Menangkap Masa Depan Energi: Evolusi Strategis Teknologi Trafo Padat di Amerika Serikat

DG Matrix dan Resilient Power mengatakan bahwa transformator padat mereka dapat mengurangi biaya, waktu, dan kompleksitas dalam menyediakan daya ke pusat data, stasiun pengisian kendaraan listrik (EV), dan sejenisnya. Selama beberapa dekade, insinyur listrik telah bermimpi tentang perangkat yang dapat menghubungkan panel surya, sistem baterai, dan generator di tempat dengan peralatan berdaya tinggi seperti pengisi daya EV atau server pusat data tanpa memerlukan banyak perangkat keras mahal untuk membuatnya bekerja bersama.

Sekarang, perangkat ini yang disebut transformator padat mulai masuk ke pasar — dan penampilannya tidak bisa lebih tepat waktu.

Ini karena teknologi tersebut dapat menjadi kunci untuk mengatasi permintaan daya besar dari pusat data, pabrik, dan stasiun pengisian EV, yang dapat mengejutkan jaringan listrik dan menyebabkan utilitas membakar lebih banyak bahan bakar fosil yang berkontribusi pada pemanasan global.

Saat ini, permintaan daya dari pengguna daya besar melebihi kapasitas pasokan jaringan listrik AS. Secara teori, masalah ini dapat diselesaikan dengan memungkinkan mereka untuk menginstal panel surya, baterai, dan generator sendiri di tempat — idealnya mikrogrid — tetapi solusi yang tampak sederhana ini sebenarnya sangat rumit dan mahal untuk dilaksanakan.

Setiap susunan panel surya, baterai, sel bahan bakar, generator, atau sumber daya lain di tempat membutuhkan beberapa perangkat — perangkat pelindung listrik, transformator isolasi, transformator step-up dan step-down, konverter daya — untuk mengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC) atau sebaliknya, dan untuk meningkatkan atau menurunkan tegangan sesuai dengan kebutuhan beban yang berbeda di sebuah bangunan.

Transformator padat dapat mencapai semua fungsi ini dengan hanya satu perangkat, mengontrol listrik dengan fleksibel seperti router mengontrol aliran data. Ini sangat berharga untuk mengelola peralatan berdaya tinggi (seperti pengisi daya EV) atau peralatan yang sangat sensitif terhadap kualitas daya (seperti rak server di pusat data).

Demikian kata Haroon Inam, CEO dan pendiri DG Matrix. DG Matrix adalah salah satu dari sedikit perusahaan yang telah mulai menerapkan transformator padat secara praktis. Ia mengatakan bahwa DG Matrix mengumpulkan $20 juta pada Maret tahun ini dan saat ini sedang membangun pabrik di North Carolina, yang diperkirakan akan mulai beroperasi akhir tahun ini dengan kapasitas produksi 1.000 unit per tahun. "Kami memasuki pasar komersial dan industri mikrogrid yang besar dan belum terlayani," katanya. "Orang-orang belum melakukannya karena biaya membangun satu mikrogrid kustom terlalu tinggi."

DG Matrix bukanlah satu-satunya perusahaan yang bekerja pada hal ini. Heron Power, startup yang didirikan oleh mantan karyawan Tesla Drew Baglino, telah mengumpulkan $43 juta dan bertujuan untuk membangun transformator padat pertamanya pada 2027. Amperesand mengumpulkan $12,5 juta tahun lalu untuk melanjutkan pengembangan transformator padat yang sedang diuji di jaringan listrik Singapura.

Perusahaan elektronik besar tertarik pada hal ini. Raksasa peralatan listrik Eaton bulan lalu setuju untuk mengakuisisi Resilient Power Systems, yang mengumpulkan $5 juta pada 2021 untuk membangun dan mengerahkan peralatan konversi daya mereka untuk stasiun pengisian EV dan lingkungan berdaya tinggi lainnya. Eaton akan menginvestasikan $55 juta ke perusahaan tersebut pada penutupan transaksi; tergantung pada kinerja keuangan dan teknis Resilient Power dalam beberapa tahun ke depan, Eaton mungkin juga membayar tambahan $95 juta.

"Banyak orang telah bekerja pada teknologi ini selama lebih dari satu dekade," kata Aidan Graham, wakil presiden senior dan general manager bisnis Critical Power Solutions Eaton. Sekarang, dengan kemajuan dalam beberapa teknologi teknik kunci, teknologi ini mungkin akhirnya mengalami masa keemasannya — utilitas dan lembaga lain telah mulai mengujinya.

Evolusi Transformator Padat

Eaton telah bekerja pada penelitian dan pengembangan transformator padat selama bertahun-tahun. Perusahaan tersebut belum mengungkapkan bagaimana cara meningkatkan skala manufaktur dan penerapan teknologi Resilient Power. Namun, Graham mengatakan: "Kami sedang menjelajahi beberapa area, termasuk pengisian daya EV dan integrasi baterai ke pusat data dan lingkungan kritis lainnya. 'Pemadaman listrik bahkan sejenak dapat mengancam nyawa orang dan menghabiskan banyak uang.'"

Michael Wood III, kepala staf di DG Matrix, mengatakan perusahaan tersebut sedang menguji peralatannya dengan perusahaan-perusahaan termasuk raksasa manufaktur peralatan listrik ABB, utilitas North Carolina Duke Energy, dan PowerSecure, pengembang sistem mikrogrid dan pusat data yang dimiliki oleh utilitas Southern Co.

"Cara terbaik untuk mendapatkan gigawatt energi berikutnya adalah dengan membangun sistem terdistribusi," kata Wood. "Hari ini, Anda membutuhkan semua perangkat ini untuk membuat proyek-proyek ini berjalan lancar. DG Matrix menghilangkan keseimbangan antara semua sistem ini dan menyederhanakannya menjadi satu sistem."

Inam mengatakan biaya menggunakan transformator padat DG Matrix hanya setengah dari biaya menghubungkan komponen mikrogrid di tempat menggunakan kombinasi beberapa standar teknis. Selain itu, hal ini memudahkan untuk cepat mencampur dan mencocokkan peralatan atau mengubah konfigurasi sistem pusat data, stasiun pengisian EV, dan lokasi mikrogrid potensial lainnya.

Jadi, jika transformator padat adalah teknologi yang begitu berguna, mengapa mereka baru saja memasuki bidang ini?

Ada alasan baik mengapa membutuhkan waktu yang lama, kata Vlatko Vlatkovic, mitra di Clean Energy Ventures, investor DG Matrix dan veteran bisnis elektroifikasi industri General Electric yang bergabung dengan dewan direksi startup tersebut tahun ini.

Jaringan listrik sangat bergantung pada perangkat elektromekanik yang beroperasi relatif sederhana dan hampir tidak berubah selama abad terakhir. Meskipun ada beberapa kemajuan dalam beberapa tahun terakhir yang membuat perangkat seperti inverter surya atau sistem drive EV menjadi mungkin, semikonduktor yang membuat komputasi modern menjadi mungkin belum digunakan secara luas di jaringan listrik.

"Mendorong industri untuk menggunakan lebih banyak elektronika daya telah menjadi tantangan besar," kata Vlatkovic, terutama pada tegangan jaringan yang lebih tinggi. Sampai baru-baru ini, teknologi dasar "belum cukup besar atau andal. Ada masalah teknis."

Tantangan serupa telah menghantui transformator padat dalam aplikasi industri tegangan tinggi, kata Neal Dikeman, mitra di Energy Transition Ventures, investor di Resilient Power. Ia mengatakan kemajuan berkelanjutan dalam semikonduktor karbida silikon dan peningkatan daya komputasi yang diperlukan untuk membuatnya efisien dalam konversi daya telah membantu. "Tetapi ini tidak mudah."

Inam, yang sebelumnya menjabat sebagai chief technology officer penyedia kontrol daya jaringan Smart Wires sebelum bergabung dengan DG Matrix pada 2023, menunjukkan bahwa startup tersebut harus menyelesaikan beberapa tantangan kunci untuk mencapai titik ini.

Pertama, pada tegangan tinggi, panas yang dihasilkan oleh konversi AC-DC sulit untuk didispersikan. Menangani "noise elektromagnetik," atau gangguan yang disebabkan oleh pemutusan listrik frekuensi tinggi yang sama. "Jika Anda tidak tahu cara mengurangi noise secara efektif, hal ini mempengaruhi segalanya. Hal ini dapat menyebabkan overheating, ledakan, dan penurunan kinerja," kata Inam.

Namun, menyelesaikan tantangan-tantangan ini juga memiliki imbalannya. "Teknologi kami sekarang sudah matang dan canggih sehingga kami dapat meluncurkan peralatan yang andal," kata Vlatkovic.

Mengapa Saat Ini Adalah Waktu yang Tepat untuk Transformator Padat

Waktunya tidak bisa lebih tepat.

"Semuanya sedang dielektrifikasi, dari mobil hingga industri hingga perumahan," kata Vlatkovic. "Jika Anda melihat proyeksi daya yang harus disampaikan jaringan dalam 10 hingga 20 tahun ke depan, Anda akan melihat bahwa kita perlu setidaknya menggandakan kapasitas jaringan. Beberapa proyeksi bahkan mengatakan kita perlu menggandakan kapasitas yang ada tiga kali lipat."

Inam mengatakan memenuhi permintaan daya pusat data adalah peluang yang sangat besar.

Rencana kecerdasan buatan ambisius para raksasa teknologi memberikan beban besar pada jaringan listrik utilitas di hotspot pusat data seperti Virginia, Georgia, dan Texas. Ini telah mendorong pengembang pusat data untuk mengeksplorasi cara-cara untuk mengurangi tekanan pada jaringan listrik, termasuk membangun generator dan baterai di dekat atau di tempat.

"Tiga masalah besar adalah kecepatan pasokan daya (pelanggan tidak bisa mendapatkan daya dengan cepat), biaya daya, dan kemampuan untuk menggabungkan banyak sumber daya untuk fleksibilitas," kata Inam. "Kami telah berbicara dengan pelanggan korporat dengan ratusan atau ribuan situs. Tantangan terbesar yang mereka hadapi adalah harus merancang setiap situs dari awal. Mereka mencari solusi siap pakai untuk tantangan penyebaran 1.000 situs daripada satu."

Transformator padat dapat membantu memenuhi kebutuhan ini, kata Vlatkovic. "Dari instalasi kompleks dan perusahaan-perusahaan yang berbeda menjadi satu perusahaan yang mengurus semuanya."

Memasukkan Lebih Banyak Fungsi ke dalam Paket yang Lebih Kecil

Graham dari Eaton mengatakan bahwa "pakaging dengan kepadatan daya tinggi" juga dapat menghemat ruang berharga di lingkungan sempit seperti pusat data dan stasiun pengisian EV. Transformator padat dapat diproduksi massal di pabrik, mengurangi biaya dan waktu pekerjaan listrik di lokasi konstruksi. "Anda telah membawanya kembali ke lingkungan manufaktur yang terkontrol," kata Graham.

Selain itu, memiliki satu perangkat yang dapat melakukan beberapa tugas menyederhanakan persyaratan teknik, kata Dickman.

"Jika Anda merancang sistem kompleks menggunakan komponen off-the-shelf, ketidakcocokan perangkat yang berbeda tidak dapat sepenuhnya memenuhi persyaratan sistem. Ini meningkatkan biaya dan mengurangi efisiensi," katanya. "Anda dapat menyelesaikan masalah ini dengan produk kustom — tetapi itu lebih mahal dan berisiko. Ketika Anda berurusan dengan surya, penyimpanan energi, dan pusat data, dan orang-orang yang perlu bergerak cepat dan membutuhkan sesuatu yang andal dan murah, semua ini hancur."

Joaquin Aguerre, direktur pengembangan portofolio strategis perusahaan, mengatakan semua potensi keuntungan ini telah mendorong pengembang mikrogrid PowerSecure untuk meluncurkan pilot setidaknya dua teknologi transformator padat, termasuk uji coba kolaboratif dengan DG Matrix. "Kami mencoba berada di garis depan teknologi ini."

PowerSecure telah merancang dan menginstal lebih dari 2,4 gigawatt kapasitas mikrogrid untuk pelanggan yang bervariasi dari ritel besar dan rumah sakit hingga utilitas dan pusat data. Perusahaan tersebut sangat fokus pada transformator padat untuk mengintegrasikan "mikrogrid hibrid" yang hemat energi yang menggabungkan "surya, penyimpanan energi, generator gas alam, sel bahan bakar, pengisian EV — apa pun yang dapat Anda bayangkan," kata Aguerre.

"Permintaan pasar sungguhan telah mulai muncul," katanya. Pada saat yang sama, "sebagian besar perusahaan ini masih berada pada tahap awal.... Langkah logis berikutnya adalah melakukan proyek pilot yang sesuai untuk mengamati kasus penggunaan pelanggan yang nyata dalam skala yang lebih kecil" dan menguji ketahanan dan keandalan teknologi terkait.

Setelah semua, terlepas dari kekurangan apa pun yang dimiliki transformator tradisional dibandingkan dengan elektronika daya terdepan, "mereka jarang gagal," kata Aguerre. "Semua orang mengharapkan keandalan yang sama dari transformator padat apa pun yang mereka lihat."