Brandgefährliche Trends im Rechenzentrum?

In Rechenzentren gibt es mehrere wichtige Trends, die herkömmliche Brandmeldesysteme in Frage stellen. Erstens leiten Rechenzentren die von schnelleren und leistungsfähigeren elektronischen Geräten erzeugte Wärme über HLK-Systeme ab. Dadurch wird die im Gebäude erzeugte heiße Luft abgeleitet, indem der Luftstrom durch die Einrichtung erhöht wird, oft durch Zufuhr kühler Luft von außen, wenn die Bedingungen dies zulassen.

Der zweite Trend ist die zunehmende Colocation, bei der Rechenzentren mehrere Unternehmen beherbergen, die ihren Bedarf an Datenverarbeitung und -speicherung in denselben Räumlichkeiten auslagern. Während beispielsweise ein ganzes Stockwerk für die Daten eines Unternehmens reserviert ist, benötigt ein anderes Unternehmen vielleicht nur einen einzigen Server, ein Rack oder eine Reihe von Servern in einem kleinen Teil des Stockwerks. Dabei handelt es sich in der Regel um gesicherte Bereiche, die den Zugang für Routinetests, Inspektionen und Wartungsarbeiten erschweren.

Rechenzentren setzen zunehmend auf Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) als emissionsärmere Alternative zu herkömmlichen dieselbetriebenen unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen (USV). BESSs bestehen aus Tausenden von Lithium-Ionen-Zellen und spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung hin zu erneuerbaren Energien und intelligenteren Stromnetzen.

Aufgrund der zunehmenden Digitalisierung von Geschäftsprozessen, Big Data und Cloud-Nutzung wächst die Rechenzentrumsbranche exponentiell. Untersuchungen zeigen, dass der globale Markt für Rechenzentren zwischen 2021 und 2030 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 10,5 Prozent aufweisen wird. Daher ist es nicht überraschend, dass auch für den Weltmarkt für BESS im Versorgungsmaßstab zwischen 2022 und 2029 eine CAGR von 16,3 Prozent erwartet wird. Während das Wachstum von Rechenzentren und damit auch von BESS keine Anzeichen einer Verlangsamung zeigt, ist es wichtig, dass sich die Leiter von Rechenzentren der Risiken bewusst sind, die sie darstellen können.

Obwohl der Einsatz von BESS viele Vorteile bietet, können sie auch Probleme mit sich bringen. Zum einen erfordern sie komplexe Batteriemanagementsysteme (BMS), damit sie innerhalb sicherer Spannungs-, Temperatur- und Ladeparameter funktionieren. Wenn ein BMS diese Parameter nicht ordnungsgemäß verwaltet, kann die Batterie selbst ausfallen, was zu Entgasung, übermäßiger Wärmeentwicklung und sogar eine Entzündung des Elektrolyts der Zelle auslösen kann. Dies kann schnell zu einem thermischen Durchgehen führen, bei dem sich die hohe Temperatur und das Feuer in einer sich beschleunigenden Kaskade schnell auf die umliegenden Zellen ausbreiten, was schnell unkontrollierbar werden kann. Ist der thermische Durchbruch erst einmal eingetreten, lässt er sich nur schwer aufhalten und führt schnell zu einem Totalausfall des Systems.

Die mit dem Einsatz von BESS in Rechenzentren verbundenen Risiken sind vielfältig und kostspielig. Aggressive Brände sind das Hauptproblem, da sie die Arbeitskräfte vor Ort in eine potenziell lebensbedrohliche Umgebung bringen. Wenn man jedoch bedenkt, dass Rechenzentren für die Verbindung vieler lebenswichtiger Dienste wie Transport, Gesundheitssysteme und nationale Sicherheit verantwortlich sind, wird jede durch Brände verursachte Ausfallzeit zweifellos zu einer Unterbrechung kritischer Dienste aufgrund von Datenverlust und Ausfallzeiten führen.

Es gibt drei Hauptstufen des Versagens von Lithium-Ionen-Batterien: Missbrauchsfaktor, anfängliches Entweichen der Zellen und thermisches Durchgehen. Erstens könnte elektrischer, thermischer und mechanischer Missbrauch zu einem thermischen Durchgehen führen, das, wie bereits erwähnt, kaum mit minimalen Schäden zu beheben ist. Da in einem BESS zahlreiche Zellen gleichzeitig geladen oder entladen werden, steigt das Risiko, dass einzelne Zellen elektrisch beschädigt werden. Thermischer Missbrauch hingegen kann auftreten, wenn die Betriebstemperatur die Wärmespezifikationen der Zelle überschreitet. Das Risiko hierfür steigt mit dem Alter der Batterie. Mechanischer Missbrauch umfasst alle Formen von physischen Schäden an der Batterie selbst, wie zum Beispiel ein Einstich oder eine Delle.

Zweitens, wenn der Missbrauchsfaktor ohne Vorbeugung anhält, wandelt sich der flüssige Elektrolyt der Batterie in Gas um, was zu einer ersten Entlüftung der Zellen führt. Dadurch baut sich im Inneren der Batterie ein Druck auf, der stark genug ist, um eine Druckentlastungsöffnung zu öffnen oder die Batteriedichtungen zu beschädigen. Dabei handelt es sich um eine andere Form von Gas als bei einem thermischen Durchgehen und es tritt mehrere Minuten vor dem Durchgehen auf, was es zu einem Indikator für die letzte Gelegenheit zur Verhinderung macht.

Schließlich schmilzt der Separator bei steigender Innentemperatur der Batterie und reißt, wodurch das Elektrolytlösungsmittel entzündet wird. In diesem Stadium werden Gase wie CO, CO2 und brennbare Gase freigesetzt. Dieses Feuer kann Temperaturen von über 1.000 Grad Celsius erreichen und einen Dominoeffekt auslösen, wenn sich die Temperatur auf benachbarte Zellen ausbreitet, wodurch der thermische Durchbrennungsprozess in Gang gesetzt wird und das System vollständig ausfällt. Aus den oben genannten Gründen müssen Rechenzentren, die BESS nutzen, über Brandschutzpläne verfügen, um Brände zu verhindern, bevor sie entstehen.

Die Brandbekämpfung ist kein verlässlicher Plan, wenn es zu einem thermischen Durchgehen in einem BESS kommt. Laut einer kürzlich im Journal of the Electrochemical Society (JES) veröffentlichten Studie hat sich keine der primären Unterdrückungsmethoden bei der Eindämmung eines BESS-Brandes als vollständig wirksam erwiesen. Es wird davon ausgegangen, dass erstickende Technologien nur geringe Auswirkungen auf Brände haben, da in den Komponenten von Li-Ionen-Batterien häufig bereits Sauerstoff vorhanden ist.

Darüber hinaus sind chemische Unterdrückungsmaßnahmen, einschließlich herkömmlicher Feuerlöscher, nicht in der Lage, ein thermisches Durchgehen zu verhindern, und können nur offene Flammen außerhalb der Batterie unterdrücken. Die JES-Studie ergab auch, dass selbst nach der ersten Unterdrückung die exothermen chemischen Prozesse im Inneren der Zellen oft weitergehen, wodurch ein hohes Risiko einer erneuten Entzündung entsteht. Es scheint also keine Unterdrückungstaktik zu geben, die in der Lage ist, eine Brandgefahr und einen anschließenden thermischen Durchschlag wirksam zu unterbinden.

Der Einsatz moderner Rauchmeldegeräte und -systeme kann dazu beitragen, Rechenzentren vor den Gefahren eines thermischen Durchgehens zu schützen. Ein Rauchfrüherkennungsgerät (Vesda) in Kombination mit der Überwachung von Li-Ionen-Abgasen kann die ersten Anzeichen von Brandgefahren im allgemeinen Raum, in Datenverarbeitungsanlagen und BESS aufdecken, bevor sie ein gefährliches Niveau erreichen und Menschen, Prozesse und die Betriebszeit bedrohen. Vesda-Systeme sind ein häufig verwendetes Brandschutzsystem in Rechenzentren und helfen Rechenzentrumsmanagern, Brandgefahren zu erkennen und Störungen durch Brände zu verhindern, die Menschen, Anlagen und Daten gefährden können.

Die frühzeitige Erkennung von Anzeichen für das Versagen von Lithium-Ionen-Batterien ist für Betreiber und Abschaltmaßnahmen von entscheidender Bedeutung, um rechtzeitig zu reagieren und einen thermischen Durchschlag und katastrophale Brände zu verhindern. In einer Studie von DNV wurden verschiedene Technologien getestet, um ihre Reaktionszeiten bei der Erkennung früher Anzeichen eines thermischen Durchgehens zu bewerten: Abgassensoren, Zellspannungssensoren und Sensoren für die untere Explosionsgrenze, die in der Lage sind, gefährliche Konzentrationen von brennbarem Gas oder Lösungsmitteldämpfen zu erkennen. Während weder die UEG- noch die Spannungssensoren erst nach dem Beginn des thermischen Durchgehens aktiv wurden, zeigten die Abgasdetektoren die höchste Empfindlichkeit, da sie im Durchschnitt weniger als zehn Sekunden nach dem Beginn der Entgasung und sechs Minuten und elf Sekunden vor dem Beginn des thermischen Durchgehens ansprachen. Die Ergebnisse der Studie zeigen auch, dass Abschaltmaßnahmen in Kombination mit Abgasdetektoren ein thermisches Durchgehen wirksam verhindern. Sobald eine Entgasung festgestellt wurde, wurde das Batteriesystem elektrisch isoliert, wodurch der Temperaturanstieg in der Zelle gestoppt und die Ausbreitung auf benachbarte Zellen verhindert werden konnte.

Eine umfassende fortschrittliche Brandschutzlösung mit Abgasdetektion muss auf die einzigartige Konfiguration eines BESS abgestimmt werden – seine Geometrie, sein Volumen, seinen Zellentyp, seine räumliche Anordnung und seine Luftstrommuster. Durch die Nutzung dieser Daten können die Konstrukteure die Anzahl der Sensoren und die Positionierung optimieren, um die früheste Erkennung mit der geringstmöglichen Anzahl von Sensoren zu erreichen.

Auch wenn es scheint, dass Abgaserkennungssysteme eine der zuverlässigsten Möglichkeiten sind, die Sicherheit von Rechenzentrumsinfrastrukturen zu unterstützen, ist es ebenso wichtig, Rechenzentren so zu konzipieren, dass sie zur Optimierung von Raucherkennungssystemen beitragen.

Die Bewertung anderer potenzieller Brandrisiken außerhalb von BESS ist ein weiterer wichtiger Schritt bei der Planung eines Rechenzentrums. Durch die Konzentration auf andere Bereiche, die zu Brandrisiken beitragen, wie etwa elektrische Systeme, mechanische Systeme und Verwaltungspraktiken, können die Planer die Brandgefahr erheblich einschränken. Es liegt in der Natur der Sache, dass elektrische Systeme im Laufe der Zeit ausfallen, überlastet oder sogar beschädigt werden können. Mechanische Systeme sind oft durch eine Fehlfunktion der HLK-Anlage oder des Generators gefährdet, und auch administrative Faktoren wie menschliches Versagen, schlechte Haushaltsführung oder unzureichende Lagerungsprotokolle können zu Brandgefahren beitragen.

Um eine effektive Abgaserkennung für Li-Ion BESS-Bereiche und Raucherkennung zu ermöglichen, ist es außerdem unerlässlich, die umweltbedingten Herausforderungen von Rechenzentren zu verstehen. Es gibt verschiedene Faktoren wie Kühlungskonfigurationen, Luftströmungseigenschaften, Lufttemperaturen und Druckunterschiede, die sich von einem Bereich zum anderen ändern können und sich alle direkt auf die Ausbreitung von Batterieelektrolytdämpfen und Rauch auswirken. Oft haben Rechenzentren Hochsicherheitsbereiche, zu denen der Zugang beschränkt ist, was die Installation und Wartung herkömmlicher Rauchmelder zu einer mühsamen Aufgabe macht.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Detektionstechnologie – die weitgehend passiv ist und darauf wartet, dass der Rauch die Sensoren erreicht – prüfen Ansauggeräte aktiv die Luft in der Nähe der wahrscheinlichsten Brandherde. So erschwert die vorübergehende Präsenz von Rauch in stärker belüfteten Bereichen, wie zum Beispiel in Luftschächten, die schnelle und genaue Erkennung von Rauch. Früherkennungstechnologien können in engen Räumen platziert werden, um Rauch zu erkennen. Sie saugen Luft von bestimmten Stellen im gesamten Rechenzentrum ab und leiten sie an ein zentrales System weiter, das kontinuierlich auf Spuren von Rauch überwacht. Auf diese Weise werden potenzielle Brände direkt an direkt an der Quelle abgefangen.

Diese Systeme haben noch weitere Vorteile. Die Geräte können an schwer zu überwachenden Stellen wie Decken, Rückluftgittern und -öffnungen, Doppelböden und Deckenhohlräumen sowie im Inneren von Schränken angebracht werden, um die Benutzer vor Überhitzung zu warnen. Darüber hinaus hilft die Probenahme über Außenlufteinlässe, Schadstoffe von außerhalb des Gebäudes auszuschließen, die Geräte beschädigen oder Fehlalarme auslösen können. Wenn die Aufrechterhaltung des Geschäftsbetriebs unabdingbar ist, können Brandfrühwarnsysteme, wie etwa Ansaugrauchmelder, dazu beitragen, Probleme zu erkennen und zu beheben, bevor sie zu einer Katastrophe werden.

Brände stellen eine echte Bedrohung für Rechenzentren. Sie können sich schnell ausbreiten, die Mitarbeitenden gefährden und teure Hardware und unersetzliche Daten zerstören. Da die Rentabilität, Ruf und die Kontinuität des Geschäftsbetriebs auf dem Spiel stehen, ist der Einsatz eines fortschrittlichen Frühwarnsystems, das die ersten Anzeichen eines potenziellen Rauch- und Batterieausfalls erkennen kann ist entscheidend.

Abgaserkennungssysteme in Verbindung mit fortschrittlichen Raucherkennungssystemen können die Leiter von Rechenzentren in die Lage versetzen, bei den ersten Anzeichen eines Ausfalls zu handeln, und dienen gleichzeitig als Barriere gegen einen möglichen thermischen Durchbruch und den damit unweigerlich verbundenen katastrophalen Verlust. Durch den Einsatz dieser Technologie in Rechenzentren können die Betreiber ihre Mitarbeitenden, Anlagen und Daten schützen. Außerdem können sie kostspielige Ausfallzeiten vermeiden, ihre Widerstandsfähigkeit erhöhen und den Übergang zu erneuerbaren Energien sicher vorantreiben.

Marco di Nubila, Offering Manager Director für fortschrittliche Detektionslösungen bei Honeywell.