Osvojavanje budućnosti energije: Strategijska evolucija tehnologije čvrstotropskog transformatora u Sjedinjenim Američkim Državama

DG Matrix i Resilient Power tvrde da njihovi čvrsti transformatori mogu smanjiti troškove, vrijeme i složenost osiguravanja snage podatkovnim centrima, naplatnim hubovima za električna vozila (EV) i slično. Decenijama su elektroinženjeri sanjali o uređaju koji može bez prekidno povezati sunčane panele, sustave baterija i lokalne generatorne jedinice s opremom visokog potrošnje poput naplatnih stanica za EV ili poslužiteljske opreme u podatkovnim centrima, bez potrebe za velikim količinama skupih hardvera kako bi se zajedno ispravno funkcionirale.

Sada, ovi uređaji, zvani čvrsti transformatori, zapravo počinju ulaziti na tržište — i njihov prijelaz ne može biti vremenski bolje odabran.

To je zato što bi tehnologija mogla biti ključna za rješavanje masivnih potreba za strujom podatkovnih centara, tvornica i naplatnih hubova za EV, što bi moglo pretjerano opteretiti mrežu snaga i dovesti do toga da se utility-ji proizvode još fosilnih goriva koje doprinose globalnom zagrijavanju.

Trenutno, potražnja tih velikih potrošača struje prelazi nadmoć mreže snaga Sjedinjenih Američkih Država. Teoretski, taj problem se mogao riješiti omogućivanjem im instalacije vlastitih sunčanih panela, baterija i generatora na mjestu — idealno mikromreže — ali ovo činički jednostavno rješenje zapravo je izuzetno složeno i skupo za implementiranje.

Svaki sunčani poligon, baterija, gorivna celija, generator ili drugi lokalni izvor snage zahtijeva više komada opreme — uređaje za zaštitu od struje, izolacijske transformatori, step-up i step-down transformatori, pretvarače snage — kako bi se sigurno pretvorilo jednosmjerno struja (DC) u izmjeničnu struju (AC) i obrnuto, te podigli ili snizili napon kako bi se ispunile potrebe različitih opterećenja u zgradi.

Čvrsti transformatori mogu ostvariti sve te funkcije samo jednim uređajem, kontrolirajući struju toliko fleksibilno kao što router kontrolira protok podataka. To je posebno vrijedno za upravljanje opremom s visokim potrošnjama struje (poput naplatnih stanica za EV) ili opremom izuzetno osjetljivom na kvalitetu struje (poput stanačića poslužitelja u podatkovnim centrima).

Tako kaže Haroon Inam, CEO i koosnivač DG Matrix. DG Matrix je jedna od rijetkih tvrtki koje je započela praktičnu upotrebu čvrstih transformatora. Rekao je da je DG Matrix prikupio 20 milijuna dolara u ožujku ove godine i trenutno gradi tvornicu u Severnoj Karolini, koja se očekuje da počne s radom kasnije ove godine s godišnjom proizvodnošću od 1.000 jedinica. "Ulazimo u ogroman i nedovoljno iskorišteni tržište komercijalnih i industrijskih mikromreža," rekao je. "Ljudi to nisu radili jer je trošak izgradnje pojedinačne, prilagođene mikromreže bio previsok."

DG Matrix nije jedina tvrtka koja radi na tome. Heron Power, startup osnovan bivšim Tesla zaposlenikom Drew Baglino, prikupio je 43 milijuna dolara i ima cilj da izgradi svoje prve čvrste transformatore do 2027. Amperesand prikupio je 12,5 milijuna dolara prošle godine kako bi nastavio razvijati čvrste transformatore koji se testiraju na mreži snaga Singapura.

Velike elektroničke tvrtke su zainteresirane za to. Električni oprema gigant Eaton prihvatio je mjesec dana prije kupnju Resilient Power Systems, koja je prikupila 5 milijuna dolara 2021. godine za izgradnju i implementaciju svoje opreme za pretvorbu snage za naplatne hubove za EV i druge okruženja s visokim potrošnjama energije. Eaton će investirati 55 milijuna dolara u tvrtku na završetku transakcije; ovisno o finansijskom i tehničkom performansu Resilient Power-a u sljedećih nekoliko godina, Eaton može platiti dodatnih 95 milijuna dolara.

"Mnogi ljudi su radili na ovoj tehnologiji već desetljeća," rekao je Aidan Graham, senior viceprezes i generalni direktor Critical Power Solutions poslovnog područja Eatona. Sada, s napretkom u nekoliko ključnih inženjerskih tehnologija, ova tehnologija možda konačno doživljava svoju zlatnu dobu — utility-ji i druge institucije počele su je testirati.

Evolucija čvrstih transformatora

Eaton je radio na istraživanju i razvoju čvrstih transformatora mnogo godina. Tvrtka još nije otkrila kako će proširiti proizvodnju i implementaciju tehnologije Resilient Power. No, Graham je rekao: "Istražujemo nekoliko područja, uključujući naplatu EV i integraciju baterija u podatkovne centre i druge kritične okruženja. 'Čak i kratko isključenje struje može prijetiti ljudskim životima i koštati puno novca.'"

Michael Wood III, glavni savjetnik DG Matrix, rekao je da tvrtka testira svoju opremu s tvrtkama uključujući giganta proizvodnje električne opreme ABB, North Carolina utility Duke Energy i PowerSecure, velikog razvojnog programa mikromreža i sustava snage za podatkovne centre u vlasništvu utility Southern Co.

"Najbolji način da se dobije sljedeći gigawatt energije jest izgraditi distribuirane sustave," rekao je Wood. "Danas trebate sve te uređaje kako bi se ti projekti gladko funkcionirali. DG Matrix eliminira ravnotežu među svim tim sustavima i pojednostavljuje ih u jedan sustav."

Inam je rekao da je trošak korištenja čvrstog transformatora DG Matrix samo pola onoga što bi koštaло spojavanje tipičnih komponenti lokalne mikromreže kombinacijom više tehničkih standarda. Također olakšava brzo kombiniranje opreme ili promjenu konfiguracije sustava podatkovnih centara, naplatnih hubova za EV i drugih potencijalnih lokacija mikromreže.

Pa ako su čvrsti transformatori tako korisna tehnologija, zašto tek sada ulaze u igru?

Postoji dobar razlog zašto je to trajalo dugo, rekao je Vlatko Vlatkovic, partner u Clean Energy Ventures, investoru DG Matrix i veteranu industrijske elektrifikacije General Electrica, koji je ovogodi pridružio odboru startupa.

Mreža snaga značajno se oslanja na elektromehaničke uređaje koji relativno jednostavno funkcioniraju i malo su se mijenjali u protekle stotinu godina. Iako su neki napredci u posljednjih nekoliko godina omogućili uređaje poput invertora sunčane energije ili pogonskih sistema EV, poluprovodnici koji su moderno računalstvo moguća nisu bili široko korišteni u mreži snaga.

"Poticanje industrije da koristi više strujnih uređaja bilo je ogroman izazov," rekao je Vlatkovic, posebno na višim naponima mreže. Do nedavno, temeljna tehnologija "nije bila dovoljno velika ili pouzdarna. Bilo je tehničkih problema."

Slični izazovi su mučili čvrste transformatori u visokonaponskim industrijskim aplikacijama, rekao je Neal Dikeman, partner u Energy Transition Ventures, investitoru u Resilient Power. Nastavak napredaka u silicij karbid poluprovodnicima i poboljšanja računalne snage potrebne za njihovu učinkovitost u pretvorbi snage pomogao je. "Ali to nije lako."

Inam, koji je služio kao glavni tehnološki direktor pružatelja kontrole mreže snaga Smart Wires prije nego što se pridružio DG Matrix 2023. godine, napomenuo je da je startup morao riješiti nekoliko ključnih izazova kako bi došao do ove točke.

Prvo, na visokim naponima, toplina generirana pretvorbom AC-DC teško se disipira. Rukovanje "elektromagnetskim bukom", ili interferencijom uzrokovanim istim visokofrekventnim električnim prebacivanjem. "Ako ne znate kako učinkovito ublažiti buku, utječe na sve. Može dovesti do pregrejanja, eksplozija i smanjenja performansi," rekao je Inam.

Međutim, rješavanje tih izazova donosi i svoje nagrade. "Naša tehnologija je sada dovoljno zrela i sofisticirana da možemo izdavati pouzdane uređaje," rekao je Vlatkovic.

Zašto je sada vrijeme za čvrste transformatore

Vrijeme ne može biti bolje odabrano.

"Sve se elektrificira, od automobila do industrije do stambenosti," rekao je Vlatkovic. "Ako pogledate prognoze koliko snage mreža trebat će dostaviti u sljedećih 10 do 20 godina, vidjet ćete da moramo barem udvostručiti kapacitet mreže. Neki prognozi čak kažu da moramo utrostručiti postojeću kapacitet."

Inam je rekao da je zadovoljavanje potreba za snagom podatkovnih centara posebno velika prilika.

Ambiciozni planovi tech giganta za umjetnu inteligenciju stavljaju ogroman opterećenje na mreže snaga utility-ja u hotspotima podatkovnih centara poput Virginije, Georgije i Teksasa. To je potaknulo razvojne inženjere podatkovnih centara da istražuju načine smanjenja opterećenja na mrežu, uključujući izgradnju generatora i baterija u blizini ili na mjestu.

"Tri velika problema su brzina dostave snage (klijenti ne mogu dobiti struju dovoljno brzo), trošak struje i sposobnost agregiranja više resursa za fleksibilnost," rekao je Inam. "Razgovarali smo s korporativnim klijentima s stotinama ili tisućama lokacija. Najveći izazov s kojim se suočavaju jest potreba za dizajnom svake lokacije od nule. Traže one-stop rješenje za izazov deploiranja 1.000 lokacija umjesto jedne."

Čvrsti transformatori mogu pomoći u zadovoljavanju tih potreba, rekao je Vlatkovic. "Od složenih instalacija i više tvrtki do jedne tvrtke koja se brine o svemu."

Stavljanje više funkcija u manje pakete

Graham iz Eatona rekao je da "visokopojasne" pakiranje također može uštedjeti dragocjeno prostor u tesnim okruženjima poput podatkovnih centara i naplatnih stanica za EV. Čvrsti transformatori mogu se masovno proizvoditi u tvornicama, smanjujući troškove i vrijeme električarskog rada na građevinskim lokacijama. "Povratili ste to u kontrolirano proizvodno okruženje," rekao je Graham.

Osim toga, imanje jednog uređaja koji može obaviti više zadataka pojednostavljuje inženjerske zahtjeve, rekao je Dickman.

"Ako dizajnirate složeni sustav koristeći gotove komponente, neusaglašenost različitih uređaja ne može u potpunosti zadovoljiti zahtjeve sustava. To povećava troškove i smanjuje učinkovitost," rekao je. "Možete riješiti tu problem s prilagođenim proizvodima — ali to je skuplje i rizičnije. Kada se bavite sunčevom energijom, pohranom energije i podatkovnim centrima, i ljudima koji trebaju brzo i potreban pouzdan i jeftin proizvod, sve to pada."

Joaquin Aguerre, direktor strategijskog razvoja portfolija tvrtke, rekao je da su sve te potencijalne prednosti potaknule razvojne inženjere mikromreže PowerSecure da pokrenu pilot projekte najmanje dvije tehnologije čvrstih transformatora, uključujući teste u suradnji s DG Matrix. "Pokušavamo biti na cijelu tehnologije."

PowerSecure je dizajnirao i instalirao više od 2,4 gigawatta kapaciteta mikromreže za klijente, uključujući velike trgovce, bolnice, utility-je i podatkovne centre. Tvrtka se posebno fokusira na čvrste transformatore za integraciju energetski učinkovitih "hibridnih mikromreža" koje kombiniraju "sunčevu energiju, pohranu energije, generatori na plinu, gorivne celije, naplatne stanice za EV — sve što možete zamisliti," rekao je Aguerre.

"Stvarna tržišna potražnja počela se pojavljivati," rekao je. U isto vrijeme, "većina tih tvrtki još uvijek je u ranom stadiju.... Sljedeći logičan korak je provođenje odgovarajućih pilot projekata kako bi se promatrali stvarni slučajevi korištenja kod klijenata na manjoj skali" i testirala se izdržljivost i pouzdanost relevantnih tehnologija.

Nakon svega, bez obzira na sve mane tradicionalnih transformatora u usporedbi s najnovijim strujnim elektronikama, "one rijetko padaju," napomenuo je Aguerre. "Svi očekuju istu pouzdanost od bilo kojeg čvrstog transformatora koji gledaju."