Aprovechando el futuro de la energía: La evolución estratégica de la tecnología de transformadores de estado sólido en los Estados Unidos

DG Matrix y Resilient Power afirman que sus transformadores de estado sólido pueden reducir el costo, el tiempo y la complejidad de suministrar energía a centros de datos, puntos de carga de vehículos eléctricos (EV) y similares. Durante décadas, los ingenieros eléctricos han soñado con un dispositivo que pueda conectar sin problemas paneles solares, sistemas de baterías y generadores en sitio a equipos de alta potencia, como cargadores EV o servidores de centros de datos, sin necesidad de una gran cantidad de hardware costoso para hacerlos funcionar juntos.

Ahora, estos dispositivos llamados transformadores de estado sólido están comenzando a entrar al mercado — y su aparición no podría ser más oportuna.

Esto se debe a que la tecnología podría ser clave para abordar las enormes demandas de energía de centros de datos, fábricas y puntos de carga de EV, que podrían sobrecargar la red eléctrica y obligar a las empresas de servicios públicos a quemar más combustibles fósiles que contribuyen al calentamiento global.

Actualmente, la demanda de electricidad de estos grandes consumidores de energía supera la capacidad de suministro de la red eléctrica de EE. UU. Teóricamente, este problema podría resolverse permitiéndoles instalar sus propios paneles solares, baterías y generadores en el sitio — idealmente microgrids —, pero esta solución aparentemente simple es en realidad extremadamente compleja y costosa de implementar.

Cada matriz solar, batería, pila de combustible, generador u otra fuente de energía en el sitio requiere múltiples piezas de equipo — dispositivos de protección eléctrica, transformadores de aislamiento, transformadores de elevación y reducción, convertidores de potencia — para convertir de manera segura la corriente directa (DC) a corriente alterna (AC) y viceversa, y para elevar o reducir el voltaje para satisfacer las necesidades de diferentes cargas en un edificio.

Los transformadores de estado sólido pueden lograr todas estas funciones con un solo dispositivo, controlando la electricidad tan flexible como un enrutador controla el flujo de datos. Esto es especialmente valioso para gestionar equipos de alta demanda de potencia (como cargadores EV) o equipos extremadamente sensibles a la calidad del suministro eléctrico (como racks de servidores en centros de datos).

Así lo dice Haroon Inam, CEO y cofundador de DG Matrix. DG Matrix es una de las pocas empresas que ha comenzado a poner en uso práctico los transformadores de estado sólido. Dijo que DG Matrix recaudó 20 millones de dólares en marzo de este año y actualmente está construyendo una fábrica en Carolina del Norte, que se espera comience operaciones más tarde este año con una capacidad anual de 1,000 unidades. "Estamos entrando en el enorme y subatendido mercado de microgrids comerciales e industriales", dijo. "La gente no lo ha hecho porque el costo de construir un solo microgrid personalizado es demasiado alto."

DG Matrix no es la única empresa trabajando en esto. Heron Power, una startup fundada por el ex empleado de Tesla Drew Baglino, ha recaudado 43 millones de dólares y tiene como objetivo construir sus primeros transformadores de estado sólido para 2027. Amperesand recaudó 12.5 millones de dólares el año pasado para continuar desarrollando transformadores de estado sólido que se están probando en la red eléctrica de Singapur.

Las grandes empresas de electrónica también están interesadas en esto. El gigante de equipos eléctricos Eaton acordó el mes pasado adquirir Resilient Power Systems, que recaudó 5 millones de dólares en 2021 para construir y desplegar su equipo de conversión de potencia para puntos de carga de EV y otros entornos de alto consumo de energía. Eaton invertirá 55 millones de dólares en la empresa al cierre de la transacción; dependiendo del rendimiento financiero y técnico de Resilient Power en los próximos años, Eaton también puede pagar un adicional de 95 millones de dólares.

"Muchas personas han estado trabajando en esta tecnología durante más de una década", dijo Aidan Graham, vicepresidente senior y gerente general del negocio de Soluciones de Energía Crítica de Eaton. Ahora, con avances en varias tecnologías de ingeniería clave, esta tecnología puede estar finalmente teniendo su edad dorada — las empresas de servicios públicos y otras instituciones han comenzado a probarla.

Evolución de los Transformadores de Estado Sólido

Eaton ha estado trabajando en la investigación y desarrollo de transformadores de estado sólido durante muchos años. La empresa aún no ha revelado cómo escalará la fabricación y despliegue de la tecnología de Resilient Power. Pero Graham dijo: "Estamos explorando varias áreas, incluyendo la carga de EV e integrar baterías en centros de datos y otros entornos críticos. 'La pérdida de energía, incluso por un momento, puede amenazar vidas y costar mucho dinero'."

Michael Wood III, jefe de gabinete de DG Matrix, dijo que la empresa está probando su equipo con compañías como el gigante de fabricación de equipos eléctricos ABB, la empresa de servicios públicos Duke Energy de Carolina del Norte y PowerSecure, un desarrollador de microgrids y sistemas de energía para centros de datos propiedad de la empresa de servicios públicos Southern Co.

"La mejor manera de obtener el próximo gigavatio de energía es construir sistemas distribuidos", dijo Wood. "Hoy en día, necesitas todos estos dispositivos para que estos proyectos funcionen sin problemas. DG Matrix elimina el equilibrio entre todos estos sistemas y lo simplifica en un solo sistema."

Inam dijo que el costo de usar el transformador de estado sólido de DG Matrix es solo la mitad del costo de conectar componentes típicos de microgrids en el sitio usando una combinación de múltiples estándares técnicos. Además, facilita la mezcla y combinación rápida de equipos o cambiar la configuración del sistema de centros de datos, puntos de carga de EV y otros sitios potenciales de microgrids.

Entonces, si los transformadores de estado sólido son una tecnología tan útil, ¿por qué solo están entrando en el campo ahora?

Hay una buena razón por la que ha tomado tanto tiempo, dijo Vlatko Vlatkovic, socio de Clean Energy Ventures, un inversor de DG Matrix y veterano del negocio de electrificación industrial de General Electric que se unió a la junta directiva de la startup este año.

La red eléctrica depende en gran medida de dispositivos electromecánicos que operan relativamente de manera simple y que han cambiado poco en el último siglo. A pesar de algunos avances en los últimos años que han hecho posibles dispositivos como inversores solares o sistemas de propulsión de EV, los semiconductores que hacen posible la computación moderna no se han utilizado ampliamente en la red eléctrica.

"Empujar a la industria a usar más electrónica de potencia ha sido un desafío enorme", dijo Vlatkovic, especialmente a tensiones más altas de la red. Hasta hace poco, la tecnología subyacente "no era lo suficientemente grande o confiable. Había problemas técnicos."

Desafíos similares han plagado a los transformadores de estado sólido en aplicaciones industriales de alta tensión, dijo Neal Dikeman, socio de Energy Transition Ventures, un inversor en Resilient Power. Dijo que los avances continuos en semiconductores de carburo de silicio y mejoras en la potencia de cómputo necesaria para hacerlos eficientes en la conversión de potencia han ayudado. "Pero no es fácil."

Inam, quien sirvió como director de tecnología de Smart Wires, proveedor de control de potencia de la red, antes de unirse a DG Matrix en 2023, señaló que la startup tuvo que resolver varios desafíos clave para llegar a este punto.

Primero, a altas tensiones, el calor generado por la conversión AC-DC es difícil de disipar. Manejar el "ruido electromagnético", o interferencia causada por el mismo conmutado eléctrico de alta frecuencia. "Si no sabes cómo mitigar efectivamente el ruido, afecta todo. Puede causar sobrecalentamiento, explosiones y degradación del rendimiento", dijo Inam.

Sin embargo, resolver estos desafíos también tiene sus recompensas. "Nuestra tecnología ahora es lo suficientemente madura y sofisticada como para lanzar equipos confiables", dijo Vlatkovic.

Por Qué Ahora Es el Momento para los Transformadores de Estado Sólido

El momento no podría ser mejor.

"Todo se está electrificando, desde autos hasta industrias y viviendas", dijo Vlatkovic. "Si miras las proyecciones de la potencia que la red tendrá que suministrar en los próximos 10 a 20 años, verás que necesitamos al menos duplicar la capacidad de la red. Algunas proyecciones incluso dicen que necesitamos triplicar la capacidad existente."

Inam dijo que satisfacer las demandas de potencia de los centros de datos es una oportunidad particularmente grande.

Los ambiciosos planes de inteligencia artificial de los gigantes tecnológicos están imponiendo una gran carga a las redes eléctricas de las empresas de servicios públicos en zonas de centros de datos, como Virginia, Georgia y Texas. Esto ha llevado a los desarrolladores de centros de datos a explorar formas de reducir la presión sobre la red, incluyendo la construcción de generadores y baterías cercanas o en el sitio.

"Los tres grandes problemas son la velocidad de suministro de energía (los clientes no pueden obtener energía lo suficientemente rápido), el costo de la energía y la capacidad de agregar múltiples recursos para flexibilidad", dijo Inam. "Hemos hablado con clientes empresariales con cientos o miles de sitios. El mayor desafío que enfrentan es tener que diseñar cada sitio desde cero. Están buscando una solución llave en mano para el desafío de desplegar 1,000 sitios en lugar de uno."

Los transformadores de estado sólido pueden ayudar a satisfacer estas necesidades, dijo Vlatkovic. "De instalaciones complejas y múltiples empresas a una sola empresa que se encarga de todo."

Colocar Más Funciones en Paquetes Más Pequeños

Graham de Eaton dijo que el empaquetado de "alta densidad de potencia" también puede ahorrar espacio valioso en entornos ajustados, como centros de datos y estaciones de carga de EV. Los transformadores de estado sólido pueden producirse en masa en fábricas, reduciendo el costo y el tiempo de trabajo eléctrico en los sitios de construcción. "Has vuelto a un entorno de fabricación controlado", dijo Graham.

Además, tener un solo dispositivo que pueda realizar múltiples tareas simplifica los requisitos de ingeniería, dijo Dickman.

"Si diseñas un sistema complejo usando componentes de estantería, la incompatibilidad de diferentes dispositivos no puede cumplir completamente con los requisitos del sistema. Esto aumenta los costos y reduce la eficiencia", dijo. "Puedes resolver este problema con productos personalizados — pero eso es más caro y arriesgado. Cuando te enfrentas a solares, almacenamiento de energía y centros de datos, y personas que necesitan moverse rápidamente y necesitan algo confiable y barato, todo esto se derrumba."

Joaquin Aguerre, director de desarrollo de portafolio estratégico de la empresa, dijo que todas estas ventajas potenciales han llevado al desarrollador de microgrids PowerSecure a lanzar pilotos de al menos dos tecnologías de transformadores de estado sólido, incluyendo pruebas en colaboración con DG Matrix. "Estamos tratando de estar a la vanguardia de esta tecnología."

PowerSecure ha diseñado e instalado más de 2.4 gigavatios de capacidad de microgrids para clientes que van desde grandes minoristas y hospitales hasta empresas de servicios públicos y centros de datos. La empresa se enfoca particularmente en transformadores de estado sólido para integrar "microgrids híbridos" de alta eficiencia energética que combinan "solar, almacenamiento de energía, generadores de gas natural, pilas de combustible, carga de EV — lo que puedas imaginar", dijo Aguerre.

"La demanda real del mercado ha comenzado a surgir", dijo. Al mismo tiempo, "la mayoría de estas empresas todavía están en las etapas iniciales.... El siguiente paso lógico es realizar proyectos piloto apropiados para observar casos de uso de clientes reales a pequeña escala" y probar la durabilidad y confiabilidad de las tecnologías relevantes.

Después de todo, sin importar cuáles sean las desventajas de los transformadores tradicionales en comparación con la electrónica de potencia de vanguardia, "no fallan con frecuencia", señaló Aguerre. "Todos esperan la misma confiabilidad de cualquier transformador de estado sólido que estén considerando."