Atterkæm Fremtiden: Den Strategiske Udvikling af Solid-State Transformer-teknologi i USA

DG Matrix og Resilient Power siger, at deres fasttilstandstransformatorer kan reducere omkostningerne, tiden og kompleksiteten ved at forsyne datacentre, opladningshub til elektriske køretøjer (EV) og lignende med strøm. I årtier har elektriske ingeniører drømt om et enhed, der kan samle solceller, batterisystemer og lokale generatorer med højeffektudstyr som EV-ladestander eller dataservere i datacentre uden brug for en stor mængde dyrt hardware for at få dem til at fungere sammen.

Nu begynder disse enheder, kaldet fasttilstandstransformatorer, faktisk at komme på markedet - og deres fremkomst kunne ikke være mere aktuel.

Dette er fordi teknologien kunne være nøglen til at imødegå de massive strømforsyningsbehov hos datacentre, fabrikker og EV-opladningshub, som kunne overbelaste strømnettet og få energivirksomheder til at brænde mere fossilt brændsel, der bidrager til den globale opvarmning.

I øjeblikket overstiger disse store strømforbrugeres behov for strøm kapaciteten af USA's strømnet. Teoretisk set kunne dette problem løses ved at tillade dem at installere deres egne solceller, batterier og generatorer på stedet - ideelt set mikronettet - men denne synligt simple løsning er i virkeligheden ekstremt kompleks og kostbar at implementere.

Hver solcelleanordning, batteri, brændselscelle, generator eller anden lokal strømkilde kræver flere stykker udstyr - elektriske beskyttelsesenheder, isolations-transformatorer, spændingshøj- og nedskaleringstransformatorer, strømkonvertere - for at sikre konvertering af direkte strøm (DC) til alternativ strøm (AC) og vice versa, samt for at hæve eller sænke spændingen for at møde forskellige bygningslasters behov.

Fasttilstandstransformatorer kan opfylde alle disse funktioner med kun én enhed, der kontrollerer strømmen lige så fleksibelt, som en router kontrollerer dataflow. Dette er især værdifuldt for at administrere udstyr med højt strømforsyningkrav (som EV-ladestander) eller udstyr, der er yderst følsomt over for strømkvalitet (som server-rækker i datacentre).

Så siger Haroon Inam, CEO og medstifter af DG Matrix. DG Matrix er en af de få virksomheder, der har begyndt at sætte fasttilstandstransformatorer i praktisk anvendelse. Han sagde, at DG Matrix indsamlede 20 millioner dollar i marts i år og i øjeblikket bygger en fabrik i North Carolina, som forventes at starte drift senere i år med en årlig produktionskapacitet på 1.000 enheder. "Vi træder ind i det store og underbelasted kommercielle og industrielle mikronettmarked," sagde han. "Folk har ikke gjort dette, fordi det er for dyrt at bygge et enkelt, tilpasset mikronet."

DG Matrix er ikke den eneste virksomhed, der arbejder på dette. Heron Power, et startup, grundlagt af den tidligere Tesla-medarbejder Drew Baglino, har indsamlet 43 millioner dollar og har til hensigt at bygge dets første fasttilstandstransformatorer i 2027. Amperesand indsamlede 12,5 millioner dollar sidste år for at fortsætte udviklingen af fasttilstandstransformatorer, der testes på Singapores strømnet.

Store elektronikvirksomheder er interesseret i dette. Elektriske udstyrsgiganten Eaton enedes sidste måned om at overtage Resilient Power Systems, som indsamlede 5 millioner dollar i 2021 til at bygge og implementere sit strømkonverteringsudstyr til EV-opladningshub og andre høje energiforbrugsmiljøer. Eaton vil investere 55 millioner dollar i virksomheden ved transaktionens afslutning; afhængigt af Resilient Powers finansielle og tekniske præstation i de kommende år, kan Eaton også betale en yderligere 95 millioner dollar.

"Mange mennesker har arbejdet på denne teknologi i mere end et årti," sagde Aidan Graham, senior vicepræsident og generel direktør for Eatons Critical Power Solutions-forretning. Nu, med fremskridt i flere vigtige ingeniørteknologier, kan denne teknologi endelig have sin gyldne alder - utilityvirksomheder og andre institutioner har begyndt at teste den.

Udvikling af fasttilstandstransformatorer

Eaton har arbejdet på forskning og udvikling af fasttilstandstransformatorer i mange år. Virksomheden har endnu ikke offentliggjort, hvordan man skal skala produktionen og implementeringen af Resilient Powers teknologi. Men Graham sagde: "Vi undersøger flere områder, herunder EV-opladning og integration af batterier i datacentre og andre kritiske miljøer. 'Selv et øjebliks strømnedsbrydning kan truede menneskers liv og koste meget penge.'"

Michael Wood III, chefafdeling på DG Matrix, sagde, at virksomheden tester sit udstyr med virksomheder, herunder elektriske udstyrsgiganten ABB, North Carolina utility Duke Energy, og PowerSecure, en stor udvikler af mikronettet og strømsystemer til datacentre, ejer af utility Southern Co.

"Den bedste måde at få det næste gigawatt energi er at bygge distribuerede systemer," sagde Wood. "I dag har du brug for alt dette udstyr for at gøre disse projekter til at fungere glat. DG Matrix eliminerer balancen mellem alle disse systemer og forenkler det til ét system."

Inam sagde, at omkostningen ved at bruge DG Matrix' fasttilstandstransformator kun er halvdelen af at forbinde typiske lokale mikronett-komponenter ved hjælp af en kombination af flere tekniske standarder. Desuden gør det det lettere at hurtigt blande og matche udstyr eller ændre systemkonfigurationen i datacentre, EV-opladningshub og andre potentielle mikronettsteder.

Så hvis fasttilstandstransformatorer er en så nyttig teknologi, hvorfor kommer de først nu?

Der er en god grund til, at det har taget så lang tid, sagde Vlatko Vlatkovic, partner i Clean Energy Ventures, en DG Matrix-investor og veteran fra General Electrics industrielle elektrificeringsforretning, der sluttede sig til startups bestyrelse i år.

Strømnettet afhænger tungt af elektromekaniske enheder, der opererer relativt simpelt og har ændret lidt over de sidste hundrede år. Trods nogle fremskridt i de seneste år, der har gjort enheder som solinverter eller EV-drivesystemer mulige, har semikonduktore, der gør moderne computing mulig, ikke været bredt anvendt i strømnettet.

"At presse industrien til at bruge mere effektelektronik har været en enorm udfordring," sagde Vlatkovic, især ved højere strømnetspændinger. Indtil for nylig var den underliggende teknologi "ikke stor nok eller pålidelig nok. Der var tekniske problemer."

Lignende udfordringer har plaget fasttilstandstransformatorer i højspændingsindustrielle anvendelser, sagde Neal Dikeman, partner i Energy Transition Ventures, en investor i Resilient Power. Han sagde, at fortsatte fremskridt i siliciumkarbid-semikonduktore og forbedringer i den beregningskraft, der er nødvendig for at gøre dem effektive til strømkonvertering, har hjulpet. "Men det er ikke let."

Inam, der tjente som hovedteknolog hos grid power control-leverandør Smart Wires, inden han sluttede sig til DG Matrix i 2023, bemærkede, at startuppen skulle løse flere nøgleudfordringer for at komme til dette punkt.

For det første er ved høje spændinger varmen, der produceres ved AC-DC-konvertering, svær at afkøle. Håndtering af "elektromagnetisk støj" eller støj, der skyldes samme højfrekvens elektriske skift. "Hvis du ikke ved, hvordan du effektivt reducerer støj, påvirker det alt. Det kan forårsage overophedning, eksplosioner og ydeevnenedsættelse," sagde Inam.

Imidlertid har løsningen af disse udfordringer også sine belønninger. "Vores teknologi er nu moden og avanceret nok, at vi kan lancere pålideligt udstyr," sagde Vlatkovic.

Hvorfor nu er tiden inde for fasttilstandstransformatorer

Tiden kunne ikke være bedre.

"Alt bliver elektrificeret, fra biler til industri til boliger," sagde Vlatkovic. "Hvis du ser på prognoser for, hvor meget strøm strømnettet skal levere i de næste 10-20 år, vil du se, at vi skal mindst fordoble netkapaciteten. Nogle prognoser siger endda, at vi skal treble den eksisterende kapacitet."

Inam sagde, at at imødegå strømforsyningens behov for datacentre er en specielt stor mulighed.

De ambitiøse kunstig intelligens-planer hos teknologi-giganter pålægger et enormt pres på utilities' strømnet i datacentrer-hotspots som Virginia, Georgia og Texas. Dette har fået datacenterudviklere til at undersøge måder at reducere presset på strømnettet, herunder bygge generatorer og batterier i nærheden eller på stedet.

"De tre store problemer er hastigheden af strømforsyningen (kunder kan ikke få strøm hurtigt nok), omkostningerne ved strøm, og evnen til at aggregerer flere ressourcer for fleksibilitet," sagde Inam. "Vi har snakket med virksomhedskunder med hundredvis eller tusinder af placeringer. Den største udfordring, de står over for, er, at de skal designe hver placering fra bunden. De leder efter en klarlægget løsning til udfordringen med at implementere 1.000 placeringer i stedet for én."

Fasttilstandstransformatorer kan hjælpe med at møde disse behov, sagde Vlatkovic. "Fra komplekse installationer og flere virksomheder til én virksomhed, der tager sig af alt."

Indsættelse af flere funktioner i mindre pakker

Graham fra Eaton sagde, at "høj effektdensitet" pakning også kan spare værdifuld plads i trængte miljøer som datacentre og EV-opladningsstationer. Fasttilstandstransformatorer kan masseproduceres i fabrikker, hvilket reducerer omkostningerne og tiden til elektriske arbejder på byggesteder. "Du har bragt det tilbage til et kontrolleret produktionmiljø," sagde Graham.

Desuden gør at have en enkelt enhed, der kan udføre flere opgaver, ingenioriske krav simplere, sagde Dickman.

"Hvis du designer et komplekst system ved hjælp af færdige komponenter, kan misoverensstemmelsen mellem forskellige enheder ikke fuldt ud opfylde systemets krav. Dette øger omkostningerne og reducerer effektiviteten," sagde han. "Du kan løse dette problem med tilpassede produkter - men det er mere dyrt og risikabelt. Når du har med sol, energilagring og datacentre at gøre, og folk, der har brug for at bevæge sig hurtigt og har brug for noget pålideligt og billigt, falder alt sammen."

Joaquin Aguerre, virksomhedens direktør for strategisk porteføljeudvikling, sagde, at alle disse potentielle fordele har fået mikronettudvikler PowerSecure til at lansere pilotprojekter af mindst to fasttilstandstransformator-teknologier, herunder tests i samarbejde med DG Matrix. "Vi forsøger at være i spidsen for denne teknologi."

PowerSecure har designet og installeret over 2,4 gigawatt mikronett-kapacitet for kunder, der rækker fra store detailhandlere og hospitaler til utilities og datacentre. Virksomheden fokuserer særligt på fasttilstandstransformatorer for at integrere energieffektive "hybrid mikronett", der kombinerer "sol, energilagring, naturgasgeneratorer, brændselsceller, EV-opladning - hvad du end kan tænke dig," sagde Aguerre.

"Det reelle markedskrav er begyndt at opstå," sagde han. Samtidig, "de fleste af disse virksomheder er stadig i de tidlige stadier.... Den næste logiske skridt er at gennemføre passende pilotprojekter for at observere reelle kundeusecases på en mindre skala" og teste holdbarheden og pålideligheden af de relevante teknologier.

Efter alt, uanset hvilke ulemper traditionelle transformatorer har i forhold til avancerede effektelektronik, "de fejler ikke ofte," bemærkede Aguerre. "Alle forventer samme pålidelighed fra den fasttilstandstransformator, de ser på."