Zajištění budoucnosti elektrické energie: Strategická evoluce technologie pevného transformátoru v USA

DG Matrix a Resilient Power tvrdí, že jejich pevné transformátory mohou snížit náklady, čas a komplexnost zásobování elektrickou energií datových center, nabíjecích stanic pro elektrická vozidla (EV) a podobně. Po desetiletí se električtí inženýři snažili o zařízení, které by bezprostředně propojovalo solární panely, bateriové systémy a lokální generátory s vysokovýkonným vybavením, jako jsou nabíječky EV nebo servery datových center, aniž by bylo nutné použít velké množství drahého hardwaru, aby spolu fungovaly.

Nyní se tato zařízení, nazývaná pevné transformátory, skutečně začínají dostávat na trh — a jejich objev nemohl být včasnější.

To proto, že tato technologie může být klíčem k řešení obrovských energetických požadavků datových center, továren a nabíjecích stanic pro EV, které by mohly přetížit elektrickou síť a vést k tomu, že dodavatelé energie spalují více fosilních paliv, což přispívá ke globálnímu oteplování.

V současnosti překračuje poptávka po elektrické energii těchto velkých spotřebitelů kapacitu elektrické sítě USA. Teoreticky by tento problém mohl být vyřešen povolením instalace vlastních solárních panelů, baterií a generátorů na místě — ideálně mikrosítí — ale tato zdánlivě jednoduchá řešení je ve skutečnosti extrémně složitá a nákladná k provedení.

Každý solární pole, baterie, palivová buňka, generátor nebo jiný místní zdroj energie vyžaduje mnoho zařízení — ochranné elektrotechnické zařízení, izolační transformátory, step-up a step-down transformátory, převodníky energie — k bezpečnému převodu stejnosměrného proudu (DC) na střídavý proud (AC) a naopak, a k zvýšení nebo snížení napětí, aby splňovaly potřeby různých zatížení v budově.

Pevné transformátory mohou dosáhnout všech těchto funkcí pomocí jednoho zařízení, ovládají elektrickou energii stejně flexibilně, jak routery ovládají tok dat. To je zejména cenné pro správu vysoce energeticky náročného vybavení (jako jsou nabíječky EV) nebo vybavení, které je extrémně citlivé na kvalitu energie (jako jsou serverové stojany v datových centrech).

Toto tvrdí Haroon Inam, CEO a spoluzakladatel DG Matrix. DG Matrix je jednou z mála společností, které začaly prakticky využívat pevné transformátory. Podle něj DG Matrix získala v březnu tohoto roku 20 milionů dolarů a v současné době staví továrnu v Severní Karolíně, která by měla začít provoz později v tomto roce s roční produkční kapacitou 1 000 jednotek. "Vstupujeme do obrovského a nedostatečně obslouženého trhu komerčních a průmyslových mikrosítí," říká. "Lidé to dělat nedělali, protože náklady na vytvoření jedné, specifické mikrosítě jsou příliš vysoké."

DG Matrix není jedinou společností, která na tom pracuje. Heron Power, startup založený bývalým zaměstnancem Tesly Drewem Baglinem, získala 43 milionů dolarů a má za cíl postavit své první pevné transformátory do roku 2027. Amperesand získala minulý rok 12,5 milionu dolarů na pokračující vývoj pevných transformátorů, které jsou testovány na singapurské elektrické síti.

Velké elektrotechnické společnosti se touto technologií zajímají. Elektrotechnický gigant Eaton se minulý měsíc dohodl na akvizici společnosti Resilient Power Systems, která v roce 2021 získala 5 milionů dolarů na vývoj a nasazení svého převodního zařízení pro nabíjecí stanice EV a další prostředí s vysokým spotřebou energie. Eaton investuje 55 milionů dolarů do společnosti při uzavření transakce; v závislosti na finančním a technickém výkonu Resilient Power v následujících letech Eaton může zaplatit dalších 95 milionů dolarů.

"Mnoho lidí na této technologii pracuje už více než deset let," říká Aidan Graham, senior viceprezident a generální manažer obchodního oddělení Critical Power Solutions společnosti Eaton. Nyní, díky pokroku v několika klíčových inženýrských technologiích, může tato technologie konečně zažít svou zlatou éru — distribuční společnosti a další instituce ji začínají testovat.

Evoluce pevných transformátorů

Eaton pracuje na výzkumu a vývoji pevných transformátorů už mnoho let. Společnost dosud nezveřejnila, jak plánuje škálovat výrobu a nasazení technologie Resilient Power. Ale Graham říká: "Prozkoumáváme několik oblastí, včetně nabíjení EV a integrace baterií do datových center a dalších klíčových prostředí. 'I krátké přerušení dodávky energie může ohrozit lidské životy a stát hodně peněz.'"

Michael Wood III, šéf štábu DG Matrix, říká, že společnost testuje své zařízení s firmami, včetně elektrotechnického výrobce ABB, utility Duke Energy v Severní Karolíně a PowerSecure, velkého vývojáře mikrosítí a systémů pro datové centry, který patří utility Southern Co.

"Nejlepší způsob, jak získat další gigawatt energie, je postavit distribuované systémy," říká Wood. "Dnes potřebujete všechna tato zařízení, aby tyto projekty fungovaly hladce. DG Matrix eliminuje rovnováhu mezi všemi těmito systémy a zjednodušuje ji do jednoho systému."

Inam říká, že náklady na použití pevného transformátoru DG Matrix jsou pouze poloviční oproti spojení typických komponent lokálních mikrosítí pomocí kombinace několika technických standardů. Kromě toho usnadňuje rychlé míchání a změnu vybavení nebo konfiguraci systému datových center, nabíjecích stanic pro EV a dalších potenciálních lokalit mikrosítí.

Takže pokud jsou pevné transformátory tak užitečnou technologií, proč teprve nyní vstupují do pole?

Existuje dobrý důvod, proč to trvalo tak dlouho, říká Vlatko Vlatkovic, partner ve společnosti Clean Energy Ventures, investoru DG Matrix a veterán oboru průmyslové elektrifikace v General Electric, který se tento rok připojil k představenstvu startupu.

Elektrická síť z velké části spoléhá na elektromechanická zařízení, která fungují relativně jednoduše a která se za poslední století moc neměnila. I když v nedávných letech došlo k některým pokrokům, které umožnily zařízení, jako jsou inverzory solární energie nebo pohon EV, polovodiče, které umožňují moderní výpočetní techniku, nebyly široce využity v elektrické síti.

"Posouvání průmyslu k většímu využití elektroniky pro energii bylo obrovským výzvou," říká Vlatkovic, zejména u vyšších napětí v elektrické síti. Až do nedávné doby byla základní technologie "nebyla dost velká nebo spolehlivá. Byly tam technické problémy."

Podobné výzvy pronásledovaly pevné transformátory i v průmyslových aplikacích s vysokým napětím, říká Neal Dikeman, partner ve společnosti Energy Transition Ventures, investora do Resilient Power. Říká, že pokračující pokroky v polovodičích z křemíku a karbidu křemíku a vylepšení výpočetní síly, která je potřeba pro efektivní převod energie, pomohly. "Ale není to snadné."

Inam, který sloužil jako hlavní technologický ředitel dodavatele řízení elektrické sítě Smart Wires, než se v roce 2023 připojil k DG Matrix, poznamenává, že startup musel vyřešit několik klíčových výzev, aby se dostal na aktuální úroveň.

Za prvé, při vysokém napětí je obtížné odvádět teplo generované převodem DC-AC. Zpracování "elektromagnetického šumu" nebo rušení způsobeného stejnými vysokofrekvenčními elektrickými přepínáními. "Pokud nevíte, jak efektivně zamezit šumu, ovlivňuje to vše. Může to způsobit přehřátí, výbuchy a snížení výkonu," říká Inam.

Nicméně, řešení těchto výzev má také své výhody. "Naše technologie je nyní dostatečně zralá a sofistikovaná, abychom mohli spustit spolehlivé zařízení," říká Vlatkovic.

Proč právě nyní je čas pro pevné transformátory

Čas nemohl být vhodnější.

"Vše se elektrifikuje, od automobilů po průmysl až po bydlení," říká Vlatkovic. "Pokud se podíváte na projekce potřebného výkonu elektrické sítě v příštích 10 až 20 letech, uvidíte, že potřebujeme alespoň zdvojnásobit kapacitu sítě. Některé projekce dokonce říkají, že potřebujeme ztrojnásobit existující kapacitu."

Inam říká, že splnění energetických požadavků datových center je obzvláště velkou příležitostí.

Ambiciózní plány tech giantů v oblasti umělé inteligence klade obrovské nároky na elektrické sítě v oblastech, kde jsou datové centrum, jako jsou Virginie, Georgia a Texas. To vedlo k tomu, že vývojáři datových center hledají způsoby, jak snížit zatížení elektrické sítě, včetně výstavby generátorů a baterií v blízkosti nebo na místě.

"Tři hlavní problémy jsou rychlost dodávky energie (zákazníci nemohou dostat energii dost rychle), náklady na energii a schopnost agregovat více zdrojů pro flexibilitu," říká Inam. "Hovořili jsme s firemními zákazníky s stovek nebo tisíců lokalit. Největší výzva, kterou čelí, je nutnost navrhovat každou lokalitu od začátku. Hledají celkové řešení pro výzvu nasazení 1 000 lokalit místo jedné."

Pevné transformátory mohou pomoci splnit tyto potřeby, říká Vlatkovic. "Od složitých instalací a více společností k jedné společnosti, která se stará o vše."

Umístění více funkcí do menších balení

Graham z Eaton říká, že "vysoká hustota výkonu" balení může také ušetřit cenné místo v těsných prostředích, jako jsou datová centra a nabíjecí stanice pro EV. Pevné transformátory lze masově vyrábět v továrnách, což snižuje náklady a čas elektroinstalační práce na staveništích. "Přinesli jste to zpět do kontrolovaného výrobního prostředí," říká Graham.

Kromě toho zjednodušuje inženýrské požadavky mít jedno zařízení, které může provádět několik úkolů, říká Dickman.

"Pokud navrhujete složitý systém s použitím hotových komponent, neshoda různých zařízení nemůže plně splnit požadavky systému. To zvyšuje náklady a snižuje efektivitu," říká. "Tento problém můžete vyřešit pomocí vlastních produktů — ale to je dražší a riskantnější. Když se zabýváte solární energií, úložišti energie a datovými centry, a lidé, kteří potřebují rychle postupovat a potřebují něco spolehlivého a levného, všechno se rozpadá."

Joaquin Aguerre, ředitel strategického vývoje portfolia společnosti, říká, že všechny tyto potenciální výhody vedly k tomu, že vývojář mikrosítí PowerSecure spustil pilotažní projekty alespoň dvou technologií pevných transformátorů, včetně testů ve spolupráci s DG Matrix. "Snažíme se být na čele této technologie."

PowerSecure navrhla a nainstalovala více než 2,4 GW kapacity mikrosítí pro zákazníky od velkých maloobchodních firem a nemocnic až po distribuční společnosti a datová centra. Společnost se zaměřuje zejména na pevné transformátory pro integraci energeticky efektivních "hybridních mikrosítí", které kombinují "solární energii, úložiště energie, spalovací motory na zemní plyn, palivové články, nabíjecí stanice pro EV — cokoli, co si můžete představit," říká Aguerre.

"Skutečná tržní poptávka začíná vycházet najevo," říká. Zároveň, "většina těchto společností je stále v raných fázích.... Logickým dalším krokem je provést vhodné pilotní projekty, abyste mohli pozorovat reálné případy použití zákazníky na menší škále" a otestovat odolnost a spolehlivost relevantních technologií.

Ať už mají tradiční transformátory jakékoli nevýhody oproti moderním elektronickým zařízením, "nečasto selhávají," upozorňuje Aguerre. "Všichni očekávají stejnou spolehlivost, jakou by měl mít jakýkoli pevný transformátor, který zkoumají."