Uchwycenie przyszłości energetyki: Strategiczna ewolucja technologii transformatorów stanowiskowych w Stanach Zjednoczonych
DG Matrix i Resilient Power twierdzą, że ich transformery przemiennikowe mogą zmniejszyć koszty, czas i złożoność dostarczania energii do centrów danych, węzłów ładowania pojazdów elektrycznych (EV) i podobnych. Przez dekady inżynierowie elektrycy marzyli o urządzeniu, które bezproblemowo połączy panele słoneczne, systemy baterii i lokalne generatory z wysokonapędnym sprzętem, takim jak stacje ładowania EV lub serwery centrów danych, bez potrzeby dużych ilości drogiego sprzętu do ich współpracy.
Teraz te urządzenia zwane transformery przemiennikowe zaczynają naprawdę wchodzić na rynek — i ich pojawienie się nie mogło być bardziej aktualne.
To dlatego, że ta technologia może być kluczem do rozwiązywania ogromnych zapotrzebowania na energię centrów danych, fabryk i węzłów ładowania EV, które mogą przeciążyć sieć energetyczną i skłonić przedsiębiorstwa do spalania większej ilości paliw kopalnych, co przyczynia się do globalnego ocieplenia.
Obecnie popyt tych dużych użytkowników energii przekracza zdolność sieci energetycznej USA do jej dostarczania. Teoretycznie ten problem można rozwiązać, pozwalając im na instalację własnych paneli słonecznych, baterii i generatorów na miejscu — najlepiej mikrosieci — ale to wydawałoby się proste rozwiązanie jest w rzeczywistości ekstremalnie skomplikowane i kosztowne w realizacji.
Każdy zestaw paneli słonecznych, bateria, ogniwo paliwowe, generator lub inny lokalny źródło energii wymaga wielu elementów sprzętu — urządzeń ochrony elektrycznej, transformatorów izolacyjnych, transformatorów napinających i obcinających, konwerterów mocy — aby bezpiecznie przekształcać prąd stały (DC) w prąd zmienny (AC) i na odwrót, oraz podnosić lub obniżać napięcie, aby spełnić potrzeby różnych obciążeń w budynku.
Transformery przemiennikowe mogą osiągnąć wszystkie te funkcje za pomocą jednego urządzenia, kontrolując prąd elektryczny tak elastycznie, jak router kontroluje przepływ danych. Jest to szczególnie wartościowe w zarządzaniu sprzętem o wysokim zapotrzebowaniu na moc (takim jak stacje ładowania EV) lub sprzętem nadzwyczaj wrażliwym na jakość energii (takim jak szafy serwerowe w centrach danych).
Tak mówi Haroon Inam, CEO i współzałożyciel DG Matrix. DG Matrix to jedna z nielicznych firm, które rozpoczęły praktyczne wykorzystanie transformatorów przemiennikowych. Stwierdził, że DG Matrix zebrała 20 milionów dolarów w marcu tego roku i obecnie buduje fabrykę w Karolinie Północnej, która ma rozpocząć działalność w tym roku z roczną produkcją 1000 jednostek. „Wchodzimy na ogromny i niedostatecznie obsłużony rynek komercyjnych i przemysłowych mikrosieci”, powiedział. „Ludzie tego nie robili, ponieważ koszt budowy pojedynczej, dedykowanej mikrosieci jest zbyt wysoki.”
DG Matrix nie jest jedyną firmą pracującą nad tym. Heron Power, startup założony przez byłego pracownika Tesli Drewa Baglino, zebrał 43 miliony dolarów i ma na celu zbudowanie swoich pierwszych transformatorów przemiennikowych do 2027 roku. Amperesand zebrało 12,5 miliona dolarów w zeszłym roku, aby kontynuować rozwój transformatorów przemiennikowych, które są testowane w sieci energetycznej Singapuru.
Duże firmy elektroniczne są zainteresowane tym. W zeszłym miesiącu gigant sprzętu elektrycznego Eaton zgodził się przejąć Resilient Power Systems, które zebrały 5 milionów dolarów w 2021 roku, aby zbudować i wdrożyć swój sprzęt konwersji mocy dla węzłów ładowania EV i innych środowisk o wysokim zużyciu energii. Eaton zainwestuje 55 milionów dolarów w firmę przy zamknięciu transakcji; w zależności od finansowego i technicznego wyniku Resilient Power w ciągu kilku kolejnych lat Eaton może również zapłacić dodatkowe 95 milionów dolarów.
„Wiele osób pracowało nad tą technologią przez ponad dekadę”, powiedział Aidan Graham, starszy wiceprezes i dyrektor generalny biznesu Eaton Critical Power Solutions. Teraz, dzięki postępom w kilku kluczowych technologiach inżynieryjnych, ta technologia może w końcu mieć swoją złotą erę — przedsiębiorstwa energetyczne i inne instytucje zaczęły ją testować.
Ewolucja transformatorów przemiennikowych
Eaton pracuje nad badaniami i rozwojem transformatorów przemiennikowych od wielu lat. Firma nie ujawniła jeszcze, jak planuje skalować produkcję i wdrażanie technologii Resilient Power. Ale Graham powiedział: „Badamy kilka obszarów, w tym ładowanie EV i integrację baterii w centra danych i inne kluczowe środowiska. 'Nawet chwilowa utrata mocy może zagrozić ludzkim życiu i kosztować wiele pieniędzy.'”
Michael Wood III, szef gabinetu DG Matrix, powiedział, że firma testuje swój sprzęt z firmami, w tym gigantem produkcji sprzętu elektrycznego ABB, przedsiębiorstwem energetycznym Duke Energy w Karolinie Północnej, oraz PowerSecure, dużym deweloperem mikrosieci i systemów zasilania centrów danych, należącym do przedsiębiorstwa energetycznego Southern Co.
„Najlepszym sposobem na uzyskanie kolejnego gigawatu energii jest budowa systemów rozproszonych”, powiedział Wood. „Dziś potrzebujesz wszystkich tych urządzeń, aby te projekty działały płynnie. DG Matrix eliminuje bilans między wszystkimi tymi systemami i upraszcza go do jednego systemu.”
Inam powiedział, że koszt używania transformatora przemiennikowego DG Matrix wynosi tylko połowę kosztu połączenia typowych komponentów mikrosieci lokalnej przy użyciu kombinacji wielu standardów technicznych. Ponadto ułatwia szybkie mieszanie i dopasowywanie sprzętu lub zmianę konfiguracji systemu centrów danych, węzłów ładowania EV i innych potencjalnych lokacji mikrosieci.
Więc jeśli transformery przemiennikowe to taka użyteczna technologia, dlaczego dopiero teraz wchodzą na rynek?
Istnieje dobry powód, dla którego zajęło to tyle czasu, powiedział Vlatko Vlatkovic, partner w Clean Energy Ventures, inwestorze DG Matrix i weteranie biznesu industrialnej elektryfikacji General Electric, który dołączył do rady nadzorczej startupu w tym roku.
Sieć energetyczna opiera się w dużej mierze na urządzeniach elektromechanicznych, które działają stosunkowo prosto i nie zmieniły się zbytnio w ciągu ostatniego stulecia. Pomimo pewnych postępów w ostatnich latach, które uczyniły możliwe urządzenia, takie jak inwertery słoneczne lub systemy napędowe EV, półprzewodniki, które umożliwiają nowoczesne obliczenia, nie były szeroko stosowane w sieci energetycznej.
„Pchanie branży do korzystania z większej ilości elektroniki mocy było ogromnym wyzwaniem”, powiedział Vlatkovic, zwłaszcza przy wyższych napięciach sieci. Do niedawna podstawowa technologia „nie była wystarczająco duża ani niezawodna. Były problemy techniczne.”
Podobne wyzwania dręczyły transformery przemiennikowe w zastosowaniach przemysłowych o wysokim napięciu, powiedział Neal Dikeman, partner w Energy Transition Ventures, inwestorze w Resilient Power. Powiedział, że ciągłe postępy w półprzewodnikach krzemu karbidu i poprawy mocy obliczeniowej potrzebnej do efektywnego przekształcania mocy pomogły. „Ale to nie jest łatwe.”
Inam, który pełnił funkcję głównego technologa dostawcy kontroli mocy w sieci Smart Wires przed dołączeniem do DG Matrix w 2023 roku, zauważył, że startup musiał rozwiązać kilka kluczowych wyzwań, aby dotrzeć do tego momentu.
Po pierwsze, przy wysokich napięciach trudno jest odprowadzić ciepło generowane przez konwersję AC-DC. Obsługa „szumów elektromagnetycznych” lub zakłóceń spowodowanych tym samym wysokoczęstotliwościowym przełączaniem elektrycznym. „Jeśli nie wiesz, jak skutecznie zminimalizować szum, wpływa to na wszystko. Może to prowadzić do przegrzania, wybuchów i pogorszenia wydajności”, powiedział Inam.
Jednak rozwiązywanie tych wyzwań ma też swoje nagrody. „Nasza technologia jest teraz dojrzała i zaawansowana na tyle, że możemy wypuścić niezawodne urządzenia”, powiedział Vlatkovic.
Dlaczego teraz jest odpowiednim czasem dla transformatorów przemiennikowych
Nie mogło być lepszego momentu.
„Wszystko jest elektryfikowane, od samochodów po przemysł, po domy”, powiedział Vlatkovic. „Jeśli spojrzysz na prognozy mocy, którą sieć będzie musiała dostarczać w ciągu najbliższych 10-20 lat, zobaczysz, że musimy przynajmniej podwójną zdolność sieci. Niektóre prognozy nawet mówią, że musimy potroić istniejącą zdolność.”
Inam powiedział, że spełnienie zapotrzebowania na moc centrów danych to szczególnie duża okazja.
Ambitne plany sztucznej inteligencji gigantów technologicznych nakładają ogromne obciążenie na sieci energetyczne przedsiębiorstw w gorących punktach centrów danych, takich jak Wirginia, Georgia i Teksas. To skłoniło deweloperów centrów danych do poszukiwania sposobów zmniejszenia ciężaru na sieć, w tym budowania generatorów i baterii w pobliżu lub na miejscu.
„Trzy główne problemy to szybkość dostarczania mocy (klienci nie mogą dostarczyć mocy wystarczająco szybko), koszt mocy i możliwość agregacji wielu zasobów dla elastyczności”, powiedział Inam. „Rozmawialiśmy z klientami korporacyjnymi z setkami lub tysiącami lokacji. Największym wyzwaniem, z którym borykają się, jest konieczność projektowania każdej lokacji od zera. Szukają gotowego rozwiązania do wyzwania wdrażania 1000 lokacji zamiast jednej.”
Transformery przemiennikowe mogą pomóc spełnić te potrzeby, powiedział Vlatkovic. „Od złożonych instalacji i wielu firm do jednej firmy, która zajmuje się wszystkim.”
Umieszczenie więcej funkcji w mniejszych pakietach
Graham z Eaton powiedział, że „wysoka gęstość mocy” pakowania może również oszczędzić cenne miejsce w ciasnych środowiskach, takich jak centra danych i stacje ładowania EV. Transformery przemiennikowe mogą być masowo produkowane w fabrykach, co zmniejsza koszty i czas pracy elektryków na miejscu budowy. „Przeniosłeś to z powrotem do kontrolowanego środowiska produkcyjnego”, powiedział Graham.
Ponadto posiadanie jednego urządzenia, które może wykonywać wiele zadań, upraszcza wymagania inżynieryjne, powiedział Dickman.
„Jeśli zaprojektujesz złożony system za pomocą gotowych komponentów, niezgodność różnych urządzeń nie może w pełni spełniać wymagań systemu. To zwiększa koszty i obniża wydajność”, powiedział. „Możesz rozwiązać ten problem za pomocą niestandardowych produktów — ale to jest droższe i ryzykowniejsze. Kiedy mówisz o słonecznej energii, magazynowaniu energii i centrach danych, i ludzi, którzy muszą działać szybko i potrzebują czegoś niezawodnego i taniego, wszystko to się rozpadnie.”
Joaquin Aguerre, dyrektor ds. strategicznego rozwoju portfolio, powiedział, że wszystkie te potencjalne zalety skłoniły dewelopera mikrosieci PowerSecure do uruchomienia pilotażowych testów co najmniej dwóch technologii transformatorów przemiennikowych, w tym testów we współpracy z DG Matrix. „Staramy się być na czele tej technologii.”
PowerSecure zaprojektował i zainstalował ponad 2,4 gigawaty mocy mikrosieci dla klientów, od dużych detalicznych i szpitali po przedsiębiorstwa energetyczne i centra danych. Firma koncentruje się szczególnie na transformatorach przemiennikowych, aby zintegrować energooszczędne „hybrydowe mikrosieci”, które łączą „energię słoneczną, magazynowanie energii, generatory gazowe, ogniwa paliwowe, ładowanie EV — wszystko, co możesz sobie wyobrazić”, powiedział Aguerre.
„Rzeczywiste zapotrzebowanie rynkowe zaczęło się pojawiać”, powiedział. Jednocześnie, „większość tych firm jest nadal w wczesnych etapach.... Następnym logicznym krokiem jest przeprowadzenie odpowiednich pilotów, aby obserwować rzeczywiste przypadki użycia klientów w mniejszej skali” i przetestować trwałość i niezawodność odpowiednich technologii.
W końcu, niezależnie od jakiejkolwiek wady transformatorów tradycyjnych w porównaniu z nowoczesną elektroniką mocy, „nie ulegają często awariom”, zauważył Aguerre. „Wszyscy oczekują tej samej niezawodności od każdego transformatora przemiennikowego, na który patrzą.”
