A hatalom jövőjének megszerzése: A szilárdtest-transzformátor technológia stratégiai fejlődése az Egyesült Államokban

A DG Matrix és a Resilient Power azt állítja, hogy szilárdállapotú transzformereik csökkenthetik az adatközpontok, elektromos jármű (EV) töltőközpontok és hasonló helyek ellátásának költségeit, időtartamát és összetettségét. Évtizedek óta az elektrotechnikusok álma volt egy olyan eszköz, amely zökkenőmentesen összekapcsolhatja a napelempánkakat, akkumulátorrendszereket és helyi generátortelepeket nagy teljesítményű felszerelésekkel, mint például EV-töltőállomások vagy adatközpont-szerverek, anélkül, hogy ehhez sok drága hardver lenne szükséges, hogy működjön.

Most, ezeknek az eszközöknak, a szilárdállapotú transzformereknek, valójában elkezdik betérni a piacra — és időben sem lehetett volna jobb, hogy megjelenjenek.

Ez azért van, mert a technológia kulcsszerepet játszhat abban, hogy kezelje az adatközpontok, gyárak és EV-töltőközpontok hatalmas energiaszükségleteit, amelyek túlterhelhetik a villamosenergia-hálózatot, és arra kényszeríthetik a szolgáltatókat, hogy több fosszilis üzemanyagot égjenek, ami hozzájárul a globális felmelegedéshez.

Jelenleg ezek a nagy energiaszükségletű felhasználók energiaigénye meghaladja az Egyesült Államok villamosenergia-hálózat képességeit. Elméletileg ezt a problémát megoldhatnák, ha engedélyeznék nekik, hogy saját napelempaneleket, akkumulátortelepeket és generátortelepeket telepítsenek helyben — ideálisan mikrohálózatok formájában — de ez a látszólag egyszerű megoldás valójában rendkívül összetett és drága lenne végrehajtani.

Minden napelempanél, akkumulátor, üzemanyagcella, generátor vagy más helyi energiaforrás több felszerelést igényel — elektromos védelmi eszközöket, izoláló transzformereket, felfestő és lefeszültség-változtató transzformereket, energiaátalakítókat —, hogy biztonságosan átalakítsa a közvetlen áramot (DC) váltakozó árrá (AC) és fordítva, és emelje vagy csökkentse a feszültséget, hogy kielégítse egy épület különböző terheléseinek igényeit.

A szilárdállapotú transzformerek ezen funkciókat egyetlen eszközzel tudják elérni, ugyanolyan rugalmasan irányítva az áramot, ahogy egy router irányítja az adatfolyamatot. Ez különösen értékes a nagy energiaigényű felszerelések (mint például EV-töltőállomások) vagy a nagyon érzékeny energia minőségére (mint például adatközpont-szervergépek) kezelésére.

Ezt mondja Haroon Inam, a DG Matrix CEO-ja és alapítója. A DG Matrix az egyik kevés cégnél, amely már elkezdte a szilárdállapotú transzformerek gyakorlati alkalmazását. Ő szerint a DG Matrix márciusban 20 millió dollárt szedett be, és jelenleg épít egy gyártót North Carolinában, amely várhatóan ebben az évben kezdi működését, 1000 egység éves termelési kapacitással. "Belépünk a hatalmas, alulszolgáltatott kereskedelmi és ipari mikrohálózati piacra," mondta. "Az emberek még nem tettek ezt, mert egyetlen, egyedi mikrohálózat építése túl drága."

A DG Matrix nem az egyetlen cég, ami ezen dolgozik. A Heron Power, egy Tesla-beli alkalmazott, Drew Baglino által alapított startup, 43 millió dollárt szedett be, és célja, hogy 2027-ig építsen első szilárdállapotú transzformereket. Az Amperesand tavaly 12,5 millió dollárt szedett be, hogy tovább fejlessze a szingapúri villamosenergia-hálózaton tesztelt szilárdállapotú transzformereket.

A nagy elektronikai cégek is érdeklődnek ezen. Az Eaton, az elektromos berendezékek országútja, múlt hónapban egyetértett a Resilient Power Systems vásárlására, amely 2021-ben 5 millió dollárt szedett be EV-töltőközpontokhoz és egyéb nagy energiaszükségletű környezetekhez szükséges energiaátalakító felszerelések építésére és üzembe helyezésére. Az Eaton 55 millió dollárt fog befektetni a cégbe a tranzakció lezárásakor; a Resilient Power pénzügyi és technikai teljesítményétől függően az Eaton további 95 millió dollárt is fizethet ki a következő néhány évben.

"Sok ember dolgozott ezen a technológián több, mint egy évtizeden át," mondta Aidan Graham, az Eaton Critical Power Solutions üzleti egységének senior viceprezide. Most, a több kulcsfontosságú mérnöki technológia előrehaladásával, ez a technológia végül aranykorát élhet — a szolgáltatók és egyéb intézmények már elkezdtek tesztelni.

A Szilárdállapotú Transzformerek Fejlődése

Az Eaton évek óta kutatja és fejleszti a szilárdállapotú transzformerek technológiáját. A cég még nem nyilatkozott, hogyan méretezi fel a Resilient Power technológiájának gyártását és üzembe helyezését. De Graham mondta: "Több területen is kutatunk, beleértve az EV-töltőállomásokat és az akkumulátorok integrálását adatközpontokba és egyéb kritikus környezetekbe. 'Az áram kimaradása csak egy pillanatra is fenyegetheti az emberek életét, és sok pénzt jelenthet.'

Michael Wood III, a DG Matrix vezetői tisztségviselője, azt mondta, hogy a cég felszereléseit teszteli azzal a céggel, mint például az ABB, a North Carolina Duke Energy és a Southern Co. tulajdonában lévő, nagy mikrohálózatok és adatközpont-energiaellátási rendszerek fejlesztője, a PowerSecure.

"A legjobb módja, hogy a következő gigawatt energiát beszerzésnek, hogy elosztott rendszereket építsünk," mondta Wood. "Ma mindenféle eszközre van szükség, hogy ezek a projektek simán működjenek. A DG Matrix egyensúlyt teremt mindaz között, és egyszerűsíti egyetlen rendszerbe."

Inam szerint a DG Matrix szilárdállapotú transzformereinek használatai csak a fele annyi, mint a tipikus helyi mikrohálózati komponensek összekötése több technikai standard kombinációjával. Emellett könnyebbé teszi, hogy gyorsan keverjék és egyeztessék a felszereléseket, vagy változtassák az adatközpontok, EV-töltőközpontok és egyéb potenciális mikrohálózati helyek rendszerkonfigurációját.

Szóval, ha a szilárdállapotú transzformerek ilyen hasznos technológiák, miért csak most lépnek be a területre?

Vlatko Vlatkovic, a Clean Energy Ventures partnere, a DG Matrix investorai közül és a General Electric ipari elektromos berendezékeinek régi szakember, aki idén csatlakozott a startup társult tanácsadói testületéhez, azt mondta, hogy jó okai vannak annak, hogy ennyi ideig tartott.

A villamosenergia-hálózat nagy mértékben az elektromechanikus eszközökre támaszkodik, amelyek relatíve egyszerűen működnek, és a múlt században kevésbé változtak. Bár a legutóbbi években némi haladást tettek, ami lehetővé tette olyan eszközök megvalósítását, mint például a napelem inverterek vagy EV-meghajtási rendszerek, a modern számítástechnikát lehetővé tevő fémesek nem voltak széles körben használva a villamosenergia-hálózatban.

"A világágtipusok nagyobb mennyiségű használatának előmozdítása nagy kihívás volt," mondta Vlatkovic, különösen a magasabb villamosenergia-hálózati feszültségeknél. Még nemrég, az alapvető technológia "nem volt elég nagy vagy megbízható. Voltak technikai problémák."

Hasonló kihívások tartogatták a szilárdállapotú transzformereket a magas-feszültségű ipari alkalmazásokban, mondta Neal Dikeman, a Resilient Power-be befektető Energy Transition Ventures partnerje. Ő szerint a szilícium-karbíd fémesek folyamatos fejlődése és a számítási teljesítmény javítása, amelynek segítségével hatékonyan lehet energiaátalakítást végezni, segített. "De nem volt könnyű."

Inam, aki a Smart Wires grid power control provider főtechnológiai igazgatója volt, mielőtt 2023-ban a DG Matrix-hez csatlakozott, azt mondta, hogy a startupnak több kulcsfontosságú kihívást kellett megoldania, hogy eljusson eddig.

Először is, a magas feszültségeknél a DC-AC átalakítás során keletkező hő nehéz lesz eltávolítani. Kezelni kell az "elektromágneses zajt", vagy a ugyanazon magas frekvenciájú elektromos kapcsolózás által okozott zavarokat. "Ha nem tudod hatékonyan minimalizálni a zajt, akkor mindenre hatással van. Megfelelőtlen hűtés, robbanás és teljesítmény romlása," mondta Inam.

Azonban ezeknek a kihívásoknak megoldása is jutalommal jár. "A technológiánk most már eléggé fejlett és finoman kialakított, hogy megbízható felszereléseket indíthassunk," mondta Vlatkovic.

Miért Most Jött Idő a Szilárdállapotú Transzformereknek

A timing nem lehetne jobb.

"Mindennek elektromos, autóktól az iparig, otthonokig," mondta Vlatkovic. "Ha megnézi a villamosenergia-hálózat által a következő 10-20 évben szükséges áramszükséglet-projekciókat, látja, hogy legalább kétszeresre kellene növelni a villamosenergia-hálózat kapacitását. Néhány projekció még azt is mondja, hogy háromszorosítani kell a meglévő kapacitást."

Inam szerint az adatközpontok energiaigényeinek kielégítése különösen nagy lehetőség.

A tech-gigantok ambiciózus mesterséges intelligencia tervi nagy terhet rónak a Virginia, Georgia és Texas adatközpont-forradalmi területeken található villamosenergia-hálózatokra. Ez késztette az adatközpont-fejlesztőket, hogy módokat keresjenek a villamosenergia-hálózat terhelésének csökkentésére, beleértve a helyi generátortelepek és akkumulátorok építését.

"A három nagy probléma az áramszolgáltatás sebessége (az ügyfelek nem kapják elég gyorsan), az energia költsége, és a különböző források összevonása rugalmasság érdekében," mondta Inam. "Beszélgettünk vállalkozásokkal, amelyeknek százas vagy ezeres helyei vannak. A legnagyobb kihívás, amellyel szembesülnek, hogy minden helyet újra kell tervezni. Keresnek egy turnkey megoldást a 1000 hely kihívására, nem pedig egyre."

A szilárdállapotú transzformerek segíthetnek ezen igények kielégítésében, mondta Vlatkovic. "Összetett telepítések és több cég helyett egy cég gondoskodik róla."

Több Függvény Tömörbb Csomagban

Graham, az Eaton szakszerűen, hogy a "magas teljesítményű sűrűségű" csomagolás értékes térként is szolgálhat, különösen szűk környezetekben, mint például adatközpontokban és EV-töltőállomásokon. A szilárdállapotú transzformerek gyárban masszaprodukcióba kerülhetnek, ami csökkenti az elektromos munka költségeit és idejét a telepítési helyeken. "Visszahoztad a kontrollált gyártó környezetbe," mondta Graham.

Ezenkívül, egyetlen eszköz, ami több feladatot is elvégzhet, egyszerűsíti a mérnöki követelményeket, mondta Dickman.

"Ha összetett rendszert tervez off-the-shelf komponensekből, a különböző eszközök közötti nem illeszkedés nem teljesíti a rendszer követelményeit. Ez növeli a költségeket és csökkenti a hatékonyságot," mondta ő. "Ezt a problémát meg lehet oldani egyéni termékekkel — de ez drágább és kockázatosabb. Amikor napenergiát, energiatárolást és adatközpontokat kezeli, és emberek, akik gyorsan mozogni akarnak, és valami megbízható és olcsó szükséges, minderre bezárul."

Joaquin Aguerre, a cég stratégiai portfóliófejlesztési igazgatója, azt mondta, hogy ezek a potenciális előnyök rábukkanták a PowerSecure mikrohálózat-fejlesztőt, hogy legalább két szilárdállapotú transzformert technológiát próbáljan ki, beleértve a DG Matrix-szel együttműködő tesztek is. "Próbálunk a technológia előtérében lenni."

A PowerSecure tervezte és telepítette több, mint 2,4 gigawatt mikrohálózati kapacitást nagyobb boltláncoktól, kórházokig, villamosenergia-szolgáltatókig és adatközpontokig. A cég különös hangsúlyt fektet a szilárdállapotú transzformerekre, hogy integrálja az energiahatékony "hibrid mikrohálózatokat", amelyek "napenergiát, energiatárolást, természeti gáz generátortelepeket, üzemanyagcellákat, EV-töltőállomásokat — bármit, amire gondolhat," mondta Aguerre.

"A valódi piaci igény most kezd megjelenni," mondta ő. Ugyanakkor, "ezek a cégek még korai stádiumban vannak.... A következő logikus lépés, hogy megfelelő pilotprojektet indítsanak, hogy megfigyeljék a valódi ügyfél használati eseteit kisebb méretben" és teszteljék a releváns technológiák tartósítását és megbízhatóságát.

Utolsó soron, bármilyen hátrányok ellenére, a hagyományos transzformerekkel szemben a "cutting-edge" energiaelektronikával, "nem hibásak gyakran," mondta ki Aguerre. "Mindenki ugyanolyan megbízhatóságot vár, amit a szilárdállapotú transzformerről, amit vizsgál."