Grippe på kraftens fremtid: Den strategiske utviklingen av fasttilstandstransformator-teknologi i USA

DG Matrix og Resilient Power sier at deres fasttilstandstransformatorer kan redusere kostnaden, tiden og kompleksiteten av å forsyne datacentre, elbiloppladningshubs og lignende med strøm. I tiår har elektriske ingeniører drømt om et enhet som kan koble sammen solceller, batterisystemer og lokale generatore til høyeffektutstyr som elbiloppladere eller dataservere i datacentre uten behov for en stor mengde dyrt hardvare for å få dem til å fungere sammen.

Nå begynner disse enhetene, kjent som fasttilstandstransformatorer, faktisk å komme på markedet – og deres oppkomst kunne ikke være mer aktuell.

Dette er fordi teknologien kan være nøkkelen til å håndtere de massive strømbehovene til datacentre, fabrikker og elbiloppladningshubs, som kan overbelaste strømnettet og føre til at energiselskaper brenner mer fossilt brensle som bidrar til global oppvarming.

For tiden overstiger disse store strømmens brukeres behov for strøm kapasiteten til det amerikanske strømnettet. Teoretisk sett kunne dette problemet løses ved å tillate at de installerer egne solceller, batterier og generatore på stedet – ideelt sett mikronettverk – men denne verktre simple løsningen er faktisk ekstremt kompleks og kostbar å implementere.

Hver solcelleanordning, batteri, brændselscelle, generator eller annen lokal strømkilde krever flere enheter – elektriske beskyttelsesenheter, isolasjonstransformatorer, spenningsforhøyende og -senkende transformatorer, strømkonvertere – for å konvertere likestrøm (DC) til vekselstrøm (AC) eller motsatt, og for å justere spenningen for å møte behovene til ulike laster i et bygg.

Fasttilstandstransformatorer kan oppnå alle disse funksjonene med bare én enhet, og styre strøm like fleksibelt som en ruter kontrollerer dataflyt. Dette er spesielt verdifullt for å administrere utstyr med høyt strømbehov (som elbiloppladere) eller utstyr som er ekstremt sensitivt for strømkvalitet (som serverrekker i datacentre).

Så sier Haroon Inam, CEO og medgründer av DG Matrix. DG Matrix er ett av de få selskapene som har begynt å sette fasttilstandstransformatorer i praktisk bruk. Han sa at DG Matrix innhentet 20 millioner dollar i mars i år og bygger for tiden en fabrikk i North Carolina, som forventes å starte operasjoner senere i år med en årlig produksjonskapasitet på 1 000 enheter. "Vi går inn i det store og underbetjente kommersielle og industrielle mikronettmarkedet," sa han. "Folk har ikke gjort dette fordi kostnaden for å bygge et enkelt, tilpasset mikronett har vært for høy."

DG Matrix er ikke det eneste selskapet som jobber med dette. Heron Power, en startup grunnlagt av den tidligere Tesla-ansatte Drew Baglino, har innhentet 43 millioner dollar og har som mål å bygge sine første fasttilstandstransformatorer innen 2027. Amperesand innhentet 12,5 millioner dollar i fjor for å fortsette utviklingen av fasttilstandstransformatorer som blir testet på Singapores strømnett.

Store elektronikkfirmaer er interessert i dette. Elektriske utstyrsgiganten Eaton enedes forrige måned om å overtakke Resilient Power Systems, som innhentet 5 millioner dollar i 2021 for å bygge og deployere sin strømkonverteringutstyr for elbiloppladningshubs og andre miljøer med høyt energiforbruk. Eaton vil investere 55 millioner dollar i selskapet ved avslutning av transaksjonen; avhengig av Resilient Powers økonomiske og tekniske ytelse i de kommende årene, kan Eaton også betale ytterligere 95 millioner dollar.

"Mange mennesker har jobbet med denne teknologien i over ti år," sa Aidan Graham, senior vice president og general manager for Eatons Critical Power Solutions-forretning. Nå, med fremskritt i flere sentrale ingeniørteknologier, kan denne teknologien endelig ha sin gullalder – nettselskaper og andre institusjoner har begynt å teste den.

Utvikling av fasttilstandstransformatorer

Eaton har jobbet med forskning og utvikling av fasttilstandstransformatorer i mange år. Selskapet har ikke avslørt hvordan man skal skala opp produksjonen og deploymenten av Resilient Powers teknologi. Men Graham sa: "Vi utforsker flere områder, inkludert elbilopplading og integrering av batterier i datacentre og andre kritiske miljøer. 'Selv en kort mangel på strøm kan truede menneskers liv og koste mye penger.'"

Michael Wood III, chief of staff hos DG Matrix, sa at selskapet tester sin utstyr med selskaper som elektriske utstyrprodusenten ABB, North Carolinas energiselskap Duke Energy, og PowerSecure, en stor mikronett- og datacenter-strømutsystemutvikler eid av energiselskapet Southern Co.

"Den beste måten å få neste gigawatt med energi er å bygge distribuerte systemer," sa Wood. "I dag trenger du all denne utstyrs for å få disse prosjektene til å fungere glatt. DG Matrix fjerner balansen mellom alle disse systemene og forenkler det til et enkelt system."

Inam sa at kostnaden for å bruke DG Matrix' fasttilstandstransformator bare er halvparten av kostnaden for å koble typiske lokale mikronettkomponenter sammen ved hjelp av en kombinasjon av flere tekniske standarder. I tillegg gjør det det lettere å raskt blande og matche utstyr eller endre systemkonfigurasjonen i datacentre, elbiloppladningshubs og andre potensielle mikronettsteder.

Så hvis fasttilstandstransformatorer er en så nyttig teknologi, hvorfor kommer de først nå?

Det er en god grunn til at det har tatt så lang tid, sa Vlatko Vlatkovic, partner i Clean Energy Ventures, en investor i DG Matrix og en veteran av General Electrics industrielektrifieringsforretning som ble medlem av startups bestyrelse i år.

Strømnettet er sterkt avhengig av elektromekaniske enheter som opererer relativt enkelt og har endret seg lite over de siste hundre år. Til tross for noen fremskritt i de siste årene som har gjort enheter som solinvertere eller elbilpropulsjonssystem mulig, har halvledere som gjør moderne datamaskiner mulig, ikke blitt bredt anvendt i strømnettet.

"Å presse industrien til å bruke mer strømlektronikk har vært en enorm utfordring," sa Vlatkovic, spesielt ved høyere nettspenninger. Inntil nylig var den underliggende teknologien "ikke stor nok eller pålitelig nok. Det var tekniske problemer."

Lignende utfordringer har plagget fasttilstandstransformatorer i høyspenningindustrielle applikasjoner, sa Neal Dikeman, partner i Energy Transition Ventures, en investor i Resilient Power. Han sa at fortsatte fremskritt i silisiumkarbidhalvledere og forbedringer i beregningskraften som er nødvendig for å gjøre dem effektive i strømkonvertering, har hjulpet. "Men det er ikke lett."

Inam, som var CTO for strømkontrollleverandøren Smart Wires før han gikk over til DG Matrix i 2023, merket at startuppen måtte løse flere nøkkelfordringer for å komme hit.

Først, ved høy spenning, er varmen generert av DC-AC-konvertering vanskelig å avgi. Håndtering av "elektromagnetisk støy," eller støy forårsaket av samme høyfrekvens elektrisk switching. "Hvis du ikke vet hvordan du effektivt kan redusere støy, påvirker det alt. Det kan føre til overoppvarming, eksplosjoner og prestasjonsnedgang," sa Inam.

Imidlertid har løsningen av disse utfordringene også sine belønninger. "Vår teknologi er nå moden og sofistikert nok til at vi kan lansere pålitelig utstyr," sa Vlatkovic.

Hvorfor akkurat nå er tiden inne for fasttilstandstransformatorer

Tiden kunne ikke være bedre.

"Alt elektrifiseres, fra biler til industri til boliger," sa Vlatkovic. "Hvis du ser på prognoser for strømmen som nettet må levere de neste 10 til 20 årene, vil du se at vi må minst doble nettets kapasitet. Noen prognoser sier at vi må treblire eksisterende kapasitet."

Inam sa at å møte strømbehovene til datacentre er en spesielt stor mulighet.

De ambitiøse kunstig intelligensplanene til teknologigiganter legger et stort press på strømnettet til energiselskaper i datacenters hotspots som Virginia, Georgia og Texas. Dette har ført til at datacenterutviklere utforsker måter å redusere presset på strømnettet, inkludert bygging av generatore og batterier nær eller på stedet.

"De tre store problemene er hastigheten på strømforsyningen (kunder kan ikke få strøm raskt nok), kostnaden av strøm, og evnen til å aggregere flere ressurser for fleksibilitet," sa Inam. "Vi har snakket med virksomhetskunder med hundrevis eller tusenvis av steder. Den største utfordringen de står overfor er at de må designe hvert sted fra bunnen av. De søker etter en klargjort løsning på utfordringen med å deployere 1 000 steder i stedet for ett."

Fasttilstandstransformatorer kan hjelpe til å møte disse behovene, sa Vlatkovic. "Fra komplekse installasjoner og flere selskaper til ett selskap som tar seg av alt."

Plassering av flere funksjoner i mindre pakker

Graham fra Eaton sa at "høy effekt-tetthet" pakking også kan spare verdifulle rom i trange miljøer som datacentre og elbiloppladingsstasjoner. Fasttilstandstransformatorer kan masseproduseres i fabrikker, noe som reduserer kostnader og tid for elektrisk arbeid på byggesteder. "Du har bringa det tilbake til et kontrollert produksjonsmiljø," sa Graham.

I tillegg, å ha én enhet som kan utføre flere oppgaver, forenkler ingeniørkrav, sa Dickman.

"Hvis du designer et komplekst system med ferdigproduksjonskomponenter, kan misfit mellom ulike enheter ikke fullt ut møte systemets krav. Dette øker kostnadene og reduserer effektiviteten," sa han. "Du kan løse dette problemet med tilpassede produkter – men det er dyrere og risikabelt. Når du har med solenergi, energilagring, og datacentre, og folk som trenger å bevege seg raskt og trenger noe pålitelig og billig, faller alt sammen."

Joaquin Aguerre, selskapets direktør for strategisk porteføljeutvikling, sa at alle disse potensielle fordeler har ført til at mikronettutvikleren PowerSecure lanserer piloter av minst to fasttilstandstransformatorte knologier, inkludert tester i samarbeid med DG Matrix. "Vi prøver å være i frontlinjen av denne teknologien."

PowerSecure har designet og installert over 2,4 gigawatt med mikronettkapasitet for kunder som rekker fra store detaljhandlere og sykehus til energiselskaper og datacentre. Selskapet er spesielt fokusert på fasttilstandstransformatorer for å integrere energieffektive "hybrid mikronett" som kombinerer "sol, energilagring, naturgassgeneratore, brændselsceller, elbilopplading – hva du kan tenke deg," sa Aguerre.

"Den virkelige markedsbeholder har begynt å dukke opp," sa han. Samtidig, "de fleste av disse selskapene er fremdeles i begynnelsesfasen.... Den neste logiske steget er å gjennomføre passende pilotprosjekter for å observere sanne kundebruksområder på en mindre skala" og teste holdbarheten og påliteligheten av de relevante teknologi.

Etter alt, uansett hvilke ulemper tradisjonelle transformatorer har sammenlignet med avansert strømlektronikk, "de feiler ikke ofte," poengterte Aguerre. "Alle forventer samme pålitelighet fra hva enn fasttilstandstransformator de ser på."