Aproveitando o Futuro da Energia: A Evolução Estratégica da Tecnologia de Transformador de Estado Sólido nos Estados Unidos

A DG Matrix e a Resilient Power afirmam que seus transformadores de estado sólido podem reduzir o custo, o tempo e a complexidade de fornecer energia para centros de dados, hubs de carregamento de veículos elétricos (EV) e similares. Durante décadas, engenheiros elétricos sonharam com um dispositivo que pudesse conectar sem problemas painéis solares, sistemas de bateria e geradores no local a equipamentos de alta potência, como carregadores de EV ou servidores de centros de dados, sem a necessidade de uma grande quantidade de hardware caro para fazê-los funcionar juntos.

Agora, esses dispositivos chamados transformadores de estado sólido estão realmente começando a entrar no mercado — e sua aparição não poderia ser mais oportuna.

Isso porque a tecnologia pode ser a chave para atender às demandas maciças de energia de centros de dados, fábricas e hubs de carregamento de EV, que poderiam sobrecarregar a rede elétrica e fazer com que as empresas de utilidades consumissem mais combustíveis fósseis que contribuem para o aquecimento global.

Atualmente, a demanda desses grandes consumidores de energia excede a capacidade de fornecimento da rede elétrica dos EUA. Teoricamente, esse problema poderia ser resolvido permitindo que eles instalem seus próprios painéis solares, baterias e geradores no local — idealmente micro-redes —, mas essa solução aparentemente simples é na verdade extremamente complexa e cara de implementar.

Cada conjunto de painéis solares, bateria, célula de combustível, gerador ou outra fonte de energia no local requer múltiplos equipamentos — dispositivos de proteção elétrica, transformadores de isolamento, transformadores de elevação e redução, conversores de energia — para converter com segurança corrente contínua (DC) em corrente alternada (AC) e vice-versa, e para aumentar ou diminuir a tensão para atender às necessidades de diferentes cargas em um edifício.

Os transformadores de estado sólido podem realizar todas essas funções com apenas um dispositivo, controlando a eletricidade tão flexivelmente quanto um roteador controla o fluxo de dados. Isso é especialmente valioso para gerenciar equipamentos de alta demanda de energia (como carregadores de EV) ou equipamentos extremamente sensíveis à qualidade de energia (como racks de servidores em centros de dados).

Foi o que disse Haroon Inam, CEO e co-fundador da DG Matrix. A DG Matrix é uma das poucas empresas que começou a colocar transformadores de estado sólido em uso prático. Ele disse que a DG Matrix arrecadou 20 milhões de dólares em março deste ano e está atualmente construindo uma fábrica na Carolina do Norte, que deve começar a operar mais tarde este ano com uma capacidade anual de 1.000 unidades. "Estamos entrando no enorme e subatendido mercado de micro-redes comerciais e industriais," disse ele. "As pessoas não fizeram isso porque o custo de construir uma única micro-rede personalizada é muito alto."

A DG Matrix não é a única empresa trabalhando nisso. A Heron Power, uma startup fundada pelo ex-funcionário da Tesla Drew Baglino, arrecadou 43 milhões de dólares e tem como objetivo construir seus primeiros transformadores de estado sólido até 2027. A Amperesand arrecadou 12,5 milhões de dólares no ano passado para continuar desenvolvendo transformadores de estado sólido que estão sendo testados na rede elétrica de Cingapura.

Grandes empresas de eletrônicos estão interessadas nisso. O gigante de equipamentos elétricos Eaton concordou, no mês passado, em adquirir a Resilient Power Systems, que arrecadou 5 milhões de dólares em 2021 para construir e implantar seu equipamento de conversão de energia para hubs de carregamento de EV e outros ambientes de alto consumo de energia. A Eaton investirá 55 milhões de dólares na empresa no fechamento da transação; dependendo do desempenho financeiro e técnico da Resilient Power nos próximos anos, a Eaton também pode pagar mais 95 milhões de dólares.

"Muitas pessoas têm trabalhado nesta tecnologia por mais de uma década," disse Aidan Graham, vice-presidente sênior e gerente geral do negócio de Soluções Críticas de Energia da Eaton. Agora, com avanços em várias tecnologias de engenharia-chave, esta tecnologia pode finalmente estar vivendo sua era de ouro — as empresas de utilidades e outras instituições começaram a testá-la.

Evolução dos Transformadores de Estado Sólido

A Eaton tem trabalhado na pesquisa e desenvolvimento de transformadores de estado sólido por muitos anos. A empresa ainda não divulgou como escalará a fabricação e implantação da tecnologia da Resilient Power. Mas Graham disse: "Estamos explorando várias áreas, incluindo o carregamento de EV e a integração de baterias em centros de dados e outros ambientes críticos. 'A perda de energia, mesmo por um momento, pode ameaçar vidas e custar muito dinheiro.'"

Michael Wood III, chefe de gabinete da DG Matrix, disse que a empresa está testando seu equipamento com empresas, incluindo o gigante de fabricação de equipamentos elétricos ABB, a empresa de utilidades Duke Energy da Carolina do Norte e a PowerSecure, uma grande desenvolvedora de micro-redes e sistemas de energia para centros de dados, pertencente à empresa de utilidades Southern Co.

"A melhor maneira de obter o próximo gigawatt de energia é construir sistemas distribuídos," disse Wood. "Hoje, você precisa de todos esses dispositivos para fazer esses projetos funcionarem suavemente. A DG Matrix elimina o equilíbrio entre todos esses sistemas e simplifica tudo em um único sistema."

Inam disse que o custo de usar o transformador de estado sólido da DG Matrix é apenas metade do custo de conectar componentes típicos de micro-redes no local usando uma combinação de vários padrões técnicos. Além disso, torna mais fácil misturar e combinar rapidamente equipamentos ou alterar a configuração do sistema de centros de dados, hubs de carregamento de EV e outros locais potenciais de micro-redes.

Então, se os transformadores de estado sólido são uma tecnologia tão útil, por que estão entrando no campo apenas agora?

Há uma boa razão para ter demorado tanto, disse Vlatko Vlatkovic, sócio da Clean Energy Ventures, um investidor da DG Matrix e veterano do negócio de eletrificação industrial da General Electric, que se juntou ao conselho da startup neste ano.

A rede elétrica depende fortemente de dispositivos eletromecânicos que operam relativamente de forma simples e mudaram pouco nas últimas décadas. Apesar de alguns progressos nos últimos anos que tornaram possíveis dispositivos como inversores solares ou sistemas de acionamento de VE, os semicondutores que tornam possível o computação moderna não foram amplamente utilizados na rede elétrica.

"Impulsionar a indústria a usar mais eletrônica de potência tem sido um grande desafio," disse Vlatkovic, especialmente em tensões mais altas da rede. Até recentemente, a tecnologia subjacente "não era suficientemente grande ou confiável. Havia problemas técnicos."

Desafios semelhantes afetaram os transformadores de estado sólido em aplicações industriais de alta tensão, disse Neal Dikeman, sócio da Energy Transition Ventures, investidora da Resilient Power. Ele disse que avanços contínuos em semicondutores de carbeto de silício e melhorias no poder de computação necessário para torná-los eficientes na conversão de energia ajudaram. "Mas não é fácil."

Inam, que atuou como diretor de tecnologia da provedora de controle de energia de rede Smart Wires antes de se juntar à DG Matrix em 2023, observou que a startup teve que resolver vários desafios-chave para chegar a esse ponto.

Primeiro, em tensões altas, o calor gerado pela conversão AC-DC é difícil de dissipar. Lidar com "ruído eletromagnético", ou interferência causada pela mesma comutação elétrica de alta frequência. "Se você não souber como mitigar efetivamente o ruído, isso afeta tudo. Pode causar superaquecimento, explosões e degradação do desempenho," disse Inam.

No entanto, resolver esses desafios também tem suas recompensas. "Nossa tecnologia agora é madura e sofisticada o suficiente para lançarmos equipamentos confiáveis," disse Vlatkovic.

Por Que Agora É o Momento dos Transformadores de Estado Sólido

O timing não poderia ser melhor.

"Tudo está se eletrificando, desde carros até a indústria e habitação," disse Vlatkovic. "Se você olhar as projeções da energia que a rede precisará fornecer nos próximos 10 a 20 anos, verá que precisamos pelo menos dobrar a capacidade da rede. Algumas projeções até dizem que precisamos triplicar a capacidade existente."

Inam disse que atender às demandas de energia de centros de dados é uma oportunidade particularmente grande.

Os ambiciosos planos de inteligência artificial dos gigantes da tecnologia estão colocando uma carga enorme nas redes elétricas das empresas de utilidades em hotspots de centros de dados, como Virgínia, Geórgia e Texas. Isso levou os desenvolvedores de centros de dados a explorar maneiras de aliviar a pressão sobre a rede elétrica, incluindo a construção de geradores e baterias nas proximidades ou no local.

"Os três grandes problemas são a velocidade de fornecimento de energia (os clientes não conseguem obter energia rápido o suficiente), o custo da energia e a capacidade de agregar múltiplas fontes de recursos para flexibilidade," disse Inam. "Conversamos com clientes empresariais com centenas ou milhares de sites. O maior desafio que enfrentam é ter que projetar cada site do zero. Eles estão procurando uma solução turnkey para o desafio de implantar 1.000 sites em vez de um."

Os transformadores de estado sólido podem ajudar a atender a essas necessidades, disse Vlatkovic. "De instalações complexas e múltiplas empresas a uma empresa cuidando de tudo."

Colocando Mais Funções em Pacotes Menores

Graham, da Eaton, disse que o "empacotamento de alta densidade de potência" também pode economizar espaço valioso em ambientes apertados, como centros de dados e estações de carregamento de EV. Os transformadores de estado sólido podem ser produzidos em massa em fábricas, reduzindo o custo e o tempo de mão de obra elétrica nos canteiros de obras. "Você trouxe isso de volta para um ambiente de fabricação controlado," disse Graham.

Além disso, ter um único dispositivo capaz de executar várias tarefas simplifica os requisitos de engenharia, disse Dickman.

"Se você projetar um sistema complexo usando componentes prontos, a incompatibilidade entre diferentes dispositivos não pode atender totalmente aos requisitos do sistema. Isso aumenta os custos e reduz a eficiência," disse ele. "Você pode resolver esse problema com produtos personalizados — mas isso é mais caro e arriscado. Quando você lida com solar, armazenamento de energia e centros de dados, e pessoas que precisam agir rapidamente e precisam de algo confiável e barato, tudo isso desmorona."

Joaquin Aguerre, diretor de desenvolvimento de portfólio estratégico da empresa, disse que todos esses potenciais benefícios levaram o desenvolvedor de micro-redes PowerSecure a lançar pilotos de pelo menos duas tecnologias de transformadores de estado sólido, incluindo testes em colaboração com a DG Matrix. "Estamos tentando estar à frente dessa tecnologia."

A PowerSecure projetou e instalou mais de 2,4 gigawatts de capacidade de micro-redes para clientes que variam de grandes varejistas e hospitais a empresas de utilidades e centros de dados. A empresa está particularmente focada em transformadores de estado sólido para integrar micro-redes "híbridas" eficientes em termos de energia, que combinam "solar, armazenamento de energia, geradores a gás natural, células de combustível, carregamento de EV — o que você puder imaginar," disse Aguerre.

"A demanda real do mercado começou a emergir," disse ele. Ao mesmo tempo, "a maioria dessas empresas ainda está nos estágios iniciais.... O próximo passo lógico é conduzir projetos piloto apropriados para observar casos de uso reais de clientes em menor escala" e testar a durabilidade e confiabilidade das tecnologias relevantes.

Afinal, independentemente das desvantagens que os transformadores tradicionais possam ter em comparação com a eletrônica de potência de ponta, "eles não falham com frequência," observou Aguerre. "Todos esperam a mesma confiabilidade de qualquer transformador de estado sólido que estejam considerando."