電力の未来を捉える：米国における固体変圧器技術の戦略的進化

DG MatrixとResilient Powerは、固体変圧器を使用することで、データセンター、電気自動車（EV）充電ハブなどへの電力供給のコスト、時間、複雑さを削減できると言っています。数十年間、電気技術者は、太陽光パネル、バッテリーシステム、オンサイト発電機などをEV充電器やデータセンターサーバーなどの高電力設備にシームレスに接続するための大量の高価なハードウェアなしでそれらを一緒に動作させる装置を夢見ています。

今、これらの装置は固体変圧器と呼ばれ、実際に市場に登場し始めています。そして、その登場はまさに時期尚早です。

これは、この技術がデータセンター、工場、EV充電ハブなどの大規模な電力需要に対処する鍵となり得るからです。これらの需要は電力網を圧迫し、電力会社が地球温暖化に寄与する化石燃料をより多く燃やす可能性があります。

現在、これらの大規模電力ユーザーの電力需要は米国の電力網の供給能力を超えています。理論的には、これを解決するには、自社で太陽光パネル、バッテリー、発電機を設置し、理想的にはマイクログリッドを作成することが考えられますが、このように単純に見える解決策は実際には非常に複雑で高コストです。

各太陽光アレイ、バッテリー、燃料電池、発電機、または他のオンサイト電源は、直流（DC）を交流（AC）に、またはその逆に安全に変換し、建物内の異なる負荷の必要に応じて電圧を上げたり下げたりするために、電気保護装置、絶縁変圧器、昇圧・降圧変圧器、電力コンバータなど、複数の機器が必要です。

固体変圧器は、これらのすべての機能を1つの装置で達成し、ルーターがデータフローを制御するのと同じくらい柔軟に電力を制御することができます。これは特に高電力需要の設備（例えばEV充電器）や電力品質に対して極めて敏感な設備（例えばデータセンターサーバーラック）を管理する際に価値があります。

これについて話すのは、DG MatrixのCEO兼共同創業者のHaroon Inamです。DG Matrixは、固体変圧器を実用化し始めた数少ない企業の一つです。彼は、DG Matrixが今年3月に2000万ドルを調達し、現在ノースカロライナ州に工場を建設中で、今年後半には年間生産能力1000台で操業を開始すると述べています。「我々は巨大かつ未開拓の商業および工業用マイクログリッド市場に参入しています」と彼は言います。「人々がこれを行っていない理由は、単一のカスタムマイクログリッドを構築するコストが高すぎるからです。」

DG Matrixだけではありません。元Tesla従業員のDrew Baglinoによって設立されたスタートアップのHeron Powerは4300万ドルを調達し、2027年までに最初の固体変圧器を建設することを目指しています。Amperesandは昨年1250万ドルを調達し、シンガポールの電力網でテストされている固体変圧器の開発を続けます。

大手電子機器企業もこれに関心を持っています。電気機器大手のEatonは先月、EV充電ハブや他の高エネルギー消費環境向けの電力変換装置の製造と展開のために2021年に500万ドルを調達したResilient Power Systemsを取得することで合意しました。Eatonは取引完了時に同社に5500万ドルを投資します。今後数年間のResilient Powerの財務および技術的パフォーマンスに応じて、さらに9500万ドルを支払う可能性もあります。

「多くの人々がこの技術に10年以上取り組んできました」とEatonのCritical Power Solutionsビジネスのシニアバイスプレジデント兼ゼネラルマネージャーのAidan Grahamは述べています。現在、いくつかの主要なエンジニアリング技術の進歩により、この技術がついに黄金時代を迎えつつあります。公共事業体や他の機関がテストを開始しています。

固体変圧器の進化

Eatonは長年にわたり固体変圧器の研究開発を行ってきました。同社はまだResilient Powerの技術の製造と展開をどのように拡大するかを明らかにしていませんが、Grahamは次のように述べています。「私たちはEV充電やデータセンターなどの重要な環境へのバッテリー統合など、いくつかの分野を探求しています。『瞬間的な停電でも人々の命を脅かし、多額の費用がかかる可能性があります』」

DG MatrixのチーフオブスタッフであるMichael Wood IIIは、同社が電気機器製造大手のABB、ノースカロライナ州の電力会社Duke Energy、サザン社が所有する大規模マイクログリッドおよびデータセンターパワーシステム開発者PowerSecureなどと機器のテストを行っていると述べています。

「次のギガワットのエネルギーを得る最善の方法は、分散システムを構築することです」とWoodは述べています。「今日では、これらのプロジェクトを円滑に稼働させるためにさまざまな機器が必要です。DG Matrixはこれらすべてのシステム間のバランスを取り、それを単一のシステムに簡素化します。」

Inamによると、DG Matrixの固体変圧器を使用するコストは、複数の技術規格を組み合わせて典型的なオンサイトマイクログリッドコンポーネントを接続するコストの半分以下です。また、データセンター、EV充電ハブ、その他の潜在的なマイクログリッドサイトのシステム構成を迅速に混在させたり変更したりするのを容易にします。

では、固体変圧器がこのような有用な技術であれば、なぜ今になってようやく登場しているのでしょうか。

DG Matrixの投資家であり、General Electricの産業電化部門のベテランであるVlatko Vlatkovicは、それが長い時間がかかったのは良い理由があると述べています。

電力網は比較的単純に動作し、過去1世紀以上ほとんど変化していない電磁機械式装置に大きく依存しています。近年、太陽光インバーターやEV駆動システムなどの装置が可能になったものの、現代の計算を可能にする半導体は電力網での広範な使用には至っていません。

「業界により多くの電力電子機器を使用させるのは大きな課題でした」とVlatkovicは述べています。特に高い電圧での電力網においては、「基礎となる技術が十分に大きくもなく、信頼性も高くありませんでした。技術的な問題がありました。」

Resilient Powerの投資家であるEnergy Transition VenturesのパートナーであるNeal Dikemanは、固体変圧器が高電圧の産業用途で直面している類似の課題について述べています。彼は、炭化ケイ素半導体の継続的な進歩と、効率的な電力変換に必要な計算能力の向上が役立ったと述べています。「しかし、簡単なことではありませんでした。」

Inamは、グリッド電力制御プロバイダーSmart Wiresの最高技術責任者を務めた後、2023年にDG Matrixに参加しましたが、彼はスタートアップがここまでの到達点に至るためにいくつかの重要な課題を解決しなければならなかったと述べています。

まず、高電圧でのAC-DC変換で発生する熱が放出するのが難しいという問題があります。同じ高周波電気スイッチングによる「電磁ノイズ」または干渉の処理。「ノイズを効果的に軽減する方法を知らなければ、すべてに影響します。過熱、爆発、性能低下を引き起こす可能性があります」とInamは述べています。

しかし、これらの課題を解決することは報われるものもあります。「私たちの技術は現在、成熟しており洗練されており、信頼性のある機器を提供することができます」とVlatkovicは述べています。

なぜ今が固体変圧器の時なのか

タイミングは完璧です。

「車から産業、住宅まで、すべてが電化されています」とVlatkovicは述べています。「今後10〜20年で電力網が提供する必要がある電力の予測を見れば、少なくとも電力網の容量を倍増させる必要があります。一部の予測では、既存の容量を三倍にする必要があるとさえ言われています。」

Inamは、データセンターの電力需要を満たすことが特に大きな機会だと述べています。

テック大手の野心的な人工知能計画は、バージニア州、ジョージア州、テキサス州などのデータセンターのホットスポットにおける電力会社の電力網に大きな負担をかけています。これにより、データセンター開発者は近隣やオンサイトで発電機やバッテリーを建設するなど、電力網への圧力を軽減する方法を探り始めています。

「大きな問題は3つあります。電力供給の速度（顧客が速やかに電力を得られない）、電力のコスト、そして柔軟性を持つために複数のリソースを集約する能力です」とInamは述べています。「数百または数千のサイトを持つ企業顧客と話をしました。彼らが直面している最大の課題は、それぞれのサイトを一から設計しなければならないことです。彼らは1000サイトではなく1サイトの課題に対するワンストップソリューションを求めています。」

固体変圧器はこれらのニーズを満たすことができますとVlatkovicは述べています。「複雑なインストールと複数の企業から、1つの企業がすべてを管理するようになります。」

小さなパッケージに多くの機能を詰め込む

EatonのGrahamは、「高電力密度」パッケージングは、データセンターとEV充電ステーションのような狭い環境で貴重なスペースを節約することもできると述べています。固体変圧器は工場で量産できるため、現場での電気労働のコストと時間を削減することができます。「あなたはそれを制御された製造環境に戻しました」とGrahamは述べています。

また、単一の装置で複数のタスクを実行できると、エンジニアリング要件が簡素化されると言います。

「市販の部品を使用して複雑なシステムを設計すると、異なる装置の不一致がシステムの要件を完全に満たせないことがあります。これによりコストが増加し、効率が低下します」と彼は述べています。「カスタム製品でこの問題を解決することができますが、それはより高価でリスクが高いです。太陽光、エネルギー貯蔵、データセンターを扱う人々は、迅速に行動し、安価で信頼性の高いものを求めています。これらすべてが崩れます。」

マイクログリッド開発者のPowerSecureの戦略ポートフォリオ開発ディレクターであるJoaquin Aguerreは、これらの潜在的な利点全てが、同社を少なくとも2つの固体変圧器技術のパイロットに導いたと述べています。DG Matrixとの共同テストを含みます。「私たちはこの技術の最前線に立とうとしています。」

PowerSecureは、大規模小売店や病院、公共事業体、データセンターなど、さまざまな顧客向けに2.4ギガワット以上のマイクログリッド容量を設計および設置してきました。同社は特に、「太陽光、エネルギー貯蔵、天然ガス発電機、燃料電池、EV充電—何でもあり」とAguerreが述べるような「ハイブリッドマイクログリッド」を統合するための固体変圧器に焦点を当てています。

「実際の市場需要が現れ始めています」と彼は述べています。同時に、「これらの企業の多くはまだ初期段階にあります…。次の論理的なステップは、適切なパイロットプロジェクトを行い、より小規模な実際の顧客ユースケースを観察し、関連技術の耐久性と信頼性をテストすることです。」

結局のところ、伝統的な変圧器が最先端の電力電子機器と比べてどのような欠点があったとしても、「それらは頻繁には故障しません」とAguerreは指摘します。「誰もが見ている固体変圧器には同じレベルの信頼性を期待しています。」