-генераторов. Как следствие, главное требование к аккумуляторным батареям, установленным в ИБП, — быстро предоставить запас энергии, необходимый для бесперебойной работы ИТ-оборудования в таких ситуациях.
Свинцово-кислотные батареи устанавливаются из расчета поддержки рабочей нагрузки в течение приблизительно 10 мин. Со временем их начальная емкость уменьшается: так, за период эксплуатации 4,5 года этот показатель снижается почти в два раза, утверждают специалисты компании Vertiv (создана в 2016 году на базе Emerson Network Power. — Прим. ред.).
Для литий-ионных батарей сокращение времени работы до 8 мин происходит за гораздо больший период, достигающий 15 лет. В результате уменьшается число замен батарей данного типа, снижаются риски простоя и повышается уровень готовности инженерной инфраструктуры центров обработки данных.
Более длительный срок службы — одно из основных преимуществ литий-ионных батарей. Гарантийный период составляет не менее 10 лет, в то время как на свинцово-кислотные предоставляется, как правило, трехлетняя гарантия.
Мировой рынок ИБП Кроме того, при сопоставимой емкости литий-ионные батареи обеспечивают более высокую плотность энергии, так как занимают меньшую площадь и обладают меньшим весом: по данным специалистов ABB UPS, при использовании таких ИБП экономится 50–80% места, при этом они легче на 60–80%.
В Schneider Electric считают, что сокращение веса при равном запасе энергии может быть троекратным. Отмечается также десятикратное преимущество литий-ионных батарей по числу допустимых циклов заряда-разряда и более чем четырехкратное ускорение заряда, что особенно важно при частых нарушениях электроснабжения.
Для обеспечения максимальной длительности работы свинцово-кислотных аккумуляторов рекомендуется поддерживать температуру окружающей среды на уровне 250C, причем отклонения от данного показателя не должны превышать 2–3 градуса. При увеличении температуры на 100C они теряют около половины своей емкости. Таким образом, помещения, где установлены ИБП с традиционными батареями, должны охлаждаться с использованием кондиционеров, но это приводит к дополнительным энергозатратам в ЦОД и понижению коэффициента энергоэффективности (Power Usage Effectiveness, PUE).
Литий-ионные батареи менее чувствительны к колебаниям температуры: по данным Schneider Electric, они могут использоваться при 500C без заметных изменений производительности.
Вместе с тем, наряду со всеми своими привлекательными свойствами, литий-ионные аккумуляторы не лишены ряда недостатков.
Наиболее серьезным из них остается высокая закупочная стоимость, которая, по различным оценкам, от полутора до трех раз выше, чем у сопоставимых по параметрам свинцово-кислотных батарей. Это связано и с более высокими затратами на их изготовление, и с необходимостью использования системы управления.
Дополнительные затраты могут потребоваться для переоснащения имеющихся ИБП. Эксперты указывают на конструктивные отличия, которые в ряде случаев не позволяют осуществить непосредственную замену свинцово-кислотных батарей на литий-ионные. Кроме того, последние, как правило, не используются в ИБП в режиме «горячей» замены, к тому же особые требования предъявляются к транспортировке.
И все же мы наблюдаем постоянно растущий интерес к применению литий-ионных батарей в ИБП, устанавливаемых в центрах обработки данных. Этому способствуют снижение их начальной цены, а также меньшая, чем у традиционных аккумуляторов, совокупная стоимость владения (Total Cost of Ownership, TCO), в том числе из-за более экономичного обслуживания. По оценкам производителей, за десятилетний период эксплуатации разница в TCO может составлять более 30%.
Литий-ионные аккумуляторные батареи, как утверждают эксперты, улучшают технологические и эксплуатационные характеристики источников бесперебойного питания, так как имеют более длительный срок службы, небольшие размеры и вес, меньшее время перезарядки, а также снижают совокупные затраты на их приобретение и эксплуатацию.
При сопоставимой емкости литий-ионные батареи обеспечивают более высокую плотность энергии, так как занимают меньшую площадь и обладают меньшим весом
Основные отличия литий-ионных и свинцово-кислотных батарей заключаются в химическом составе их электролитов и материалах, используемых для электродов. В катодах большинства литий-ионных аккумуляторов применяются оксиды металла, их аноды изготавливаются из материалов на углеродной основе, электролитом является соль лития в органическом растворителе. В свинцово-кислотных аккумуляторах катод изготавливается из диоксида свинца, аноды свинцовые, электролитом служит серная кислота.
В состав литий-ионных батарей входит микропроцессорная система управления (Battery Management System, BMS), которая отвечает за мониторинг их критически важных параметров и процессов, включая напряжение, ток, температуру, заряд и разрядку. В случае возникновения нештатных ситуаций BMS формирует соответствующие сообщения и, если необходимо, отключает батарею.
BMS являются неотъемлемыми компонентами литий-ионных батарей, в то время как такие системы не входят в состав решений для ИБП со свинцово-кислотными аккумуляторами — эти функции выполняются внешними средствами.
Переход на литий-ионные аккумуляторы позволяет повысить эффективность инженерной инфраструктуры коммерческих и корпоративных ЦОД. Производители тестируют на совместимость с такими батареями свои ИБП, которые уже установлены в центрах обработки данных заказчиков, а также выпускают новые продукты с соответствующей поддержкой.
Тестирование на совместимость подходящих по напряжению для ИБП аккумуляторов на основе лития, как поясняют в Schneider Electric, необходимо, поскольку у батарей этого типа особые химические процессы, диапазон напряжений, габаритные размеры, соединители и т. д. Кроме того, требуется внести изменения в программное обеспечение ИБП для оптимизации режимов работы батарей нового типа и мониторинга происходящих в них процессов.
Компания Schneider Electric предлагает несколько моделей источников бесперебойного питания, которые поставляются вместе с литий-ионными батареями. Кроме того, имеется возможность установить такие батареи после завершения срока службы ранее использованных свинцово-кислотных аккумуляторов.
В числе этих устройств — трехфазные ИБП серии Galaxy 7000 различной мощности, предназначенные для средних и крупных ЦОД и объектов критически важной инфраструктуры; модульные трехфазные ИБП Symmetra MW для крупных центров обработки данных, поддерживающие параллельную работу и обеспечивающие высокий уровень отказоустойчивости; компактные трехфазные ИБП Galaxy VM с внешними аккумуляторными шкафами, которые применяются для электропитания ЦОД среднего размера и промышленных предприятий.
С литий-ионными аккумуляторами теперь можно использовать и однофазные ИБП Smart-UPS On-Line с двойным преобразованием энергии, устанавливаемые для защиты серверов и сетевого оборудования от перепадов сетевого напряжения и незапланированных отключений электроэнергии.
Специалисты компании Vertiv намерены реализовать поддержку литий-ионных батарей во всех моделях семейства ИБП Liebert. В январе было объявлено о тестировании и сертификации новейших ИБП Liebert EXM 480V (50–250 кВт/кВА) для работы с литий-ионными батареями (соответствующие конфигурации доступны пока в Северной Америке). Как ожидает производитель, эти источники будут применяться в «средних» ЦОД и ИТ-комплексах, предназначенных для граничных вычислений.
Шкафы c литий-ионными батареями успешно выдержали комплексные испытания и теперь совместимы, помимо прочего, с системами Vertiv NXL, NX225-600kVA, EXL, Series 610, EXL S1 и Liebert Trinergy Cube. Две последние серии поставляются с аккумуляторами нового типа в страны региона EMEA. Выпущенные в 2016 году бестрансформаторные ИБП Liebert EXL S1 с двойным преобразованием энергии пришли на смену ИБП серий Liebert/Chloride 80-NET в диапазоне мощностей от 100 до 1200 кВА. ИБП Liebert Trinergy Cube обеспечивают возможность «горячего» масштабирования до 3,4 МВт в моноблочных устройствах и до 27 МВт в параллельных конфигурациях.
Компания Eaton тоже внедряет батареи нового типа в свои ИБП. Весной прошлого года на партнерском форуме Eaton Partner Summit ее представители объявили о предстоящем выпуске ИБП с литий-ионными аккумуляторами. Они входят в состав серий 3 и 5 ИБП Eaton и обладают всеми преимуществами таких устройств — к примеру, 90-процентная зарядка их батарей выполняется всего за 4 ч (по сравнению с 48 ч для свинцово-кислотных аккумуляторов).
Уже выпущены ИБП 5P1550GR-L (1550 ВА / 1100 Вт, 230В) со встроенными литий-ионными аккумуляторами в стоечном (1U) и настенном исполнениях. Эти аккумуляторы, которые могут заменять сами пользователи, снабжены системой управления температурными режимами и мониторинга жизненного цикла. Рабочий диапазон температуры окружающей среды — от 0 до 400C.
В качестве опций можно приобретать литий-ионные батареи для модульных ИБП Eaton 93PM, мощность которых достигает 400 кВт, и Eaton Power Xpert 9395 (200–1200 кВт).
Компания Tripp Lite выпустила свои первые ИБП с литий-ионными батареями в ноябре 2017 года, когда серия SmartPro пополнилась моделью SMART2200RM2UL (2200 ВА / 1920 Вт). У этих батарей вдвое больший срок службы, чем у свинцово-кислотных, и до трех раз большее число циклов заряда-разряда. Они способны заряжаться менее чем за 2 ч до полной емкости и обеспечивают поддержку полной нагрузки в течение 5,1 мин.
Аналитики компании IHS Markit прогнозируют заметный рост мирового рынка ИБП в 2018 году (рис. 1), отмечая существенное влияние на его динамику со стороны ЦОД, которые предоставляют услуги размещения ИТ-оборудования и облачные сервисы. К важным тенденциям этого рынка они относят растущий интерес к использованию литий-ионных батарей.
Потребности ЦОД Северной Америки и Европы в энергии (в гигаватт-часах), запасенной в их источниках бесперебойного питания А согласно результатам исследования компании Bloomberg New Energy Finance, такие ИБП формируют быстрорастущий сегмент рынка источников бесперебойного питания для ЦОД в Северной Америке и Европе. Запас энергии в аккумуляторах для ИБП возрастет в странах этих регионов с 3,5 ГВт*ч в 2016-м до почти 14 ГВт*ч в 2025 году. Причем доля литий-ионных батарей достигнет 40%, что в общей сложности составит 5,6 ГВт*ч (рис. 2).
По расчетам BNEF, в гипермаштабируемых ЦОД таких интернет-гигантов, как Amazon, Facebook и Google, где требования к эффективности инженерного оборудования весьма велики, доля энергии, запасенной в литий-ионных аккумуляторах, в 2025 году составит 55%.
По данным компании Schneider Electric, ее первые инсталляции ИБП с литий-ионными технологиями появились в 2016 году и к настоящему времени установлены на более чем двух десятках объектов, а запасенная в них энергия превышает 10 МВт*ч.
Такие ИБП применяются не только в коммерческих ЦОД, но и в корпоративных центрах обработки данных финансовых компаний, в ИТ-комплексах промышленных предприятий, а также в серверных комнатах.
«В России и странах СНГ мы завершили в 2017 году несколько крупных проектов, где были внедрены ИБП средней и большой мощности — от 160 кВА и выше — с литий-ионными батареями. У нас системы подобного рода применяются в центрах обработки данных финансового сектора, но в других странах они устанавливаются на различных объектах — от фабрик, изготавливающих полупроводниковые элементы, до заводов, выпускающих молочные продукты», — сообщил Павел Пономарев, менеджер по развитию направления «Трехфазные ИБП» подразделения IT Division компании Schneider Electric.
«Ограничения на увеличение доли литий-ионных батарей в портфеле проданных в нашей стране решений связаны с желанием российских компаний жить сегодняшним днем и их интересом к снижению капитальных, а не операционных затрат. Однако мы надеемся, что, как и в случае любой другой новой технологии, количество внедрений с каждым годом будет увеличиваться и российские организации оценят выгоду от применения подобных систем, убедятся в их надежности и предсказуемости», — добавил Павел Пономарев.
«ИБП Eaton с литий-ионными батареями не так давно стали доступны в России. Проекты, в которых возможно их применение, находятся на стадии проработки, а их запуск — вопрос ближайшей перспективы. Мы отмечаем большую заинтересованность заказчиков в использовании ИБП с литий-ионными батареями и осведомленность потенциальных потребителей о свойствах таких аккумуляторов. Однако, из-за пока еще высокой стоимости решений на их основе, российский спрос на эту продукцию до сих пор невелик. Это характерно как для коммерческих, так и для корпоративных ЦОД», — подчеркнул Михаил Саликов, директор по продажам подразделения «Сегменты» компании Eaton.
По прогнозу международной компании AECOM, к 2020 году стоимость литий-ионных аккумуляторов снизится на 60%. Это положительно скажется на цене конечных продуктов и повышении спроса на них, полагают в российском представительстве Eaton, отмечая, что такие факторы, как уменьшение капитальных и эксплуатационных расходов, более длительный срок службы, повышение надежности и ряд других, делают более выгодным приобретение подобных ИБП.
Российская компания «Лиотех», входящая в группу «Роснано», специализируется в том числе на производстве литий-ионных аккумуляторов повышенной емкости. В течение 2018 года в компании планируют завершить этап проектирования и провести испытания совместной работы ИБП с литий-ионными батареями. В области разработки системы бесперебойного электроснабжения на основе литий-ионных аккумуляторов «Лиотех» взаимодействует с несколькими производителями ИБП для ЦОД. К концу 2018 года ожидается появление ИБП для ЦОД на базе литий-ионных аккумуляторов «Лиотех»
Однако, напоминают эксперты IHS Markit, потребность в свинцово-кислотных батареях остается достаточно высокой и технология постоянно совершенствуется.
Тем временем мировой рынок литий-ионных батарей продолжает расти благодаря спросу со стороны производителей электромобилей и альтернативных источников электроснабжения. К 2024 году, прогнозируют аналитики Global Market Insights, его объем превысит 60 млрд долл., что окажет заметное влияние на совершенствование литий-ионных батарей, применяемых в ЦОД, и будет способствовать их внедрению в инженерную инфраструктуру центров обработки данных.
