Tuleviku energia võtmiseks: Kõvaoluliste transfoorite tehnoloogia strateegiline evolutsioon Ameerika Ühendriikides

DG Matrix ja Resilient Power väidavad, et nende tahvlitrahvud võivad vähendada elektritöövarustamise kulutusi, aega ja keerukust andmekeskustele, elektriautode (EV) laadimispunktidele ja sarnastele objektidele. Juba kümmendate aastate jooksul on elektriinsenerid unistanud seadmet, mis saaks sidusalt ühendada päikesepaneelid, akusüsteemid ja kohapeal asuvad geneerid tugeva varustusega seadmetega, nagu EV laadimisjaamad või andmekeskuste serverid, ilma et seda vajaks palju kallist hardwaret, et need töötaksid koos.

Nüüd, sellised seadmed, mida nimetatakse tahvlitrahvudeks, hakkavad tegelikult turule sisse astuma – ja nende ilmumine ei ole mitte ainult ajakohane, vaid isegi õigeks ajaks.

See on sellepärast, et see tehnoloogia võib olla võti massiliste energianõudluste lahendamiseks andmekeskustes, tööstusharjades ja EV laadimispunktides, mis võivad ületunnustada elektrivõrgu ja panna elektrifirmasid põletama rohkem fossiilkütuseid, mis aitavad globaalse soojenemisele kaasa.

Praegu ületab nende suurte energiatarbijate nõudlus Ameerika Ühendriikide elektrivõrgu tarbimisvõimet. Teoreetiliselt võiks seda probleemi lahendada, lubades neil paigaldada oma päikesepaneele, akusüsteeme ja geneere kohapeal – ideaalsed mikrovõrgud – kuid see näeb välja lihtne lahendus, mis on tegelikult äärmiselt keeruline ja kallis rakendada.

Iga päikesepaneel, aku, ühenduspile, geneer või muu kohapeal asuv energiaallikas nõuab mitmeid seadmeid – elektrilisi kaitseelemente, eraldusrähve, tõstmise ja alandmise rähve, energiamüüjaid – et ohutult teisendada otseseid voolu (DC) vaikevooluks (AC) või vastupidi ning tõsta või alandada pinget, et rahuldada erinevate ehituses olevate koormuste vajadusi.

Tahvlitrahvud saavad kõiki neid funktsioone täita ühe seadmega, kontrollides elektrit sama paindlikult, nagu router kontrollib andmeliiku. See on eriti väärtuslik, kui haldada tugeva energianõudlusega seadmeid (nagu EV laadimisjaamad) või seadmeid, mis on äärmiselt tundlikud elektrivaatuse suhtes (nagu andmekeskuste serveriristikud).

Seda ütleb Haroon Inam, DG Matrixi CEO ja üks asutajaid. DG Matrix on üks vähesestest ettevõtetest, kes on alanud tahvlitrahvude praktikasse toomisega. Ta ütles, et DG Matrix sai märtsis sel aastal 20 miljonit dollarit ja ehitab praegu Carolina Põhjaosas tehase, mis peaks algama tööd selle aasta lõpus ja toodanguvõimega 1000 ühikut aastas. "Me astume sisse suure ja teenitavale kaubandus- ja tööstuslikule mikrovõrkudele," ütles ta. "Inimesed seda ei tee, sest ühe eraldi, kohandatud mikrovõrgu ehitamise kulud on liiga kõrge."

DG Matrix ei ole ainuke ettevõte, kes sellega tegeleb. Heron Power, ettevõte, mille asutas Tesla endine töötaja Drew Baglino, on kogunud 43 miljonit dollarit ja eesmärgiks on ehitada esimesed tahvlitrahvud 2027. aastaks. Amperesand kogus eelmisel aastal 12,5 miljonit dollarit, et jätkata tahvlitrahvude arendamist, mida testitakse Singapuri elektrivõrgus.

Suured elektroonikafirmad on huvitatud sellest. Elektriseadmete gigant Eaton nõustus eelmisel kuul Resilient Power Systems ostuks, kes kogus 2021. aastal 5 miljonit dollarit, et ehitada ja kasutusele võtta oma energiamüüjad EV laadimispunktidele ja muudele suure energiatarbijaile. Eaton investeerib ettevõttes tehingu sulgemisel 55 miljonit dollarit; olenevalt Resilient Poweri finants- ja tehnilisest jõudlusest järgmistel aastatel võib Eaton maksma veel 95 miljonit dollarit.

"Paljud inimesed on selle tehnoloogia peale töötanud üle kümne aasta jooksul," ütles Aidan Graham, Eaton Critical Power Solutionsi vanem direktor ja ülddirektor. Nüüd, mitme olulise inseneritehnoloogia edusammudega, võib see tehnoloogia viimaks oma kuldajastul olla – elektrifirmad ja muud institutsioonid on alustanud selle testimist.

Tahvlitrahvude evolutsioon

Eaton on teinud tahvlitrahvude uurimistööd ja arendust juba mõnda aega. Ettevõte pole veel avaldanud, kuidas plaanib Resilient Poweri tehnoloogia tootmist ja kasutuselevõttu suuremahuliseks viia. Kuid Graham ütles: "Me uurime mitmeid valdkondi, sealhulgas EV laadimist ja akude integreerimist andmekeskustesse ja muudesse kriitilistesse keskkondadesse. 'Isegi hetkel või momenti energia kadumine võib ohustada inimeste elusid ja maksma maksma.'

Michael Wood III, DG Matrixi ametlik juhataja, ütles, et ettevõte testib oma seadmeid ettevõtetega, sealhulgas elektriseadmete tootmise gigant ABB, Carolina Põhjaosa elektrifirma Duke Energy ja PowerSecure, suur mikrovõrkude ja andmekeskuste energiasüsteemide arendaja, mille omab elektrifirma Southern Co.

"Parim viis järgmise gigawatti saamiseks on hajusüsteemide ehitamine," ütles Wood. "Täna vajad kõiki neid seadmeid, et need projektid töötaksid sujuvalt. DG Matrix eemaldab kõigi nende süsteemide tasakaalu ja lihtsustab seda üheks süsteemiks."

Inam ütles, et DG Matrixi tahvlitrahvu kasutamise kulud on vaid poolikud võrreldes tavaliste kohapealsete mikrovõrkude komponentide ühendamise kuludega mitme tehnilise standardi kombinatsiooni abil. Lisaks muudab see lihtsamaks kiiresti seadmeid segada või muuta andmekeskuste, EV laadimispunktide ja muude potentsiaalsete mikrovõrkude asukohade süsteemikonfiguratsioone.

Kui tahvlitrahvud on nii kasulik tehnoloogia, siis miks need nüüd alles sisse astuvad?

Selleks on hea põhjus, ütles Vlatko Vlatkovic, Clean Energy Venturesi partner, DG Matrixi investor ja General Electrici tööstuselektrifyseerimise veteran, kes liitus selle start-upi nõukoguga selle aasta.

Elektrivõrgu sõltub tugevalt elektromeetaanilistest seadmetest, mis töötavad suhteliselt lihtsalt ja on viimase sajandi jooksul vähe muutunud. Kuigi on tehtud mõningast edusammu viimastel aastatel, mis on muutnud võimalikuks seadmete nagu päikeseinvertori või EV juhtimissüsteemide loomise, ei ole semivoodust, mis on moderni arvutuse võimalikeks, laialdaselt kasutatud elektrivõrgus.

"Industriile suuremate energiaelektronikaseadmete kasutamiseks surumine on olnud suur väljakutse," ütles Vlatkovic, eriti kõrgemates võrgupingetes. Kuni hiljuti polnud aluseks olev tehnoloogia "piisavalt suur ega piisavalt usaldusväärne. Teknikaliselt oli probleeme."

Sarnased väljakutsed on kannatanud tahvlitrahvudele kõrgete pingete tööstuslikus rakenduses, ütles Neal Dikeman, Energy Transition Venturesi partner, Resilient Poweri investor. Ta ütles, et silitsiumkarbiidi semivoojate ja vajaliku arvutusjõu parandused, et muuta need tõhusaks energiamüüjaks, on aidanud. "Aga see ei ole lihtne."

Inam, kes oli Smart Wiresi tehnoloogiadjektor enne DG Matrixiga liitumist 2023. aastal, märkis, et start-upi oli vaja lahendada mitmeid olulisi väljakutseid, et jõuda selle punktini.

Esiteks, kõrgetes pingetes on AC-DC-müügi käigus tekkinud soojus raske levendada. Töötlemine "elektromagnetilist müra", mida põhjustab sama kõrgefrekventseline elektri lülitamine. "Kui sind ei tea, kuidas efektiivselt müra vähendada, see mõjutab kõike. See võib põhjustada ülekuumenemist, plahvatust ja jõudluse languse," ütles Inam.

Kuid nende väljakutsete lahendamine annab ka preemia. "Meie tehnoloogia on nüüd piisavalt kiprune ja tark, et me saame välja anda usaldusväärseid seadmeid," ütles Vlatkovic.

Miks nüüd on aeg tahvlitrahvudele

Ajastus ei saa parem olla.

"Kõik elektritsevad, sõidukidest tööstuseni ja elamisest," ütles Vlatkovic. "Kui vaated elektrivõrgu projekteeritud energiatarbijatele järgmises 10-20 aastas, näed, et me vajame vähemalt kahekordistada võrgu kapasitati. Mõned prognoosid ütlevad isegi, et me vajame kolmekordistada olemasolevat kapasitati."

Inam ütles, et andmekeskuste energiatarbimise rahuldamine on eriti suur võimalus.

Tehnoloogiatehingute ambitsioonikad tehisintellektiplaanid panevad suure surve alla elektrivõrgud, millel on andmekeskuste populaarsed asukohad, nagu Virginia, Georgia ja Texas. See on pannud andmekeskuste arendajad uurima viise, kuidas vähendada elektrivõrgu surve, sealhulgas geneeride ja akude paigaldamist lähedal või kohapeal.

"Kolm suurt probleemi on energiatarbimise kiirus (kliendid ei saa piisavalt kiiresti energiat), energiakulu ja mitme ressursi koondamise võime paindlikkuseks," ütles Inam. "Me oleme rääkinud ettevõtetega, kellel on sadu või tuhandeid asukohti. Suurim väljakutse, mille nad kohanema peavad, on igal asukohal nullist alustada. Nad otsivad turnkey-lahendust, et 1000 asukoha asemel mitte ühte asukoha korral."

Tahvlitrahvud aitavad rahuldada nende vajadusi, ütles Vlatkovic. "Raskete installatsioonide ja mitme ettevõtte asemel üks ettevõte hoolitseb kõigist."

Rohkem funktsioone väiksemates pakettides

Graham Eatonist ütles, et "kõrge energiatihe" pakendamine aitab ka säästa väärtuslikku ruumi tihtelistes keskkondades, nagu andmekeskustes ja EV laadimispunktides. Tahvlitrahvud saavad masinaehituses masinalt toodetud, vähendades elektri tööliste kulutusi ja aega ehitussüsteemidel. "Sa oled toodetud tagasi kontrollitud tootmissüsteemi," ütles Graham.

Lisaks, kui üks seade saab teha mitmeid ülesandeid, lihtsustab see inseneriarengu nõuded, ütles Dickman.

"Kui sa disainid keerulise süsteemi kasutades valmis komponente, siis erinevate seadmete sobivuse puudus ei saa täielikult rahuldada süsteemi nõudmisi. See suurendab kulutusi ja vähendab tõhusust," ütles ta. "Sa saad seda probleemi lahendada kohandatud toodetega – kuid see on kallim ja riskantsem. Kui sa tegeled päikese, energiakogumise ja andmekeskustega, ja inimesed, kes vajavad kiiresti midagi usaldusväärset ja odava, kõik see läheb katki."

Joaquin Aguerre, ettevõtte strateegilise portfelli arendamise direktor, ütles, et kõik need potentsiaalsed eelised on sundinud mikrovõrgu arendajat PowerSecure'i pilootprogrammi käivitama vähemalt kahe tahvlitrahvu tehnoloogia, sealhulgas DG Matrixi koostöös testimine. "Me püüame olla selle tehnoloogia eesliinil."

PowerSecure on disaininud ja paigaldanud üle 2,4 gigawatti mikrovõrgu kapasitati klientidele, alates suurtest kauplustest ja haiglatest kuni elektrifirmade ja andmekeskusteni. Ettevõte on eriti keskendunud tahvlitrahvudele, et integreerida energiatõhusad "ühendusmikrovõrgud", mis sisaldavad "päikese, energiakogumist, maagaasigeneere, ühenduspileid, EV laadimist – kõike, mida sa saad välja mõelda," ütles Aguerre.

"Reaalne turunõudlus on alustanud ilmnemist," ütles ta. Samal ajal, "suur osa nendest ettevõtetest on ikka veel varases staadiumis.... Järgmine loogiline samm on läbi viia sobivad pilootprojektid, et jälgida reaalset klientide kasutust suuremahulise skaala asemel ja testida vastavate tehnoloogiate kestvust ja usaldusväärsust.

Lõpuks, olenemata sellest, millised ebasoodsad omadused traditsiooniliste rähvudega võrreldes on, "need ei pete sageli," märkis Aguerre. "Kõik ootavad sama usaldusväärsust, mida tahes tahvlitrahvustest."