Захватвайки бъдещето на енергията: Стратегическото развитие на технологията за твърди трансформатори в Съединените американски щати
DG Matrix и Resilient Power казват, че техните твърдотелни трансформатори могат да намалят разходите, времето и сложността на доставянето на енергия до центрове за обработка на данни, зареждащи точки за електрически автомобили (EV) и подобни. Десетилетия напред електротехническите инженери са мечтали за устройство, което би могло безшовно да свързва фотолекови панели, батерийни системи и местни генератори с високомощни устройства като EV зареждащи устройства или сервери в центровете за обработка на данни, без нужда от големи количества скъпи апаратури, за да работят заедно.
Сега, тези устройства, наречени твърдотелни трансформатори, започват действително да влизат на пазара — и техният дебют не може да бъде по-времеви.
Това е, защото технологията може да бъде ключът за справяне с огромния потребност от енергия на центровете за обработка на данни, заводите и зареждащите точки за EV, които могат да надхвърлят капацитета на електрическата мрежа и да причинят енергийните компании да изгарят повече fossils fuels, които допринасят за глобалното затопляне.
В момента, потребността на тези големи потребителите на енергия превишава доставчицката капацитет на електрическата мрежа на САЩ. Теоретично, този проблем може да бъде решен, като им позволим да инсталират свои собствени фотолекови панели, батерии и генератори на място — идеално микро мрежи — но това изглеждащо просто решение всъщност е изключително сложно и скъпо за прилагане.
Всяка фотолекова система, батерия, горивен елемент, генератор или друг местен източник на енергия изисква множество устройства — защитни електрически устройства, изолационни трансформатори, стъпкови трансформатори, преобразуватели на мощност — за да конвертира безопасно постоянен ток (DC) в алтернативен ток (AC) и обратно, и за да увеличава или намалява напрежението, за да удовлетвори нуждите на различните натоварвания в сградата.
Твърдотелните трансформатори могат да постигнат всички тези функции с едно единствено устройство, контролирайки електричеството толкова гъвкаво, колкото рутерът контролира потока на данните. Това е особено ценно за управление на високомощни устройства (като EV зареждащи устройства) или устройства, които са изключително чувствителни към качеството на енергията (като рафтове със сървъри в центровете за обработка на данни).
Така казва Харун Инам, изпълнителен директор и съучредител на DG Matrix. DG Matrix е една от малкото компании, които са започнали да използват твърдотелни трансформатори в практика. Той каза, че DG Matrix събра 20 милиона долара през март тази година и в момента строи фабрика в Северна Каролина, която се очаква да започне операции по-късно тази година с годишен производствен капацитет от 1,000 единици. "Влизаме в огромния и недостатъчно обслужван комерсиален и индустриален пазар на микро мрежи," каза той. "Хората не са правили това, защото разходите за изграждане на отделна, персонализирана микро мрежа са прекалено високи."
DG Matrix не е единствената компания, работеща върху това. Heron Power, стартап, основана от бившия служител на Tesla Дрю Баглино, събра 43 милиона долара и се стреми да построи своите първи твърдотелни трансформатори до 2027 г. Amperesand събра 12.5 милиона долара миналата година, за да продължи разработката на твърдотелни трансформатори, които се тестват в електрическата мрежа на Сингапур.
Големите електронни компании са заинтересовани от това. Електротехническия гигант Eaton се съгласи миналия месец да приобщи Resilient Power Systems, които събраха 5 милиона долара през 2021 г. за изграждане и разпространение на своите преобразуватели на мощност за зареждащи точки за EV и други високонапрегнати среди. Eaton ще инвестира 55 милиона долара в компаниата при завършване на сделката; в зависимост от финансовото и техническото представяне на Resilient Power в следващите няколко години, Eaton може да плати още 95 милиона долара.
"Много хора работят върху тази технология повече от десетилетие," каза Айдан Грем, старши вице-президент и генерален управляващ на бизнеса Critical Power Solutions на Eaton. Сега, с напредъка в няколко ключови инженерни технологии, тази технология може най-накрая да преживее своето златно време — енергийните компании и други институции започват да я тестват.
Еволюция на твърдотелните трансформатори
Eaton работи върху изследвания и разработка на твърдотелни трансформатори много години. Компанията все още не е разкрито как да мащабира производството и разпространението на технологията на Resilient Power. Но Грехъм каза: "Разглеждаме няколко области, включително зареждане на EV и интегриране на батерии в центрове за обработка на данни и други критични среди. 'Потерята на енергия дори за момент може да заплаши живота на хората и да струва много пари.'"
Майкъл Вуд III, началник на канцеларията на DG Matrix, каза, че компанията тестира оборудването си с фирми, включително електротехническия гигант ABB, утилитата Duke Energy в Северна Каролина и PowerSecure, голям разработчик на микро мрежи и системи за доставка на енергия в центрове за обработка на данни, притежаван от утилита Southern Co.
"Най-добрият начин да получиш следващия гигават енергия е да построиш разпределени системи," каза Вуд. "Днес, трябват ти всички тези устройства, за да направиш тези проекти да работят гладко. DG Matrix елиминира баланса между всички тези системи и ги опростява в една система."
Инам каза, че разходите за използване на твърдотелния трансформатор на DG Matrix са само половината от тези за свързване на типични компоненти на местни микро мрежи чрез комбинация от множество технически стандарти. Освен това, това прави по-лесно бързо смесване и съчетаване на оборудване или промяна на конфигурацията на системата на центрове за обработка на данни, зареждащи точки за EV и други потенциални места за микро мрежи.
Така че, ако твърдотелните трансформатори са такава полезна технология, защо влизат в полето само сега?
Има добри причини, поради които е отнело толкова дълго, каза Влатко Влаткович, партньор в Clean Energy Ventures, инвеститор на DG Matrix и ветеран на индустриалната електрификация на General Electric, който се присъедини към съвета на директорите на стартапа тази година.
Електрическата мрежа се надява много на електромеханични устройства, които работят относително просто и са се променили малко през последното столетие. Въпреки някои напредъци през последните години, които направиха възможни устройства като фотоинвертори или системи за движение на EV, полупроводниците, които правят възможно модерното компютърно изчисление, не са били широко използвани в електрическата мрежа.
"Подтикването на индустрията да използва повече електроника на мощност е било огромно предизвикателство," каза Влаткович, особено при по-високи напрежения на мрежата. До скоро, базовата технология "не беше достатъчно голяма или надеждна. Имаше технически проблеми."
Подобни предизвикателства са досаждали и на твърдотелните трансформатори в високонапрегнати индустриални приложения, каза Нил Дикман, партньор в Energy Transition Ventures, инвеститор в Resilient Power. Той каза, че продължаващите напредъци в полупроводниците от карборунд и подобренията в необходимата компютърна мощност, за да ги направят ефективни при преобразуване на мощност, помагат. "Но това не е лесно."
Инам, който служи като главен технологичен директор на доставчика на контрол на мощността на мрежата Smart Wires преди да се присъедини към DG Matrix през 2023 г., отбеляза, че стартапът трябвало да реши няколко ключови предизвикателства, за да стигне до тази точка.
Първо, при високи напрежения, топлината, произведена от преобразуването DC-AC, е трудна за разпространяване. Обработка на "електромагнитен шум", или възпрепятствия, причинени от същите високочестотни електрически комутации. "Ако не знаете как да компенсирате ефективно шума, той влияе на всичко. Може да причини прекомерно загряване, взривления и намаление на производителността," каза Инам.
Однако, решаването на тези предизвикателства има и своите награди. "Нашата технология сега е достатъчно зрела и изтънчена, за да можем да изпуснем надеждно оборудване," каза Влаткович.
Защо сега е времето за твърдотелни трансформатори
Времето не може да бъде по-подходящо.
"Всичко се електрифицира, от автомобили до индустрия до жилища," каза Влаткович. "Ако погледнете прогнозите за мощността, която електрическата мрежа ще трябва да доставя през следващите 10 до 20 години, ще видите, че трябва поне да удвоим капацитета на мрежата. Някои прогнози дори казват, че трябва да триплодим съществуващата капацитет."
Инам каза, че удовлетворяването на потребностите от мощност на центровете за обработка на данни е особено голяма възможност.
Амбициозните планове за изкуствен интелект на технологичните гиганти поставят огромна тежест на електрическите мрежи на утилитите в центрове за обработка на данни, като Вирджиния, Джорджия и Тексас. Това е подтикнало разработчиците на центрове за обработка на данни да търсят начини да намалят налягането върху електрическата мрежа, включително изграждане на генератори и батерии в близост или на място.
"Три големи проблема са скоростта на доставянето на мощност (потребителите не могат да получат мощност достатъчно бързо), цената на мощността и способността да се агрегират множество ресурси за гъвкавост," каза Инам. "Разговаряхме с корпоративни клиенти с honderds или хиляди сайтове. Най-голямото предизвикателство, с което се сблъскват, е, че трябва да проектират всеки сайт от нулата. Те търсят готово решение за предизвикателството да разпространят 1,000 сайтове вместо един."
Твърдотелните трансформатори могат да помогнат за удовлетворяване на тези нужди, каза Влаткович. "От комплексни инсталации и множество компании до една компания, която се грижи за всичко."
Поставяне на повече функции в по-малки пакети
Грехъм от Eaton каза, че "високата плътност на мощността" може също да спести ценни пространства в тясни среди, като центрове за обработка на данни и зареждащи точки за EV. Твърдотелните трансформатори могат да бъдат масово произвеждани в заводи, намалявайки разходите и времето за електротехнически работи на строителните площадки. "Върнали сте го в контролирано производствено окружение," каза Грехъм.
Освен това, имането на едно устройство, което може да извърши множество задачи, опростява инженерните изисквания, каза Дикман.
"Ако проектирате комплексна система, използвайки налични компоненти, несъответствието между различните устройства не може напълно да удовлетвори изискванията на системата. Това увеличава разходите и намалява ефективността," каза той. "Можете да решите този проблем с персонализирани продукти — но това е по-скъпо и по-рисковано. Когато работите със слънчева енергия, съхранение на енергия и центрове за обработка на данни, и хора, които трябва да се движа бързо и имат нужда от нещо надеждно и евтино, всичко това се разпада."
Хоакин Агере, директор по стратегическо развитие на портфейла на компаниата, каза, че всички тези потенциални предимства са подтикнали разработчика на микро мрежи PowerSecure да стартира пилотни проекти на поне две технологии на твърдотелни трансформатори, включително тестове в сътрудничество с DG Matrix. "Опитваме се да бъдем във фронт на тази технология."
PowerSecure е проектирала и инсталирала повече от 2.4 гигавата мощност на микро мрежи за клиенти, включително големи ретейлери, болници, утилити и центрове за обработка на данни. Компанията е особено фокусирана върху твърдотелните трансформатори, за да интегрира енергийно-ефективни "хибридни микро мрежи", които комбинират "слънчева енергия, съхранение на енергия, генератори на природен газ, горивни елементи, зареждане на EV — всичко, което можете да си представите," каза Агере.
"Реалната пазарна търсене започна да се проявява," каза той. Едновременно с това, "повечето от тези компании все още са в ранните етапи.... Следващата логична стъпка е да проведат подходящи пилотни проекти, за да наблюдават реални случаи на използване от страна на клиенти в по-малък мащаб" и да тестват издръжливостта и надеждността на съответните технологии.
Накрая, независимо от това, какви недостатъци имат традиционните трансформатори в сравнение с передовите електроники на мощност, "те рядко се повреждат," каза Агере. "Всички очакват същата надеждност от всеки твърдотелен трансформатор, който разглеждат."
