W obecnym czasie nie można sobie wyobrazić budowy serwerowni bez zapewnienia zasilania gwarantowanego dla systemów informatycznych. Realizuje się w nich rozwiązania redundantne w postaci 2 linii zasilających, agregatów prądotwórczych, rozdzielni węzłów zasilania oraz redundantnych systemów UPS. W większości przypadków zasobnikami energii dla systemów UPS są akumulatory. W przypadku nawet chwilowej awarii zasilania sieciowego baterie te wykorzystują zgromadzoną energię, aby zapewnić ciągłą pracę elementów infrastruktury krytycznej. Pod kątem takich zastosowań, w firmie Hoppecke prowadzono prace rozwojowe ukierunkowane na stworzenie wysokowydajnych, niezawodnych akumulatorów cienkopłytowych z czystego ołowiu – tzw. baterii HPPL (ang. High Performance Pure Lead). Jakie korzyści przynosi zastosowania HPPL z punktu widzenia magazynowania energii oraz jakie szczególne cechy ma w porównaniu z typowymi technologiami AGM? Postaramy się poniżej odpowiedzieć na te pytania.
Akumulatory AGM i ich struktura
Akumulatory AGM to rozwiązania ołowiowe-kwasowe. Baterie tej konstrukcji są bezobsługowe przez cały okres eksploatacji w zakresie uzupełniania wodą. Mata szklana pomiędzy elektrodami utrzymuje siłą kapilarną w swoim wnętrzu elektrolit w postaci roztworu kwasu siarkowego. Jednocześnie pełni ona funkcję separatora, który oddziela od siebie elektrody dodatnie i ujemne. Akumulatory AGM cechuje wysoka gęstość energii oraz mocy, w porównaniu do innych modeli ołowiowych.
Baterie HPPL serii grid | Xtreme VR to udoskonalone akumulatory AGM
Baterie HPPL również należą do serii rozwiązań AGM, ale z tą różnicą, że zastosowane elektrody są ok. 3-krotnie cieńsze. Potencjał tej technologii tkwi w maksymalizacji liczby zastosowanych elektrod, co skutkuje większą powierzchnią reakcji elektrochemicznej i wyznacza nowe standardy pod względem gęstości energii oraz mocy.
Zalety powiększonej powierzchni reakcji są najbardziej widoczne podczas ładowania. Typowe akumulatory AGM ładuje się zwykle prądem do 20 A na 100 Ah, natomiast modele wykonane w technologii HPPL – do 40 A na 100 Ah, co pozwala znacznie skrócić czas ich ładowania. Dodatkowo, użyty materiał elektrod zapewnia niskie tempo samorozładowania, co pozwala na wydłużenie czasu przechowywania, w porównaniu do typowych akumulatorów VRLA.
Warto zwrócić uwagę na fakt że baterie serii grid.Xtreme VR są produkowane w Polsce, w zakładzie zlokalizowanym koło Poznania. Produkcja rozpoczęła się w 2022 roku. Technologia wytwarzania jest unikalna. Automatyzacja etapów produkcji, w których jest wymagania największa precyzja, została w pełni zautomatyzowana. W ten sposób osiągnięto wyjątkową powtarzalność parametrów. Już teraz baterie
z napisem „Made in Poland” wysyłane są na wszystkie kontynenty, a docelowe moce produkcyjne zakładu przekroczą 1 mln sztuk bloków baterii rocznie.
Akumulatory AGM a korozja kratki
W środowisku korozyjnym, które panuje w akumulatorach kwasowo-ołowiowych, ołów metaliczny ma tendencję do korozji do tlenków ołowiu przez cały okres eksploatacji. Szczególnie wysoki potencjał elektryczny dodatniej masy aktywnej prowadzi do utleniania wszystkich powiązanych z nią składników metalowych. Korozja prowadzi ostatecznie do dwóch destrukcyjnych dla akumulatora skutków:
- wraz z postępującą korozją elementów wyładowczych następuje zmniejszenie przewodności, co ma negatywne skutki w zastosowaniach wysokoprądowych, takich jak te występujące obecnie w centrach danych,
- powstające tlenki ołowiu prowadzą do zwiększenia objętości kratki elektrod, powstające naprężenia mechaniczne powodują, że porowate struktury mas aktywnych tracą kontakt elektryczny z kratką przewodzącą, co z kolei prowadzi do utraty pojemności i dalszego zmniejszenia przewodności akumulatora.
Typowe akumulatory AGM zawierają kratki wykonane ze stopów ołowiu z wapniem. Wapń osadza się na granicy struktur krystalicznych ołowiu powodując przy normalnej korozji powierzchniowej dodatkowo korozję międzykrystaliczną. Głębsze struktury w kratce są zatem dość szybko narażone na zniszczenie powodując trwałe uszkodzenie kratki przewodzącej.
Dla odmiany ołów o wysokiej czystości, jako materiał kratki, jest wolny od pierwiastków stopowych lub zanieczyszczeń, dzięki czemu nie dochodzi do międzykrystalicznego zniszczenia kratki i występuje tu jedynie powolnie postępująca korozja powierzchniowa. W porównaniu z konwencjonalnie wykonanymi kratkami, rozwiązania z czystego ołowiu mogą być zatem znacznie cieńsze i nadal utrzymywać odpowiednią żywotność.
Baterie HPPL zapewniają wysoką wydajność prądową przez cały okres eksploatacji
Wywołane korozją redukcje przekrojów dróg prądowych wpływają na napięcie końcowe i skracają czas bezpiecznego przewodzenia wysokich prądów. W akumulatorach HPPL maksymalizując liczbę zainstalowanych elektrod w danej objętości uzyskuje się wartości rozładowania powyżej wymaganych prądów roboczych. Dodatkową zaletą jest możliwość zapewnienia wysokich prądów rozładowania w mniejszej kubaturze instalacji.
Znacznie wolniejszy mechanizm korozji, który jest ograniczony do powierzchni powoduje tylko minimalne ubytki materiału, dzięki czemu integralność kratki nośnej, a tym samym przewodność podczas eksploatacji zmienia się mniej. Z tego powodu akumulatory z kratkami z czystego ołowiu mogą zapewnić wysokie prądy rozładowania przez dłuższy okres eksploatacji przy tej samej klasyfikacji żywotności.
Wysokie temperatury pracy
Można zaobserwować silną zależność tempa reakcji chemicznych (takich jak korozja) od temperatury. Wzrost średniej temperatury otoczenia o 10 K zmniejsza żywotność baterii o połowę. Z tego powodu pomieszczenia bateryjne większych systemów UPS są klimatyzowane, a pomieszczenia baterii ołowiowo-kwasowych i sprzętu są fizycznie oddzielone. Oddzielanie elementów systemu o różnych poziomach temperatury zwiększa jednak koszty operacyjne, a tym samym całkowity koszt posiadania dla użytkownika (tzw. TCO).
Mając to na uwadze, akumulatory AGM z czystym ołowiem (HPPL) są również dobrą alternatywą ze względu na ich rozszerzony zakres temperatur pracy. Bez zmniejszania żywotności, w porównaniu z typowymi akumulatorami AGM, systemy baterii HPPL i sprzęt mogą być przetrzymywane w tym samym pomieszczeniu, a rozwiązanie może pracować w średniej temperaturze 30°C w sposób oszczędzający energię.
Co ważne, system klimatyzacji zużywa średnio ok. 4% więcej energii na każdy dodatkowy stopień, o który pomieszczenie akumulatorowe musi zostać schłodzone. Wzrostowi średniej temperatury roboczej z 20 do 30°C towarzyszy zatem 40-procentowa oszczędność kosztów energii.
Akumulatory AGM (HPPL) stosowane w centrach danych
Akumulatory AGM (HPPL) firmy HOPPECKE są sprzedawane pod nazwą grid | Xtreme VR. Jest to seria o niezwykłych cechach, która jednocześnie ma potencjał zrewolucjonizowania większości aplikacji UPS w centrach danych oraz szeroko pojętej telekomunikacji. Najważniejsze właściwości technologii, a także korzyści płynące z niej dla użytkowników to m.in.:
- zwiększona gęstość mocy z objętości,
- niskie tempo korozji,
- rozszerzony zakres temperatur pracy,
- możliwość szybkiego ładowania,
- wydłużone okresy pomiędzy doładowaniami,
- dodatkowe punkty pomiarowe w bloku baterii.
Obudowy akumulatorów zostały zaprojektowane w taki sposób, aby w połączeniu z wysokiej jakości tworzywami sztucznymi zapewnić pełną funkcjonalność akumulatorów w podwyższonych temperaturach pracy. Opcjonalne przymocowanie opatentowanych metalowych wzmocnień do ścian końcowych pomaga utrzymać identyczne ciśnienie we wszystkich ogniwach przy instalacji na standardowych stojakach. Przy stojakach specjalnie przeznaczonych do grid | Xtreme VR możliwe jest zmniejszenie powierzchni zajmowanej o połowę.
Konstrukcja obudowy zapewnia ponadto dodatkowe punkty pomiarowe bez konieczności demontowania łączników, co pozwala użytkownikowi na bardzo łatwe i wiarygodne wykonywanie pomiarów impedancji. Stan poszczególnych bloków można więc niezawodnie określić, a przez to i dyspozycyjność operacyjną całej baterii.
Hoppecke opracowało specjalny stojak redukujący przestrzenie serwisowe wewnątrz do zera. Osiągnięto w ten sposób gęstość energii i mocy identyczną jak w bateriach litowo-jonowych. Warto podkreślić, że akumulatory AGM są nadal dużo bezpieczniejsze w użytkowaniu.
Więcej informacji o bateriach grid | Xtreme VR można znaleźć na stronie www.xtreme.hoppecke.com/en.
Publikacja artykułu: lipiec 2023 r.
