当下,全球科技领域最引人瞩目的焦点当属人工智能,AI大模型作为技术革命的核心驱动力,正在深刻重塑个人生活、企业运营和社会发展的模式。
作为大模型应用的核心载体,在AI的牵引下,数据中心同样面临着一场算力革命。据中国信通院测算,未来五年全球算力规模将以超过50%的速度增长,至2030年全球算力将超过16ZFlops,其中智能算力占比将超过90%。AI算力激增,AI集群化趋势明显,智算数据中心的安全和能效是行业必须面对的新挑战。
大模型热潮推动通用算力迈向智能算力,机房功率密度激增,对数据中心储能部署提出了更高要求。锂离子电池凭借其能量密度高、使用寿命长、放电倍率高等优良特性,成为数据中心电源保障系统的重要组成部分。
同时,锂离子电池因能量密度高,热失控起火后灭火复杂给数据中心的安全运行带来了挑战。当前,数据中心锂离子电池相关的标准配套相比储能行业严重滞后,锂电安全需要推动产业共识。
近日,中国消防协会联合联合应急管理部上海消防研究所、应急管理部天津消防研究所、中国消防救援学院等多家科研机构、高等院校以及华为数字能源、宁德时代、阿里云等企业,发布《数据中心锂离子电池消防安全白皮书》(以下简称:白皮书)。白皮书聚焦数据中心锂离子电池消防安全,提出了全链条、系统性的消防安全解决方案,引发产业关注,为行业标准的建立提供了专业参考。
《白皮书》指出,优秀的数据中心锂离子电池系统安全设计能够极大提升其本质安全,因此在设计过程中需要充分识别各种安全失效风险,并考虑在电池单体、电池模块和电池系统设计中,最大程度满足锂离子电池在数据中心场景应用的安全性和可靠性。
首先,在电池单体安全方面,面对电池常见涉及安全的失效,如绝缘失效、异常鼓胀、开阀、热失控等,电池单体安全设计需要从材料选型、容量选型、极片设计、结构设计和应用限制等方面进行考虑。例如在材料选型上,磷酸铁锂相对于其他锂离子电池正极材料,如镍钴锰三元锂,具备更高安全性、更好的热稳定性和更长循环寿命等特点,是最适合数据中心场景的正极材料。此外,从电池单体设计到生产,亦要依靠电池单体高质量的过程管控来实现,保障电池单体生产制造安全要求。
其次,在电池模块安全方面,电池模块产品安全设计应综合考虑制造、运输、存储、安装、运行、维护、回收等全生命周期的失效场景,从机械、电气、热等方向进行设计,规避可燃物、助燃物和引火源燃烧三要素中的一种或多种,保障在正常使用或合理可预见滥用时的产品安全。例如,电池模块产品设计在模块内部,应在电池单体和电池单体之间、电池单体与端板/外壳等其他金属件之间、电池单体与功率/监控等单板之间设计足够的安全距离,使用耐高温、抗穿刺、隔热、阻燃的绝缘材料或进行分仓设计,避免安全失效扩散。
再者,在电池单体和电池模块安全设计之外,锂离子电池系统也应当具备安全设计约束,例如应内置BMS进行安全监测和管理,具备独立接入网管系统和云管理系统的能力,具备快速切断电池充放电回路的保护功能,电池系统内保护装置应包含断路器和熔断器等,确保电池系统应用安全。
规范部署安全,保障算力设施安全,优先采用锂离子电池拉远部署在智算中心,伴随功率密度持续攀升,强电设备通常具备高电压、大电流的特性,叠加锂电安全失效的风险,如何降低数据中心在发生火灾事故时的损失尤为关键,包括直接风险造成锂离子电池室内设备的损坏、烧毁,以及间接(次生)风险对相邻房间、建筑造成的损失和影响。
《白皮书》指出,数据中心的锂离子电池部署应结合整体的经济性、安全性等综合考虑,优先采用拉远撬装部署,宜设计成独立箱/柜形态;其次采用拉远独立构筑物或建筑形式部署。在拉远条件不具备时,可部署在主机房所在建筑靠外墙的独立房间内。
对于不具备拉远部署的数据中心,可以将锂离子电池部署在主机房建筑内靠外墙的房间中,单个锂离子电池室容量不宜大于600kWh。并做到与主业务隔离,且应规范化部署,全面考虑防火间距、部署位置、部署高度、工具器材配备等,最大化降低业务波及风险。
锂离子电池火灾具有蔓延速度快、灭火复杂且易复燃等特点,扑灭锂离子电池火灾,一方面要求快速扑灭电池明火,另一方面则需要灭火剂具有较强的降温散热能力,避免电池发生复燃现象。在此方面,干粉、二氧化碳和惰性气体无法给热失控的锂离子电池有效降温,存在复燃风险。《白皮书》明确指出,部署在主机房所在建筑时,数据中心锂离子电池室灭火系统应选择水消防(水喷淋、水喷雾、细水雾),能有效防止电池热蔓延,避免二次复燃风险。
安全不打折,全链守护锂电消防安全从电池单体、电池模块和电池系统三方面进行数据中心锂离子电池系统本质安全设计,从锂离子电池的平面布置、自动灭火系统等七个方面提升锂离子电池安全应用设计,它们是保证数据中心锂离子电池消防安全的基础和关键。
当然,消防安全从来都是一项涉及多维度要素整合、多主体协同运作、全周期风险管理的系统性工程,数据中心锂离子电池消防安全亦不例外。对此,《白皮书》进而从锂离子电池的运输、存储,到数据中心现场工程设计、施工安装、调试开通,再到锂离子电池系统运行维护、应急预案与演练和现场灭火救援等维度,系统阐述如何提升数据中心锂离子电池消防安全,进行全链守护。
安全风险的发生总是充满不确定性。事实上,世界范围内因火灾导致的数据中心安全事故时有发生,过去几年不乏多起数据中心火灾造成巨量数据蒸发、巨大经济损失和深刻社会影响的事件。在不确定的风险中增强安全确定性,从这一点看来,消防安全作为一项基础性、预防性的投入,其并非“消耗性支出”,而是通过风险对冲、品牌增值构建的长期资产。
安全可靠是数据中心基础设施建设一贯的要求,在AI推动算力大规模集中的背景下,数据中心成为高成本投入的重资产,对安全可靠的诉求更加强烈。参照白皮书的内容,落实锂离子电池产品、部署及消防设计的相关要求,安全不打折,全链守护锂电消防安全,必要且重要。