Aproveitando o futuro da enerxía: A evolución estratégica da tecnoloxía de transformadores de estado sólido nos Estados Unidos

DG Matrix e Resilient Power afirmam que os seus transformadores de estado sólido poden reducir o custo, o tempo e a complexidade do abastecemento de enerxía a centros de datos, hubs de carga de vehículos eléctricos (VE) e similares. Durante décadas, os enxeñeiros eléctricos soñaron con un dispositivo que puidese conectar sin problemas paneis solares, sistemas de baterías e xeradores no local a equipos de alta potencia como cargadores VE ou servidores de centros de datos sen necesidade dunha gran cantidade de hardware caro para facer que funcionasen xuntos.

Agora, estes dispositivos chamados transformadores de estado sólido están a comezar realmente a entrar no mercado — e a súa aparición non podería ser máis oportuna.

Isto é porque a tecnoloxía pode ser a clave para abordar as enormes demandas de enerxía de centros de datos, fábricas e hubs de carga de VE, que poden sobrecargar a rede eléctrica e forzar ás empresas eléctricas a queimar máis combustibles fósiles que contribúen ao calentamento global.

Actualmente, a demanda de enerxía eléctrica destes grandes consumidores supera a capacidade de fornecemento da rede eléctrica dos EE.UU. Teoricamente, este problema podería resolverse permitindo-lles instalar os seus propios paneis solares, baterías e xeradores no local — idealmente microredes — pero esta solución aparentemente simple é en realidade extremadamente complexa e cara de implementar.

Cada matriz solar, batería, célula de combustible, xerador ou outra fonte de enerxía no local require múltiples pezas de equipo — dispositivos de protección eléctrica, transformadores de aislamento, transformadores de elevación e redución de tensión, convertidores de potencia — para converter de forma segura a corrente continua (CC) en corrente alternativa (CA) ou viceversa, e para aumentar ou diminuír a tensión para satisfacer as necesidades de diferentes cargas nun edificio.

Os transformadores de estado sólido poden lograr todas estas funcións cun único dispositivo, controlando a electricidade tan flexiblemente como un router controla o fluxo de datos. Isto é especialmente valioso para xestionar equipos de alta demanda de potencia (como cargadores VE) ou equipos extremadamente sensibles á calidade da enerxía (como racks de servidores en centros de datos).

Así o afirma Haroon Inam, CEO e cofundador de DG Matrix. DG Matrix é unha das poucas empresas que comezou a poñer en práctica os transformadores de estado sólido. Dixo que DG Matrix recaudou 20 millóns de dólares en marzo deste ano e está construindo actualmente unha fábrica en Carolina do Norte, que se espera que comece a operar a finais deste ano cunha capacidade anual de 1.000 unidades. "Estamos entrando nun enorme e subatendido mercado comercial e industrial de microredes," dixo. "As persoas non o fixeron porque o custo de construír unha única microrede personalizada era demasiado alto."

DG Matrix non é a única empresa que traballa nisto. Heron Power, unha startup fundada polo ex-empleado de Tesla Drew Baglino, recaudou 43 millóns de dólares e ten como obxectivo construír os seus primeiros transformadores de estado sólido para 2027. Amperesand recaudou 12,5 millóns de dólares o ano pasado para continuar desenvolvendo transformadores de estado sólido que están a ser probados na rede eléctrica de Singapur.

As grandes empresas de electrónica están interesadas neste. A gigante de equipos eléctricos Eaton acordou o mes pasado adquirir Resilient Power Systems, que recaudou 5 millóns de dólares en 2021 para construír e despregar o seu equipo de conversión de potencia para hubs de carga de VE e outros entornos de alta consunción de enerxía. Eaton investirá 55 millóns de dólares na empresa no cierre da transacción; dependendo do rendemento financeiro e técnico de Resilient Power nos próximos anos, Eaton tamén pode pagar un adicional de 95 millóns de dólares.

"Muitas persoas levaron a cabo esta tecnoloxía durante máis dunha década," dixo Aidan Graham, vicepresidente sénior e xerente xeral do negocio Critical Power Solutions de Eaton. Agora, coas avanzadas en varias tecnoloxías de enxeñaría clave, esta tecnoloxía pode estar finalmente vivindo a súa idade de ouro — as empresas eléctricas e outras institucións comezan a probala.

Evolución dos Transformadores de Estado Sólido

Eaton leva anos a traballar na investigación e desenvolvemento de transformadores de estado sólido. A empresa aínda non divulgou como escalará a fabricación e o despregamento da tecnoloxía de Resilient Power. Pero Graham dixo: "Estamos explorando varias áreas, incluíndo a carga de VE e a integración de baterías en centros de datos e outros entornos críticos. 'A perda de enerxía durante un momento pode ameazar vidas e custar moito diñeiro.'"

Michael Wood III, xefe de gabinete de DG Matrix, dixo que a empresa está probando o seu equipo con empresas como a gigante de fabricación de equipos eléctricos ABB, a utilidade de Carolina do Norte Duke Energy, e PowerSecure, un gran desenvolvedor de microredes e sistemas de enerxía para centros de datos propiedade da utilidade Southern Co.

"A mellor maneira de obter o próximo gigavatio de enerxía é construír sistemas distribuídos," dixo Wood. "Hoxe, necesitas todos estes dispositivos para que estes proxectos funcionen suavemente. DG Matrix elimina o equilibrio entre todos estes sistemas e simplifícao en un único sistema."

Inam dixo que o custo de usar o transformador de estado sólido de DG Matrix é só a metade do de conectar compoñentes típicos de microredes no local usando unha combinación de varios estándares técnicos. Ademais, facilita a rápida combinación e emparellamento de equipos ou a modificación da configuración do sistema en centros de datos, hubs de carga de VE e outros sitios potenciais de microredes.

Entón, se os transformadores de estado sólido son unha tecnoloxía tan útil, por que só están entrando no campo agora?

Hai unha boa razón pola que levou tanto tempo, dixo Vlatko Vlatkovic, socio de Clean Energy Ventures, un inversor de DG Matrix e veterano do negocio de electrificación industrial de General Electric que uníuse ao consejo de administración da startup este ano.

A rede eléctrica depende en gran medida de dispositivos electromecánicos que funcionan relativamente de forma simple e que cambiaron pouco ao longo do último século. A pesar de algunha progreso nos últimos anos que fez posible dispositivos como inversores solares ou sistemas de propulsión de VE, os semiconductores que facen posibles os computadores modernos non se usaron ampliamente na rede eléctrica.

"Empurrar a industria para que use máis electrónica de potencia foi un gran desafío," dixo Vlatkovic, especialmente a voltaxes máis altos da rede. Hasta recentemente, a tecnoloxía subxacente "non era suficientemente grande ou confiable. Había problemas técnicos."

Desafíos similares afectaron aos transformadores de estado sólido en aplicacións industriais de alta tensión, dixo Neal Dikeman, socio de Energy Transition Ventures, un inversor en Resilient Power. Dixo que os continuos avances nos semiconductores de carburo de silicio e as melloras no poder de cómputo necesarios para facelos eficientes na conversión de potencia axudaron. "Pero non é fácil."

Inam, que foi director de tecnoloxía de Smart Wires, un provedor de control de potencia de rede, antes de unirse a DG Matrix en 2023, notou que a startup teve que resolver varios desafíos clave para chegar a este punto.

Primeiro, a altas tensións, o calor xerado pola conversión CA-CC é difícil de dissipar. Xestionar o "ruido electromagnético", ou a interferencia causada polo mesmo conmutación eléctrica de alta frecuencia. "Se non sabes como mitigar eficazmente o ruido, afecta a todo. Pode causar sobrecalefacción, explosións e degradación do rendemento," dixo Inam.

No entanto, resolver estos desafíos tamén ten as súas recompensas. "A nosa tecnoloxía está agora madura e sofisticada o suficiente como para lanzar equipos confiables," dixo Vlatkovic.

Por que Agora é o Momento para os Transformadores de Estado Sólido

O momento non podería ser mellor.

"Todo está electrificándose, desde automóbiles ata a industria e a vivenda," dixo Vlatkovic. "Se miras as proxeccións da potencia que a rede terá que entregar nos próximos 10 a 20 anos, verás que necesitamos polo menos duplicar a capacidade da rede. Algúns informes incluso dicen que necesitamos triplicar a capacidade existente."

Inam dixo que atender a demanda de potencia de centros de datos é unha oportunidade particularmente grande.

Os ambiciosos planos de intelixencia artificial das grandes tecnolóxicas están impondo unha gran carga nas redes eléctricas de utilidades en puntos calientes de centros de datos como Virginia, Xeorxia e Texas. Isto levou aos desenvolvedores de centros de datos a explorar formas de reducir a presión na rede eléctrica, incluíndo a construción de xeradores e baterías próximas ou no local.

"Os tres grandes problemas son a velocidade do suministro de enerxía (os clientes non poden obter enerxía lo suficientemente rápido), o custo da enerxía e a capacidade de agregar múltiples recursos para flexibilidade," dixo Inam. "Hemos falado con clientes empresariais con centenas ou miles de sitios. O maior desafío que enfrentan é ter que deseñar cada sitio desde cero. Están buscando unha solución llave en man para o desafío de desplegar 1.000 sitios en lugar de un."

Os transformadores de estado sólido poden axudar a cubrir estas necesidades, dixo Vlatkovic. "De instalacións complexas e múltiples empresas a unha empresa que se encarga de todo."

Colocar Máis Funcións en Paquetes Menores

Graham de Eaton dixo que o "empacotamento de alta densidade de potencia" tamén pode ahorrar espazo valioso en entornos apretados como centros de datos e estacións de carga de VE. Os transformadores de estado sólido poden producirse en masa en fábricas, reducindo o custo e o tempo de man de obra eléctrica nos sitios de construción. "Volveste a traer a un ambiente de fabricación controlado," dixo Graham.

Ademais, ter un único dispositivo que pode realizar múltiples tarefas simplifica os requisitos de enxeñaría, dixo Dickman.

"Se deseñas un sistema complexo usando compoñentes de prateleira, a desaxuste de diferentes dispositivos non pode satisfacer completamente os requisitos do sistema. Isto aumenta os custos e reduce a eficiencia," dixo. "Podes resolver este problema con produtos personalizados — pero eso é máis caro e arriesgado. Cando tratas con solar, almacenamento de enerxía e centros de datos, e persoas que necesitan moverse rapidamente e necesitan algo confiable e barato, todo iso se desmorona."

Joaquin Aguerre, o director de desenvolvemento de portafolio estratégico da compañía, dixo que todos estes potenciais vantaxes levaron ao desenvolvedor de microredes PowerSecure a lanzar pilotos de polo menos dúas tecnoloxías de transformadores de estado sólido, incluíndo probas en colaboración con DG Matrix. "Estamos a tentar estar na vanguardia desta tecnoloxía."

PowerSecure deseñou e instalou máis de 2,4 gigavatios de capacidade de microredes para clientes que van desde grandes retalhistas e hospitais a utilidades e centros de datos. A empresa está particularmente centrada en transformadores de estado sólido para integrar "microredes híbridas" eficientes en enerxía que combinen "solar, almacenamento de enerxía, xeradores de gas natural, células de combustible, carga de VE — o que se teña en mente," dixo Aguerre.

"A demanda real do mercado comezou a emerxir," dixo. Ao mesmo tempo, "maioría destas empresas aínda están nas etapas iniciais.... O seguinte paso lóxico é realizar os proxectos piloto adecuados para observar casos de uso de clientes reais a unha escala menor" e probar a durabilidade e a fiabilidade das tecnoloxías relevantes.

En definitiva, independentemente das desvantaxes que os transformadores tradicionais teñan comparados cos electrónicos de potencia de vanguardia, "non fallan a menudo," destacou Aguerre. "Todos esperan a mesma fiabilidade de calquera transformador de estado sólido que estean a considerar."