Nos últimos anos ocorreram mudanças significativas na natureza do mercado de Sistemas de Energia Ininterrupta (UPS) e nas exigências para as baterias nesse mercado. Em resposta a essa necessidade de uma bateria especialmente projetada para esta nova realidade, a EnerSys® apresentou a série de baterias DataSafe® XE desenvolvida com base na tecnologia EnerSys® Thin Plate Pure Lead (TPPL – Placa Fina Chumbo Puro) e otimizada para atender às demandas exclusivas do mercado moderno de UPS.

Histórico

Historicamente, as baterias vendidas no mercado de UPS concentravam-se em tempos de descarga de 15 minutos e exigiam ambientes com temperatura controlada. Havia alguns fatores para a especificação da taxa de descarga de 15 minutos.

Primeiramente, na época em que os padrões estavam sendo estabelecidos as organizações contavam com computadores centrais isolados da estrutura principal (mainframes), que eram extremamente sensíveis a mudanças na qualidade ou perda de energia. Se a energia fosse perdida durante a operação todo o conjunto de dados poderia ser irremediavelmente corrompido. Assim, a interrupção de energia era considerada catastrófica. Essa sensibilidade à perda de energia exigia que os engenheiros determinassem quanto tempo os operadores do data center precisariam para: 1) perceber que a interrupção estava ocorrendo e 2) realizar um desligamento ordenado para evitar a perda de dados. Os algoritmos foram projetados e testados, e um determinado valor foi atribuído ao tempo de suporte, com margens de segurança apropriadas.

Um segundo fator na determinação dos requisitos de autonomia da bateria, foi o tempo de partida do grupo gerador. Historicamente, os geradores possuíam características drasticamente limitadas em comparação com os geradores atuais. Havia dois problemas:

1) transferência de energia e 2) sincronização de fase. Os modelos de grupo gerador naqueles dias exigiam uma transferência manual, além de vários minutos para alcançar a sincronização de fase completa, para poder atender aos requisitos de saída senoidal do sistema. Em média, esse processo poderia levar de seis a nove minutos ou mais.

Assim, 15 minutos se tornaram o tempo necessário para atender esses requisitos e permitir um desligamento ordenado, ou para que o gerador se tornasse totalmente operacional e capaz de assumir o fornecimento de energia. Esse critério permaneceu como o padrão para os requisitos de autonomia da bateria, e os fabricantes se baseavam neste requisito para desenvolver suas baterias para o mercado de UPS.

Hoje, o mundo dos UPS é um lugar diferente. Agora temos a transferência automática de grupos geradores e sincronização de fase em segundos ou até frações de segundo. Temos servidores interconectados, memória flash (RAID) e a capacidade de espelhar dados e transferi-los instantaneamente para todo o mundo. Onde historicamente os usuários pensavam na confiabilidade em termos de manter um sistema ativo até que a energia fosse restaurada, ou que um grupo gerador fosse iniciado, hoje em dia a confiabilidade é mais sobre manter um sistema ativo pelos segundos ou minutos necessários, para alternar as operações para uma operação redundante, talvez em um continente diferente. Assim, para uma parcela grande e crescente do mercado de UPS, o padrão de 15 minutos se tornou irrelevante e está sendo substituído por tempos de autonomia de 5 minutos ou menos. Um requisito de autonomia típico no ambiente do mercado atual de UPS é que a bateria suporte dois eventos de descarga em menos de dois minutos. À medida que o tempo de autonomia diminui, há um desejo de minimizar o tamanho e o peso da bateria e reduzir os custos de capital associados à infraestrutura mecânica e elétrica.

Ao mesmo tempo, há uma tendência para o gerenciamento de temperatura reduzido nas salas de baterias. Isso é motivado por requisitos reduzidos de controle de temperatura nos componentes eletrônicos e/ou é simplesmente motivado pelo desejo de reduzir os custos de energia, reduzindo o ar condicionado. Obviamente, o usuário da bateria não deseja aceitar uma vida útil reduzida em troca de um controle de temperatura reduzido.

Abaixo está uma lista de requisitos e recursos desejáveis ​​para as baterias no moderno mercado de UPS:

- Otimização em torno de descargas menores que cinco minutos, para que o tamanho e o peso da bateria possam ser reduzidos

- Requisitos reduzidos para controle de temperatura no ambiente das baterias

- Longa vida útil, mesmo com temperaturas operacionais mais altas

- Capacidade de se recarregar rapidamente

- Mínima geração e emissão de gases

- Baixas taxas de autodescarga

- Baixo custo de propriedade a longo prazo

Diante desses requisitos, a EnerSys® procurou em seu extenso portfólio de tecnologias, e identificou que que a família de produtos EnerSys® TPPL possui recursos especialmente adequados para atender às necessidades deste novo mercado de UPS. Com alguma otimização do design para atender ainda melhor às necessidades específicas desta aplicação, a EnerSys® pode apresentar a série de baterias DataSafe® XE: a primeira bateria projetada especificamente para lidar com o mundo em evolução dos data centers.

O que é a tecnologia TPPL (Placa Fina Chumbo Puro)?

Concebida a quase 50 anos, a tecnologia VRLA (bateria regulada por válvula) AGM (eletrólito absorvido em manta de fibra de vidro) permitiu a fabricação de baterias que não fossem preenchidas com eletrólitos líquidos livres e que não exigissem a reposição de água. A utilização efetiva do Processo de Recombinação de Oxigênio, que é a chave da tecnologia VRLA AGM, revolucionou o setor de baterias chumbo-ácido.

Ao longo das décadas, essa tecnologia AGM foi adotada pela maioria dos fabricantes de baterias chumbo-ácido e tornou-se a solução padrão para muitas aplicações de UPS. A EnerSys® aprimorou dramaticamente a tecnologia AGM VRLA para criar sua tecnologia TPPL, que como seu nome indica, envolve o uso de placas utilizando grades de chumbo de alta pureza (sem adicionar qualquer outro metal – Não é liga metálica!) e espessura reduzida em comparação com as tecnologias mais convencionais. Para entender a relevância da pureza do chumbo nos produtos TPPL, é importante entender alguns modos principais de falha e características de desempenho associadas às baterias chumbo-ácido e, posteriormente, como a pureza do chumbo e a espessura da placa os afetam. A seguir, são apresentados alguns dos recursos da tecnologia TPPL que a tornam especialmente adequada para o mercado de UPS moderno.Intensidade de descarga extra alta e longa vida útil

A grade da bateria chumbo-ácido é a estrutura de chumbo que sustenta mecanicamente o Material Ativo da bateria (substância efetivamente responsável pelo armazenamento de energia). Juntos, a grade e o material ativo formam as placas positiva e negativa. A grade é também o condutor elétrico que permite o fluxo de corrente, que se origina de reações no material ativo, através das placas e para fora delas.

No entanto, durante a vida útil da bateria, o chumbo na grade tende a ser corroído pelo ácido sulfúrico do eletrólito em contato com a placa. Esta corrosão é destrutiva para a bateria de duas maneiras. Primeiro, à medida que a grade sofre corrosão, ela perde condutividade, tornando-a menos eficaz à condução de corrente. Segundo, como o produto de corrosão é menos denso que o chumbo metálico original, o volume da grade aumentará causando seu crescimento e podendo fazer com que a matéria ativa perca contato elétrico com a grade. A corrosão e o crescimento da grade reduzem a condutividade e o desempenho da bateria e, eventualmente, causam a falha da bateria.

A corrosão da grade ocorre em todas as baterias chumbo-ácido, mas a taxa em que ocorre é controlada por vários fatores, alguns dos quais relacionados à aplicação, como tensão em flutuação e temperatura. O chumbo de alta pureza utilizado na tecnologia TPPL apresenta taxa de corrosão bem menor do que o chumbo nas ligas metálicas convencionais A Figura 2 mostra uma comparação de grades de chumbo puro e chumbo-cálcio após o teste de vida. Observe que há alguma perda de chumbo metálico na grade TPPL, mas é homogêneo ao longo da superfície e com profundidade mínima. A grade de liga de chumbo mostra uma completa perda de integridade, refletindo o aumento da taxa de corrosão e o fato de que a corrosão efetivamente cortou a grade em pedaços pequenos. A Figura 3 mostra as projeções de vida, com base em testes de temperatura elevada, para baterias DataSafe® XE a 25°C e a 30°C.

Figura 2: Corrosão de grade positiva

Outros projetos de baterias chumbo-ácido utilizando ligas metálicas tendem a usar grades mais grossas, efetivamente utilizando

chumbo extra como material de sacrifício para prolongar a vida útil da bateria enquanto a corrosão consome a grade.

A prática de se usar grades mais grossas para estender sua vida útil pode ser eficaz quando o cuidado adequado é tomado para gerenciar o limite de grãos, mas resulta em placa mais grossa que não descarregam tão eficientemente quanto as mais finas, porque o material ativo no centro das placas possui acesso limitado ao eletrólito. Com o design TPPL (sem liga metálica), o uso de placas mais finas significa que mais placas podem ser usadas ​​dentro do elemento, que é igual a mais área de superfície de placa, ou seja, mais área de REAÇÃO, resultando em melhor utilização do material ativo. Para o engenheiro da UPS, isso significa que, com baterias de placas finas, baterias menores podem ser usadas para obter os mesmos tempos de execução e aumentar as taxas de descarga, aumentando a vantagem TPPL.

A Figura 4 mostra uma comparação da bateria Série DataSafe® XE às baterias AGM convencionais chumbo-cálcio. Este exemplo mostra um aumento de 50% na densidade de energia, o que poderia permitir uma redução de mais de 30% no peso da bateria, e uma redução semelhante no volume.

Figura 4: Comparação da densidade de energia durante curtas descargas

O importante é que os produtos TPPL podem usar grades mais finas sem sacrificar a vida útil da bateria, pois as taxas de corrosão são reduzidas. Isso resulta em placas mais finas e, portanto, maior capacidade, especialmente durante as altas taxas de descargas. Simplificando, o uso de placas mais finas significa que mais placas podem ser usadas para que haja maior área de superfície reativa da placa. Isso dá ao usuário aumento de energia e potência da bateria sem abrir mão da vida útil da bateria.

Capacidade de Recarga Rápida

Os mesmos fatores que controlam a eficiência da utilização de material ativo durante a descarga entram em jogo durante a recarga. As taxas de recarga são limitadas pela área de superfície reativa e pela taxa na qual o ácido pode difundir de e para o material mais difícil de alcançar no centro da placa. Quando as placas se tornam mais finas, a distância que o eletrólito deve difundir se torna menor. Com a corrente de recarga adequada, o TPPL oferece a oportunidade de reduzir o tempo de recarga da bateria do UPS após um evento de descarga.

A Figura 5 mostra a relação entre a corrente disponível para carregar os produtos da série DataSafe® XE e o tempo para recarregar em 100% SOC, em função da profundidade da descarga.

Figura 5: Tempo de carga para Bateria Série DataSafe® XE baseado na profundidade de descarga e corrente de carga disponível

Baixa geração e emissão de gás

As baterias chumbo-ácido usam um eletrólito que é a mistura de água e ácido sulfúrico. No ambiente interno da bateria, a água sofre eletrólise decompondo-se em oxigênio e hidrogênio. A eletrólise tende a exigir uma superfície metálica que serve como catalisador. As impurezas metálicas tendem a fornecer uma superfície que promove a eletrólise. A superfície de chumbo de alta pureza do TPPL reduz bastante a eletrólise e taxa de geração de gás. Isso reduz a taxa de perda de água da bateria e reduz a quantidade de gás que pode sair da bateria.

Existem dois pontos adicionais associados a este tópico que podem não ser óbvios, mas são chave para a tecnologia TPPL. O primeiro diz respeito à pureza de TODOS os materiais utilizados na fabricação de elementos. Diferentemente da corrosão da grade, que é mais diretamente impactada pelas ligas apenas no metal da grade, a geração de gás depende da pureza de todos os materiais dentro do elemento, incluindo o eletrólito e qualquer coisa que entre em contato com o eletrólito. Além da grade, fontes potenciais de impurezas na bateria são: os óxidos de chumbo usados ​​para fabricar o material ativo; o ácido e a água usados ​​para produzir o eletrólito; e o material microporoso de fibra de vidro que absorve o eletrólito. Na fabricação de produtos TPPL, a EnerSys® estabeleceu os mais altos níveis de pureza para todos esses materiais e testa rigorosamente esses materiais para garantir que as taxas de emissão de gases sejam os mais baixos níveis do mercado de bateria.

O segundo ponto é que a principal diferença entre TPPL e outros projetos de AGM é o nível de GERAÇÃO de gás (não confunda com emissão de gás). Muitos projetos de AGM avançaram para o ponto em que a eficiência da recombinação de oxigênio é alta. Isso significa que a emissão de gás, ou a quantidade de gás que sai do elemento é relativamente pequena. No entanto, isso não infere necessariamente que a quantidade de gás que está sendo gerada dentro do elemento é baixa. Significa apenas que o elemento é muito bom em impedir que o gás saia do elemento.

A eficiência de recombinação de oxigênio da tecnologia TPPL é alta, como muitas outras baterias AGM, mas, diferentemente de outras baterias AGM, com a tecnologia TPPL, a taxa de gaseificação é reduzida. Esta redução na geração de gás tem o benefício de fornecer temperaturas operacionais reduzidas, correntes de flutuação e redução da corrosão na grade. Portanto, a eficiência da recombinação não é necessariamente a medida mais crítica do comportamento dos gases.

Baixa taxa de autodescarga

A autodescarga é um resultado secundário da geração de gás hidrogênio nas baterias chumbo-ácido. Uma redução na taxa de geração de gás, como prevê a TPPL, reduzirá diretamente a taxa de autodescarga. Os produtos TPPL mostram uma taxa de autodescarga reduzida em comparação com as baterias convencionais. Isso significa problemas reduzidos de gerenciamento de estoque.

A Figura 6 ilustra a taxa de autodescarga de produtos TPPL, incluindo a Bateria Série DataSafe® XE e compara essa taxa para baterias chumbo-cálcio típicas.

O Mais baixo Custo de Aquisição

Os recursos e benefícios das baterias da tecnologia TPPL da Série DataSafe® XE oferecem ao operador do UPS uma bateria menor, mais leve, mais capaz de lidar com várias ocorrências e consome menos energia, além de proporcionar vida útil mais longa e maior confiabilidade. Todas essas características ajudam a gerenciar o custo de longo prazo por meio de menor custo de compra, substituição menos frequente, custo reduzido de energia e cuidados e manutenção reduzidos do fio da bateria. Juntamente com a oportunidade de reduzir o custo do controle de temperatura nas salas de baterias, surgem novas opções para localização das baterias. Como a primeira bateria realmente projetada para a moderna indústria crítica de UPS, a bateria Série DataSafe® XE oferece a melhor oportunidade de minimizar o custo de vida útil da bateria.