Pagkuha ng Kinabukasan sa Paggamit ng Kapangyarihan: Ang Strategikong Pag-unlad ng Teknolohiya ng Solid-State Transformer sa Estados Unidos

Nagpapahayag ang DG Matrix at Resilient Power na maaaring bawasan ng kanilang solid-state transformers ang gastos, oras, at kumplikasyon sa pagbibigay ng kuryente sa mga data center, hub para sa pag-charge ng electric vehicle (EV), at iba pa. Sa loob ng ilang dekada, ang mga elektrikal na inhenyero ay nangangarap ng isang aparato na maaring mag-uugnay nang walang hiradong mga solar panel, battery system, at lokal na generator sa mataas na kapangyarihang kagamitan tulad ng EV chargers o data center servers nang hindi kinakailangan ng malaking halaga ng mahal na hardware upang gumana silang magkasama.

Ngayon, ang mga aparato na tinatawag na solid-state transformers ay simula nang pumasok sa merkado — at ang kanilang paglitaw ay hindi mas maperpekto pa.

Ito ay dahil ang teknolohiya ay maaaring ang susi sa pagtugon sa malaking pangangailangan sa kuryente ng mga data center, pabrika, at hub para sa pag-charge ng EV, na maaaring lumampas sa kakayahan ng power grid at makapagdulot ng mas maraming paggamit ng fosil fuel ng mga utility company na nagdudulot ng global warming.

Kasalukuyan, ang pangangailangan sa kuryente ng mga malaking konsumidor ng kuryente ay lumalampas sa kakayahan ng U.S. power grid. Teoretikal, maaari itong matugunan sa pamamagitan ng pagpayag sa kanila na mag-install ng sarili nilang solar panels, batteries, at generators sa lugar — ideal na microgrids — ngunit ang napakadaling solusyon na ito ay talagang napakompleks at mahal na ipatupad.

Ang bawat solar array, battery, fuel cell, generator, o iba pang lokal na source ng kuryente ay nangangailangan ng maraming kagamitan — electrical protection devices, isolation transformers, step-up at step-down transformers, power converters — upang ligtas na i-convert ang direct current (DC) sa alternating current (AC) o kabaligtaran, at upang tumaas o bumaba ang voltage upang tugunan ang pangangailangan ng iba't ibang loads sa isang gusali.

Ang solid-state transformers ay maaaring maisagawa lahat ng mga punksyon na ito gamit ang iisang aparato, na nagko-control ng kuryente nang parang isang router na nagko-control ng daloy ng datos. Ito ay lalo na mahalaga sa pag-manage ng high-power-demand equipment (tulad ng EV chargers) o equipment na napakasensitibo sa kalidad ng kuryente (tulad ng server racks sa mga data center).

Ganito ang sinabi ni Haroon Inam, CEO at co-founder ng DG Matrix. Ang DG Matrix ay isa sa iilang kompanya na nagsimulang ilapat ang solid-state transformers sa praktikal na gamit. Sinabi niya na nakalikom ng $20 million ang DG Matrix noong Marso ng taong ito at kasalukuyang binubuo ng pabrika sa North Carolina, na inaasahang magsisimula ng operasyon sa huling bahagi ng taon na may kakayahan ng 1,000 units kada taon. "Pumasok kami sa malaking at under-served na commercial at industrial microgrid market," sinabi niya. "Hindi ito ginagawa ng mga tao dahil ang gastos ng paggawa ng isang single, custom microgrid ay masyadong mataas."

Hindi lamang ang DG Matrix ang nagsasagawa nito. Ang Heron Power, isang startup na itinatag ng dating empleyado ng Tesla na si Drew Baglino, ay nakalikom ng $43 million at naghahangad na maitayo ang kanilang unang solid-state transformers sa 2027. Ang Amperesand ay nakalikom ng $12.5 million noong nakaraang taon upang patuloy na mabuo ang solid-state transformers na kasalukuyang pinagbibigay-pansin sa Singapore power grid.

Interesado ang mga malalaking electronics companies dito. Ang electrical equipment giant na Eaton ay sumang-ayon noong nakaraang buwan na bumili ng Resilient Power Systems, na nakalikom ng $5 million noong 2021 upang maitayo at mailapat ang kanilang power conversion equipment para sa EV charging hubs at iba pang mataas na energy-consuming na kapaligiran. Iinvest ng Eaton ng $55 million sa kompanya sa pagtatapos ng transaksyon; depende sa financial at technical performance ng Resilient Power sa susunod na ilang taon, maaari ring bayaran ng Eaton ang karagdagang $95 million.

"Maraming tao ang nagtrabaho sa teknolohiyang ito nang higit sa dekada," sinabi ni Aidan Graham, senior vice president at general manager ng Critical Power Solutions business ng Eaton. Ngayon, sa mga pag-unlad sa ilang key engineering technologies, maaaring ito na ang golden age ng teknolohiya — ang utilities at iba pang institusyon ay nagsimulang subukan ito.

Ebolusyon ng Solid-State Transformers

Matagal nang nag-aaral at nagdedebelop ng solid-state transformer ang Eaton. Hindi pa inihahayag ng kompanya kung paano isasama ang paggawa at paglalapat ng teknolohiya ng Resilient Power. Pero sinabi ni Graham: "Kami ay nag-aaral ng maraming aspeto, kasama ang EV charging at pag-integrate ng batteries sa mga data center at iba pang critical na kapaligiran. 'Ang pagkawala ng kuryente kahit sandali lang ay maaaring mapanganib sa buhay ng mga tao at maging mahal ang gastos.'"

Sinabi ni Michael Wood III, chief of staff ng DG Matrix, na ang kompanya ay nagco-conduct ng mga test sa kanilang kagamitan kasama ang mga kompanya tulad ng electrical equipment manufacturing giant na ABB, North Carolina utility na Duke Energy, at PowerSecure, isang malaking developer ng microgrid at data center power systems na pinagmamay-ari ng utility na Southern Co.

"Ang pinakamahusay na paraan para makakuha ng susunod na gigawatt ng enerhiya ay ang paggawa ng distributed systems," sinabi ni Wood. "Ngayon, kailangan mo ng lahat ng mga aparato na ito upang gumana nang maayos ang mga proyekto. Ang DG Matrix ay nagwawala ng balanse sa lahat ng mga sistema na ito at ginagawang simple ito sa iisang sistema."

Sinabi ni Inam na ang gastos ng paggamit ng solid-state transformer ng DG Matrix ay kalahati lamang ng gastos ng pagkonekta ng typical on-site microgrid components gamit ang combination ng multiple technical standards. Bukod dito, madali itong mag-mix at match ng mga kagamitan o baguhin ang configuration ng sistema ng mga data center, EV charging hubs, at iba pang potensyal na microgrid sites.

Kaya kung gaano kagamit ang solid-state transformers, bakit lang ngayon sila pumasok sa larangan?

May mabuting rason kung bakit ito naging mahabang panahon, ayon kay Vlatko Vlatkovic, isang partner sa Clean Energy Ventures, isang investor ng DG Matrix at isang beterano ng industrial electrification business ng General Electric na sumali sa board ng startup noong taong ito.

Ang power grid ay naka-rely nang malaki sa electromechanical devices na relatibong simple ang operasyon at hindi masyadong nagbago sa nakaraang siglo. Maliban sa ilang pag-unlad sa nakaraang mga taon na nagbigay-daan sa mga device tulad ng solar inverters o EV drive systems, ang semiconductors na nagpapagana ng modern computing ay hindi pa lubusan na ginagamit sa power grid.

"Malaking hamon ang pag-push ng industriya upang gumamit ng mas maraming power electronics," sinabi ni Vlatkovic, lalo na sa mas mataas na grid voltages. Hanggang kamakailan, ang teknolohiyang nasa ilalim "ay hindi sapat sa laki o reliabilidad. May mga teknikal na problema."

Mga katulad na hamon ang naging hadlang sa solid-state transformers sa high-voltage industrial applications, ayon kay Neal Dikeman, isang partner sa Energy Transition Ventures, isang investor sa Resilient Power. Sinabi niya na ang patuloy na pag-unlad ng silicon carbide semiconductors at improvement sa computing power na kailangan upang maging efficient sila sa power conversion ay nagtulong. "Pero hindi ito madali."

Sinabi ni Inam, na nagsilbi bilang chief technology officer ng grid power control provider na Smart Wires bago sumali sa DG Matrix noong 2023, na kailangan ng startup na lutasin ang ilang key challenges upang makarating sa punto na ito.

Una, sa mataas na voltages, mahirap idissipate ang init na idinudulot ng AC-DC conversion. Pag-handle ng "electromagnetic noise," o interference na dulot ng parehong high-frequency electrical switching. "Kung hindi mo alam kung paano effectively mitigate ang noise, ito ay nakakaapekto sa lahat. Maaari itong magdulot ng sobrang init, explosions, at pagbagsak ng performance," sinabi ni Inam.

Gayunpaman, may mga gantimpala rin ang paglutas ng mga hamon na ito. "Ang aming teknolohiya ay sapat na mature at sophisticated ngayon na maaari namin ilabas ang reliable na kagamitan," sinabi ni Vlatkovic.

Kaya Ngayon ang Oras para sa Solid-State Transformers

Hindi maaaring mas maperpekto pa ang oras.

"Lahat ay nag-electrify, mula sa mga kotse hanggang sa industriya at tirahan," sinabi ni Vlatkovic. "Kung tingnan mo ang projection ng kuryente na kailangan ng grid na ihanda sa susunod na 10 to 20 years, makikita mo na kailangan nating doblehin ang capacity ng grid. May mga projection pa na nagsasabi na kailangan nating tatlong beses ang existing capacity."

Sinabi ni Inam na isang partikular na malaking oportunidad ang pagtugon sa pangangailangan ng kuryente ng mga data center.

Ang ambitious na artificial intelligence plans ng mga tech giants ay nagpapabigat sa power grids ng utilities sa mga hotspot ng data center tulad ng Virginia, Georgia, at Texas. Ito ang nagpapakilos sa mga data center developers na maghanap ng mga paraan upang bawasan ang presyon sa power grid, kasama ang paggawa ng generators at batteries malapit o sa lugar.

"Ang tatlong malaking problema ay ang bilis ng pagbibigay ng kuryente (hindi mabilis makakuha ng kuryente ang mga customer), ang gastos ng kuryente, at ang kakayahan na i-aggregate ang maraming resources para sa flexibility," sinabi ni Inam. "Nag-usap kami sa enterprise customers na may daan-daang o libo-libong sites. Ang pinakamalaking hamon na hinaharap nila ay ang pagdesign ng bawat site mula sa umpisa. Naghahanap sila ng turnkey solution para sa challenge ng pag-deploy ng 1,000 sites sa halip na isang site."

Maaaring matugunan ng solid-state transformers ang mga pangangailangan na ito, ayon kay Vlatkovic. "Mula sa complex installations at maraming kompanya, sa iisang kompanya na nag-aalamin ng lahat."

Paglagay ng Mas Maraming Punksyon sa Mas Maliit na Package

Sinabi ni Graham ng Eaton na ang "high-power-density" packaging ay maaari ring makapagtakda ng mahalagang espasyo sa tight environments tulad ng mga data center at EV charging stations. Ang solid-state transformers ay maaaring mass-produced sa mga pabrika, na nagbabawas ng gastos at oras ng electrical labor sa construction sites. "Inilipat mo ito pabalik sa controlled manufacturing environment," sinabi ni Graham.

Bukod dito, ang pagkakaroon ng iisang aparato na maaaring gumawa ng maraming task ay simplifies ang engineering requirements, ayon kay Dickman.

"Kung magdedesign ka ng complex system gamit ang off-the-shelf components, ang mismatch ng iba't ibang devices ay hindi lubusan na tugon sa pangangailangan ng sistema. Ito ay nagdudulot ng mas mataas na gastos at mas mababang efficiency," sinabi niya. "Maaari kang mag-solve ng problem na ito gamit ang custom products — pero ito ay mas mahal at mas risky. Kapag nagdeal ka sa solar, energy storage, at data centers, at mga tao na kailangan ng mabilis na pagkilos at kailangan ng reliable at mura, lahat ng ito ay nababago."

Sinabi ni Joaquin Aguerre, direktor ng strategic portfolio development ng kompanya, na ang lahat ng mga potensyal na benepisyo na ito ay nag-udyok sa microgrid developer na PowerSecure na ilunsad ang mga pilot ng hindi bababa sa dalawang solid-state transformer technologies, kasama ang mga test sa pakikipagtulungan kay DG Matrix. "Nagpursige kami na maging sa harap ng teknolohiya na ito."

Nag-design at ininstall ang PowerSecure ng higit sa 2.4 gigawatts ng microgrid capacity para sa mga customer mula sa malalaking retailers at ospital hanggang sa mga utilities at data centers. Ang kompanya ay partikular na nakatuon sa solid-state transformers upang i-integrate ang energy-efficient "hybrid microgrids" na nag-combine ng "solar, energy storage, natural gas generators, fuel cells, EV charging — anuman ang maaari mong isipin," sinabi ni Aguerre.

"Nagsimula nang lumitaw ang tunay na market demand," sinabi niya. Sa parehong oras, "karamihan sa mga kompanya na ito ay nasa maagang yugto.... Ang susunod na logical step ay ang pag-conduct ng mga appropriate pilot projects upang ma-observe ang real customer use cases sa mas maliit na scale" at subukan ang durability at reliability ng relevant na teknolohiya.

Sa huli, kahit ano ang mga disadvantage ng traditional transformers sa paghahambing sa cutting-edge power electronics, "hindi sila madalas bumigay," sinabi ni Aguerre. "Inaasahan ng lahat ang parehong reliabilidad mula sa anumang solid-state transformer na kanilang iniisip."