Assolent el futur de l'energia: L'evolució estratègica de la tecnologia dels transformadors d'estat sòlid als Estats Units

DG Matrix i Resilient Power diuen que les seves transformadores d'estat sòlid poden reduir el cost, el temps i la complexitat de l'abastament d'energia a centres de dades, punts de recàrrega per a vehicles elèctrics (VE) i altres. Durant dècades, els enginyers elèctrics han somiat amb un dispositiu que pugui connectar sense solucions de continu panells solars, sistemes de bateries i generadors in situ amb equips d'alta potència com ara recàrregues de VE o servidors de centres de dades sense necessitat d'una gran quantitat d'hardware car per fer-los funcionar junts.

Ara, aquests dispositius anomenats transformadores d'estat sòlid estan començant a arribar al mercat — i no hi ha moment més oportú per a la seva aparició.

Això és degut a que la tecnologia podria ser la clau per atendre les immenses demandes d'energia de centres de dades, fàbriques i punts de recàrrega de VE, que podrien saturar la xarxa elèctrica i fer que les companyies elèctriques consumissin més combustibles fòssils, contribuint a l'escalfament global.

Actualment, la demanda d'electricitat d'aquests grans usuaris excedeix la capacitat d'abastament de la xarxa elèctrica dels Estats Units. Teòricament, aquest problema es podria resoldre permetent-los instal·lar els seus propis panells solars, bateries i generadors in situ — idealment microxarxes — però aquesta solució aparentment simple és en realitat extremadament complexa i cara d'implementar.

Cada conjunt fotovoltaic, bateria, pila de combustible, generador o altre font d'energia in situ requereix múltiples equips — dispositius de protecció elèctrica, transformadors d'isolació, transformadors de elevació i reducció, convertidors d'energia — per convertir de manera segura la corrent contínua (CC) a corrent alternada (CA) i viceversa, i per elevar o reduir la tensió per atendre les necessitats de diferents càrregues en un edifici.

Les transformadores d'estat sòlid poden assolir totes aquestes funcions amb un únic dispositiu, controlant l'electricitat tan flexiblement com un router controla el flux de dades. Això és especialment valuós per gestionar equips d'alta demanda d'energia (com ara recàrregues de VE) o equips extremadament sensibles a la qualitat de l'energia (com ara racks de servidors en centres de dades).

Així ho diu Haroon Inam, CEO i cofundador de DG Matrix. DG Matrix és una de les poques empreses que ha començat a utilitzar les transformadores d'estat sòlid de manera pràctica. Va dir que DG Matrix va captar 20 milions de dòlars a març d'aquest any i actualment està construint una fàbrica a Carolina del Nord, que es preveu que comenci a operar a finals d'aquest any amb una capacitat anual de 1.000 unitats. "Estem entrant en el gran i subaprovit mercat comercial i industrial de microxarxes," va dir. "La gent no ho havia fet perquè el cost de construir una sola microxarxa personalitzada era massa elevat."

DG Matrix no és l'única empresa que treballa en això. Heron Power, una startup fundada pel ex empleat de Tesla Drew Baglino, ha captat 43 milions de dòlars i té com objectiu construir les seves primeres transformadores d'estat sòlid per 2027. Amperesand va captar 12,5 milions de dòlars l'any passat per continuar desenvolupant transformadores d'estat sòlid que estan sent provades a la xarxa elèctrica de Singapur.

Les grans empreses electròniques estan interessades en això. L'empesa gegant d'equips elèctrics Eaton va acordar el mes passat adquirir Resilient Power Systems, que va captar 5 milions de dòlars el 2021 per construir i desplegar el seu equip de conversió d'energia per punts de recàrrega de VE i altres entorns d'alta consum d'energia. Eaton invertirà 55 milions de dòlars a la companyia al tancament de la transacció; depenent del rendiment financiari i tècnic de Resilient Power en els propers anys, Eaton també podrà pagar addicionalment 95 milions de dòlars.

"Molta gent ha treballat en aquesta tecnologia durant més d'una dècada," va dir Aidan Graham, vicepresident sènior i director general de l'empresa Critical Power Solutions d'Eaton. Ara, amb avanços en diverses tecnologies d'enginyeria clau, aquesta tecnologia pot estar finalment vivint la seva època d'or — les utilities i altres institucions han començat a provar-la.

Evolució de les transformadores d'estat sòlid

Eaton ha treballat en la recerca i desenvolupament de transformadores d'estat sòlid durant molts anys. La companyia encara no ha divulgat com escalarà la fabricació i desplegament de la tecnologia de Resilient Power. Però Graham va dir: "Estem explorant diverses àrees, incloent-hi la recàrrega de VE i la integració de bateries en centres de dades i altres entorns crítics. 'La pèrdua d'energia, fins i tot per un moment, pot amenaçar les vides de les persones i costar molt d'argent.'"

Michael Wood III, cap de staff de DG Matrix, va dir que la companyia està provant el seu equip amb empreses com el gigant de la fabricació d'equips elèctrics ABB, la utility de Carolina del Nord Duke Energy, i PowerSecure, un gran desenvolupador de microxarxes i sistemes d'energia per centres de dades propietat de la utility Southern Co.

"La millor manera d'obtenir el proper gigavat de energia és construir sistemes distribuïts," va dir Wood. "Avui, necessites tots aquests dispositius per fer que aquests projectes funcionin suavement. DG Matrix elimina l'equilibri entre tots aquests sistemes i ho simplifica en un únic sistema."

Inam va dir que el cost d'utilitzar la transformadora d'estat sòlid de DG Matrix només és la meitat del cost d'enllaçar components típics de microxarxes in situ utilitzant una combinació de diversos estàndards tècnics. A més, facilita la possibilitat de combinar ràpidament i canviar l'equip o la configuració del sistema de centres de dades, punts de recàrrega de VE i altres locals potencials de microxarxes.

Aleshores, si les transformadores d'estat sòlid són una tecnologia tan útil, per què només estan arribant ara?

Hi ha una bona raó per la qual ha trigat tant, va dir Vlatko Vlatkovic, soci de Clean Energy Ventures, inversor de DG Matrix i veterà de la branca d'electrificació industrial de General Electric, que s'ha unit al consell d'administració de la startup aquest any.

La xarxa elèctrica es basa força en dispositius electromecànics que funcionen relativament de manera simple i que han canviat poc durant el darrer segle. Malgrat alguns progrés en els últims anys que ha permès que dispositius com els inversors solars o els sistemes de propulsió de VE siguin possibles, els semiconductors que fan possible la computació moderna no s'han utilitzat ampliament a la xarxa elèctrica.

"Impulsar l'indústria a utilitzar més electrònica de potència ha estat un gran repte," va dir Vlatkovic, especialment a tensions més altes de la xarxa. Fins fa poc, la tecnologia subjacent "no era prou gran ni suficientment fiable. Hi havia problemes tècnics."

Desafiaments similars han afectat les transformadores d'estat sòlid en aplicacions industrials d'alta tensió, va dir Neal Dikeman, soci de Energy Transition Ventures, un inversor de Resilient Power. Va dir que els avanços continus en semiconductors de carbide de silici i milloraments en la potència de càlcul necessària per fer-los eficients en la conversió d'energia han ajudat. "Però no és fàcil."

Inam, que va servir com a director de tecnologia de Smart Wires abans de unir-se a DG Matrix el 2023, va observar que la startup havia hagut de resoldre diversos reptes clau per arribar a aquest punt.

Primer, a tensions altes, el calor generat per la conversió CC-CA és difícil de dissipar. Manejar el "so eletromagnètic" o interferències causades pel mateix commutació elèctric d'alta freqüència. "Si no sabes com mitigar efectivament el soroll, afecta a tot. Pot causar sobrecalentament, explosions i degradació del rendiment," va dir Inam.

No obstant això, resoldre aquests reptes també té les seves recompenses. "La nostra tecnologia ara és suficientment madura i sofisticada per poder llançar equips fiables," va dir Vlatkovic.

Per què ara és el moment per a les transformadores d'estat sòlid

El moment no podria ser millor.

"Tot està electrificant, des dels cotxes a la indústria i a l'habitatge," va dir Vlatkovic. "Si mires les projeccions de la potència que la xarxa haurà de lliurar en els propers 10 a 20 anys, veuràs que necessitem almenys doblar la capacitat de la xarxa. Algunes projeccions fins i tot diuen que necessitem triplicar la capacitat existent."

Inam va dir que atendre les demandes d'energia dels centres de dades és una oportunitat especialment gran.

Els ambiciosos plans d'intel·ligència artificial de les grans tecnològiques estan posant una càrrega enorme sobre les xarxes elèctriques de les utilities en punts calents de centres de dades com Virginia, Georgia i Texas. Això ha impulsat els desenvolupadors de centres de dades a explorar formes de reduir la pressió sobre la xarxa elèctrica, incloent-hi la construcció de generadors i bateries a prop o in situ.

"Els tres grans problemes són la velocitat de l'abastament d'energia (els clients no poden obtenir l'energia prou ràpid), el cost de l'energia i la capacitat d'agrupar múltiples recursos per flexibilitat," va dir Inam. "Hem parlat amb clients empresarials amb centenars o milers de locals. El repte més gran que tenen és haver de dissenyar cada local de zero. Busquen una solució llave en mà per al repte de desplegar 1.000 locals en lloc d'un."

Les transformadores d'estat sòlid poden ajudar a atendre aquests requisits, va dir Vlatkovic. "De instal·lacions complexes i múltiples empreses a una sola companyia que ho fa tot."

Integrar més funcions en paquets més petits

Graham d'Eaton va dir que el "paquetat d'alta densitat de potència" també pot estalviar espai valuos en entorns ajustats com centres de dades i punts de recàrrega de VE. Les transformadores d'estat sòlid es poden produir en massa en fàbriques, reduint el cost i el temps de treball elèctric als llocs de construcció. "Ho has tornat a un entorn de fabricació controlat," va dir Graham.

A més, tenir un únic dispositiu que pugui realitzar diverses tasques simplifica els requisits d'enginyeria, va dir Dickman.

"Si dissenyes un sistema complex utilitzant components de catàleg, la desadaptació de diferents dispositius no pot complir totalment amb els requisits del sistema. Això augmenta els costos i redueix l'eficiència," va dir. "Pots resoldre això amb productes personalitzats — però això és més car i més arriscat. Quan tractes amb solar, emmagatzematge d'energia i centres de dades, i gent que necessita moure's ràpidament i necessita alguna cosa fiable i barata, tot això es desintegra."

Joaquin Aguerre, director de desenvolupament de portfoli estratègic de la companyia, va dir que tots aquests avantatges potencials han impulsat el desenvolupador de microxarxes PowerSecure a llançar pilots d'almenys dues tecnologies de transformadores d'estat sòlid, incloent-hi proves en col·laboració amb DG Matrix. "Estem intentant estar a la vanguarda d'aquesta tecnologia."

PowerSecure ha dissenyat i instal·lat més de 2,4 gigavat de capacitat de microxarxes per a clients que van des de grans detallistes i hospitals a utilities i centres de dades. La companyia està especialment centrada en les transformadores d'estat sòlid per integrar microxarxes "híbrids" d'alta eficiència energètica que combinen "solar, emmagatzematge d'energia, generadors de gas natural, piles de combustible, recàrrega de VE — tot el que puguis imaginar," va dir Aguerre.

"La demanda real del mercat ha començat a emergir," va dir ell. Alhora, "la majoria d'aquestes empreses encara estan en les primeres etapes.... El pas lògic següent és conduir projectes pilota adequats per observar casos d'ús reals dels clients a una escala més petita" i provar la durabilitat i fiabilitat de les tecnologies rellevants.

Després de tot, independentment de quins desavantatges tinguen les transformadores tradicionals en comparació amb l'electrònica de potència de vanguarda, "no fallen sovint," va assenyalar Aguerre. "Tothom espera la mateixa fiabilitat de qualsevol transformadora d'estat sòlid que estigui considerant."