J.P.C. GUTIERREZ - MANUTENÇÃO INDUSTRIAL: MANUTENÇÃO DAS BATERIAS DAS UPS DA FÁBRICA - O.S. Nº 015384593
Quase todas as empresas e organizações terão um elemento de TI que será protegido por uma fonte de alimentação ininterrupta. Quer se trate de uma sala de servidores ou de um UPS de data center ou de um sistema menor protegendo um único servidor ou elemento IoT, a quantidade de tempo de execução disponível dependerá da “saúde” das baterias do UPS.
Embora um sistema UPS inclua alguma forma de monitoramento da bateria, nada testa tanto uma bateria UPS quanto colocá-la sob carga, ou seja, simular uma falha completa de energia elétrica e operar o sistema neste modo por vários minutos. Uma das razões para isto é que uma bateria pode ser testada como “saudável”, mas a sua tensão e capacidade caem rapidamente sob uma descarga de carga total. Portanto, se o circuito de monitoramento da bateria dentro de uma fonte de alimentação ininterrupta fornece apenas uma indicação de “integridade”, quais medidas de manutenção preventiva estão disponíveis para garantir que as baterias do seu UPS serão capazes de fornecer sua potência nominal total em caso de emergência?
Vida útil da bateria UPS
A maioria das baterias UPS são do tipo chumbo-ácido regulado por válvula (VRLA) ou, como também são conhecidas, do tipo chumbo-ácido livre de manutenção. Este tipo de bateria é adequado para aplicações de energia em espera e também é usado em iluminação de emergência, painéis de segurança e alarme e motores de partida de geradores. As baterias de chumbo-ácido são geralmente de dois tipos: vida útil projetada de 5 e 10 anos e é raro que qualquer tipo atinja a vida útil esperada. Por que?
- Idade da bateria: as baterias de chumbo-ácido armazenam e descarregam energia elétrica usando um processo químico que depende da interação entre placas de chumbo (positivas e negativas) e um eletrólito de gel de ácido clorídrico. À medida que a bateria envelhece, seu desempenho elétrico se deteriora devido ao aumento da impedância (resistência interna) e à sulfatação (um acúmulo de cristais de sulfato).
- Ambiente do rack e da sala de servidores: a temperatura ambiente ao redor da bateria do no-break é importante, pois quanto mais alta a temperatura, mais rápido a bateria envelhece. A temperatura ideal é de 20-25˚C e para cada grau acima de 30, a vida útil do projeto é reduzida pela metade. As temperaturas ambientes podem variar consideravelmente dentro das salas de servidores e dentro dos próprios racks de servidores, e o posicionamento correto de um no-break nesses tipos de ambiente é fundamental para a integridade da bateria a longo prazo. Num ambiente de centro de dados existe geralmente um ambiente mais controlado e a UPS pode até ser colocada numa sala de fábrica separada e com temperatura controlada.
- Número do ciclo de carga/descarga: a maioria das baterias de chumbo-ácido são projetadas para 300-500 ciclos completos. Em áreas com fonte de alimentação instável, o ciclo contínuo da bateria levará à necessidade de substituição antecipada. É por esta razão que as baterias de chumbo do UPS geralmente não são recomendadas para aplicações de armazenamento de energia. Para armazenamento de energia, a bateria de chumbo-ácido deve ser especificada com uma especificação de ciclagem diferente. A bateria preferida para armazenamento de energia é a de íon de lítio devido à sua recarga rápida, densidade de potência e capacidade de ciclagem.
- Tamanho da carga: a maioria das baterias UPS são dimensionadas para até 80% da capacidade do sistema UPS. Quanto maior a classificação Ah da bateria em comparação com o tamanho da carga, menor será a probabilidade de ela funcionar com capacidade próxima e, na prática, maior será o tempo de execução e a expectativa de vida útil. As cargas da sala de servidores e do datacenter raramente são estáticas. A UPS e a sua bateria devem, portanto, ser dimensionadas para capacidade de crescimento futuro. Isto é um pouco mais fácil com um UPS modular, mas a menos que a bateria seja modular, a capacidade Ah da bateria pode ser fixada desde o primeiro dia da instalação. À medida que mais carga é adicionada, o tempo de funcionamento potencial da bateria do UPS será reduzido.
- Umidade e pureza do ar: esses fatores ambientais podem ser mais aplicáveis a aplicações industriais de UPS ou fontes de alimentação ininterruptas usadas em ambientes mais tropicais. A umidade não afetará necessariamente o desempenho da bateria do UPS, assumindo que a sala seja resfriada a 20-25˚C conforme mencionado, mas uma umidade elevada pode levar à corrosão e à necessidade de substituir outros consumíveis com mais regularidade, incluindo ventiladores de resfriamento. Condições de poeira, fumaça e fumaça também devem ser evitadas, pois podem levar a problemas semelhantes de desempenho operacional do UPS, a menos que o sistema seja projetado para tais ambientes.
Qualquer um desses fatores pode levar a problemas com as baterias do UPS e à necessidade de substituição. No entanto, existem medidas preventivas que podem ser tomadas durante a vida útil de uma fonte de alimentação ininterrupta.
Manutenção preventiva e inspeções de baterias UPS
- Inspeções visuais da bateria: como acontece com qualquer manutenção preventiva, uma inspeção visual pode fornecer pistas visuais sobre o estado operacional da bateria do UPS. As baterias de chumbo-ácido normalmente têm uma caixa de plástico e, à medida que a bateria envelhece, o acúmulo de calor interno devido à impedância e à sulfatação pode fazer com que a caixa fique empenada ou, na pior das hipóteses, rachada. Resíduos de pó branco ao redor dos pólos terminais positivos e/ou negativos também podem indicar problemas internos. Se houver acúmulo de poeira ou sujeira, então isso pode ser considerado para remoção se houver uma maneira segura de isolar o conjunto de baterias para um trabalho seguro e proteção contra descarga acidental ou curto-circuito.
- Teste de bloco de bateria: usando um testador de bateria portátil, cada bloco de bateria individual pode ser testado. Geralmente existem dois tipos de testador: impedância ou o tipo mais sofisticado de condutância. Cada bloco de bateria recebe um identificador exclusivo e as leituras das visitas subsequentes de inspeção da bateria podem ser plotadas para fornecer uma tendência de integridade e ajudar a identificar blocos de bateria com defeito.
- Teste de capacidade da bateria e banco de carga: a maioria dos UPS de grandes datacenters estão sujeitos a testes de banco de carga durante a fase de comissionamento. Os testes de banco de carga também podem fazer parte de uma visita regular de manutenção preventiva, anualmente ou a cada 3-5 anos. O teste de banco de carga é mais abrangente do que o teste de bloco de bateria individual, pois a fonte de alimentação do no-break é “cortada” pela bateria colocada sob carga fictícia. A quantidade de tempo de execução disponível para uma determinada classificação de kVA/kW pode ser registrada e comparada com a especificação.
Durante os anos 1 e 2 de operação do UPS, as inspeções visuais juntamente com a análise dos arquivos de log do UPS podem ser consideradas apropriadas para a maioria das cargas do servidor. Dentro de uma aplicação UPS de datacenter, o teste anual do bloco da bateria pode fazer parte do contrato geral de manutenção do UPS, com provisão para testes de banco de carga se houver uma mudança repentina nas leituras ou se a bateria estiver se aproximando de 70-80% de sua vida útil projetada.
Sistemas de monitoramento de bateria UPS
Outra opção é considerar o uso de um sistema permanente de monitoramento de bateria do UPS. Este tipo de arranjo utiliza sensores de bloco de bateria individuais conectados a um sistema de gerenciamento de bateria (BMS). Leituras históricas e ao vivo são disponibilizadas em uma rede ou portal na nuvem com alertas emitidos por e-mail e texto SMS para alterações de medição fora dos valores predefinidos ou falhas repentinas. Esse tipo de monitoramento de bateria é normalmente usado em datacenters de hiperescala maiores.
Substituições de baterias UPS de íons de lítio
A tecnologia de baterias de iões de lítio e a sua aplicação em sistemas de armazenamento de energia estão a levar alguns fabricantes de UPS a oferecer este tipo de bateria como uma solução de reserva alternativa ao chumbo-ácido. As baterias de lítio possuem uma densidade de energia muito maior e isso pode ajudar a reduzir o espaço necessário para uma bateria de fonte de alimentação ininterrupta em um datacenter e/ou dentro de um gabinete UPS. As baterias de íons de lítio também carregam muito mais rápido que as de chumbo-ácido (80% em 1-2 horas, em comparação com 80% em 24 horas) e são capazes de ciclos de carga/descarga quase ilimitados. No entanto, como em qualquer outra aplicação de bateria de iões de lítio, existe a necessidade de um sistema de gestão de bateria mais complexo (e, portanto, dispendioso). Isto pode fazer com que sistemas UPS de datacenter maiores com íons de lítio tenham um prêmio de 30% em relação às alternativas de baterias de chumbo-ácido. À medida que aumenta a utilização de baterias do tipo iões de lítio, através da sua adoção nos transportes e no armazenamento de energia (por exemplo, energia solar fotovoltaica/turbinas eólicas), então esta “disparidade de preços” deverá começar a diminuir rapidamente.
Resumo
Existem várias maneiras de proteger as baterias das UPS da fábrica e garantir que elas atinjam a vida útil esperada. Isto é importante sob dois aspectos. Em primeiro lugar, as baterias são itens dispendiosos para substituir em termos de custos de material e mão-de-obra e estes devem ser tidos em conta nos cálculos do Custo Total de Propriedade (TCO). Em segundo lugar, quanto menor for a necessidade de substituição da bateria durante a vida útil de um sistema UPS, mais sustentável e amiga do ambiente será a instalação. Embora até 90% ou mais de uma bateria de chumbo-ácido possa ser reciclada, o chumbo é um recurso limitado e a caixa plástica da bateria é feita de materiais à base de carbono.