التخطيط للمستقبل الكهربائي: التطور الاستراتيجي لتقنية محولات الحالة الصلبة في الولايات المتحدة

تقول DG Matrix و Resilient Power إن محولات الحالة الصلبة الخاصة بهم يمكن أن تقلل من تكلفة ووقت ومعقدية توفير الطاقة لمراكز البيانات ومراكز شحن السيارات الكهربائية (EV) وما إلى ذلك. لعقود، حلم المهندسون الكهربائيون بجهاز يمكنه ربط الألواح الشمسية وأنظمة البطاريات والمولدات المحلية بأجهزة عالية الطاقة مثل محطات شحن السيارات الكهربائية أو خوادم مراكز البيانات دون الحاجة إلى كمية كبيرة من المعدات الباهظة الثمن لتوفير التوافق بينها.

الآن، بدأ هذه الأجهزة المعروفة باسم محولات الحالة الصلبة في دخول السوق — ولا يمكن أن يكون ظهورها أكثر توقيتاً.

وهذا لأن التكنولوجيا قد تكون المفتاح لمعالجة الطلب الهائل على الطاقة لمراكز البيانات والمعارف ومراكز شحن السيارات الكهربائية، والتي قد تتجاوز قدرات الشبكة الكهربائية وتؤدي إلى حرق المزيد من الوقود الأحفوري الذي يساهم في الاحتباس الحراري العالمي.

حالياً، يتجاوز طلب هؤلاء المستخدمين الكبار للطاقة قدرة الشبكة الكهربائية الأمريكية على التزويد. نظرياً، يمكن حل هذه المشكلة بالسماح لهم بتثبيت ألواح شمسية وبطاريات ومولدات محلية - بشكل مثالي شبكات ميكروغرد - ولكن هذا الحل البسيط في المظهر هو في الواقع معقد للغاية ومرتفع التكلفة تنفيذًا.

يتطلب كل مجموعة من الألواح الشمسية والبطاريات والخلايا الوقودية والمولدات أو أي مصدر طاقة محلي آخر العديد من القطع المعدات - أجهزة الحماية الكهربائية، محولات العزل، محولات الرفع والتخفيف، المحولات الكهربائية - لتحويل التيار المستمر (DC) إلى التيار المتردد (AC) والعكس صحيح، ورفع أو خفض الجهد لتلبية احتياجات الأحمال المختلفة في المبنى بطريقة آمنة.

يمكن لمحولات الحالة الصلبة تحقيق جميع هذه الوظائف بمجرد جهاز واحد، حيث يمكنها التحكم في الكهرباء بنفس المرونة التي يتحكم بها الموجه في تدفق البيانات. وهذا尤其看起来您需要的内容已经用阿拉伯语翻译完毕，但最后一段似乎没有完全翻译。我会继续完成剩余部分的翻译：

يمكن لمحولات الحالة الصلبة تحقيق جميع هذه الوظائف بمجرد جهاز واحد، حيث يمكنها التحكم في الكهرباء بنفس المرونة التي يتحكم بها الموجه في تدفق البيانات. وهذا أمر قيمة خاصة لإدارة المعدات ذات الطلب العالي على الطاقة (مثل محطات شحن السيارات الكهربائية) أو المعدات حساسة للغاية لأداء الطاقة (مثل أرفف الخوادم في مراكز البيانات).

هذا ما يقوله هارون إينام، الرئيس التنفيذي والشريك المؤسس لـ DG Matrix. وهي واحدة من الشركات القليلة التي بدأت في وضع محولات الحالة الصلبة في الاستخدام العملي. قال إنه تم جمع 20 مليون دولار بواسطة DG Matrix في شهر مارس من هذا العام، ويجري حالياً بناء مصنع في كارولينا الشمالية، ومن المتوقع أن يبدأ التشغيل في وقت لاحق من هذا العام بقدرة إنتاجية سنوية تبلغ 1,000 وحدة. "نحن ندخل السوق التجاري والصناعي الضخم وغير المخدوم بشكل كافٍ للشبكات المصغرة"، قال. "لم يفعل الناس ذلك لأن تكلفة بناء شبكة مصغرة فردية ومخصصة كانت مرتفعة جداً."

DG Matrix ليست الشركة الوحيدة التي تعمل على هذا. Heron Power، وهي شركة ناشئة أسسها درو باجلينو، الموظف السابق في تسلا، جمعت 43 مليون دولار وتهدف إلى بناء أول محولات الحالة الصلبة لها بحلول عام 2027. Amperesand جمعت 12.5 مليون دولار العام الماضي لمواصلة تطوير محولات الحالة الصلبة التي يتم اختبارها على شبكة الكهرباء في سنغافورة.

تعتبر الشركات الإلكترونية الكبرى مهتمة بهذا. وافقت Eaton، عملاق المعدات الكهربائية، الشهر الماضي على الاستحواذ على Resilient Power Systems، التي جمعت 5 ملايين دولار في عام 2021 لبناء ونشر معداتها لتحويل الطاقة لمراكز شحن السيارات الكهربائية وغيرها من البيئات ذات الاستهلاك العالي للطاقة. ستستثمر Eaton 55 مليون دولار في الشركة عند إغلاق الصفقة؛ وقد تقوم Eaton أيضاً بدفع 95 مليون دولار إضافية اعتماداً على الأداء المالي والفني لـ Resilient Power خلال السنوات القليلة المقبلة.

"لقد عمل الكثير من الأشخاص على هذه التكنولوجيا لمدة تزيد عن عقد من الزمن"، قال آيدان غراهام، نائب الرئيس الأول والمدير العام لقسم حلول الطاقة الحرجة في Eaton. الآن، مع التقدم في عدة تقنيات هندسية رئيسية، قد تكون هذه التكنولوجيا أخيراً في عصرها الذهبي - حيث بدأت الجهات المنظمة وغيرها من المؤسسات في اختبارها.

تطور محولات الحالة الصلبة

عملت Eaton على البحث والتطوير في محولات الحالة الصلبة لسنوات عديدة. لم تكشف الشركة بعد عن كيفية توسعة تصنيع ونشر تقنية Resilient Power. لكن قال غراهام: "نحن نستكشف عدة مجالات، بما في ذلك شحن السيارات الكهربائية ودمج البطاريات في مراكز البيانات وغيرها من البيئات الحرجة. 'فقدان الطاقة لحظة واحدة يمكن أن يهدد حياة الناس ويكلف الكثير من المال.'"

قال مايكل وود الثالث، كبير موظفي DG Matrix، إن الشركة تقوم باختبار معداتها مع شركات منها ABB، العملاق الصانع للمعدات الكهربائية، وشركة Duke Energy في كارولينا الشمالية، وPowerSecure، وهو مطور كبير لنظم الطاقة المصغرة ونظام الطاقة لمراكز البيانات المملوك لشركة Southern Co.

"الطريقة الأفضل للحصول على الجيجاوات التالية من الطاقة هي بناء أنظمة موزعة"، قال وود. "اليوم، تحتاج إلى جميع هذه الأجهزة لجعل هذه المشاريع تعمل بشكل سلس. يقوم DG Matrix بإزالة التوازن بين جميع هذه الأنظمة ويقوم بتبسيطها إلى نظام واحد."

قال إينام إن تكلفة استخدام محول الحالة الصلبة من DG Matrix هي فقط نصف تكلفة ربط مكونات الشبكة المصغرة المحلية باستخدام مزيج من المعايير التقنية المتعددة. بالإضافة إلى ذلك، يجعل الأمر أسهل بكثير لخلط وتطابق المعدات بسرعة أو تغيير تكوين النظام لمراكز البيانات ومراكز شحن السيارات الكهربائية وأماكن أخرى محتملة للشبكات المصغرة.

إذا كان محولات الحالة الصلبة تقنية مفيدة للغاية، لماذا تدخل المجال الآن فقط؟

هناك سبب وجيه لذلك استغرق وقتاً طويلاً، قال فلاتكو فلاتكوفيتش، شريك في Clean Energy Ventures، مستثمر في DG Matrix، ورجل أعمال ذو خبرة في مجال توطيد الصناعة الكهربائية في General Electric والذي انضم إلى مجلس إدارة الشركة الناشئة هذا العام.

تعتمد الشبكة الكهربائية بشكل كبير على الأجهزة الكهروميكانيكية التي تعمل بشكل نسبي بسيط ولم تتغير كثيراً خلال القرن الماضي. رغم بعض التقدم في السنوات الأخيرة الذي جعل الأجهزة مثل مقلوبات الطاقة الشمسية أو أنظمة الدفع الكهربائية ممكنة، لم يتم استخدام شبه الموصلات التي تجعل الحوسبة الحديثة ممكنة بشكل واسع في الشبكة الكهربائية.

"كان دفع الصناعة لاستخدام المزيد من الإلكترونيات الكهربائية تحدياً كبيراً"، قال فلاتكوفيتش، خاصة عند الجهد العالي للشبكة. حتى وقت قريب، لم يكن التكنولوجيا الأساسية "كبيرة بما فيه الكفاية أو موثوقة بما فيه الكفاية. كان هناك مشاكل تقنية."

واجهت محولات الحالة الصلبة تحديات مماثلة في التطبيقات الصناعية ذات الجهد العالي، قال نيل ديكمان، شريك في Energy Transition Ventures، مستثمر في Resilient Power. قال إن التقدم المستمر في شبه الموصلات الكربون السيليكون والتحسينات في قوة الحوسبة اللازمة لجعلها فعالة في تحويل الطاقة ساعدت. "لكنه ليس بالأمر السهل."

قال إينام، الذي كان الرئيس التنفيذي للتكنولوجيا في Smart Wires قبل انضمامه إلى DG Matrix في عام 2023، إن الشركة الناشئة اضطرت لحل عدة تحديات رئيسية للوصول إلى هذه المرحلة.

أولاً، عند الجهد العالي، يكون من الصعب تبديد الحرارة الناتجة عن تحويل التيار المستمر إلى التيار المتردد. التعامل مع "الضوضاء الكهرومغناطيسية" أو التداخل الناجم عن التحويل الكهربائي ذات التردد العالي. "إذا لم تعرف كيفية التخفيف الفعال للضوضاء، فإنه يؤثر على كل شيء. يمكن أن يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة والانفجارات وتدهور الأداء"، قال إينام.

ومع ذلك، فإن حل هذه التحديات له مكافآته أيضًا. "تقنيتنا الآن ناضجة ومتقدمة بما فيه الكفاية لكي نتمكن من إطلاق معدات موثوقة"، قال فلاتكوفيتش.

لماذا الآن هو الوقت المناسب لمحولات الحالة الصلبة

التiming لا يمكن أن يكون أفضل.

"كل شيء يتحول إلى الكهرباء، من السيارات إلى الصناعة إلى المنازل"، قال فلاتكوفيتش. "إذا نظرت إلى التوقعات حول الطاقة التي سيحتاج إليها الشبكة لتقديمها خلال الـ 10 إلى 20 سنة القادمة، سترى أننا بحاجة على الأقل إلى مضاعفة قدرة الشبكة. بعض التوقعات تقول حتى أننا بحاجة إلى تثليث القدرة الحالية."

قال إينام إن تلبية متطلبات الطاقة لمراكز البيانات هي فرصة خاصة كبيرة.

خطط العمالقة التكنولوجية الطموحة للذكاء الاصطناعي تضع عبء هائلاً على شبكات الطاقة في المناطق التي تحتوي على مراكز بيانات مثل فيرجينيا وجورجيا وتكساس. وهذا دفع مطورين مراكز البيانات لاستكشاف طرق لتخفيف الضغط على الشبكة الكهربائية، بما في ذلك بناء المولدات والبطاريات بالقرب منها أو على الموقع.

"المشكلات الثلاثة الرئيسية هي سرعة تزويد الطاقة (لا يستطيع العملاء الحصول على الطاقة بسرعة كافية)، وتكلفة الطاقة، والقدرة على تجميع موارد متعددة للمرنة"، قال إينام. "لقد تحدثنا مع عملاء مؤسسيين لديهم مئات أو آلاف المواقع. أكبر تحدي يواجهونه هو أنه يجب عليهم تصميم كل موقع من الصفر. يبحثون عن حل جاهز لتحدي نشر 1,000 موقع بدلاً من واحد."

يمكن لمحولات الحالة الصلبة المساعدة في تلبية هذه الاحتياجات، قال فلاتكوفيتش. "من التركيبات المعقدة والشركات المتعددة إلى شركة واحدة تعتني بكل شيء."

وضع المزيد من الوظائف في حزم أصغر

قال غراهام من Eaton إن "الحزمة ذات الكثافة الطاقوية العالية" يمكن أن توفر مساحة ثمينة في بيئات ضيقة مثل مراكز البيانات ومراكز شحن السيارات الكهربائية. يمكن تصنيع محولات الحالة الصلبة بشكل جماعي في المصانع، مما يقلل من تكلفة ووقت العمل الكهربائي في مواقع البناء. "لقد أحضرتها مرة أخرى إلى بيئة تصنيع مراقبة"، قال غراهام.

بالإضافة إلى ذلك، وجود جهاز واحد يمكنه تنفيذ مهام متعددة يبسط المتطلبات الهندسية، قال ديكمان.

"إذا صممت نظامًا معقدًا باستخدام مكونات جاهزة، فإن عدم التطابق بين الأجهزة المختلفة لا يمكنه تلبية متطلبات النظام بشكل كامل. وهذا يزيد التكاليف ويقلل من الكفاءة"، قال. "يمكنك حل هذه المشكلة باستخدام المنتجات المخصصة - ولكن هذا أكثر تكلفة ومخاطرة. عندما تتعامل مع الطاقة الشمسية وتخزين الطاقة ومراكز البيانات، والناس الذين يحتاجون إلى التحرك بسرعة وبحاجة إلى شيء موثوق ورخيص، كل هذا ينهار."

قال خواكين أغويري، مدير تطوير المحفظة الاستراتيجية في الشركة، إن جميع هذه المزايا المحتملة دفعت مطور الشبكات المصغرة PowerSecure لبدء تجارب على الأقل تقنيتين لمحولات الحالة الصلبة، بما في ذلك الاختبارات بالتعاون مع DG Matrix. "نحن نحاول أن نكون في طليعة هذه التكنولوجيا."

صممت ونصبت PowerSecure أكثر من 2.4 جيجاوات من قدرة الشبكات المصغرة للعملاء الذين يشملون تجار التجزئة الكبار والمستشفيات والمرافق ومراكز البيانات. تركز الشركة بشكل خاص على محولات الحالة الصلبة لدمج الشبكات المصغرة الهجينة التي تجمع بين "الطاقة الشمسية وتخزين الطاقة والمولدات الغازية والخلايا الوقودية وشحن السيارات الكهربائية - أي شيء يمكنك تخيله"، قال أغويري.

"بدأت الطلب الحقيقي في السوق يظهر"، قال. وفي الوقت نفسه، "معظم هذه الشركات لا تزال في المراحل الأولى.... الخطوة المنطقية التالية هي إجراء مشاريع تجريبية مناسبة لمراقبة حالات استخدام العملاء الحقيقية على نطاق أصغر" واختبار متانة وموثوقية التقنيات ذات الصلة.

بعد كل شيء، بغض النظر عن العيوب التي تتمتع بها المحولات التقليدية مقارنة بالتكنولوجيا الكهربائية المتقدمة، "لا تفشل كثيراً"، كما أشار أغويري. "يتوقع الجميع نفس الموثوقية من أي محول حالة صلبة ينظرون إليه."