Die Erschließung der Stromversorgungszukunft: Die strategische Entwicklung der Festkörper-Transformatortechnologie in den Vereinigten Staaten

DG Matrix und Resilient Power sagen, ihre festschaltenden Transformatoren könnten die Kosten, die Zeit und die Komplexität der Stromversorgung von Rechenzentren, Elektrofahrzeug-Ladezentren und ähnlichen Anlagen reduzieren. Seit Jahrzehnten haben Elektroingenieure von einem Gerät geträumt, das Solarpanele, Batteriesysteme und Standortgeneratoren nahtlos an hochleistungsfähige Geräte wie Ladesäulen für Elektrofahrzeuge oder Rechenzentrum-Server anschließen kann, ohne dass eine große Menge teurer Hardware erforderlich ist, um sie zusammenarbeiten zu lassen.

Nun beginnen diese Geräte, die als festschaltende Transformatoren bezeichnet werden, tatsächlich auf den Markt zu kommen – und ihr Erscheinen könnte nicht zeitiger sein.

Denn diese Technologie könnte der Schlüssel zur Bewältigung der massiven Strombedarfe von Rechenzentren, Fabriken und Elektrofahrzeug-Ladezentren sein, die das Stromnetz überfordern und die Versorgungsunternehmen dazu zwingen könnten, mehr fossile Brennstoffe zu verbrennen, die zum globalen Erwärmung beitragen.

Derzeit überschreitet der Strombedarf dieser großen Verbraucher die Lieferkapazität des US-Stromnetzes. Theoretisch könnte dieses Problem gelöst werden, indem man ihnen erlaubt, eigene Solarpanele, Batterien und Generatoren vor Ort zu installieren – idealerweise in Form von Mikrogrids –, aber diese scheinbar einfache Lösung ist in der Praxis extrem komplex und kostspielig zu implementieren.

Jede Solareinrichtung, Batterie, Brennstoffzelle, Generator oder andere vor Ort befindliche Stromquelle erfordert mehrere Geräte – elektrische Schutzgeräte, Isoliertransformatoren, Spannungswandler, Stromwandler –, um Gleichstrom (DC) sicher in Wechselstrom (AC) oder umgekehrt zu wandeln und die Spannung nach Bedarf zu erhöhen oder zu senken, um den Bedürfnissen verschiedener Lasten in einem Gebäude gerecht zu werden.

Festschaltende Transformatoren können all diese Funktionen mit nur einem Gerät erfüllen und den Strom so flexibel steuern, wie ein Router Datenflüsse steuert. Dies ist besonders wertvoll für die Verwaltung von hochleistungsfähigen Geräten (wie Ladesäulen für Elektrofahrzeuge) oder Geräten, die sehr empfindlich auf die Stromqualität reagieren (wie Serverreihen in Rechenzentren).

So sagt Haroon Inam, CEO und Mitbegründer von DG Matrix. DG Matrix ist eines der wenigen Unternehmen, die begonnen haben, festschaltende Transformatoren praktisch einzusetzen. Er sagte, dass DG Matrix im März dieses Jahres 20 Millionen Dollar eingesammelt hat und derzeit eine Fabrik in North Carolina baut, die voraussichtlich Ende dieses Jahres mit einer jährlichen Produktionskapazität von 1.000 Einheiten in Betrieb gehen wird. "Wir treten in den riesigen und unterversorgten Markt für kommerzielle und industrielle Mikrogrids ein," sagte er. "Die Leute haben das bisher nicht getan, weil die Kosten für den Bau eines einzelnen, maßgeschneiderten Mikrogrids zu hoch waren."

DG Matrix ist nicht das einzige Unternehmen, das daran arbeitet. Heron Power, ein Start-up, gegründet von dem ehemaligen Tesla-Mitarbeiter Drew Baglino, hat 43 Millionen Dollar eingesammelt und plant, bis 2027 seine ersten festschaltenden Transformatoren zu bauen. Amperesand sammelte letztes Jahr 12,5 Millionen Dollar, um die Entwicklung von festschaltenden Transformatoren fortzusetzen, die auf Singapores Stromnetz getestet werden.

Große Elektronikfirmen interessieren sich dafür. Der Elektroausrüstungsgigant Eaton hat letzten Monat zugestimmt, Resilient Power Systems zu übernehmen, das 2021 fünf Millionen Dollar eingesammelt hatte, um seine Stromwandlerausrüstung für Elektrofahrzeug-Ladezentren und andere energieintensive Umgebungen zu bauen und einzusetzen. Eaton wird 55 Millionen Dollar in das Unternehmen investieren, wenn die Transaktion abgeschlossen wird; je nach finanzieller und technischer Leistung von Resilient Power in den nächsten Jahren könnte Eaton zusätzlich noch 95 Millionen Dollar zahlen.

"Viele Menschen haben seit mehr als einem Jahrzehnt an dieser Technologie gearbeitet," sagte Aidan Graham, Senior Vice President und General Manager von Eatons Critical Power Solutions Geschäft. Nun, dank Fortschritten in mehreren wichtigen Ingenieurtechnologien, könnte diese Technologie endlich ihre goldene Ära erleben – Versorgungsunternehmen und andere Institutionen haben begonnen, sie zu testen.

Entwicklung der festschaltenden Transformatoren

Eaton arbeitet schon seit vielen Jahren an der Forschung und Entwicklung von festschaltenden Transformator-Technologien. Das Unternehmen hat noch nicht offengelegt, wie es die Fertigung und den Einsatz der Technologie von Resilient Power skalieren will. Aber Graham sagte: "Wir erkunden mehrere Bereiche, einschließlich der Ladesäulen für Elektrofahrzeuge und der Integration von Batterien in Rechenzentren und anderen kritischen Umgebungen. 'Selbst ein Moment der Stromausfall kann Menschenleben bedrohen und viel Geld kosten.'"

Michael Wood III, Chief of Staff bei DG Matrix, sagte, dass das Unternehmen seine Ausrüstung mit Unternehmen wie dem Elektroausrüstungshersteller ABB, dem Versorgungsunternehmen Duke Energy in North Carolina und PowerSecure, einem großen Entwickler von Mikrogrids und Rechenzentrum-Stromsystemen, das dem Versorgungsunternehmen Southern Co. gehört, testet.

"Die beste Möglichkeit, die nächste Gigawatt-Energie zu erhalten, besteht darin, verteilte Systeme zu bauen," sagte Wood. "Heute braucht man all diese Geräte, um diese Projekte reibungslos laufen zu lassen. DG Matrix eliminiert das Gleichgewicht zwischen all diesen Systemen und vereinfacht es zu einem einzigen System."

Inam sagte, dass die Kosten für die Verwendung des festschaltenden Transformators von DG Matrix nur die Hälfte der Kosten betragen, die für die Verbindung typischer vor Ort befindlicher Mikrogrid-Komponenten mit einer Kombination aus mehreren technischen Standards benötigt würden. Darüber hinaus erleichtert es, schnell Geräte zu kombinieren oder die Systemkonfiguration von Rechenzentren, Elektrofahrzeug-Ladezentren und anderen potenziellen Mikrogrid-Standorten zu ändern.

Wenn also festschaltende Transformatoren eine so nützliche Technologie sind, warum dringen sie erst jetzt in den Markt ein?

Es gibt einen guten Grund dafür, dass es so lange gedauert hat, sagte Vlatko Vlatkovic, Partner bei Clean Energy Ventures, einem Investor in DG Matrix und Veteran des Industrie-Elektrifizierungsgeschäfts von General Electric, der diesem Jahr dem Vorstand des Start-ups beigetreten ist.

Das Stromnetz verlässt sich stark auf elektromechanische Geräte, die relativ einfach funktionieren und sich im vergangenen Jahrhundert kaum verändert haben. Trotz einiger Fortschritte in den letzten Jahren, die Geräte wie Solarwechselrichter oder Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge ermöglicht haben, wurden Halbleiter, die moderne Computer möglich machen, im Stromnetz nicht weit verbreitet verwendet.

"Die Branche dazu zu bringen, mehr Leistungselektronik zu verwenden, war eine enorme Herausforderung," sagte Vlatkovic, insbesondere bei höheren Netzspannungen. Bis vor kurzem war die zugrunde liegende Technologie "nicht groß genug oder zuverlässig genug. Es gab technische Probleme."

Ähnliche Herausforderungen haben festschaltende Transformatoren in Hochspannungsindustrieanwendungen geplagt, sagte Neal Dikeman, Partner bei Energy Transition Ventures, einem Investor in Resilient Power. Er sagte, dass die kontinuierlichen Fortschritte in Siliciumcarbid-Halbleitern und Verbesserungen der Rechenleistung, die notwendig sind, um sie bei der Stromumwandlung effizient zu machen, geholfen hätten. "Aber es ist nicht einfach."

Inam, der vor seiner Tätigkeit bei DG Matrix 2023 als Chief Technology Officer des Netzleistungskontrollanbieters Smart Wires tätig war, bemerkte, dass das Start-up mehrere Schlüsselherausforderungen lösen musste, um an diesen Punkt zu gelangen.

Erstens ist bei hohen Spannungen die durch die AC-DC-Wandlung erzeugte Wärme schwierig abzuführen. Die Behandlung von "elektromagnetischem Rauschen" oder Störungen, die durch die gleiche Hochfrequenz-Schalteinheit verursacht werden. "Wenn Sie nicht wissen, wie man das Rauschen wirksam reduzieren kann, beeinträchtigt es alles. Es kann zu Überhitzung, Explosionen und Leistungsabfall führen," sagte Inam.

Die Lösung dieser Herausforderungen hat jedoch auch ihre Belohnungen. "Unsere Technologie ist nun reif und ausgeklügelt genug, dass wir zuverlässige Geräte auf den Markt bringen können," sagte Vlatkovic.

Warum jetzt die Zeit für festschaltende Transformatoren gekommen ist

Die Zeit könnte nicht besser gewählt sein.

"Alles wird elektrifiziert, von Autos über die Industrie bis hin zur Wohnraumversorgung," sagte Vlatkovic. "Wenn Sie sich die Prognosen ansehen, wie viel Energie das Stromnetz in den nächsten 10 bis 20 Jahren liefern muss, sehen Sie, dass wir mindestens die Kapazität des Stromnetzes verdoppeln müssen. Einige Prognosen besagen sogar, dass wir die bestehende Kapazität verdreifachen müssen."

Inam sagte, dass die Befriedigung des Energiebedarfs von Rechenzentren eine besonders große Chance sei.

Die ehrgeizigen KI-Pläne der Technologiekonzerne legen eine enorme Belastung auf die Stromnetze der Versorgungsunternehmen in Rechenzentrum-Hotspots wie Virginia, Georgia und Texas. Dies hat Rechenzentrum-Entwickler dazu veranlasst, Möglichkeiten zu untersuchen, um den Druck auf das Stromnetz zu reduzieren, einschließlich des Baus von Generatoren und Batterien in der Nähe oder vor Ort.

"Die drei großen Probleme sind die Geschwindigkeit der Energieversorgung (Kunden bekommen die Energie nicht schnell genug), die Kosten der Energie und die Fähigkeit, mehrere Ressourcen zu aggregieren, um Flexibilität zu schaffen," sagte Inam. "Wir haben mit Unternehmenskunden mit Hunderten oder Tausenden von Standorten gesprochen. Die größte Herausforderung, vor der sie stehen, ist, dass sie jeden Standort von Grund auf neu entwerfen müssen. Sie suchen nach einer fertigen Lösung für die Herausforderung, 1.000 Standorte statt nur einen einzigen einzurichten."

Festschaltende Transformatoren können dabei helfen, diese Bedürfnisse zu erfüllen, sagte Vlatkovic. "Von komplexen Installationen und mehreren Unternehmen zu einem Unternehmen, das sich um alles kümmert."

Mehr Funktionen in kleineren Paketen

Graham von Eaton sagte, dass "hochdichte" Verpackungen auch wertvollen Platz in engen Umgebungen wie Rechenzentren und Elektrofahrzeug-Ladestationen sparen können. Festschaltende Transformatoren können in Fabriken massenproduziert werden, was die Kosten und die Zeit für elektrische Arbeiten am Bauplatz reduziert. "Sie haben es wieder in eine kontrollierte Fertigungsgebung zurückgeholt," sagte Graham.

Darüber hinaus vereinfacht ein Gerät, das mehrere Aufgaben ausführen kann, die ingenieurtechnischen Anforderungen, sagte Dickman.

"Wenn Sie ein komplexes System mit Standardkomponenten entwerfen, kann die Unstimmigkeit verschiedener Geräte die Anforderungen des Systems nicht vollständig erfüllen. Dies erhöht die Kosten und reduziert die Effizienz," sagte er. "Sie können dieses Problem mit maßgeschneiderten Produkten lösen – aber das ist teurer und riskanter. Wenn Sie mit Solaranlagen, Energiespeichern und Rechenzentren arbeiten, und Menschen, die schnell handeln und etwas Zuverlässiges und Günstiges benötigen, bricht all das zusammen."

Joaquin Aguerre, Direktor für strategische Portfolioentwicklung des Unternehmens, sagte, dass all diese potenziellen Vorteile den Mikrogrid-Entwickler PowerSecure dazu veranlasst haben, Pilotprojekte für mindestens zwei festschaltende Transformer-Technologien zu starten, einschließlich Tests in Zusammenarbeit mit DG Matrix. "Wir versuchen, an der Spitze dieser Technologie zu sein."

PowerSecure hat für Kunden, von großen Einzelhändlern und Krankenhäusern bis hin zu Versorgungsunternehmen und Rechenzentren, mehr als 2,4 Gigawatt Mikrogrid-Kapazität entworfen und installiert. Das Unternehmen konzentriert sich insbesondere auf festschaltende Transformatoren, um energieeffiziente "hybride Mikrogrids" zu integrieren, die "Solaranlagen, Energiespeicher, Erdgasgeneratoren, Brennstoffzellen, Elektrofahrzeugladestationen – was auch immer Sie sich vorstellen können," kombinieren, sagte Aguerre.

"Die echte Marktnachfrage hat begonnen, sich zu zeigen," sagte er. Gleichzeitig seien "die meisten dieser Unternehmen noch in einem frühen Stadium.... Der nächste logische Schritt besteht darin, angemessene Pilotprojekte durchzuführen, um kleinere reale Kunden-Nutzungsfälle zu beobachten" und die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der relevanten Technologien zu testen.

Immerhin, egal welche Nachteile traditionelle Transformatoren gegenüber fortschrittlicher Leistungselektronik haben, "sie fallen nicht oft aus," bemerkte Aguerre. "Jeder erwartet die gleiche Zuverlässigkeit von jedem festschaltenden Transformator, den sie betrachten."