谈起锂电池,数据中心行业的普遍观点都是“未来趋势”。但从多年前——至少10年前开始,锂电就已经开始与UPS配套使用。然而直到今天,锂电池在数据中心的应用依旧是“未来趋势”,那么究竟是什么原因阻碍了锂电池在数据中心领域的应用呢?

储能锂电池

锂电池从正极材料上看,可以分为两类。一种是以锂合金金属氧化物为正极材料,石墨为负极材料,被称为“锂离子电池”。另一种是以二氧化锰为正极材料,金属锂或其合金金属为负极材料的电池,称为“锂金属电池”

目前,常见的锂电池所指一般是锂离子电池

锂离子电池的正极材料同样是五花八门,知名度比较高的无疑是特斯拉所采用的三元锂电池,其正极材料为镍钴铝酸锂(NCA),宁德时代的三元锂电池镍钴锰酸锂(NCM),以及比亚迪力推的磷酸铁锂。

从应用场景看,则分为动力电池、储能电池。如上文提及的特斯拉、比亚迪等电动汽车使用的电池,就是动力电池。储能站、光伏电站使用的电池,则为储能电池。数据中心主要使用高倍率锂电池。

由于应用场景不同,对电池各项参数的要求也有所不同。动力电池作为移动电源,运行环境比较恶劣,常有剧烈震动、碰撞,甚至涉水、穿刺、扭曲等,因此对电池包的物理安全性要求较高。同时,消费端要求电池可快速充电,因此动力电池往往追求高密度,可快速充电,精准放电时间预测等性能。

储能型电池的应用环境相比动力电池则要优越得多。一般会有专门的稳定存放地点,甚至有完善的环境温湿度控制、消防设施,因此储能电池对体积、重量敏感度不高。与动力电池不同,储能电池的充放电电流比较平稳连续,波动小。

对于数据中心来说,锂电池有多好?

数据中心因为对电力供给稳定、安全的强需求,往往配备2N甚至更高标准的UPS及电池室,以支撑在断电情况下,至少15分钟甚至更高的持续供电能力。

相比目前主流数据中心采用的铅酸电池,用锂离子电池作为替代储能,至少有如下几个好处:

1、体积小、重量轻。

对于寸土寸金的数据中心来说,体积和重量无疑是影响成本的重要因素。一般认为,同等容量下的锂电池,其体积、重量只有铅酸电池的1/3-1/2左右。也就是说,在2N的标准配置下,至少可以节省出一半电池室的空间来增加机架模块。

2、日历寿命长。

锂电池寿命一般在15-20年左右,充放循环可达数千次,高标准下的报废年限也可以达到8年。相比之下,普通的铅酸电池寿命也不过6-8年,充放循环多为500-800次,一般报废年限在3-5年。而主流的UPS设备寿命都在10-15年左右,铅酸电池需要再更换二次,锂电池在UPS全生命周期内无需更换,总体TCO比铅酸电池低20-40%。

3、要求低、易维护。

锂电池的工作环境范围较铅酸电池更宽,在30℃左右的环境也可以正常工作。降低成本的同时,也降低了运维需求。

4、循环次数高,可以采用峰谷电价套利和扛峰功能,使得数据中心与电网供需互动。

相比以上的“硬”好处,施耐德电气关键电源业务部首席技术专家石葆春对IDC圈记者表示,锂电池相比铅酸还有一项额外的优势:“锂电池的长寿命、充放电循环次数多的特性,保证了锂电池可以每天都进行充、放电循环,而不会影响使用寿命。因此,通过UPS的峰谷电价套利和扛峰功能,使得数据中心实现与电网的供需互动,降低电费,实现增容。

这一特性,不仅可以帮助数据中心巧妙利用峰谷电价降低成本,对电网整体来说也是具有相当的益处,可谓多赢。

碳中和下的数据中心锂电应用需求

虽然在生产过程、报废处理等方面受到很多环保方面的质疑,但行业发现,要实现绿色能源的应用和普及,最终还是需要锂电池体系的支撑。

2020年底,谷歌宣布在比利时的超大数据中心安装首个基于锂电池的电力系统,用于取代传统的柴油发电机。谷歌宣布,这是其走向零碳数据中心的第一步。

配备庞大的备用柴油发电机机组,是现代数据中心的标配,也是各国及各行业组织的标准要求。如我国数据中心建设标准《数据中心设计规范》(GB50174-2017)中的A级数据中心要求,数据中心备用柴油发电机需可满足数据中心最大负荷的要求,并且在本地存储超过12小时或外部供油时间所需的柴油储备。

而柴油发电机在日常维护中,为确保意外情况下可以顺利启动,必须频繁的进行试运行。一般的要求是每月进行一次空负载启动,每个季度进行一次假负载运行,每年进行一次实际的数据中心供电演练。

所以,柴油发电机在大多数情况下处于闲置、甚至浪费的状态。特别在我国电网极其稳健的情况下,柴油发电机的存在已经成为了一个鸡肋。购置、维护、燃料成本是一个方面,柴油的碳消耗,在倡导节能、低碳的今天,也显得不合时宜。

因此,谷歌大胆创新,采用了锂电池储能系统替代柴油发电机,而拥有了庞大储能系统的数据中心,也有可能更多的使用风、光等清洁能源,利用储能系统来管理电网的波动,杜绝清洁能源不稳定带来的风险。

可以说,锂电池是未来实现零碳数据中心的基础,甚至是零碳电网的基础。

数据中心普及锂电差什么?

从很多角度看,锂电池恐怕都是数据中心储能、备灾的不二之选。但目前为止,锂电在数据中心领域并没有大规模普及的迹象。

“十年前施耐德电气就开始布局并使用锂电池UPS。”石葆春表示,目前,施耐德电气在全球已经为客户搭建、部署上千套关键电源及数据中心锂电池UPS系统,运作良好,并以稳定的性能和优化运营成本得到客户的高度认可。

根据行业媒体在2021年初的一份统计,目前数据中心行业采用锂电池的比例在10%左右

具备无数优势的锂电池,为何十多年过去却只有10%左右的市场占比。锂电池的推广困境究竟何在?

采购成本么?

根据IDC圈对多个数据中心运营商、建设商的调查,就算不提锂电池在占地、运维、寿命等全生命周期上体现的成本优势,单单是采购成本,在近年来因为电动汽车、绿色储能系统的兴起,也因产能大幅增长而持续下降,甚至已经达到与高端铅酸电池近乎持平的程度。

安全么?

似乎是的。4月16日,北京集美家居大红门储能电站一声爆响,带走了两条珍贵的生命,也给锂电池行业兜头泼了一盆冷水。该储能站采用的是业内公认安全的磷酸铁锂电池,但依旧发生了如此恐怖的事故,令人不能不心生胆怯。

加上近年来,电动汽车频繁出现电池故障,失火、爆炸已经成为了日常新闻。虽然大多数情况下,出现失火、爆炸的电动汽车采用的都是三元锂电池,但对于行业整体来说,锂电池的安全性确实令人无法放心。

锂电池的安全性确实不行么?石葆春表示,实际上铅酸电池的安全性也是在长期的使用、磨合中逐渐打造出来的。锂电池也是如此,锂电池安全不能仅依赖电池本身,还需要有成熟的配套BMS电池管理系统,防止热失控。

实际上,相比于铅酸电池,用于数据中心的锂电池,均要求标配BMS电池监控管理系统,实现温度电压电流的监测,热失控管理,故障跳闸,电芯电压均衡等保护功能。

但在对数据中心运营者的采访中,大部分运营商对此的解释则令人无奈——客户不肯接受。对于数据中心来说,虽然锂电池能带来很多益处,但如果得不到客户的认可,就会有失去收入的风险。所以延续采用铅酸电池也就是一个必然选择。

破局与责任

客户自然是以服务为核心的数据中心产业绕不过去的因素。不过,技术的无法进步却不能归因为“客户不认可”。

对于客户来说,需求的永远不是某项技术,某项产品,某项解决方案,而是帮助客户实现业务目标的服务。能够确保客户业务目标的顺利达成,是服务的根本目的。

客户不肯接受锂电池系统,并不是因为了解锂电池。恰恰相反,是因为客户接触到的锂电池产品太少,甚至可能从来没有接触过,只是道听途说了锂电池的安全隐患,就出于求稳心态而拒绝尝鲜。

因此,破局的关键,就在于让客户更多的认知到锂电池产品的可靠性——并且在不断的应用中加强、稳固这种可靠性。而帮助客户认知到这一点,这是整个行业的责任——这其中包括一切数据中心的上下游从业者。

比如谷歌,就在用实际的行动,推动数据中心锂电池应用的普及。另外,锂电池也早已进入飞机、潜艇等高可用性要求的场景。对于一直努力推进锂电池系统的施耐德电气等龙头企业也是如此。此外,数据中心服务商也可以尝试配置一定数量的锂电池系统的数据中心,用于向客户展示锂电池体系的安全与高性能。

在企业端,降低成本,提升效能。在产业端,提升技术,实现低碳、零碳的目标。在客户角度,可以享受到更加低成本、高质量的服务。可以说,推进锂电池在数据中心的普及应用,既是责任,也是利好产业生态良性成长的发展方向。

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