De toekomst van elektriciteit omarmen: De strategische evolutie van solide-staat transformatortechnologie in de Verenigde Staten

DG Matrix en Resilient Power beweren dat hun vaste-stoeltransformatoren de kosten, tijd en complexiteit van het leveren van stroom aan datacenters, elektrische voertuig (EV) oplaadpunten en dergelijke kunnen verlagen. Al decennia lang hebben elektrische ingenieurs gedroomd van een apparaat dat zonnepanelen, batterijsystemen en op locatie geplaatste generatoren naadloos kan verbinden met hoge vermogensapparatuur zoals EV-laders of datacenter-servers zonder de noodzaak voor een grote hoeveelheid duur hardware om ze samen te laten werken.

Nu beginnen deze apparaten, bekend als vaste-stoeltransformatoren, daadwerkelijk de markt te betreden — en hun verschijning had niet timelier kunnen zijn.

Dit komt omdat de technologie de sleutel zou kunnen zijn tot het aanpakken van de enorme stroombehoeften van datacenters, fabrieken en EV-oplaadpunten, die het energienetwerk konden overweldigen en nutsbedrijven ertoe kunnen aanzetten meer fossiele brandstoffen te verbranden die bijdragen aan de opwarming van de aarde.

Momenteel overschrijdt de elektriciteitsvraag van deze grote energiegebruikers de leveringscapaciteit van het Amerikaanse energienetwerk. Theoretisch gezien zou dit probleem opgelost kunnen worden door hen toe te staan om zelf zonnepanelen, batterijen en generatoren op locatie te installeren — ideaal microgrids — maar deze ogenschijnlijk eenvoudige oplossing is in feite uiterst complex en kostbaar om uit te voeren.

Elke zonnecollector, batterij, brandstofcel, generator of andere op locatie geplaatste energiebron vereist meerdere apparaten — elektrische beschermingsapparaten, isolerende transformatoren, stroomverhogende en stroomverlagende transformatoren, stroomomzetters — om veilig gelijkstroom (DC) om te zetten in wisselstroom (AC) en vice versa, en om de spanning te verhogen of verlagen om aan de behoeften van verschillende belastingen in een gebouw te voldoen.

Vaste-stoeltransformatoren kunnen al deze functies met één apparaat realiseren, waarmee elektriciteit even flexibel wordt beheerd als een router dataflow beheert. Dit is vooral waardevol voor het beheren van apparatuur met hoge stroombehoefte (zoals EV-laders) of apparatuur die uiterst gevoelig is voor stroomkwaliteit (zoals serverrekken in datacenters).

Zo zegt Haroon Inam, CEO en mede-oprichter van DG Matrix. DG Matrix is een van de weinige bedrijven die begonnen zijn met het praktische gebruik van vaste-stoeltransformatoren. Hij zei dat DG Matrix in maart van dit jaar 20 miljoen dollar heeft ingezameld en momenteel een fabriek in North Carolina bouwt, die later dit jaar met een jaarlijkse productiecapaciteit van 1.000 eenheden operationeel moet worden. "We treden binnen in de enorme en onbenutte commerciële en industriële microgrid-markt," zei hij. "Mensen hebben dit niet gedaan omdat de kosten voor het bouwen van één aangepast microgrid te hoog zijn."

DG Matrix is niet het enige bedrijf dat hieraan werkt. Heron Power, een start-up opgericht door voormalig Tesla-medewerker Drew Baglino, heeft 43 miljoen dollar ingezameld en wil tegen 2027 haar eerste vaste-stoeltransformatoren bouwen. Amperesand heeft vorig jaar 12,5 miljoen dollar ingezameld om de ontwikkeling van vaste-stoeltransformatoren voort te zetten, die worden getest op het elektriciteitsnetwerk van Singapore.

Grote elektronica-bedrijven zijn hierin geïnteresseerd. Elektronicagigant Eaton is vorige maand overeengekomen om Resilient Power Systems over te nemen, die in 2021 5 miljoen dollar heeft ingezameld om haar stroomomzettingapparatuur te bouwen en te implementeren voor EV-oplaadpunten en andere energie-intensieve omgevingen. Eaton zal 55 miljoen dollar in het bedrijf investeren bij afsluiting van de transactie; afhankelijk van de financiële en technische prestaties van Resilient Power in de komende jaren, kan Eaton ook nog eens 95 miljoen dollar extra betalen.

"Veel mensen hebben al meer dan een decennium aan deze technologie gewerkt," zei Aidan Graham, senior vicepresident en algemeen directeur van Eaton's Critical Power Solutions-afdeling. Nu, met vorderingen in verschillende belangrijke ingenieurskundige technologieën, kan deze technologie eindelijk haar gouden tijd beleven — nutsbedrijven en andere instellingen hebben begonnen met testen.

Evolutie van Vaste-Stoeltransformatoren

Eaton heeft al jarenlang onderzoek en ontwikkeling gedaan naar vaste-stoeltransformatoren. Het bedrijf heeft nog niet onthuld hoe het de schaalvergroting van de productie en implementatie van Resilient Power's technologie gaat aanpakken. Maar Graham zei: "We verkennen verschillende gebieden, inclusief EV-lading en het integreren van batterijen in datacenters en andere kritieke omgevingen. 'Het verlies van stroom voor zelfs een moment kan levens bedreigen en veel geld kosten.'"

Michael Wood III, chef van staf bij DG Matrix, zei dat het bedrijf zijn apparatuur test met bedrijven waaronder elektronicabedrijfsreus ABB, Duke Energy, een nutsbedrijf in North Carolina, en PowerSecure, een groot ontwikkelaar van microgrids en stroomsystemen voor datacenters, eigendom van nutsbedrijf Southern Co.

"De beste manier om de volgende gigawatt energie te krijgen, is door gedistribueerde systemen te bouwen," zei Wood. "Vandaag de dag heb je al deze apparaten nodig om deze projecten soepel te laten lopen. DG Matrix elimineert de balans tussen al deze systemen en vereenvoudigt het tot één systeem."

Inam zei dat de kosten van het gebruik van DG Matrix' vaste-stoeltransformator slechts de helft zijn van de kosten van het verbinden van typische op locatie geplaatste microgrid-componenten met een combinatie van meerdere technische normen. Bovendien maakt het het gemakkelijker om snel apparatuur te combineren of de systeemconfiguratie van datacenters, EV-oplaadpunten en andere potentiële microgrid-locaties te wijzigen.

Dus als vaste-stoeltransformatoren zo'n nuttige technologie zijn, waarom komen ze nu pas op de markt?

Er is een goede reden waarom het zo lang heeft geduurd, zei Vlatko Vlatkovic, partner bij Clean Energy Ventures, een investeerder in DG Matrix en veteraan van General Electric's industriële elektrificatiebedrijf, die dit jaar bij de raad van bestuur van de start-up is gekomen.

Het energienetwerk steunt zwaar op elektromechanische apparaten die relatief eenvoudig functioneren en in de afgelopen eeuw weinig zijn veranderd. Ondanks enkele vooruitgang in recente jaren die apparaten zoals zonne-omzetters of EV-aandrijfsystemen mogelijk heeft gemaakt, zijn de halfgeleiders die moderne computertechnologie mogelijk maken, niet breed gebruikt in het energienetwerk.

"Het industrie ertoe aanzetten om meer kracht elektronica te gebruiken, was een enorme uitdaging," zei Vlatkovic, vooral bij hogere netwerkspanningen. Tot voor kort was de onderliggende technologie "niet groot genoeg of betrouwbaar genoeg. Er waren technische problemen."

Soortgelijke uitdagingen hebben vaste-stoeltransformatoren in high-voltage industriële toepassingen geteisterd, zei Neal Dikeman, partner bij Energy Transition Ventures, een investeerder in Resilient Power. Hij zei dat voortdurende vorderingen in siliciumcarbide halfgeleiders en verbeteringen in de rekenkracht die nodig is om ze efficiënt te maken bij stroomomzetting, hebben geholpen. "Maar het is niet eenvoudig."

Inam, die voorheen chief technology officer was bij grid power control provider Smart Wires voordat hij in 2023 bij DG Matrix kwam, merkte op dat de start-up verschillende belangrijke uitdagingen moest oplossen om hier te komen.

Ten eerste, bij hoge spanningen, is de warmte die wordt geproduceerd door AC-DC-omzetting moeilijk te verdampen. Het afhandelen van "elektromagnetisch lawaai", of storing veroorzaakt door dezelfde hoge-frequentie elektrische schakeling. "Als je niet weet hoe je het lawaai effectief kunt verminderen, beïnvloedt het alles. Het kan oververhitting, explosies en prestatievermindering veroorzaken," zei Inam.

Het oplossen van deze uitdagingen heeft echter ook zijn beloningen. "Onze technologie is nu rijp en geavanceerd genoeg om betrouwbare apparatuur te lanceren," zei Vlatkovic.

Waarom Nu de Tijd is voor Vaste-Stoeltransformatoren

De timing kon niet beter zijn.

"Alles wordt geëlektrificeerd, van auto's tot industrie tot woningen," zei Vlatkovic. "Als je kijkt naar de voorspellingen van het vermogen dat het netwerk de komende 10 tot 20 jaar zal moeten leveren, zie je dat we minstens het netwerkvermogen moeten verdubbelen. Sommige voorspellingen zeggen zelfs dat we het bestaande vermogen moeten verdriedubbelen."

Inam zei dat het voldoen aan de stroombehoeften van datacenters een bijzonder grote kans is.

De ambitieuze kunstmatige intelligentie-plannen van tech-reuzen leggen een enorme last op de energienetwerken van nutsbedrijven in datacenter-hotspots zoals Virginia, Georgia en Texas. Dit heeft ertoe aangezet dat ontwikkelaars van datacenters manieren exploreren om de druk op het energienetwerk te verminderen, waaronder het bouwen van generatoren en batterijen in de buurt of op locatie.

"De drie grote problemen zijn de snelheid van de stroomvoorziening (klanten kunnen de stroom niet snel genoeg krijgen), de kosten van de stroom, en de mogelijkheid om meerdere bronnen te bundelen voor flexibiliteit," zei Inam. "We hebben gesproken met bedrijfsklanten met honderden of duizenden locaties. De grootste uitdaging die zij tegenkomen, is dat ze elke locatie vanaf nul moeten ontwerpen. Ze zoeken naar een turnkey-oplossing voor de uitdaging om 1.000 locaties in plaats van één te implementeren."

Vaste-stoeltransformatoren kunnen helpen bij het voldoen aan deze behoeften, zei Vlatkovic. "Van complexe installaties en meerdere bedrijven naar één bedrijf dat alles regelt."

Meer Functies in Kleinere Pakketten

Graham van Eaton zei dat "high-power-density" verpakkingen ook waardevolle ruimte kunnen besparen in krappe omgevingen zoals datacenters en EV-oplaadstations. Vaste-stoeltransformatoren kunnen massaproductie in fabrieken ondergaan, wat de kosten en tijd van elektrische arbeid op bouwplaatsen vermindert. "Je brengt het terug in een gecontroleerde productieomgeving," zei Graham.

Bovendien vereenvoudigt het hebben van één apparaat dat meerdere taken kan uitvoeren, de ingenieursvereisten, zei Dickman.

"Als je een complex systeem ontwerpt met standaardcomponenten, kan de mismatch van verschillende apparaten de eisen van het systeem niet volledig voldoen. Dit verhoogt de kosten en vermindert de efficiëntie," zei hij. "Je kunt dit probleem oplossen met aangepaste producten — maar dat is duurder en riskanter. Als je te maken hebt met zonne-energie, energieopslag en datacenters, en mensen die snel moeten bewegen en iets betrouwbaars en goedkoops nodig hebben, valt dit allemaal uit elkaar."

Joaquin Aguerre, directeur strategische portfoliodeveloping bij het bedrijf, zei dat al deze potentiële voordelen microgrid-ontwikkelaar PowerSecure ertoe hebben aangezet om ten minste twee vaste-stoeltransformatortechnologieën te lanceren, waaronder tests in samenwerking met DG Matrix. "We proberen aan de voorhoede van deze technologie te staan."

PowerSecure heeft meer dan 2,4 gigawatt microgrid-capaciteit ontworpen en geïnstalleerd voor klanten variërend van grote detailhandelaren en ziekenhuizen tot nutsbedrijven en datacenters. Het bedrijf richt zich in het bijzonder op vaste-stoeltransformatoren om energie-efficiënte "hybride microgrids" te integreren die "zonne-energie, energieopslag, aardgasgeneratoren, brandstofcellen, EV-lading — wat je maar kunt bedenken," combineert, zei Aguerre.

"De echte marktvraag begint te ontstaan," zei hij. Tegelijkertijd, "de meeste van deze bedrijven zijn nog in de vroege stadia.... De logische volgende stap is om passende pilotprojecten uit te voeren om kleinere schaal echte klantgebruikscases te observeren" en de duurzaamheid en betrouwbaarheid van de relevante technologieën te testen.

Tenslotte, ongeacht de nadelen van traditionele transformatoren vergeleken met topmoderne krachtechnologie, "faalt het niet vaak," merkte Aguerre op. "Iedereen verwacht dezelfde betrouwbaarheid van welke vaste-stoeltransformator ze ook bekijken."