Ad esempio, affidabilità, dimensioni e peso, oltre ad alcuni vantaggi meno noti come la riduzione della manutenzione, un sistema HVAC più piccolo e l'accesso alle informazioni sul monitoraggio della batteria.
Le batterie agli ioni di litio possono essere installate in spazi progettati per batterie al piombo-acido, e i nuovi data center possono essere progettati specificamente per sfruttare le dimensioni ridotte e il peso inferiore delle batterie agli ioni di litio. D'altro canto, la stampa diffonde molte informazioni negative e allarmistiche riguardo alle batterie agli ioni di litio.
Alcune di queste informazioni negative potrebbero creare incertezza tra i responsabili, le autorità competenti o i comitati incaricati della definizione degli standard, portandoli ad abbandonare le batterie agli ioni di litio, nonostante i numerosi vantaggi che offrono.
Sfondo
Vi è una mancanza di comprensione riguardo al termine "ioni di litio", che in realtà è un "termine generico" utilizzato per designare diversi tipi di batterie, con proprietà differenti (vedi Figura 1).
Il mondo delle batterie agli ioni di litio è regolato da acronimi di tre lettere, ognuno dei quali designa la miscela chimica del catodo primario o il materiale attivo dell'anodo. Alcuni esempi includono:
NCA
(utilizzato da Panasonic nelle sue batterie per il settore automobilistico e da Saft nelle batterie per applicazioni spaziali).
NMC
(utilizzate da Samsung, SKI, CATL nelle loro batterie per il settore automobilistico e da Saft negli aerei militari e nelle auto da corsa di Formula 1).
LFP
(utilizzata da molti produttori cinesi di batterie negli autobus elettrici e da Saft con la sua tecnologia brevettata SLFP, in batterie di backup, per data center, per applicazioni marine, per la mobilità e in batterie di grado militare 6T).
Ciascuno di questi tipi di batteria può essere ulteriormente suddiviso in base alla composizione chimica, alla struttura meccanica e ai processi di produzione, e ognuno di questi aspetti definisce elementi importanti della cella agli ioni di litio e dovrebbe essere meglio compreso prima di procedere.
Il termine ossido metallico viene utilizzato in modo intercambiabile con ossido metallico per indicare le celle NCA, NMC, LMO o LCO. Il termine fosfati viene utilizzato in modo intercambiabile con fosfati di ferro e fosfati di manganese per indicare le celle LFP, SLFP o LMFP.
Composizione chimica
ossidi metallici
Gli ossidi metallici sono i materiali catodici agli ioni di litio con la maggiore densità energetica e includono:
Ossido di litio, nichel, cobalto e alluminio NCA (LiNiCoAlO2)
Ossido di litio nichel manganese cobalto NMC (LiNiMnCoO2)
Ossido di litio-manganese LMO (LiMn2O4)
LCO Ossido di litio cobalto (LiCoO2)
È possibile miscelare diverse percentuali di ciascun materiale attivo per modificarne leggermente le prestazioni; tuttavia, a fronte di questi vantaggi, esistono anche degli svantaggi che è importante comprendere. Ad esempio, l'NCA ha una densità energetica più elevata ed è il più volatile, ma la volatilità può essere moderata miscelandolo con una proporzione di NMC, che ha una densità energetica inferiore, pur mantenendo una densità energetica relativamente elevata. L'LMO viene comunemente miscelato con l'NMC, poiché l'LMO è efficace nel fornire maggiore potenza e l'NMC è efficace nell'energia, ma l'LMO non offre prestazioni ottimali in applicazioni cicliche o ad alta temperatura.
Come suggerisce il nome, questi ossidi contengono ossigeno. Ciò significa che, in caso di cortocircuito interno che provochi un'instabilità termica, queste celle possono raggiungere temperature superiori a 800 °C, o addirittura 1000 °C (vedere la Figura 2 per maggiori dettagli), rendendo praticamente impossibile estinguere l'incendio utilizzando i tradizionali sistemi antincendio a riduzione di ossigeno.
fosfati di ferro
I fosfati di ferro sono generalmente preferiti perché offrono una maggiore sicurezza rispetto agli ossidi metallici. I fosfati hanno una durata molto lunga, raggiungendo facilmente una durata naturale prevista di 20 anni, offrono buone prestazioni e possono essere utilizzati a temperature più elevate. I principali materiali catodici sono:
Fosfato di ferro LFP (LiFePO4)
SLFP Super Fosfato di Ferro (LiFePO4)
La densità energetica dei fosfati è circa il 30% inferiore a quella degli ossidi metallici (20% della tensione e 10% della capacità della cella). Ciò significa che una batteria al litio ferro fosfato, che generalmente costa meno da produrre rispetto a una batteria all'ossido metallico, sarà comunque più costosa in base al semplice costo per unità di energia [4].
I fosfati non contengono ossigeno che può essere rilasciato in caso di incendio (il legame fosfato è troppo forte) e quindi raggiungono temperature molto più basse, intorno ai 200-250 °C, rendendo la propagazione da una cellula all'altra significativamente meno probabile (vedi Figura 4).
Batterie
Le batterie non sono celle singole. Una batteria agli ioni di litio è un insieme di celle con circuiti di protezione e comunicazione integrati. La maggior parte delle batterie per UPS è composta da moduli, ovvero gruppi di celle, insieme a circuiti di monitoraggio. Questi moduli vengono poi assemblati all'interno di un rack, insieme ai circuiti di monitoraggio, ai circuiti di commutazione e all'elettronica di comunicazione.
A livello di sistema, sono tipicamente presenti componenti aggiuntivi come il modulo locale di gestione della batteria (BMM), responsabile della sicurezza all'interno del singolo armadio batteria e comprendente componenti di commutazione di sicurezza; e un master globale (MBMM), che in questo esempio include anche un PLC (controllore logico programmabile) e contatti a potenziale zero, ed è responsabile della comunicazione interna con tutti gli armadi collegati in parallelo per formare un sistema di batterie, nonché con l'UPS e altre applicazioni esterne, come i sistemi informativi dell'edificio, per visualizzare le informazioni sulla batteria. La Figura 7 mostra alcuni dettagli di un armadio per batterie agli ioni di litio da 480 V. Contiene 11 moduli collegati in serie, nonché un sistema integrato di gestione della batteria: il modulo di gestione della batteria (BMM) e il master BMM (MBMM).
Figura 7: Una batteria Flex'ionTM di riserva con tutti gli elementi installati, montata in un armadio o in un rack.
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Affidabilità nelle applicazioni critiche Le batterie, destinate ai sistemi UPS nei data center, svolgono una funzione diametralmente opposta rispetto alle batterie ad alta energia utilizzate nei sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS). Ciò significa che sono state progettate in modo diverso, con requisiti differenti, a seconda della funzione principale della batteria. Le batterie utilizzate negli UPS dei data center hanno una funzione diametralmente opposta rispetto alle batterie ad alta energia impiegate nei sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS). Ciò significa che sono progettate in modo diverso e presentano requisiti differenti a seconda della funzione principale a cui la batteria è destinata. |
In un sistema di accumulo di energia a batteria (BESS), lo scopo principale della batteria è generare entrate, rendendola un bene di grande valore da cui ci si aspetta un profitto. In un gruppo di continuità (UPS), lo scopo principale è garantire che i sistemi UPS rimangano online abbastanza a lungo da permettere ai sistemi di backup secondari (spesso generatori diesel) di collegarsi e fornire energia elettrica fino al ripristino della rete elettrica.
BMS
Un buon BMS (sistema di monitoraggio della batteria) dispone di più livelli di protezione basati su software (firmware) e hardware (componenti di misurazione e commutazione elettrica).
La tensione di ogni singola cella deve essere monitorata, poiché reagisce più rapidamente della temperatura ed è un indicatore di sicurezza più affidabile. Nei sistemi ad alta energia per ESS (Energy Storage System) o applicazioni automobilistiche, è comune utilizzare le celle in parallelo; ciò riduce i costi per il BMS (Battery Management System) ma aumenta il rischio.
Il monitoraggio della temperatura delle celle è fondamentale, sia per la sicurezza, sia per le prestazioni e la durata. L'aumento della temperatura delle celle durante la carica o la scarica, rispetto al valore iniziale, determinerà l'autonomia (tempo massimo di scarica) e la potenza massima estraibile.
Il BMS deve essere sviluppato in conformità con IEC 61508 (Sicurezza funzionale dei sistemi elettrici/elettronici, sistemi programmabili relativi alla sicurezza elettronica), UL 991 (Standard per la prova dei controlli relativi alla sicurezza che impiegano dispositivi a stato solido) e UL 1998 (Standard per il software nei componenti programmabili) e avere un SIL (livello di integrità della sicurezza) [7] di almeno 1.
Sicurezza antincendio negli edifici
Esistono numerosi standard e linee guida che regolano la sicurezza antincendio delle batterie installate all'interno degli edifici. Per chiarezza, questo documento si concentra principalmente su IFC 2018, quarta edizione, capitolo 12 [8] e UL 9540A [9].
La maggior parte dei sistemi di accumulo di energia (BESS) viene installata in container all'esterno dell'edificio principale, mentre le batterie degli UPS tendono a essere installate in prossimità delle applicazioni critiche o vicino agli UPS all'interno del data center.
In teoria, la certificazione UL 9540A consente all'Autorità Competente (AHJ) di approvare un contenuto energetico illimitato e nessuna limitazione di spazio. Tuttavia, ci sono delle sfumature che devono essere considerate attentamente. Come si è comportato il prodotto in questione? A quale fase o temperatura si è verificata la propagazione termica incontrollata? Quando le celle hanno emesso gas di scarico e quando si è verificata l'instabilità termica incontrollata? Si sono verificate fiammate o un rapido disassemblaggio delle celle?
Le celle a base di ossido, anche quelle con un contenuto energetico inferiore e quindi considerate a basso rischio, hanno superato i test di sistema UL 9540A, nonostante la propagazione da cella a cella e da modulo a modulo, la combustione, l'instabilità termica entro pochi secondi dallo sfiato e il successivo rapido smantellamento. Le celle a base di fosfato di Saft hanno superato i test UL 9540A senza propagazione da cella a cella, senza fiamme e con diversi minuti tra lo sfiato e l'instabilità termica (ciò consente ai sistemi di rilevamento di avere tempo sufficiente per rilevare i gas elettrolitici e attivare un allarme).
Un sistema a base di fosfati, che non presenta propagazione da cella a cella, produce una frazione dei gas e del calore rispetto a un sistema a base di ossido, che invece presenta propagazione da cella a cella e da modulo a modulo, fiamme e rapido disassemblaggio, e pertanto richiede un sistema antincendio. Un sistema a base di fosfati dovrebbe poter essere installato senza propagazione da cella a cella e senza sistemi antincendio, anche all'interno di un edificio; un rilevatore di fumo dovrebbe essere sufficiente. Ciò rende un sistema a base di fosfati considerevolmente più sicuro da installare all'interno degli edifici.
Le celle a combustibile a ossido in fuga termica producono una quantità significativamente maggiore (>40%) di idrogeno e gas HF rispetto alle celle a combustibile a fosfato, per cella. Un sistema in cui si verifica la propagazione da cella a cella è in grado di produrre una quantità esponenzialmente maggiore di gas H₂ e HFrispetto a un sistema a fosfato che non presenta tale propagazione (centinaia di celle contro una sola cella).
Conclusione
Le batterie agli ioni di litio offrono numerosi vantaggi ai proprietari e ai gestori dei data center: sono più piccole, più leggere, durano più a lungo, possono funzionare a temperature più elevate e richiedono molta meno manutenzione. Esistono molti tipi diversi di batterie agli ioni di litio, quindi una scelta accurata è fondamentale.
I centri dati contengono una notevole quantità di apparecchiature elettroniche e dati sensibili. Queste apparecchiature sono suscettibili di danni da parte dei sistemi antincendio a base d'acqua, motivo per cui molti centri dati utilizzano sistemi antincendio a base di ossigeno che sostituiscono il gas (ad esempio, azoto o halon).
Gli incendi nelle batterie agli ioni di litio a base di ossido metallico non possono essere estinti con un sistema di riduzione dell'ossigeno, mentre i sistemi a base di fosfato sì, sebbene ciò potrebbe non essere necessario a causa della piccola quantità di gas prodotta e delle temperature più basse coinvolte.
Considerando il contenuto energetico totale, un attento bilanciamento tra sistemi ad alta, media e alta energia, in relazione alla composizione chimica, può contribuire a ridurre il rischio (sistema a fosfati ad alta potenza = rischio minore; sistema a ossido ad alta energia = rischio maggiore).
Pertanto, le batterie agli ioni di litio a base di ossido metallico non dovrebbero essere collocate all'interno dell'edificio principale del data center; dovrebbero invece essere posizionate all'esterno dell'edificio, magari in un contenitore a distanza di sicurezza, che possa bruciare completamente.
Se le batterie devono essere collocate all'interno dell'edificio, l'utilizzo di batterie agli ioni di litio consente di impiegare in loco la maggior parte dei sistemi antincendio a riduzione di ossigeno, per i quali è necessario installare un adeguato sistema di aspirazione dell'aria, qualora non sia già presente.
Sebbene non sia perfetto, lo standard UL 9540 può essere utile per affrontare i problemi critici di propagazione della carica da cella a cella e da modulo a modulo. Prevenire la propagazione il prima possibile consentirà di ottenere la migliore soluzione agli ioni di litio per un data center o altre applicazioni mission-critical.
Autore: Gareth Hackett (Saft)
