Анализ использования литий-ионных батарей в ЦОД

Развитие ИТ-инфраструктуры многих стран тесно связано с активным строительством и расширением центров обработки данных. Для каждого центра обработки данных (ЦОД) вопрос бесперебойного электроснабжения имеет одну из ключевых ролей в обеспечении его работоспособности и генерации прибыли. Для решения данной проблемы широко используются источники бесперебойного питания (ИБП) с аккумуляторными батареями (АКБ). Согласно оценке экспертов Frost & Sullivan в ближайшие 5 лет на рынке АКБ для ЦОД ожидается устойчивый растущий тренд, со среднегодовым ростом 8,7%.

В последние годы наблюдается устойчивый рост применения литиевых батарей в ЦОД, в 2020 году доля использования литиевых батарей составила 15%. В ближайшие 5 лет прогнозируется продолжение растущего тренда, и уже к 2025 году доля достигнет 38,5%, при этом среднегодовые темпы роста будут сохраняться на уровне 30%. Причиной такого быстрого роста является множество преимуществ, среди которых выделяются следующие:

1) Более длительный срок службы;

2) Меньший вес и компактный размер;

3) Больший объем энергии и удельная отдачи энергии;

Меньшая необходимость в техническом обслуживании.


При более подробном рассмотрении ситуации мы можем увидеть распределение применения литиевых батарей в ЦОД по регионам и отраслям.



Если рассматривать глобальный рынок литиевых АКБ, а 2020 год наиболее распространенной технологией литиевых батарей является LCO (оксид литий-кобальта) с долей 34%, однако уже к 2025 году прогнозируется падение ее доли до 11%, при этом лидером станет технология NCM (литий-никель-марганец-кабальт-оксид) с долей 48%. Данный рост объясняется большим сроком службы по сравнению с LCO, а также лучшей конкурентоспособностью по цене.


На ближайшие 5 лет прогнозируется стабильное расширение рынка литиевых батарей со среднегодовым ростом, равным 18,2%. Ожидается, что к 2025 году совокупный объем рынка составит 120 млрд долларов США. Подробнее результаты анализа экспертов Frost & Sullivan представлены на рисунке 6.


Рост рынка литиевых батарей ставит серьезные задачи производителям, с 2018 по 2025 прогнозируется значительный рост производственных мощностей для удовлетворения постоянно растущего спроса, ниже на рисунке 7 можно заметить, что в среднем к 2025 году производство вырастет в 7-10 раз по отношению к 2018 и достигнет 739 ГВт*ч.


Такая динамика обуславливается широким применением литиевых АКБ, а также их значительными техническими преимуществами. Ранее в статье мы упоминали об основных преимуществах, теперь предлагаем рассмотреть их подробнее:

1) Длительный срок службы. Литий-ионные батареи позволяют проводить больше циклов зарядки/разрядки без ухудшения состояния батареи.

2) Долгий срок службы при непрерывном подзаряде. Срок службы литий-ионных батарей при непрерывном заряде более чем в два раза превышает срок службы свинцово-кислотных батарей при аналогичных условиях; благодаря этому они служат в 2–3 раза дольше свинцово-кислотных батарей, что позволяет избежать необходимости замены в течение 10–15-летнего срока службы батареи.

3) Высокая эффективность разряда, низкая потеря мощности при быстрой разрядке. Литий-ионные батареи отлично подходят для сценариев, при которых требуется быстрая разрядка батарей за короткий промежуток времени.

4) Высокая плотность энергии, малая занимаемая площадь. Литий-ионные батареи обладают высокой плотностью энергии, что делает их примерно на 70 % легче и меньше свинцово-кислотных батарей. Это лучший выбор при расположении батарей в ограниченном пространстве.

5) Снижение стоимости эксплуатации. Литий-ионные батареи обеспечивают долгосрочную экономию за счет снижения эксплуатационных расходов, что приводит к снижению стоимости эксплуатации на 20–40 % по сравнению со свинцово-кислотными батареями.

6) Сниженный уровень риска. Литий-ионные батареи требуют меньшего количества замен, что снижает риск несчастных случаев при проведении работ по монтажу батарей; таким образом, повышается надежность и работоспособность.

7) Ускоренная зарядка. Литий-ионные батареи требуют значительно меньше времени для зарядки по сравнению со свинцово-кислотными батареями. Как правило, литий-ионная батарея может полностью зарядиться примерно за два часа, в то время как свинцово-кислотным батареям для этого требуется 10–12 часов.

8) Снижение затрат на охлаждение. Литий-ионные батареи разработаны для безопасной работы при более высоких температурах с гораздо меньшей степенью износа, чем свинцово-кислотные батареи, и, следовательно, снижают затраты на охлаждение.

9) Более длительный срок хранения дополнительно снижает энергозатраты. Увеличенный срок хранения литий-ионных батарей позволяет операторам мест установки не заряжать батареи во время длительных простоев. При нормальной работе для поддержания заряда батареи также расходуется гораздо меньше энергии.

10) Улучшенная экологичность. Литий-ионные батареи не содержат опасных химических материалов, а их процесс утилизации требует значительно меньших усилий.

Благодаря солидному списку преимуществ используются литий-ионные батареи получили широкое применение во многих отраслях, которые можно разделить на следующие основные направления:

• Промышленные, включая батареи, используемые в вилочных подъемниках, дрелях, телекоммуникациях, центрах обработки данных и других объектах;

• Сети и накопители энергии, включая батареи, используемые для резервного питания жилых, коммерческих и коммунальных потребителей;

• Автомобилестроение (электромобили);

• Бытовая электроника, включая батареи, используемые в ноутбуках, мобильных телефонах и других беспроводных устройствах.

Среди отраслевых сегментов на рынке доминируют автомобильная и промышленная отрасли, общая доля которых в 2020 г. составила 70,4 %. Совокупная доля этих двух сегментов, вероятно, увеличится до 74,2 % к концу 2025 г., благодаря растущей склонности к использованию электромобилей и отраслевым сценариям. Проникновение электромобилей, включая пассажирские автомобили, автобусы и отраслевые применения, такие как аккумуляторные дрели и вилочные погрузчики, дадут мощный импульс для роста рынка литий-ионных батарей в течение прогнозируемого периода.

Ожидается, что растущее внедрение технологий чистой энергии, наряду с растущим спросом на системы хранения энергии (ESS), увеличит общий вклад систем хранения энергии в общий рынок с 13 % в 2020 г. до 15 % к 2025 г. В 2020 г. доля потребительской электроники составила 16,6 % от общего объема рынка, а к 2025 г. ожидается снижение этого показателя до 10,8 %.

Вместе с ростом использования АКБ также прогнозируется и снижение стоимости батарей в расчете долларов США за кВт·ч. На рисунке 5 представлена демонстрация данного тренда. Согласно прогнозам Frost & Sullivan данный тренд продолжится в будущем и к 2028 году цена за 1 кВт*ч опустится ниже 100 долларов США.


Однако на данный момент многие игроки рынка ЦОД связывают использование литиевых батарей с определенным риском из-за относительно малого опыта эксплуатации. Также игроки связывают риски с надежностью, так как данный фактор является одним из наиболее проблемных аспектов при разработке литий-ионных батарей для крупномасштабных технологий хранения энергии. В целом, к проблемам надежности литий-ионных батарей могут быть отнесены риски возгорания или даже взрыва. Основными причинами этих проблем являются внутренние короткие замыкания внутри батарей и внутреннее тепловое истощение, вызванное внешними факторами, такими как избыточный заряд, сдавливание, прокол или падение. Решением данной проблемы является совокупность применяемых решений, перечисленных ниже:

1) Выбор стабильных материалов ячеек

Среди всех материалов для ячеек ЛЖФ (Литий Железо Фосфат, LiFePo) обладает самой стабильной молекулярной структурой и не возгорается при тепловом разгоне. При разложении ЛЖФ не образуется кислород, что резко снижает риск взрыва. Например, для проверки надежности ЛЖФ используется проба с гвоздем. После короткого замыкания внутри ячейки происходит тепловой выброс, при этом она не воспламеняется и не взрывается.

2) Гарантия надежности на уровне системы

Система управления питанием литиевых батарей особенно важна. Многоуровневая система управления питанием батареи должна использоваться для заблаговременного выявления неисправностей и обслуживания, чтобы контролировать тепловой выброс на ранней стадии для предотвращения пожаров.

3) Сочетание с профилактикой и тушением пожаров

Надежность литиевой батареи зависит от профилактики. После возникновения пожара необходимо минимизировать последствия, чтобы предотвратить распространение огня в шкафу. Кроме того, шкаф должен быть оснащен средствами пожаротушения. При возникновении пожара можно использовать систему пожаротушения шкафа, чтобы быстро потушить огонь. Режимы пожаротушения в шкафу могут быть на уровне модуля или на уровне целого шкафа.

Рост использования стабильных LiFePo АКБ приведет к перераспределению рынка батарей для ЦОД, подробное данные изменения представлены на рисунке ниже:


Подводя итоги проведенного анализа мы можем с уверенностью сказать, что мировой рынок АКБ для ЦОД ждут неизбежные изменения, которые уже начались. Использование литиевых АКБ будет продолжать расти в течение следующих лет, ключевыми факторами данной тенденции являются:

• Длительный срок службы;

• Высокая эффективность разрядки;

• Высокая плотность энергии, малая занимаемая площадь;

• Снижение стоимости эксплуатации;

• Более длительный срок хранения.