Облако на батарейках — резервное питание ЦОДов
Привет, Хабр! Мы в ITGLOBAL.COM, будучи облачным провайдером, занимаемся, как нетрудно догадаться, предоставлением облачных услуг. Однако физически наша инфраструктура витает далеко не в небесах, а на земле, в ЦОДах.
В теме облаков внимание обычно приковано к бизнес-моделям, по которым предоставляются те или иные сервисы к используемому программному стэку технологий и в самом конце к аппаратным компонентам самих серверов. Будь то стойки, уходящие в бесконечность, с накопителями всех видов для баз данных, или начинка самих серверов — от процессоров с числом ядер, приближающимся к сотне, до терабайт оперативной памяти и графических ускорителей, цена которых равна стоимости всей остальной стойки вместе взятой.
Ещё реже вспоминают, что электросеть также существует не в вакууме, а как и всё имеет свои свойства и особенности. Цена простоя в случае сбоя на единственный час может обойтись в десятки миллионов долларов.
Когда дело доходит до аккумуляторов, цена их неисправности может исчисляться в сотни миллионов долларов с потерей всего ЦОДа. В зависимости от их типа и того, насколько щедрыми вы оказались при их закупке, вас может ждать лёгкий испуг, либо бушующий пожар, по сложности сравнимый с тушением нефтяной вышки.
Свинец — тяжелый и надежный
Стойки с свинцовыми аккумуляторами
Изобретённый ещё в далёком 1859 году, свинцовый аккумулятор (VRLA) почти не изменился в наши дни. На серверном рынке они были также наиболее распространённым решением с 2016 года.
Да, это почти те же самые аккумуляторы, которые стоят в автомобилях с ДВС. И для которых так судорожно приходится искать донора, чтобы «прикурить» заряда, если они разрядились. В ЦОДе прикуривать аккумулятор вряд ли понадобится, а куда важнее их следующие преимущества:
Они дешевы, легко перерабатываются, своим весом приятно лежат в руке, просты в обслуживании — изредка требуя либо смены электролита, либо добавления дистиллированной воды. И есть у них, тем не менее, недостатки — крайне малая плотность энергии, а также короткий жизненный цикл.
Принцип работы свинцового аккумулятора
По принципу работы они невероятно просты. Их заряд и разряд работают за счёт градиента энергии, образуемого между катодом (+) и анодом (-). Из себя катод представляет пластины из диоксида свинца PbO2, а анод — пластины из свинца Pb, погруженные в серную кислоту.
В процессе разряда и диоксид свинца, и свинец реагируют с серной кислотой, образуя сульфат свинца и воду. Когда аккумулятор заряжается, реакция протекает в обратную сторону, диоксид свинца оседает на катоде, свинец на аноде, а концентрация серной кислоты возвращается на прежний уровень.
Но, если бы всё происходило всегда только так, то свинцовые аккумуляторы работали бы вечно, а этого, увы, не происходит. Причиной тому — сульфатация, процесс накопления сульфата свинца на аноде и катоде, что повышает сопротивление тока, а также уменьшает площадь поверхности, затрудняя химическую реакцию, что в итоге только ускоряет дальнейшую сульфатацию.
Особенно сильно сульфатация проявляется, если аккумулятор оставлен на долгий срок с низким зарядом, либо заряжается слишком высоким напряжением. Но и в нормальных условиях эксплуатации она практически неизбежна, и с увеличением числа циклов становится всё только заметнее.
Из хороших новостей: эффектом памяти, в отличие от никель-кадмиевых и литий-железо-фосфатных (LFP) аккумуляторов, VRLA не обладают.
Процесс деградации свинцового аккумулятора
К тому же VRLA, несмотря на свое наполнение нейротоксичным тяжёлым металлом, являются достаточно безопасными. Свинец — металл не щелочной, с воздухом или водой особо активно не взаимодействует. С серной кислотой история иная, как нас всех учили в школе — льём кислоту в воду, а не наоборот, так как реакция экзотермическая и из-за избытка тепла концентрированная кислота может начать кипеть, разбрызгиваясь на всё и всех, включая незадачливого экспериментатора.
Связано это с тем, что кислоты в растворах находятся в виде ионов, в данном случае кислотное основание в виде сульфата иона, а водород реагирует с водой, формируя гидроксоний.
H₂SO₄ + 2H₂O ⟶ SO₄²⁻ + 2H₃O⁺
К счастью, высвобождаемой энергии в случае затопления отсека с батареями не хватит для пожара. Да и кислота в аккумуляторах не сильно концентрированная — всего лишь 29–32%.
Но вернёмся к минусам, и самый главный из них — плотность энергии на килограмм. Из этого вытекает и необходимость к большей площади, объему и цене за единицу батарей, к закупке относительно более плотных по концентрации энергии аккумуляторов.
Впрочем, не так давно преимущество в той же цене было утрачено относительно LFP батарей, в 2023 году они стали стоить ниже 100$ за kWh, а к концу этого года прогнозируется падение до 56$ за kWh. Если брать средний срок жизни LFP за 5000 циклов, а VRLA — за 500, картина становится совсем не в пользу последних. Так ещё и более энергоемкие литий-ионные батареи в 2023 также упали в цене до рекордных 139$ за kWh.
К тому же, если литиевые батареи спокойно себя чувствуют при регулярной разрядке до 90%, то VLRA не рекомендуется опускать ниже 50%. Что по факту уменьшает их рабочую ёмкость в 2 раза.
Любимец смартфонов и нетушимых пожаров
Литий-ионные аккумуляторы — достаточно вводящее в заблуждение название, так как не ионных аккумуляторов, в общем-то, не бывает, если речь не о ионисторах, но это отдельная история. Под литий-ионными обычно подразумеваются конкретные разновидности литий-кобальтовых батарей (LCO), либо литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC).
Как можно заметить, и там, и там присутствует кобальт, добываемый демократическим детским трудом, в демократических шахтах, демократической республики Конго.
Из исключительно этических причин, а вовсе не из-за нестабильности в регионе с рисками для поставок и роста цен, ряд компаний, включая Tesla, начали активно отказываться от аккумуляторов, использующих кобальт.
Одним кобальтом всё не ограничивается — вариаций по составу катодов, материалам и конструкции корпуса, типам электролитов бесконечное множество. От уже нашедших коммерческое применение до всё находящихся в процессе разработки, с нашими надеждами, что смартфоны снова начнут работать неделю, но при толщине с кредитку.
Но про это пусть лучше расскажут люди с профильным химическим образованием и специализацией по аккумуляторам. Для меня лично так и осталось загадкой, на основании чего LFP батареи любят выписывать из семьи литий-ионных. Но оставлю это на совести выписывальщиков и на объяснение от знатоков в комментариях, чем всем ионы LFP аккумуляторов не угодили.
В своей сути их принцип работы всё так же, как и у VRLA, основывается на градиенте энергии между катодом и анодом. Реакция всё так же циклически обратимая, в ней так же участвует электролит, но его состав, как и состав анодов, гораздо более комплексный. А про причины деградации литиевых можно расписывать целые статьи. Что уже уведет нас в совсем далекую от IT и наших ЦОДов с облаками степь. В страну комплексной неорганической, а местами и органической химии.
Но вот что всем точно и так известно и хорошо понятно — это высокая активность литиевых аккумуляторов при контакте с воздухом или водой. Что в особенности касается LCO и NMC аккумуляторов. 200 Wh/Kg — это не шутки.
А электрокары горят с температурой до 2760 градусов по цельсию. Для сравнения — железо плавится при ~1500, температурная смесь и та горит лишь до 2500 градусов. А одна единственная ячейка 18650 может раскочегариться от 400 и вплоть до 1000 градусов.
Фото из статьи, с демонстрацией горения разных видов аккумуляторов.
Google не так давно в полной мере прочувствовал риски, связанные с пироманией литиевых аккумуляторов.
В прошлом 2023 году в Париже сгорел Global Switch — один из крупных дата-центров, приведя к нарушению работы нескольких десятков сервисов Гугла, от их CDN до Google Cloud и ещё нескольких десятков сервисов.
Причина пожара? Вода. Вышедшая из строя помпа системы охлаждения привела к затоплению батарейного отсека. Литий-ионные батареи вместе с водой дают крайне страшную комбинацию. Мало того, что сами по себе, как мы выяснили, они горят пламенем на 2760 градусов, так и при контакте с водой образуется не менее горючий водород. Который в смеси с воздухом ещё и становится взрывоопасным гремучим газом.
Сколько Google, Global Switch и остальные их клиенты потеряли на этом происшествии — остаётся загадкой. Однако стоимости подобных дата-центров сами по себе переваливают за миллиарды евро. Час простоя для того же Amazon, пусть и не из-за аккумуляторов, обошелся в 34 миллиона долларов. Можно смело предположить, что убытки вышли астрономическими.
А тем временем, судя по статистике, популярность Li-Ion батарей только растёт в качестве элементов резервного электроснабжения. И остаётся только представить, сколь много ещё подобных происшествий нас может ждать в будущем с текущими тенденциями.
LFP — негорючие, но это не точно
Стойки с LFP аккумуляторами TESLA
LFP — литий-железо-фосфатные батареи, они же LiFePO4, дешевле и проще в производстве — железа и фосфора, в конце концов, везде навалом. Продолжительность жизни их сравнима с кобальтовыми и никель-марганцевыми собратьями, доходя порой вплоть до 10 тысяч циклов.
Плотность энергии разве что хромает, на 30–40% ниже на килограмм массы. Но зато они вообще не горят! Вот даже Tesla с 2021 начала их для своих электрокаров использовать!
Или почти негорючие? Наверное? Ведь так?
И тут бы хорошо помогла помощь экспертов-химиков или, возможно, тех, кто сам себя идентифицирует как литий-железо-фосфатный аккумулятор. Так как информация весьма противоречивая.
С одной стороны, у нас есть продавцы и производители всех сортов LFP, мамой клянущиеся, что их аккумуляторы вообще негорючие. И вроде бы как даже есть видеоподтверждения тому.
А с другой стороны, есть исследование, на которое я уже ссылался, где LFP очень даже горят. Да и диапазон температур/интенсивность, не сказать бы, что сильно отличаются от их собратьев.
Фото из статьи, горение различных видов аккумуляторов.
Суперконденсаторы
Суперконденсаторы или ионисторы — это разновидность конденсаторов, способные хранить больше энергии, чем не-супер аналоги. За счет пористых электродов с огромной площадью поверхности и тонкого слоя электролита они накапливают заряд в электрическом поле, обеспечивая быструю зарядку/разрядку, длительный срок службы, широкий диапазон рабочих температур и безопасность.
Так как в них банально нет химически активных веществ, сравнимых с литием, да и с той же серной кислотой в свинцовых или щелочью в цинковых аккумуляторах.
Принцип работы ионистора/суперконденсатора
Суперконденсаторы заряжаются значительно быстрее, чем аккумуляторы, и имеют больший срок службы, но, как нетрудно заметить, повсеместно их мы и не наблюдаем, хотя и встречаются они всё чаще. Причина их малой распространенности на текущий момент достаточно простая — это цена. На текущий момент она в районе 1000$ за kWh. Это ставит их примерно наравне с сыном маминой подруги от мира Li-Ion — литий-титанатными аккумуляторами (LTO). И тут есть нюанс, плотность энергии у актуальных на текущий момент и коммерчески доступных суперконденсаторов в районе 2.3–8 Wh/kg, а у LTO аккумуляторов — 60–110 Wh/kg, разница на порядок. В итоге для супер-конденсаторов требуется гораздо больше объёма и площади под их расположение, что, впрочем, для ЦОДов куда менее критично, чем для того же транспорта или смартфонов.
И что теперь?
Если вы крупная IT-компания, вы можете рассмотреть возможность инвестирования в производство новых типов аккумуляторов, даже если вы не являетесь химическим концерном.
Либо необходимо прилагать усилия к распространению и удешевлению уже имеющихся аккумуляторов. Мировой объём рынка тех же LFP — это всего лишь 8.25 миллиардов долларов. Что сравнимо с ценой одного крупного ЦОДа. Когда на кону такие деньги, как-то глупо экономить, можно потратиться и на практически бессмертные LTO, либо суперконденсаторы. Особенно, когда общий объём затрат на постройку новых ЦОДов составляет 150 миллиардов.
Для русских компаний и точно нерусских обитателей Кипра подобные суммы всё таки зачастую недоступны. Но и меньшими силами можно достичь многого — ZincFive, стартап основанный в 2016, начинал с инвестиций в 13 миллионов долларов и дорос до 200 миллионов в 2023. При этом использовав технологию никель-цинковых аккумуляторов, которая не сильно моложе свинцовой.
Если же спуститься с небес на землю, в целом стоит более внимательно относиться к вопросам безопасности и техническим особенностям системы бесперебойного питания. Обеспечить все ЦОДы LTO аккумуляторами до скрипа зубов — дорого. Но хотя бы для наиболее критически важных узлов вашей инфраструктуры вы точно себе можете это позволить.
Как и использовать вместо LCO/NMC батарей их слегка менее энергоёмкого собрата LFP, к тому же более дешёвого за kWh.
