バッテリー交換：Li-Ionテクノロジーを備えたUPS

充電式バッテリー（バッテリー）は、多くのデータセンターの無停電電源システムの脆弱なリンクです。 問題は、重量が大きいことです。これには、そのようなバッテリーが設置されている施設の支持構造の強化が必要であり、その特性が温度に強く依存し、エアコンの使用を余儀なくされ、脆弱です-迅速な故障は、対応するコストで頻繁に交換することになります。 これはすべて、現在プロジェクトを支配している従来の鉛蓄電池に適用されます。



専門家は、鉛蓄電池の多くの不利な点がなく、産業、通信、データセンターなどの幅広い分野で使用するための優れた見通しを持っている新世代の電池、主にリチウムイオン電池に希望を抱いています。







過去数年にわたって、リチウムイオン電池の価格は大幅に下落し、徐々にデータセンターのUPSとして使用するための実行可能な選択肢になりました。 10年間にわたる総所有コストの分析は、価格の初期差異にもかかわらず、リチウムイオンバッテリの制御バルブ（VRLA）を備えた従来の鉛蓄電池よりもTCOが39％低いことを示しています。

UPSのリチウムイオン

リチウムイオン電池（Li-Ion）は20年以上にわたりさまざまなデバイスで使用されてきましたが、価格、特定のエネルギー、電力、安全性、信頼性のバランスの取れた指標を達成できるようになった比較的最近、データセンターのUPS電池として使用されるようになりました。 リチウムイオン技術の開発は、主に電気自動車製造のニーズによって推進されました。



産業用リチウムイオン電池は、最も一般的に使用される電池がフォイルケースで数アンペア時間の容量を持つLCO（リチウムコバルト）である民生機器で使用されるものとは異なります。 UPSには、耐久性のあるアルミニウムケースに60 Ah×以上の1つのバッテリー容量を持つ内部LMO構造（リチウムマンガン）のバッテリーが取り付けられています。 このタイプのバッテリーは、電気自動車で長く使用され、成功を収めています。



このようなバッテリーは、不利な状況に対するいくつかのレベルの保護を提供します。 このような技術の開発と実装には数年かかりますが、消費者向けデバイスのバッテリーは数か月で市場に投入されます。



UPSデバイスの場合、各要素の安全な温度を維持しながら、5〜10分間高電力を供給できる、つまり短期間で大電流を供給できるバッテリーが必要です。 リチウムイオン電池は、単位重量あたりの高出力-比エネルギー（Wh / kg）および比出力（W / kg）が特徴です。









Bloomberg New Energy Financのレポートによると、2016〜2025年に北米およびヨーロッパで中央データセンターの電源冗長性に対する需要が増加しています。 2025年までに、予約容量の約55％が最大のデータ処理センター（ハイパースケール）に集中することが予想されます。



現在、リチウムイオン電池には、制御弁付き鉛蓄電池と比較して、たった1つの重大な欠点があります。同じ量のエネルギーの資本コストは、製造コストと電池管理システムのコストにより2〜3倍高くなります。 。 しかし、それらには多くの利点があります。

リチウムイオン電池の利点

UPSでの用途に関して、従来のバルブ規制鉛酸（VRLA）鉛蓄電池と比較したリチウムイオン電池の利点をリストします。

• 同様のエネルギーを保存すると、重量が3倍少なくなります。 UPSリチウムイオンバッテリーシステムの重量は、同等の鉛酸システムよりも60〜80％軽量です。
  
  
• リチウムイオン電池に固有のコンパクト。 占有面積は最大で50〜80％少なくなります。
  
  
• 高比エネルギー。 現在利用可能なリチウム電池の特定のエネルギー性能は、70 kW * h / kg〜260 kW * h / kgです。 鉛蓄電池の一般的な指標は、30〜50 kW * h / kgの範囲です。
  
  
• 自己放電の約4分の1（つまり、使用していないときのバッテリーのゆっくりした放電）-1か月あたり1-2％
  
  
• 大幅に高速な充電-4回以上。これは、多数の停電（30分から1時間）の場合に重要な利点です。
  
  
• 長い耐用年数。 化学、技術、温度、放電深度に応じて、最大10倍の充放電サイクル。 一部の最新のリチウムイオン電池は、最大5000サイクルまで耐えることができます。
  
  
• UPSの耐用期間中に必要なバッテリ交換が少ない（またはない）ため、バッテリ交換によるダウンタイムのリスクがなくなります。
  
  
• リチウムイオン電池はメンテナンスフリーです。
  
  
• TCOの10年間の節約は10〜40％です。
  
  

しかし、無停電電源システムのトレンドとして、従来の鉛蓄電池からリチウムイオン電池への移行について話すのはおそらく早すぎます。 これは選択肢の1つにすぎませんが、急速に人気を集めています。



IMS Researchによると、すでに2016年に、リチウムイオン電池を使用したシステムは、売上の10％未満を占めました。 専門家によると、今後数年間で、すべてのUPSの約30％にリチウムイオン電池が搭載される予定です。









ブルームバーグの新エネルギーファイナンスレポートによると 、リチウムイオンバッテリーは、従来のVRLAテクノロジーの8.3 GW * hと比較して、2025年には5.6 GW * hの冗長データセンター容量を占めます。 これは、リチウムイオン技術がわずか8年で市場の40％を征服することを意味します。



UPSの最初のこのようなソリューションは、SamsungとのパートナーシップであるSchneider Electricによって提案されました。 リチウムイオン電池は、Galaxy 7000、VM、VX、およびSymmetra MW UPSで使用されています。 2016年以来、彼女はそのようなソリューションをシリーズで立ち上げました。







Samsung Li-ionバッテリー。 無停電電源装置（UPS）で使用される充電式電池の世界市場のリーダーであるSamsung SDIは、特にリチウムイオンソリューションに依存していました。



シュナイダーエレクトリックシステムはすでに20以上の施設に設置されており、総容量は10MW * h以上です。 興味深いのは、リチウムイオンUPSがさまざまな規模のプロジェクトで使用されていることです-コロケーション/ホスティングサービスのプロバイダーを含む大企業や、企業レベルのデータセンターを持つ金融サービスセグメントの企業から、産業用アプリケーションやサーバールームまで。 明らかに、この技術は幅広いシナリオに適用できます。









Galaxy 7000 UPSとLi-IonおよびVRLAバッテリーの比較（シュナイダーエレクトリックのデータ）。



新しいSchneider Electricソリューションは、安全性（フルモニタリング）、高電力密度（最大35 kWh *およびラックあたり最大230 kW）、長いバッテリ寿命（5〜30分間）、長い耐用年数などのUPSバッテリの要件を満たしています。 （15歳）。 シュナイダーエレクトリックUPSは、3つのレベルの監視システムを使用します。個々のモジュール、キャビネット、およびシステムのレベルです。









シュナイダーエレクトリックのモジュール式ソリューションのリチウムイオン電池。



現在、UPSバッテリーの30％はサムスンによって提供されています。 リチウムイオン電池は、世界のUPS市場の半分以上を管理しているシュナイダーエレクトリック、Vertiv、およびイートンの3大UPSメーカーに供給されています。









新しいEaton 1500VA UPSは、通常のUPSと比較してバッテリー寿命を2倍にします。 新しいLi-Ionテクノロジーのおかげで、顧客はエネルギーインフラストラクチャの総所有コストの大幅な削減を期待できると開発者は言います。

鉛蓄電池とリチウムイオン電池

そのため、エネルギー強度が高いため、リチウムイオン電池は占有スペースが少ないだけでなく、鉛蓄電池に比べて質量も小さく、輸送コストが削減されます。 ただし、リチウムイオン電池の輸送に関する規制要件は、一部の化学成分の高エネルギー強度と活性のために、より厳格です。



制御弁付き鉛蓄電池の寿命は3〜6年ですが、リチウムイオン電池の寿命は10年以上です。 バッテリーの交換は深刻な追加コストであり、電源スキームに冗長性が提供されていない場合はデータセンターを停止したり、データセンターの電力の信頼性が低下する追加作業が必要です。 古くなったバッテリーは取り外して廃棄し、新しいものと交換する必要があります。 これにはすべて時間とお金がかかります。 リチウムイオン電池を使用すると、このような問題とコストがなくなります。



リチウムイオン電池の再充電速度が速く、寿命が長いのは、その技術とその構成に必須の監視システムが存在するためです。 各バッテリーセルの状態（温度、電圧、電流）およびキャビネット全体を監視します。 リチウムイオン電池の制御システムは、充電と放電を完全に制御する必要があるため、デフォルトで装備されており、リチウムイオン電池の温度を超えないようにします。









リチウムイオン電池と鉛蓄電池：いくつかの重要な違い。



リチウムイオン電池は、統合されたセル、モジュール、キャビネットレベルの制御などの高度な管理機能を提供するため、予測可能な安定した電池性能と安全性が得られます。 データセンターの冷却要件が緩和されます。リチウムイオンバッテリの占有スペースが小さくなり、従来のVLRAバッテリとは異なり、バッテリ寿命を犠牲にすることなく高温で動作できます。



これらの利点はすべて、コストを削減するのに役立ち、結果として、リチウムイオンUPSの総所有コストがVLRAと比較して長期にわたって低くなります。 データセンターの所有者がリチウムイオン技術に焦点を合わせているのはそのためです。



リチウムイオン電池の場合、特定の化学ソリューションとパワーセルテクノロジは、10〜15年（典型的なUPSの寿命）にわたって魅力的な総所有コストを提供します。 シュナイダーエレクトリックによると、リチウムイオンバッテリーを備えたソリューションの10年間にわたる総所有コストは、制御バルブを備えた鉛蓄電池を備えたソリューションの場合よりもほぼ40％低くなっています。 リチウムイオン電池の資本コストが高いにもかかわらず、回収期間は3.4年です。



TradeOff Toolは、リチウムイオン電池と鉛酸を比較するための計算機で、さまざまなソースデータを変更して、2種類の電池の総所有コストにどのような影響があるかを確認できます。

変更するかどうか？

UPSデバイスにリチウムイオン電池を選択する場合、既存のUPSをアップグレードするか新しいUPSを購入するかに応じて、いくつかの要因を考慮することが重要です。 UPSの予想寿命は約10〜15年、制御弁付き鉛蓄電池の寿命は約3〜6年、リチウムイオン電池の寿命は10年以上であると想定されています。 鉛酸UPSバッテリーを改造するための3つの可能なシナリオがあります：UPSの寿命の始まり、中間、または終わり。 シュナイダーエレクトリックの推奨事項を次に示します。



UPSの寿命の開始時（通常5年未満）、UPSと同時に寿命を迎える可能性が最も高いため、鉛蓄電池をリチウムイオン電池に交換するのが理にかなっています。



動作期間の途中で、バッテリーをリチウムイオン電池に交換することは、経済的な観点からは意味がないかもしれません。 リチウムイオン電池の寿命は、UPSの残りの寿命を5年以上超えます。 ただし、リチウムイオン電池の低価格を考えると、経済的要因が依然として交換を支持する可能性があります。



UPSの寿命が近づいている（10年以上）場合、UPSをリチウムイオン電池を使用する新しいUPSと完全に交換することは理にかなっています。 この決定は、古いUPS（つまり、保守契約、部品など）の保守と保守のコストと新しいシステムのコストの比率に依存します。



リチウムイオン電池の電圧定格が既存の鉛蓄電池と同じ場合でも、UPSのソフトウェアとハ​​ードウェアをアップグレードする必要がある場合があります。 これは、とりわけ、バッテリーの充電特性が変化する可能性があり、動作期間の式が異なる可能性があり、動作時間の推定値が不正確である可能性があるという事実によるものです。 さらに、サプライヤはUPSにバッテリー監視システムを統合する必要がある場合があります。



たとえば、購入済みのGalaxy 7000ソリューションにリチウムイオン電池を組み込むことができますUPSの制御モジュールのファームウェアを更新し、ボードの一部を交換する必要があります。



サプライヤーがリチウムイオン技術をUPSに効果的に統合している場合、新しいUPSの購入は最も簡単なシナリオです。 UPSとリチウムイオン電池管理システムの統合は、このシステムの動作に大きく依存しています。









リチウムイオン電池を備えたシュナイダーエレクトリックギャラクシーVM UPS。 このようなバッテリは、多数（最大5000）の充放電サイクルと最大15年の耐用年数により、運用コストを最小限に抑えることができます。 また、500〜1,500 kWのGalaxy VXを含む他のSchneider Electric UPSでも使用できます。



リチウムイオン電池の使用は、無停電電源システムの運用コストを削減するのに非常に役立ちます。 一方、市場の大部分は残っており、VRLAテクノロジーの使用を継続し、鉛蓄電池のテクノロジーも改善されています。









以前のEmerson Network PowerであったVertivは、リチウムイオンバッテリー駆動の無停電電源システムの追加を発表しました。 Liebert EXM 480V UPS（50-250 kW / kVA）はリチウムイオン電池を備えており、中規模データセンターのエネルギー貯蔵機能を拡張します。



ただし、リチウムイオンシステムは、Amazon、Facebook、Googleなどのインターネット大手が所有するような大規模なデータセンターでさらに広く使用されるようになります。

結論

資本コストを最小限に抑えたい人にとって、リチウムイオン電池は、鉛酸電池（一般的なUPSの場合）よりも約15％高価なので、適していません。 しかし、リチウムイオン電池の価格は下がり続け、新しい化学ソリューションと技術が市場に登場し、既存のものが改善されると自信を持って言えます。 一部のリチウムイオンソリューションの価格は、制御弁付きの鉛蓄電池から切り替えるにはまだ高すぎるという事実にもかかわらず、10年にわたって魅力的な総所有コストがあり、4年未満の投資回収があります。 営業費用を考慮すると、その選択は完全に正当化されます。