Afferrare il futuro dell'energia: L'evoluzione strategica della tecnologia del trasformatore a stato solido negli Stati Uniti
DG Matrix e Resilient Power affermano che i loro trasformatori a stato solido possono ridurre il costo, il tempo e la complessità di fornire energia a centri di elaborazione dati, hub di ricarica per veicoli elettrici (EV) e simili. Per decenni, gli ingegneri elettrici hanno sognato un dispositivo in grado di collegare senza soluzione di continuità pannelli solari, sistemi di batterie e generatori in loco a dispositivi ad alta potenza come stazioni di ricarica per EV o server di centri di elaborazione dati, senza la necessità di una grande quantità di hardware costoso per farli funzionare insieme.
Ora, questi dispositivi chiamati trasformatori a stato solido stanno effettivamente iniziando a entrare sul mercato - e la loro apparizione non potrebbe essere più tempestiva.
Questo perché la tecnologia potrebbe essere la chiave per affrontare le enormi richieste di potenza dei centri di elaborazione dati, delle fabbriche e degli hub di ricarica per EV, che potrebbero sovraccaricare la rete elettrica e causare l'uso di combustibili fossili da parte delle utility, contribuendo al riscaldamento globale.
Attualmente, la domanda di elettricità di questi grandi utenti di potenza supera la capacità di fornitura della rete elettrica degli Stati Uniti. Teoricamente, questo problema potrebbe essere risolto permettendo loro di installare i propri pannelli solari, batterie e generatori in loco - idealemente microreti - ma questa soluzione apparentemente semplice è in realtà estremamente complessa e costosa da implementare.
Ogni array solare, batteria, cella a combustibile, generatore o altra fonte di energia in loco richiede diversi dispositivi - dispositivi di protezione elettrica, trasformatori di isolamento, trasformatori di elevazione e abbassamento, convertitori di potenza - per convertire in modo sicuro la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC) o viceversa, e per aumentare o diminuire la tensione per soddisfare le esigenze di diverse carichi in un edificio.
I trasformatori a stato solido possono realizzare tutte queste funzioni con un solo dispositivo, controllando l'elettricità in modo flessibile come un router controlla il flusso di dati. Questo è particolarmente prezioso per la gestione di dispositivi ad alta richiesta di potenza (come le stazioni di ricarica per EV) o dispositivi estremamente sensibili alla qualità dell'energia (come le rack di server nei centri di elaborazione dati).
Così dice Haroon Inam, CEO e co-fondatore di DG Matrix. DG Matrix è una delle poche aziende che ha iniziato a mettere in pratica i trasformatori a stato solido. Ha dichiarato che DG Matrix ha raccolto 20 milioni di dollari nel marzo di quest'anno e sta attualmente costruendo un impianto in Carolina del Nord, che dovrebbe iniziare le operazioni entro la fine dell'anno con una capacità produttiva annua di 1.000 unità. "Stiamo entrando nel vasto e sottofornito mercato commerciale e industriale delle microreti," ha detto. "Le persone non lo hanno fatto perché il costo di costruire una singola microrete personalizzata era troppo alto."
DG Matrix non è l'unica azienda che lavora su questo. Heron Power, una startup fondata dall'ex dipendente di Tesla Drew Baglino, ha raccolto 43 milioni di dollari e mira a costruire i suoi primi trasformatori a stato solido entro il 2027. Amperesand ha raccolto 12,5 milioni di dollari l'anno scorso per continuare a sviluppare trasformatori a stato solido che sono stati testati sulla rete elettrica di Singapore.
Le grandi aziende elettroniche sono interessate a questo. L'azienda di equipaggiamenti elettrici Eaton ha concordato lo scorso mese di acquisire Resilient Power Systems, che ha raccolto 5 milioni di dollari nel 2021 per costruire e distribuire i suoi dispositivi di conversione dell'energia per hub di ricarica per EV e altri ambienti ad alta consumo energetico. Eaton investirà 55 milioni di dollari nell'azienda alla chiusura della transazione; a seconda delle prestazioni finanziarie e tecniche di Resilient Power negli anni successivi, Eaton potrebbe anche pagare un ulteriore importo di 95 milioni di dollari.
"Molte persone hanno lavorato su questa tecnologia per oltre un decennio," ha detto Aidan Graham, vicepresidente senior e direttore generale del business Critical Power Solutions di Eaton. Ora, con i progressi in diverse tecnologie ingegneristiche chiave, questa tecnologia potrebbe finalmente vivere la sua età dell'oro - le utility e altre istituzioni hanno iniziato a testarla.
Evoluzione dei Trasformatori a Stato Solido
Eaton ha lavorato per molti anni sulla ricerca e lo sviluppo dei trasformatori a stato solido. L'azienda non ha ancora rivelato come intende scalare la produzione e la distribuzione della tecnologia di Resilient Power. Ma Graham ha detto: "Stiamo esplorando diverse aree, inclusa la ricarica di VE e l'integrazione di batterie in centri di elaborazione dati e altri ambienti critici. 'La perdita di energia anche per un momento può minacciare la vita delle persone e costare molto denaro.'"
Michael Wood III, capo di gabinetto di DG Matrix, ha detto che l'azienda sta testando le sue attrezzature con aziende come il gigante della produzione di attrezzature elettriche ABB, la utility della Carolina del Nord Duke Energy e PowerSecure, un grande sviluppatore di microreti e sistemi di alimentazione per centri di elaborazione dati di proprietà della utility Southern Co.
"Il miglior modo per ottenere il prossimo gigawatt di energia è costruire sistemi distribuiti," ha detto Wood. "Oggi, hai bisogno di tutti questi dispositivi per far funzionare questi progetti in modo fluido. DG Matrix elimina l'equilibrio tra tutti questi sistemi e lo semplifica in un unico sistema."
Inam ha detto che il costo di utilizzo del trasformatore a stato solido di DG Matrix è solo la metà di quello necessario per connettere componenti tipici di microreti in loco utilizzando una combinazione di diversi standard tecnici. Inoltre, facilita la possibilità di mescolare rapidamente e abbinare attrezzature o modificare la configurazione del sistema di centri di elaborazione dati, hub di ricarica per VE e altri siti potenziali di microreti.
Quindi, se i trasformatori a stato solido sono una tecnologia così utile, perché stanno entrando nel campo solo ora?
C'è una buona ragione per cui ci è voluto tanto tempo, ha detto Vlatko Vlatkovic, socio di Clean Energy Ventures, un investitore di DG Matrix e veterano del settore di elettrofizzazione industriale di General Electric, che si è unito al consiglio di amministrazione della startup quest'anno.
La rete elettrica si basa pesantemente su dispositivi elettromeccanici che operano in modo relativamente semplice e che sono cambiati poco nell'ultimo secolo. Nonostante alcuni progressi negli ultimi anni che hanno reso possibili dispositivi come inversori solari o sistemi di propulsione per VE, i semiconduttori che rendono possibile il calcolo moderno non sono stati ampiamente utilizzati nella rete elettrica.
"Spingere l'industria a utilizzare più elettronica di potenza è stata una sfida enorme," ha detto Vlatkovic, soprattutto a tensioni elevate della rete. Fino a poco tempo fa, la tecnologia sottostante "non era abbastanza grande o affidabile. C'erano problemi tecnici."
Simili sfide hanno afflitto i trasformatori a stato solido nelle applicazioni industriali ad alta tensione, ha detto Neal Dikeman, socio di Energy Transition Ventures, un investitore in Resilient Power. Ha detto che i progressi continui nei semiconduttori di carburo di silicio e miglioramenti nella potenza di calcolo necessaria per renderli efficienti nella conversione di energia hanno aiutato. "Ma non è facile."
Inam, che ha servito come direttore tecnologico di Smart Wires, un fornitore di controllo della potenza della rete, prima di unirsi a DG Matrix nel 2023, ha notato che la startup ha dovuto risolvere diverse sfide chiave per arrivare a questo punto.
In primo luogo, a tensioni elevate, il calore generato dalla conversione AC-DC è difficile da dissipare. Gestire il "rumore elettromagnetico", o l'interferenza causata dallo stesso commutazione elettrica ad alta frequenza. "Se non sai come mitigare efficacemente il rumore, influenza tutto. Può causare sovraccarichi, esplosioni e degradazione delle prestazioni," ha detto Inam.
Tuttavia, risolvere queste sfide ha anche i suoi vantaggi. "La nostra tecnologia è ora matura e sofisticata abbastanza da poter lanciare attrezzature affidabili," ha detto Vlatkovic.
Perché Ora È il Momento Giusto per i Trasformatori a Stato Solido
Il timing non potrebbe essere migliore.
"Tutto sta diventando elettrico, dai veicoli all'industria all'edilizia," ha detto Vlatkovic. "Se guardi le previsioni della potenza che la rete dovrà erogare nei prossimi 10-20 anni, vedrai che dobbiamo almeno raddoppiare la capacità della rete. Alcune previsioni dicono addirittura che dobbiamo triplicare la capacità esistente."
Inam ha detto che soddisfare le richieste di potenza dei centri di elaborazione dati è un'opportunità particolarmente grande.
I piani ambiziosi di intelligenza artificiale dei giganti della tecnologia stanno ponendo un'enorme pressione sulle reti elettriche delle utility in aree con un alto numero di centri di elaborazione dati come Virginia, Georgia e Texas. Ciò ha spinto gli sviluppatori di centri di elaborazione dati a esplorare modi per ridurre la pressione sulla rete elettrica, inclusa la costruzione di generatori e batterie nelle vicinanze o in loco.
"I tre grandi problemi sono la velocità di fornitura dell'energia (i clienti non possono ottenere energia abbastanza rapidamente), il costo dell'energia e la capacità di aggregare molteplici risorse per la flessibilità," ha detto Inam. "Abbiamo parlato con clienti aziendali con centinaia o migliaia di siti. La sfida più grande che affrontano è dover progettare ogni sito da zero. Stanno cercando una soluzione chiavi in mano per la sfida di distribuire 1.000 siti invece di uno."
I trasformatori a stato solido possono aiutare a soddisfare queste esigenze, ha detto Vlatkovic. "Da installazioni complesse e molteplici aziende a un'unica azienda che si occupa di tutto."
Inserimento di Più Funzioni in Pacchetti Più Piccoli
Graham di Eaton ha detto che l'imballaggio "ad alta densità di potenza" può anche risparmiare spazio prezioso in ambienti stretti come centri di elaborazione dati e stazioni di ricarica per VE. I trasformatori a stato solido possono essere prodotti in serie in fabbrica, riducendo il costo e il tempo del lavoro elettrico nei cantieri. "Hai riportato tutto in un ambiente di produzione controllato," ha detto Graham.
Inoltre, avere un singolo dispositivo in grado di svolgere più compiti semplifica i requisiti ingegneristici, ha detto Dickman.
"Se progetti un sistema complesso utilizzando componenti fuori catalogo, la mancanza di adattamento tra diversi dispositivi non può soddisfare completamente i requisiti del sistema. Questo aumenta i costi e riduce l'efficienza," ha detto. "Puoi risolvere questo problema con prodotti personalizzati - ma è più costoso e rischioso. Quando ti trovi a gestire energia solare, accumulo di energia e centri di elaborazione dati, e persone che devono muoversi rapidamente e hanno bisogno di qualcosa di affidabile e economico, tutto questo crolla."
Joaquin Aguerre, direttore dello sviluppo strategico del portafoglio, ha detto che tutti questi potenziali vantaggi hanno spinto lo sviluppatore di microreti PowerSecure a lanciare piloti di almeno due tecnologie di trasformatori a stato solido, compresi test in collaborazione con DG Matrix. "Stiamo cercando di essere all'avanguardia di questa tecnologia."
PowerSecure ha progettato e installato oltre 2,4 gigawatt di capacità di microreti per clienti che vanno da grandi retailer e ospedali a utility e centri di elaborazione dati. L'azienda si concentra in particolare sui trasformatori a stato solido per integrare microreti "ibride" ad alta efficienza energetica che combinano "solar, energy storage, natural gas generators, fuel cells, EV charging - whatever you can think of," Aguerre said.
"La vera domanda di mercato ha iniziato a emergere," ha detto. Allo stesso tempo, "molti di questi colossi sono ancora alle fasi iniziali.... Il passo logico successivo è condurre progetti pilota appropriati per osservare casi d'uso reali dei clienti su scala ridotta" e testare la durabilità e l'affidabilità delle tecnologie pertinenti.
Dopotutto, indipendentemente dai difetti che i trasformatori tradizionali possono avere rispetto agli elettronici di potenza all'avanguardia, "non guastano spesso," ha puntualizzato Aguerre. "Tutti si aspettano la stessa affidabilità da qualsiasi trasformatore a stato solido che stanno considerando."
