Come utilizzare i sistemi di immagazzinaggio dell'energia per ottimizzare l'affidabilità e la sostenibilità dei data center

L'energia è fondamentale e costosa per i data center. L'aggiunta di un sistema di immagazzinaggio dell'energia a batteria (BESS) può migliorare l'affidabilità e la sostenibilità dei data center supportando fonti di energia rinnovabile, garantendo la disponibilità continua di energia e riducendo i costi operativi. I connettori per poli di batteria sono un componente fondamentale che consente a un BESS di offrire i massimi vantaggi.

I connettori per poli di batteria BESS devono avere caratteristiche quali elevata resistenza meccanica, grado di protezione ambientale IP67 e connessioni sicure e affidabili per gestire correnti e tensioni elevate. Devono anche essere facili da installare e manutenere, con protezione dalla polarità per evitare errori di connessione e meccanismi di bloccaggio per impedirne la disconnessione accidentale, nonché soddisfare i requisiti UL 4128.

Questo articolo esamina i fattori che determinano l'aumento del consumo energetico nei data center e come ciò sta alterando la progettazione dei sistemi di alimentazione con gruppi di continuità (UPS). Prende quini in considerazione i vantaggi in termini di affidabilità e sostenibilità derivanti dall'utilizzo di BESS modulari nei data center ed esamina i requisiti prestazionali dei connettori per poli di batteria, con particolare attenzione alla norma UL 4128. Si conclude dimostrando come i connettori per poli di batteria e i cavi assemblati di Weidmüller possano supportare la gestione proattiva dell'energia e contribuire all'implementazione efficace e ad alte prestazioni delle installazioni BESS nei data center.

La crescente densità dei rack nei data center per il cloud, determinata dall'ascesa dell'intelligenza artificiale (IA) e dell'apprendimento automatico (ML), sta aumentando in modo significativo i requisiti di alimentazione. Si prevede che il consumo energetico dei data center triplicherà in percentuale sul consumo totale di elettricità tra il 2024 e il 2030, passando dal 3-4% circa della domanda totale negli Stati Uniti nel 2024 all'11-12% nel 2030 (Figura 1).

Figura 1: Tra il 2024 e il 2030, il consumo energetico dei data center negli Stati Uniti dovrebbe triplicare in percentuale rispetto al consumo di elettricità totale (indicato sull'asse verticale). (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

L'evoluzione dell'architettura energetica

L'aumento del consumo energetico sta causando cambiamenti significativi nelle architetture di alimentazione dei data center, tra cui un riesame della struttura degli UPS per supportare la necessità di una disponibilità energetica continuativa, migliorare la sostenibilità e aiutare a gestire i picchi dei costi energetici.

In passato, un UPS era utilizzato soprattutto per fornire l'alimentazione a breve termine durante l'avvio di un motore-generatore che alimentava il data center in caso di interruzioni dell'alimentazione elettrica principale. Che cosa è cambiato?

Un UPS è sempre più considerato la fonte primaria di energia di riserva per ridurre o eliminare i gas serra prodotti dai generatori a motore. Ciò richiede un impegno maggiore nella progettazione dei sistemi UPS. La scalabilità e la flessibilità sono diventate caratteristiche importanti.

Il design modulare consente di aumentare le dimensioni del BESS per supportare tempi di esercizio più lunghi e altre funzionalità, come l'integrazione di risorse energetiche rinnovabili. Inoltre, le tradizionali batterie al piombo-acido regolate da valvole (VRLA) sono ora sostituite dalle batterie agli ioni di litio (Li-ion). La nuova tecnologia delle batterie offre cicli di vita più lunghi, tempi di ricarica più rapidi e densità energetiche superiori, tutte caratteristiche molto apprezzate nei data center con un fabbisogno energetico in aumento continuo.

Gli UPS modulari che utilizzano BESS al litio sono anche più facili da manutenere rispetto alle soluzioni VRLA, che richiedono una sostituzione molto più frequente delle batterie. L'aggiunta e la rimozione di moduli tramite connettori per poli di batteria è anche un modo economico per soddisfare le mutevoli esigenze di alimentazione dei data center.

I connettori per poli di batteria sono importanti anche per garantire la sicurezza e l'efficienza dei sistemi BESS modulari, che possono essere rack convenzionali di batterie all'interno del data center. Tuttavia, possono anche essere collocati accanto al data center in una soluzione containerizzata, liberando spazio prezioso all'interno del data center per server, memoria, comunicazioni e altri dispositivi elettronici critici che supportano le crescenti esigenze di potenza di elaborazione e connettività (Figura 2).

Figura 2: Le installazioni di BESS modulari possono essere basate su soluzioni containerizzate, come illustrato sopra, oppure realizzate utilizzando rack di batterie e convertitori di potenza situati all'interno di un data center. (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Integrazione con fonti di energia rinnovabile

Non solo i data center consumano più elettricità, ma anche il costo per chilowattora dell'elettricità è in aumento, aggravando le sfide in termini di costi e sostenibilità. Per rispondere a queste preoccupazioni, nei data center si stanno integrando fonti di energia rinnovabile come l'energia solare. Anche in questo caso, i design modulari dei BESS che utilizzano connettori per poli di batteria possono fornire la flessibilità necessaria.

Il crescente consumo energetico dei data center sta inoltre generando l'aspettativa che gli operatori dei data center diventino paladini dell'ambiente. Oltre alla riduzione diretta dei costi energetici, gli operatori dei data center possono anche sfruttare il livellamento dei picchi di carico, la risposta alla domanda e altri strumenti per ottenere ulteriori vantaggi in termini di costi.

Il BESS può fornire preziosi servizi di rete, quali la regolazione della frequenza e il supporto della tensione, migliorando così la resilienza della rete. In un contesto universitario, un BESS può far parte di una microrete che supporta l'isolamento e funziona indipendentemente dalla rete elettrica.

Il BESS può modificare i modelli di consumo energetico immagazzinando energia rinnovabile durante i periodi di bassa domanda e utilizzandola durante i periodi di picco, riducendo così la domanda sulla rete e livellando i costi, poiché spesso le aziende di servizi pubblici applicano tariffe più elevate durante le ore di punta.

UL 4128 per connettori BESS

Lo standard UL 4128 specifica i requisiti per le metà di accoppiamento dei connettori utilizzati per collegare le celle delle batterie (intercell) e i livelli delle batterie (intertier) in un BESS. La norma riguarda cavi, connettori per cavi e prese di accoppiamento con tensione nominale fino a 2.000 V non destinati al collegamento o alla disconnessione sotto carico.

È necessario che il connettore sia completamente inserito e interbloccato prima di essere messo in tensione. Anche un minimo movimento del connettore potrebbe ridurre l'area di contatto, aumentare la resistenza di contatto e creare un punto caldo, che potrebbe provocare un incendio. Questa funzione di bloccaggio è importante per la sicurezza del BESS. Inoltre, il carico di trazione sui connettori in un cavo assemblato non deve superare il limite massimo specificato.

I connettori sono progettati per l'uso con conduttori in rame o leghe di rame, con una temperatura nominale di almeno +90 °C. Sono destinati all'assemblaggio in fabbrica o sul campo e possono essere utilizzati sia in ambienti esterni che interni, gestendo oltre 100 cicli di connessione e disconnessione meccanica (senza carico).

I connettori classificati UL 4128 non sono destinati all'uso in luoghi pericolosi; pertanto, è necessario installare un cappuccio protettivo su tutti i connettori non utilizzati. Infine, potrebbe essere necessario affiggere avvisi relativi al rischio di ustioni quando si utilizzano connettori a temperature ambiente elevate.

Connettori per poli di batteria

I connettori per poli di batteria, in particolare quelli conformi ai requisiti UL 4128, sono stati sviluppati per garantire prestazioni e sicurezza superiori in un BESS ad alta potenza rispetto ai semplici ed economici assemblaggi di cavi con capicorda.

I collegamenti con capicorda non offrono la flessibilità necessaria in un BESS modulare, poiché richiedono il collegamento manuale e il serraggio dei dadi su ciascun capocorda (lavoro eccessivo e passibile di errori). Inoltre, se il dado non è serrato correttamente, si ottiene un collegamento ad alta resistenza che genera calore, spreca energia e crea un potenziale rischio di incendio.

La mancanza di protezione ambientale e la robustezza dei collegamenti dei capicorda dei cavi possono causare un funzionamento inaffidabile nel lungo termine. I collegamenti con capocorda non sono sicuri al tatto e possono rappresentare un grave pericolo per gli installatori in presenza di livelli elevati di energia.

Al posto dei capicorda, i progettisti possono ricorrere a connettori per poli di batteria codificati a colori conformemente alla norma UL 4128 (Figura 3). La codifica a colori, come definita nello standard UL (arancione per positivo e nero per negativo), è utilizzata sui connettori dei cavi e sulle connessioni per condotto sbarra per creare un codice visivo e velocizzare il montaggio.

Figura 3: I connettori per poli di batteria assicurano collegamenti rapidi ed efficienti nei sistemi BESS modulari e sono importanti per garantire sicurezza ed efficienza. (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Oltre ad essere codificati con colori diversi, entrambe le estremità dei connettori per poli di batteria sono dotati di chiavette meccaniche per garantire il collegamento corretto dei poli positivo e negativo, evitando così qualsiasi possibilità di errore di assemblaggio durante l'accoppiamento. L'inserimento dei connettori per poli di batteria di Weidmüller consente di collegare il connettore con qualsiasi orientamento, riducendo al minimo le sollecitazioni meccaniche nel cavo assemblato.

Il meccanismo di bloccaggio soddisfa il requisito UL che impone che il connettore sia completamente inserito e interbloccato prima di essere messo in tensione. I contatti si separano prima che il connettore possa essere scollegato, eliminando il rischio di un pericoloso arco elettrico in caso di disconnessione involontaria sotto carico.

I contatti sono realizzati in lega di rame placcata in argento per ridurre al minimo la resistenza di contatto, sono approvati ai sensi UL 4128 e sono classificati per oltre 100 cicli di connessione e disconnessione meccanica.

I connettori per poli di batteria di Weidmüller (WBC) sono progettati per resistere a condizioni ambientali difficili e sono classificati con il grado di protezione IP67 contro l'infiltrazione di polvere e acqua. Sono sicuri al tatto grazie al lato di montaggio protetto.

La norma UL 4128 non specifica il materiale del corpo del connettore, ma solo i requisiti prestazionali. I connettori WBC sono realizzati in poliammide 66 (PA 66), un materiale termoplastico modificato, particolarmente adatto all'uso nei poli delle batterie. I vantaggi del PA 66 rispetto al PA standard includono una migliore protezione antincendio e una temperatura di funzionamento continuo più elevata. Il PA 66 soddisfa anche i severi requisiti per l'impiego nei veicoli ferroviari. Altri vantaggi del PA 66 includono:

• Migliore resistenza al fuoco
• Assenza di alogeni e fosforo
• Bassa generazione di fumi ed esalazioni

La famiglia WBC consente il collegamento di sezioni di conduttori comprese tra 16 mm² e 95 mm², con una corrente nominale fino a 200 A sul lato connettore. Sono disponibili anche cavi assemblati che riducono notevolmente la manodopera necessaria per il cablaggio dei sistemi BESS (Figura 4). Ecco alcuni esempi di connettori per poli di batteria e cavi assemblati di Weidmüller:

• 2905330000, connettore meno maschio, classificato per 120 A e 1.500 V
• 2905290000, connettore meno femmina, classificato per 120 A e 1.500 V
• 2905320000, connettore più maschio, classificato per 200 A e 1.500 V
• 2905380000, connettore più femmina, classificato per 200 A e 1.500 V
• 2938270000, cavo assemblato lungo 324 mm classificato per 120 A e 1.500 V

Figura 4: Esempi di WBC maschio e femmina e un cavo assemblato per poli di batteria. (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Conclusione

I cambiamenti nell'architettura di alimentazione dei grandi data center sono determinati da una combinazione di fattori, tra cui l'aumento della densità di potenza dei rack per soddisfare le esigenze di elaborazione e immagazzinaggio per IA e ML, nonché la necessità di gestire l'aumento dei costi dell'elettricità. Ciò sta portando alla creazione di nuovi modelli di gruppi di continuità basati su BESS modulari, che utilizzano connettori per poli di batteria per garantire scalabilità e modularità.

Oltre a garantire una distribuzione affidabile dell'energia elettrica, i design modulari dei BESS consentono l'integrazione di fonti di energia rinnovabile, come l'energia solare, in grado di soddisfare le aspettative di maggiore sensibilità ambientale, sostenibilità e resilienza. I connettori per poli di batteria che supportano queste esigenze devono soddisfare i requisiti UL 4128 per garantire una connettività sicura ed efficiente di livelli di energia della batteria elevati e potenzialmente pericolosi.

Letture consigliate:

1. Le microreti e i DER possono massimizzare la sostenibilità e la resilienza delle strutture industriali e commerciali
2. Come utilizzare la distribuzione intelligente dell'energia elettrica per massimizzare la disponibilità della rete
3. Come collegare i blocchi nei sistemi commerciali di immagazzinaggio dell'energia
4. Come implementare la connettività modulare ad alte prestazioni per le apparecchiature dei data center aziendali
5. Rispondere al fabbisogno energetico dei server IA con una tecnologia all'avanguardia