Uzņemot enerģijas nākotni: Caurspīdīgās pārveidotāja tehnoloģijas stratēģiskais attīstības gaitenis ASV

DG Matrix un Resilient Power saka, ka toli solidstātus pārveidotāji var samazināt enerģijas piegādes izmaksas, laiku un sarežģītību datu centriem, elektromobiļu (EV) uzlādēšanas centrām un līdzīgiem objektiem. Gadsimtiem ilgi elektrikumi ir sapņojuši par ierīci, kas bezproblēmā varētu savienot saules paneles, akumulatoru sistēmas un vietējos ģeneratorus ar lielās jaudas aprīkojumu, piemēram, EV uzlādētājiem vai datu centru serveriem, bez nepieciešamības pēc lielas daudzuma dārga aparatūras, lai tos darbotu kopā.

Tagad šie, ko sauc par solidstātus pārveidotāji, patiešām sāk ieiet tirgū — un viņu parādīšanās nevarētu būt labāk laicīga.

Tāpēc, ka šī tehnoloģija varētu būt atslēga, lai risinātu masīvās enerģijas vajadzības datu centriem, rūpnīcām un EV uzlādēšanas centrām, kas varētu pārslogot enerģijas tīklu un izraisīt enerģijas uzņēmumus izlaist vēl vairāk fosilā kurināmā, kas iedeva globālajai sasilšanai.

Pašlaik šie lielie enerģijas patērētāji prasa vairāk elektroenerģijas, nekā ASV enerģijas tīklis spēj nodrošināt. Teorētiski šo problēmu varētu atrisināt, atļaujot tiem uzstādīt savas saules paneles, akumulatorus un ģeneratorus vietēji — ideāli mikrotīklos —, bet šķietami vienkāršais risinājums patiesībā ir ļoti sarežģīts un dārgs, lai to realizētu.

Katrā saules paneļu sistēmā, akumulatorā, degvielas celtnē, ģeneratorā vai citā vietējā enerģijas avotā ir nepieciešamas vairākas ierīces — elektriskā aizsardzības ierīces, izolācijas pārveidotāji, jaudas palielināšanas un samazināšanas pārveidotāji, enerģijas pārveidotāji —, lai droši pārveidotu tiešo strāvu (DC) maiņstrāvē (AC) un otrādi, kā arī paaugstinātu vai samazinātu spriegumu, lai atbilstu dažādu uzskaiteņu vajadzībām mājas iekšienē.

Solidstātie pārveidotāji var sasniegt visus šos funkcijus ar tikai vienu ierīci, kontrolējot elektroenerģiju tik elastīgi, cik rūteris kontrolē datu plūsmu. Tas ir īpaši vērtīgi, lai pārvaldītu lielu enerģijas vajadzību aprīkojumu (piemēram, EV uzlādētājus) vai aprīkojumu, kas ļoti jūtīgs pret enerģijas kvalitāti (piemēram, serveru stāvokļi datu centros).

Tā teica Haroon Inam, DG Matrix prezidents un viens no tās dibinātājiem. DG Matrix ir viens no dažiem uzņēmumiem, kas sākuši praktiski izmantot solidstātus pārveidotājus. Viņš teica, ka DG Matrix pagājušajā martā ieguva 20 miljonu dolāru un pašlaik būvē ražošanas rīkotāju Severkarolīnā, kas gaida, ka sāks darbību šogad vēlāk ar gadā 1 000 vienību ražošanas jaudu. "Mēs ieņemam lielu un nesaturēto komerciālo un rūpniecisko mikrotīklu tirgu," teica viņš. "Cilvēki to nav darījuši, jo viena atsevišķa, pielāgotā mikrotīkla izveidošana ir pārāk dārga."

DG Matrix nav vienīgais uzņēmums, kas strādā pie šī. Startupe Heron Power, ko dibināja bijušais Teslas darbinieks Drew Baglino, ieguva 43 miljonu dolāru un cenšas līdz 2027. gadam izveidot savus pirmos solidstātus pārveidotājus. Amperesand pagājušajā gadā ieguva 12,5 miljonu dolāru, lai turpinātu attīstīt solidstātus pārveidotājus, kuri tiek testēti Singapūras enerģijas tīklā.

Lielās elektronikas uzņēmumi interesējas par šo. Elektrisko aprīkojumu gigants Eaton pagājušajā mēnesī piekrita pārņemt Resilient Power Systems, kas 2021. gadā ieguva 5 miljonus dolāru, lai izveidotu un izvietotu savu enerģijas pārveidošanas aprīkojumu EV uzlādēšanas centrām un citām augstās enerģijas patēriņa videņām. Eaton ieguldīs 55 miljonu dolāru uzņēmumā, kad transakcija tiks slēgta; atkarībā no Resilient Power finansiālā un tehniskā veiktspējas nākamos pāris gadus, Eaton varētu samaksāt papildu 95 miljonus dolāru.

"Daudzi cilvēki ir strādājuši pie šīs tehnoloģijas vairāk nekā desmit gadu," teica Aidan Graham, Eatona Kritiskās enerģijas risinājumu biznesa seniore viceprezidents un galvenais pārvaldnieks. Tagad, ar vairāku būtisku inženierzinātnisko tehnoloģiju progresu, šī tehnoloģija varētu beidzot piedzīvot savu zelta laiku — enerģijas uzņēmumi un citas institūcijas ir sākušas to testēt.

Solidstāto pārveidotāju evolūcija

Eaton ir strādājis pie solidstāto pārveidotāju pētījumiem un attīstības daudzus gadus. Uzņēmums vēl nav atklājis, kā masveidā ražot un izvietot Resilient Power tehnoloģiju. Bet Graham teica: "Mēs pētām vairākas sfēras, tostarp EV uzlādēšanu un akumulatoru integrāciju datu centros un citās kritiskās videņās. 'Pat vienas minūtes enerģijas zudums var draudēt cilvēku dzīvībām un izraisīt lielas naudas zaudējumus.'"

Michael Wood III, DG Matrix galvenais padomdevējs, teica, ka uzņēmums testē savu aprīkojumu ar tādiem uzņēmumiem kā elektrisko aprīkojuma ražošanas gigants ABB, Severkarolīnas enerģijas uzņēmums Duke Energy un PowerSecure, liela mikrotīklu un datu centru enerģijas sistēmu izstrādātājs, ko pārvalda enerģijas uzņēmums Southern Co.

"Labākais veids, kā iegūt nākamo gigavattu enerģijas, ir izveidot sadalītās sistēmas," teica Woods. "Šodien, lai šie projekti darbotos vienmērīgi, jums ir vajadzīgas visas šīs ierīces. DG Matrix izbeidz šo līdzsvaru starp visām šīm sistēmām un vienkāršo to vienā sistēmā."

Inam teica, ka izmantojot DG Matrix solidstāto pārveidotāju, izmaksas ir tikai pusē no tām, kas būtu nepieciešamas, lai savienotu tipiskos vietējos mikrotīklu komponentus, izmantojot vairāku tehnisko standartu kombināciju. Turklāt tas padara vieglāku ātri kombinēt aprīkojumu vai mainīt datu centru, EV uzlādēšanas centrālu un citu potenciālo mikrotīklu vietu sistēmas konfigurāciju.

Tātad, ja solidstātie pārveidotāji ir tik noderīga tehnoloģija, kāpēc tie tikai tagad ienāk šajā jomā?

Ir laba iemesla, kāpēc tam ir vajadzējis tik ilgs laiks, teica Vlatko Vlatkovičs, Clean Energy Ventures partneris, DG Matrix investītājs un General Electric rūpnieciskās elektrifikācijas biznesa vecāks, kurš šogad pievienojās startapa padomei.

Enerģijas tīklam ir liels atkarība no elektromehāniskām ierīcēm, kas darbojas relatīvi vienkārši un kas pagājušo gadsimtu nav mainījušās. Neraugoties uz dažiem nesenajiem progresiem, kas ir padarījuši iespējamām ierīces, piemēram, saules invertori vai EV pārvietošanas sistēmas, semiprovadājie materiāli, kas padara iespējamu moderno datorikas, nav plaši izmantoti enerģijas tīklā.

"Pielāgot industriju, lai izmantotu vairāk enerģijas elektronikas, ir bijis liels izaicinājums," teica Vlatkovičs, it īpaši augstākos tīkla spriegumos. Līdz nesenam pamattehnoloģija "nav bijusi pietiekami liela vai uzticama. Bija tehniskas problēmas."

Līdzīgi sarežģījumi ir satraukuši solidstātos pārveidotājus augstā sprieguma rūpnieciskajās lietojumprogrammās, teica Neal Dikeman, Energy Transition Ventures partneris, kas ir Resilient Power investītājs. Viņš teica, ka turpināsies silīcija karbidsemiprovadājo materiālu un nepieciešamās datorikas spējas, lai tos efektīvi izmantotu enerģijas pārveidošanā, palīdzēja. "Bet tas nav viegli."

Inam, kurš pirms pievienošanās DG Matrix 2023. gadā bija Smart Wires tīkla enerģijas kontroles sniedzēja galvenais tehnoloģijas direktors, norādīja, ka startapam bija jārisina vairāki galvenie izaicinājumi, lai nonāktu šajā punktā.

Pirmkārt, augstā sprieguma līmenī AC-DC pārveides procesā radītais siltums ir grūti izplūstams. Tāpat jāsaprot, kā apstrādāt "elektromagnētisko troksni" vai troksni, ko izraisa tāds pašs augstfrekvenčs elektriskais pārslēgšanās process. "Ja jūs nezināt, kā efektīvi samazināt troksni, tā ietekmē visu. Tas var izraisīt pārsildīšanos, eksplodēšanu un veiktspējas pasliktināšanos," teica Inam.

Tomēr šo izaicinājumu risināšana arī dod savas priekšrocības. "Mūsu tehnoloģija tagad ir pietiekami pilnveidota un sofistikēta, lai mēs varētu izlaist uzticamu aprīkojumu," teica Vlatkovičs.

Kāpēc Solidstātie Pārveidotāji Ir Laicīgi Tagad

Laiks nevarētu būt labāks.

"Visur notiek elektrifikācija, no automobiļiem līdz rūpniecībai un mājokļiem," teica Vlatkovičs. "Ja jūs aplūkojat prognozes par to, cik enerģijas tīklam būs jāpiegādā nākamajos 10-20 gados, jūs redzēsit, ka mums jāpieauga vismaz divreiz tīkla jauda. Dažas prognozes pat saka, ka mums jāpieaug trīsreiz esošajai jaudai."

Inam teica, ka datu centru enerģijas vajadzību apmierināšana ir īpaši liela iespēja.

Liela tehnoloģiju uzņēmumu ambiciozas mākslīgā intelekta plāni uzliek lielu slogu datu centru enerģijas tīkliem, piemēram, Virgīnijā, Džordžijā un Tehasā. Tas ir piespiedis datu centru izstrādātājus meklēt veidus, kā samazināt spiedienu uz enerģijas tīklu, tostarp izveidojot ģeneratorus un akumulatorus tuvumā vai vietēji.

"Trīs lielākie jautājumi ir enerģijas piegādes ātrums (klienti nevar saņemt enerģiju pietiekami ātri), enerģijas cena un iespēja agregēt vairākas resursus, lai nodrošinātu elastību," teica Inam. "Mēs esam runājuši ar uzņēmumu klientiem ar simtiem vai tūkstošiem vietām. Lielākais izaicinājums, ar ko viņi saskaras, ir fakts, ka katrai vietai jāpiegādā atsevišķs dizains. Viņi meklē gatavu risinājumu, lai izvietotu 1 000 vietu, nevis vienu."

Solidstātie pārveidotāji var palīdzēt apmierināt šīs vajadzības, teica Vlatkovičs. "No sarežģītām instalācijām un vairākiem uzņēmumiem līdz vienam uzņēmumam, kas rīko visu."

Vairāk Funkciju Maziem Pakotnes Veidos

Graham no Eatona teica, ka "augstā jaudas blīvība" pakotne var arī ietaupīt vērtīgu telpu stingrās vidēs, piemēram, datu centros un EV uzlādēšanas stacijās. Solidstātie pārveidotāji var tikt masveidā ražoti rūpnīcās, samazinot elektroinženieru darba izmaksas būvniecības vietā. "Jūs tos atkal ievietojat kontrolētā ražošanas vidi," teica Graham.

Turklāt, ja vienā ierīcē ir vairākas funkcijas, tas vienkāršo inženierzinātniskos prasības, teica Dikeman.

"Ja jūs izstrādājat sarežģītu sistēmu, izmantojot gatavus komponentus, dažādo ierīču neatbilstība nevar pilnībā apmierināt sistēmas prasības. Tas palielina izmaksas un samazina efektivitāti," teica viņš. "Jūs varat atrisināt šo problēmu ar pielāgotiem produktiem — bet tas ir dārgāk un riskantāk. Kad jūs strādājat ar sauli, enerģijas krājumiem un datu centriem, un cilvēki, kuriem jādarbojas ātri un kuriem ir vajadzīgs uzticams un lēts risinājums, visi šie faktori sabojājas."

Joaquin Aguerre, uzņēmuma stratēģiskās portfela attīstības direktors, teica, ka visi šie potenciālie priekšrocības ir pārmācījuši mikrotīklu izstrādātāju PowerSecure piloto programmas vismaz divām solidstāto pārveidotāju tehnoloģijām, tostarp tests, ko veic kopā ar DG Matrix. "Mēs cenšamies būt šīs tehnoloģijas priekšgalā."

PowerSecure ir izstrādājis un uzstādījis vairāk nekā 2,4 gigavatti mikrotīklu jaudas klientiem, sākot no lieliem tirdzniecības centriem un slimnīcām līdz enerģijas uzņēmumiem un datu centriem. Uzņēmums ir īpaši pievērsis uzmanību solidstāto pārveidotāju integrācijai energoefektīvos "hibridos mikrotīklus", kas apvieno "saules enerģiju, enerģijas krājumus, dabasgāzes ģeneratorus, degvielas celtas, EV uzlādēšanu — ko jūs varētu iedomāties," teica Aguerre.

"Reālais tirgus pieprasījums ir sācis parādīties," teica viņš. Tomēr "vairumā šie uzņēmumi joprojām atrodas agrīnajā stadijā.... Nākamais loģisks solis ir veikt piemērotus piloto projek