Saisir l'avenir de l'énergie : L'évolution stratégique de la technologie des transformateurs à état solide aux États-Unis
DG Matrix et Resilient Power affirment que leurs transformateurs à état solide peuvent réduire le coût, le temps et la complexité de l'approvisionnement en électricité des centres de données, des hubs de recharge pour véhicules électriques (VE) et autres. Depuis des décennies, les ingénieurs en électricité rêvent d'un dispositif capable de connecter sans heurts des panneaux solaires, des systèmes de batteries et des générateurs sur site à des équipements à haute puissance tels que des bornes de recharge pour VE ou des serveurs de centres de données, sans nécessiter une grande quantité de matériel coûteux pour les faire fonctionner ensemble.
Maintenant, ces dispositifs appelés transformateurs à état solide commencent vraiment à entrer sur le marché — et leur apparition ne pouvait pas être plus opportune.
Cela est dû au fait que cette technologie pourrait être la clé pour répondre aux immenses besoins en énergie des centres de données, des usines et des hubs de recharge pour VE, qui pourraient submerger le réseau électrique et obliger les services publics à brûler plus de combustibles fossiles contribuant au réchauffement climatique.
Actuellement, la demande d'électricité de ces grands consommateurs dépasse la capacité d'approvisionnement du réseau électrique américain. Théoriquement, ce problème pourrait être résolu en leur permettant d'installer leurs propres panneaux solaires, batteries et générateurs sur site — idéalement des micro-réseaux — mais cette solution apparemment simple est en réalité extrêmement complexe et coûteuse à mettre en œuvre.
Chaque installation solaire, batterie, pile à combustible, générateur ou autre source d'énergie sur site nécessite plusieurs pièces d'équipement — des dispositifs de protection électrique, des transformateurs d'isolement, des transformateurs élévateurs et abaissants, des convertisseurs de puissance — pour convertir en toute sécurité le courant continu (CC) en courant alternatif (CA) et vice versa, et pour augmenter ou diminuer la tension afin de répondre aux besoins de différentes charges dans un bâtiment.
Les transformateurs à état solide peuvent réaliser toutes ces fonctions avec un seul appareil, contrôlant l'électricité aussi flexiblement qu'un routeur contrôle le flux de données. Ceci est particulièrement précieux pour gérer des équipements à forte demande en puissance (comme les bornes de recharge pour VE) ou des équipements extrêmement sensibles à la qualité de l'énergie (comme les baies de serveurs dans les centres de données).
C'est ce que dit Haroon Inam, PDG et co-fondateur de DG Matrix. DG Matrix est l'une des rares entreprises qui a commencé à mettre en pratique les transformateurs à état solide. Il a déclaré que DG Matrix avait levé 20 millions de dollars en mars de cette année et construit actuellement une usine en Caroline du Nord, qui devrait commencer ses opérations plus tard cette année avec une capacité de production annuelle de 1 000 unités. "Nous entrons dans le vaste et insuffisamment desservi marché des micro-réseaux commerciaux et industriels," a-t-il déclaré. "Les gens n'ont pas fait cela car le coût de construction d'un micro-réseau unique et sur mesure est trop élevé."
DG Matrix n'est pas la seule entreprise à travailler sur ce sujet. Heron Power, une start-up fondée par l'ancien employé de Tesla Drew Baglino, a levé 43 millions de dollars et vise à construire ses premiers transformateurs à état solide d'ici 2027. Amperesand a levé 12,5 millions de dollars l'année dernière pour continuer à développer des transformateurs à état solide qui sont testés sur le réseau électrique de Singapour.
De grandes entreprises électroniques s'intéressent à cela. Le géant de l'équipement électrique Eaton a accepté le mois dernier d'acquérir Resilient Power Systems, qui a levé 5 millions de dollars en 2021 pour construire et déployer son équipement de conversion de puissance pour les hubs de recharge pour VE et autres environnements à forte consommation d'énergie. Eaton investira 55 millions de dollars dans l'entreprise lors de la clôture de la transaction ; selon les performances financières et techniques de Resilient Power au cours des prochaines années, Eaton pourrait également verser 95 millions de dollars supplémentaires.
"Beaucoup de gens travaillent sur cette technologie depuis plus d'une décennie," a déclaré Aidan Graham, vice-président senior et directeur général de l'activité Solutions de Puissance Critique d'Eaton. Maintenant, avec des avancées dans plusieurs technologies d'ingénierie clés, cette technologie pourrait enfin connaître son âge d'or — les services publics et autres institutions ont commencé à la tester.
Évolution des transformateurs à état solide
Eaton travaille sur la recherche et le développement des transformateurs à état solide depuis de nombreuses années. L'entreprise n'a pas encore divulgué comment elle compte échelonner la fabrication et le déploiement de la technologie de Resilient Power. Mais Graham a déclaré : "Nous explorons plusieurs domaines, y compris la recharge des VE et l'intégration des batteries dans les centres de données et autres environnements critiques. 'La perte de puissance, même pour un instant, peut menacer la vie des gens et coûter beaucoup d'argent.'"
Michael Wood III, chef de cabinet de DG Matrix, a déclaré que l'entreprise teste son équipement avec des sociétés telles que le géant de la fabrication d'équipements électriques ABB, la société de services publics Duke Energy en Caroline du Nord, et PowerSecure, un grand développeur de micro-réseaux et de systèmes d'alimentation pour centres de données, propriété de la société de services publics Southern Co.
"Le meilleur moyen d'obtenir le prochain gigawatt d'énergie est de construire des systèmes distribués," a déclaré Wood. "Aujourd'hui, vous avez besoin de tous ces dispositifs pour faire fonctionner ces projets en douceur. DG Matrix supprime l'équilibre entre tous ces systèmes et le simplifie en un système unique."
Inam a déclaré que le coût d'utilisation du transformateur à état solide de DG Matrix n'est que la moitié de celui de la connexion de composants de micro-réseaux sur site typiques en utilisant une combinaison de plusieurs normes techniques. De plus, cela facilite la possibilité de mélanger rapidement et facilement des équipements ou de modifier la configuration du système de centres de données, de hubs de recharge pour VE et d'autres sites potentiels de micro-réseaux.
Alors, si les transformateurs à état solide sont une technologie si utile, pourquoi n'entrent-ils que maintenant sur le marché ?
Il y a une bonne raison à cela, a déclaré Vlatko Vlatkovic, associé de Clean Energy Ventures, investisseur de DG Matrix et ancien cadre de l'activité de l'électrification industrielle de General Electric, qui a rejoint le conseil d'administration de la start-up cette année.
Le réseau électrique repose fortement sur des dispositifs électromécaniques qui fonctionnent relativement simplement et n'ont guère changé au cours du siècle dernier. Malgré quelques progrès réalisés ces dernières années qui ont rendu possible des dispositifs tels que les onduleurs solaires ou les systèmes de propulsion des VE, les semi-conducteurs qui rendent possible l'informatique moderne n'ont pas été largement utilisés dans le réseau électrique.
"Pousser l'industrie à utiliser plus d'électronique de puissance a été un défi colossal," a déclaré Vlatkovic, en particulier à des tensions plus élevées du réseau. Jusqu'à récemment, la technologie sous-jacente "n'était pas assez grande ni fiable. Il y avait des problèmes techniques."
Des défis similaires ont affecté les transformateurs à état solide dans les applications industrielles à haute tension, a déclaré Neal Dikeman, associé de Energy Transition Ventures, investisseur de Resilient Power. Il a déclaré que les avancées continues dans les semi-conducteurs en carbure de silicium et l'amélioration de la puissance de calcul nécessaire pour les rendre efficaces en termes de conversion de puissance ont aidé. "Mais ce n'est pas facile."
Inam, qui a servi en tant que directeur technique de Smart Wires, fournisseur de solutions de contrôle de puissance pour le réseau, avant de rejoindre DG Matrix en 2023, a noté que la start-up a dû résoudre plusieurs défis clés pour en arriver là.
Premièrement, à haute tension, la chaleur générée par la conversion CA-CC est difficile à dissiper. Gérer le "bruit électromagnétique", ou interférences causées par le même commutage électrique à haute fréquence. "Si vous ne savez pas comment atténuer efficacement le bruit, cela affecte tout. Cela peut causer des surchauffes, des explosions et une dégradation des performances," a déclaré Inam.
Cependant, résoudre ces défis a aussi ses récompenses. "Notre technologie est maintenant suffisamment mature et sophistiquée pour que nous puissions lancer des équipements fiables," a déclaré Vlatkovic.
Pourquoi le moment est venu pour les transformateurs à état solide
Le timing ne pouvait pas être meilleur.
"Tout est en train de se électrifier, des voitures à l'industrie en passant par l'habitat," a déclaré Vlatkovic. "Si vous regardez les projections de la puissance que le réseau devra fournir au cours des 10 à 20 prochaines années, vous verrez que nous devons au moins doubler la capacité du réseau. Certaines projections disent même que nous devons tripler la capacité existante."
Inam a déclaré que répondre aux besoins en énergie des centres de données est une opportunité particulièrement importante.
Les ambitieux plans d'intelligence artificielle des géants de la technologie mettent une charge énorme sur les réseaux électriques des services publics dans les zones de concentration de centres de données comme la Virginie, la Géorgie et le Texas. Cela a incité les développeurs de centres de données à explorer des moyens de réduire la pression sur le réseau, notamment en construisant des générateurs et des batteries à proximité ou sur site.
"Les trois grands problèmes sont la vitesse d'approvisionnement en énergie (les clients ne peuvent pas obtenir l'énergie assez rapidement), le coût de l'énergie, et la capacité à agréger plusieurs ressources pour la flexibilité," a déclaré Inam. "Nous avons parlé à des clients d'entreprises avec des centaines ou des milliers de sites. Le plus grand défi qu'ils rencontrent est d'avoir à concevoir chaque site à partir de zéro. Ils cherchent une solution clé en main pour relever le défi de déployer 1 000 sites plutôt qu'un seul."
Les transformateurs à état solide peuvent aider à répondre à ces besoins, a déclaré Vlatkovic. "Passer d'installations complexes et de multiples entreprises à une seule entreprise prenant en charge tout."
Intégrer plus de fonctions dans des packages plus compacts
Graham d'Eaton a déclaré que le "paquetage à haute densité de puissance" peut également économiser un espace précieux dans des environnements restreints tels que les centres de données et les stations de recharge pour VE. Les transformateurs à état solide peuvent être produits en série en usine, réduisant le coût et le temps de travail électrique sur les chantiers. "Vous l'avez ramené dans un environnement de fabrication contrôlé," a déclaré Graham.
En outre, avoir un seul dispositif capable de réaliser plusieurs tâches simplifie les exigences d'ingénierie, a déclaré Dickman.
"Si vous concevez un système complexe à partir de composants prêts à l'emploi, le désaccord entre différents dispositifs ne peut pas pleinement répondre aux exigences du système. Cela augmente les coûts et réduit l'efficacité," a-t-il déclaré. "Vous pouvez résoudre ce problème avec des produits sur mesure — mais c'est plus coûteux et plus risqué. Lorsque vous traitez avec l'énergie solaire, le stockage d'énergie et les centres de données, et que les gens ont besoin de bouger rapidement et d'avoir quelque chose de fiable et bon marché, tout cela s'écroule."
Joaquin Aguerre, directeur du développement stratégique du portefeuille de l'entreprise, a déclaré que tous ces avantages potentiels ont incité le développeur de micro-réseaux PowerSecure à lancer des pilotes de au moins deux technologies de transformateurs à état solide, y compris des tests en collaboration avec DG Matrix. "Nous essayons d'être à la pointe de cette technologie."
PowerSecure a conçu et installé plus de 2,4 gigawatts de capacité de micro-réseaux pour des clients allant des grands détaillants et hôpitaux aux services publics et centres de données. L'entreprise se concentre particulièrement sur les transformateurs à état solide pour intégrer des "micro-réseaux hybrides" économes en énergie qui combinent "énergie solaire, stockage d'énergie, générateurs à gaz naturel, piles à combustible, recharge de VE — tout ce que vous pouvez imaginer," a déclaré Aguerre.
"La demande réelle du marché commence à émerger," a-t-il déclaré. En même temps, "la plupart de ces entreprises sont encore à un stade précoce.... La prochaine étape logique est de mener des projets pilotes appropriés pour observer des cas d'utilisation réels chez les clients à petite échelle" et tester la durabilité et la fiabilité des technologies concernées.
Après tout, quelles que soient les inconvénients des transformateurs traditionnels par rapport aux électroniques de puissance de pointe, "ils ne tombent pas souvent en panne," a souligné Aguerre. "Tout le monde attend la même fiabilité de n'importe quel transformateur à état solide qu'ils examinent."
