Противопожарная защита аккумуляторных систем хранения энергии для ЦОД

Владельцы и операторы дата-центров сегодня уделяют все больше внимания устойчивым источникам энергии, включая ветряные и солнечные фермы, геотермальные и гидроэлектростанции, развертывание которых способствует прогрессу в достижении экологических целей.

В Google поставили целью достичь нулевого выброса углерода в режиме 24/7 к 2030 году. Amazon Web Services (AWS) рассчитывает достичь 80-процентной доли возобновляемых источников энергии в энергетическом балансе ЦОД к 2024 году. Корпорация Microsoft стремится достичь 70-процентной доли возобновляемых источников энергии к 2023 году.

К сожалению, количество электроэнергии, генерируемой с помощью СЭС, ВЭС, ГЭС и ГеоЭС, варьируется в широких пределах в зависимости от климатических условий и иных параметров, что вызывает необходимость в надежных и доступных системах хранения энергии. Сегодня операторам и владельцам ЦОД доступно множество продуктов подобного рода, включая достаточно экзотические гравитационные системы хранения энергии и решения, использующие сжатый воздух. Но наиболее популярными являются аккумуляторные системы хранения энергии (АСХЭ).

АСХЭ представляют собой накопители электроэнергии, как правило, вырабатываемой из возобновляемых источников или поступающей из обычной электросети. Накопленная энергия используется в случае роста спроса или возникновения чрезвычайных ситуаций. В сегменте дата-центров АСХЭ все чаще используются в качестве элементов инфраструктуры аварийного электропитания, дополняя дизельные или газовые системы. Аналитики ожидают, что к 2026 году совокупный оборот мирового рынка АСХЭ вырастет до 26 миллиардов долларов США. Причем ожидается, что 97,8% подобных систем будут использовать литий-ионные (Li-Ion) батареи.

Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают высокую плотность энергии при небольшой занимаемой площади, но их эксплуатация связана с определенными рисками. Когда литий-ионный аккумуляторный элемент выходит из строя вследствие дефекта / неправильной эксплуатации, может произойти потенциально катастрофическое событие, известное как тепловой разгон, при котором химическая энергия преобразуется в тепловую. При достижении порога воспламенения возникает вероятность катастрофы на объекте.

Этапы возгорания АСХЭ

Пожары АСХЭ, как правило, развиваются по следующему сценарию:

• Стадия 1: Производственный дефект или механическое / электрическое / термическое воздействие инициирует тепловую реакцию в аккумуляторной ячейке.
• Стадия 2: Поврежденный элемент начинает перегреваться и выделять CO2, летучие органические соединения (ЛОС) и, возможно, иные газы – в зависимости от химического состава батареи. На этом этапе необходимо вмешательство для смягчения или предотвращения теплового разгона.
• Стадия 3: Когда начинается тепловой разгон, его нельзя остановить, но распространение негативного эффекта можно смягчить.
• Стадия 4: Взрыв и/или пожар, который может поглотить АСХЭ и распространиться на соседние элементы критически важной инфраструктуры.

При исследовании этой угрозы инженеры организации NFPA Fire Protection Research Foundation отметили, что в литий-ионных батареях используются растворенные соли лития (LiPF6), а не свободный металлический литий, поэтому вода может использоваться в качестве огнетушащего вещества.

Конечно, высокая температура может привести к ситуации, когда паровой взрыв усугубит угрозу. Вода может не попасть в скрытые или закрытые камеры, а также нанести значительный ущерб электрическим и механическим системам, не охваченным деструктивными процессами. Кроме того, вода в больших количествах может быть недоступна в определенных районах. Например, в пустынной местности, где часто используются массивы солнечных панелей в тандеме с ЦОД.

Датчики сверхраннего предупреждения и системы обнаружения угроз

К счастью, существуют технологии и методы, которые могут смягчить или предотвратить тепловой разгон батареи при раннем обнаружении признаков угрозы. Эффективные методы смягчения негативных последствий подобных инцидентов могут быть реализованы путем проектирования, мониторинга и активного контроля силовой инфраструктуры с использованием интеллектуальных датчиков раннего предупреждения и соответствующих технологий подавления угрозы и до ее широкого распространения. Перечень датчиков и прочих инструментов, которые рекомендуется использовать для мониторинга АСХЭ, включает следующее:

• Системы управления батареями: Контролируют температуру, напряжение и импеданс отдельных батарей и предупреждают о превышении предварительно установленных пороговых значений.
• Датчики качества электроэнергии: Отслеживают нарушения в работе системы электроснабжения, анализируя и преобразовывая показатели качества электроэнергии в простую и полезную информацию.
• Тепловизионные ИК-датчики: Позволяют контролировать температуру поверхности батареи, выделяя чрезмерно горячие точки. Их также можно использовать для мониторинга другого оборудования внутри ЦОД, включая блоки распределения электропитания, процессоры, вентиляторы и другие механические подсистемы.
• Датчики удара и вибрации: Позволяют отслеживать еще одну основную причину катастрофических отказов аккумуляторов: механические повреждения. Фиксируя вибрации по несколько раз в секунду, данные сенсоры позволяют обнаруживать потенциальное механическое повреждение.
• Датчики охлаждающей жидкости: Типичные охлаждающие жидкости в литий-ионных АСХЭ состоят из 50% этиленгликоля и 50% воды. Сенсоры охлаждающей жидкости и воды позволяют обнаруживать протечки и немедленно принимать меры для предотвращения бедствий.
• Датчики газа: Датчики газа могут обнаруживать утечки из неисправной системы охлаждения, использующей газообразный хладагент вроде R-134a.

Новый сенсор для раннего обнаружения угроз

Авторы исследования под названием «Обнаружение отказа литий-ионных аккумуляторов и вентиляции с помощью датчиков углекислого газа» (Detection of Li-ion Battery Failure and Venting with Carbon Dioxide Sensors) пришли к выводу, что «CO2 и ЛОС обнаруживаются в высоких концентрациях в отходящих газах во всех экспериментах по тепловому разгону». Следовательно, детекторы газообразных веществ обоих типов считаются подходящими для целей обнаружения неполадок в работе АСХЭ.

ЛОС представляют собой химические вещества на основе углерода, такие как метилэтилкарбонат (C4H8O3), и для их обнаружения разработаны многочисленные сенсоры. То же самое касается и обнаружения CO2.

Как только датчики (или комбинация датчиков и системы рассылки сигналов тревоги) обнаружат угрозу (стадии 1 и 2), АСХЭ должна быть отключена, а система автоматического подавления воспламенения активирована. Как уже упоминалось, на этих ранних стадиях следует избегать воды, поскольку она не может достичь скрытых очагов возгорания и потенциально способна повредить электрические / механические системы.

Надлежащее подавление горения может предотвратить распространение угрозы

Система пожаротушения, использующая инертный газ, может быть эффективной как за счет снижения содержания кислорода в помещении, так и за счет поглощения тепла огня, прерывая реакцию горения. Инертные газы, включая аргон, двуокись углерода и азот, не проводят электрический ток и не оставляют следов, требующих очистки.

Подавление огня может быть направлено на определенные области, считающиеся источником угрозы, или на полное заполнение рабочим телом всего контейнера / комнаты. Даже если в пожаре задействован компонент АСХЭ, не являющейся батареей, этот метод позволяет потушить пожар, не вызывая повреждения водой и не требуя последующей очистки.

Быстрое заполнение АСХЭ огнетушащим веществом предотвращает образование большого количества взрывоопасной электролитно-кислородной смеси, уменьшая вероятность теплового разгона и препятствуя распространению огня на соседние аккумуляторные элементы. Это исключает вторичное возгорание и возможность повторного возгорания, поскольку инертный газ может оставаться в контейнере / помещении в течение длительного периода времени, если АСХЭ интегрирована с системой вентиляции.

Какое средство пожаротушения является наиболее подходящим в данном случае? Химические огнетушащие вещества не могут использоваться в подобном сценарии применения, поскольку это способствует образованию опасных продуктов разложения, или может потребоваться продолжительная разрядка.

Потенциальными альтернативами являются три естественных газа для пожаротушения: азот (N2), двуокись углерода (CO2) и аргон (Ar). Аргон представляет собой молекулу из одного атома и не вступает в реакцию ни с одним элементом периодической таблицы. Он не разлагается в условиях высокотемпературного пожара, безопасен для имеющегося оборудования и подходит для тушения пожаров классов A, B, C и D, что делает данное вещество совместимым с аккумуляторами различного химического состава. По этим причинам аргон является подходящим огнетушащим веществом для систем хранения энергии на базе литий-ионных аккумуляторов, обеспечивая превосходные результаты.

Будущее за возобновляемыми источниками энергии. Но массовое развёртывание солнечных и ветряных ферм, включая создание подобных генерирующих мощностей рядом с ЦОД, требует надежного и экономичного хранения энергии.

В случае любой критически важной инфраструктурной системы, включая АСХЭ, надежная защита от пожаров является ключом к снижению общих эксплуатационных расходов в течение всего срока полезной эксплуатации. Датчики сверхраннего предупреждения в сочетании с соответствующими и эффективными системами подавления огня способны справится с данной задачей, обнаруживая угрозы на раннем этапе и уменьшая их распространение до того, как возникнут бедствия.