Захват будущего энергетики: стратегическое развитие технологии твердотельных трансформаторов в Соединенных Штатах
DG Matrix и Resilient Power утверждают, что их твердотельные трансформаторы могут снизить стоимость, время и сложность подачи электроэнергии на центры обработки данных, зарядные станции для электромобилей (ЭМ) и тому подобное. Десятилетиями инженеры-электрики мечтали о устройстве, которое могло бы бесшовно соединять солнечные панели, системы аккумуляторов и локальные генераторы с оборудованием высокой мощности, таким как зарядные станции для ЭМ или серверы центров обработки данных, без необходимости в большом количестве дорогостоящего оборудования, чтобы сделать их совместимыми.
Теперь эти устройства, называемые твердотельными трансформаторами, действительно начинают появляться на рынке — и их появление не могло быть более своевременным.
Это связано с тем, что технология может стать ключом к решению огромных энергетических потребностей центров обработки данных, заводов и зарядных станций для ЭМ, которые могут перегрузить энергосеть и заставить энергетические компании сжигать больше ископаемых топлив, способствующих глобальному потеплению.
В настоящее время спрос крупных потребителей электроэнергии превышает возможности поставки электроэнергии в энергосети США. Теоретически эту проблему можно было бы решить, позволив им установить свои собственные солнечные панели, аккумуляторы и генераторы на месте — идеально микроэнергосети — но это кажущееся простым решение на самом деле крайне сложно и дорого в реализации.
Каждая солнечная батарея, аккумулятор, топливный элемент, генератор или другое локальное источник питания требует нескольких устройств — защитные устройства, изолирующие трансформаторы, повышающие и понижающие трансформаторы, преобразователи мощности — чтобы безопасно преобразовать постоянный ток (ПТ) в переменный ток (ПТ) и наоборот, а также повысить или понизить напряжение, чтобы удовлетворить потребности различных нагрузок в здании.
Твердотельные трансформаторы могут выполнить все эти функции с помощью одного устройства, контролируя электроэнергию так же гибко, как маршрутизатор управляет потоком данных. Это особенно ценно для управления оборудованием с высокими энергетическими требованиями (таким как зарядные станции для ЭМ) или оборудованием, чрезвычайно чувствительным к качеству электроэнергии (таким как стойки серверов в центрах обработки данных).
Об этом говорит Харун Инам, генеральный директор и соучредитель DG Matrix. DG Matrix — одна из немногих компаний, которая начала внедрять твердотельные трансформаторы в практическое использование. Он сказал, что DG Matrix привлекла 20 миллионов долларов в марте этого года и сейчас строит завод в Северной Каролине, который, как ожидается, начнет работу в этом году с годовой производственной мощностью 1000 единиц. "Мы входим в огромный и недостаточно обслуживаемый коммерческий и промышленный рынок микроэнергосетей," сказал он. "Люди не делали этого, потому что стоимость создания одной, индивидуальной микроэнергосети слишком высока."
DG Matrix не единственная компания, работающая над этим. Heron Power, стартап, основанный бывшим сотрудником Tesla Дрю Баглино, привлек 43 миллиона долларов и намерен построить свои первые твердотельные трансформаторы к 2027 году. Amperesand привлекла 12,5 миллиона долларов в прошлом году для продолжения разработки твердотельных трансформаторов, которые тестируются на энергосети Сингапура.
Большие электронные компании заинтересованы в этом. В прошлом месяце электротехнический гигант Eaton согласился приобрести Resilient Power Systems, которая привлекла 5 миллионов долларов в 2021 году для постройки и развертывания своего оборудования для преобразования энергии на зарядных станциях для ЭМ и других высокоэнергоемких средах. Eaton инвестирует 55 миллионов долларов в компанию при закрытии сделки; в зависимости от финансового и технического исполнения Resilient Power в ближайшие годы, Eaton может также выплатить дополнительные 95 миллионов долларов.
"Многие люди работали над этой технологией более десяти лет," сказал Эйдан Грэм, старший вице-президент и генеральный менеджер бизнеса Critical Power Solutions компании Eaton. Теперь, с прогрессом в нескольких ключевых инженерных технологиях, эта технология, возможно, наконец-то вступает в свое золотое время — энергетические компании и другие учреждения начали тестировать ее.
Эволюция твердотельных трансформаторов
Eaton занимается исследованием и разработкой твердотельных трансформаторов уже много лет. Компания пока не раскрыла, как планирует масштабировать производство и развертывание технологии Resilient Power. Но Грэм сказал: "Мы исследуем несколько областей, включая зарядку ЭМ и интеграцию аккумуляторов в центры обработки данных и другие критические среды. 'Даже кратковременное отключение электроэнергии может угрожать жизни людей и стоить больших денег.'"
Майкл Вуд III, глава штаба DG Matrix, сказал, что компания тестирует свое оборудование с такими компаниями, как электротехнический гигант ABB, энергетическая компания Duke Energy в Северной Каролине и PowerSecure, крупный разработчик микроэнергосетей и систем питания для центров обработки данных, принадлежащий энергетической компании Southern Co.
"Лучший способ получить следующий гигаватт энергии — это создать распределенные системы," сказал Вуд. "Сегодня вам нужны все эти устройства, чтобы такие проекты работали гладко. DG Matrix устраняет баланс между всеми этими системами и упрощает его до одной системы."
Инам сказал, что стоимость использования твердотельного трансформатора DG Matrix составляет всего половину стоимости подключения типичных компонентов локальных микроэнергосетей с использованием сочетания нескольких технических стандартов. Кроме того, это облегчает быстрое смешивание и подбор оборудования или изменение конфигурации системы центров обработки данных, зарядных станций для ЭМ и других потенциальных мест микроэнергосетей.
Так почему же твердотельные трансформаторы только сейчас входят в область применения?
Есть веская причина, почему это заняло так много времени, сказал Влатко Влаткович, партнер Clean Energy Ventures, инвестора DG Matrix и ветеран бизнеса по индустриальной электрификации General Electric, который в этом году присоединился к совету директоров стартапа.
Энергосеть сильно зависит от электромеханических устройств, которые относительно просты в эксплуатации и практически не менялись за последние столетие. Несмотря на некоторые успехи в последние годы, которые сделали возможными устройства, такие как инверторы солнечной энергии или системы привода для ЭМ, полупроводники, которые делают возможным современное вычисление, не были широко использованы в энергосетях.
"Продвижение индустрии к использованию большего количества силовой электроники было огромным вызовом," сказал Влаткович, особенно при более высоких напряжениях энергосети. До недавнего времени базовая технология "не была достаточно большой или надежной. Были технические проблемы."
Похожие вызовы возникли и при применении твердотельных трансформаторов в высоковольтных промышленных применениях, сказал Нил Дикеман, партнер Energy Transition Ventures, инвестора в Resilient Power. Он сказал, что продолжительные успехи в области кремниевых карбидных полупроводников и улучшения вычислительной мощности, необходимой для эффективного преобразования энергии, помогли. "Но это не просто."
Инам, который до присоединения к DG Matrix в 2023 году был главным технологическим директором провайдера контроля сетевой мощности Smart Wires, отметил, что стартапу пришлось решить несколько ключевых задач, чтобы дойти до этой точки.
Первое, при высоких напряжениях, тепло, генерируемое при преобразовании ПТ в ПТ, трудно рассеивать. Обработка "электромагнитного шума" или помех, вызванных тем же высокочастотным электрическим переключением. "Если вы не знаете, как эффективно уменьшить шум, он влияет на все. Он может вызвать перегрев, взрывы и снижение производительности," сказал Инам.
Однако решение этих задач также имеет свои преимущества. "Наша технология теперь достаточно зрелая и продвинутая, чтобы мы могли запустить надежное оборудование," сказал Влаткович.
Почему сейчас самое время для твердотельных трансформаторов
Время не могло быть лучше.
"Все электрифицируется, от автомобилей до промышленности до жилья," сказал Влаткович. "Если вы посмотрите на прогнозы по мощности, которую энергосеть должна будет передавать в течение следующих 10-20 лет, вы увидите, что нам нужно как минимум удвоить мощность сети. Некоторые прогнозы даже говорят, что нам нужно утроить существующую мощность."
Инам сказал, что удовлетворение энергетических потребностей центров обработки данных является особенно большим возможностью.
Амбициозные планы технологических гигантов в области искусственного интеллекта оказывают огромное давление на энергосети в таких горячих точках центров обработки данных, как Вирджиния, Джорджия и Техас. Это побудило разработчиков центров обработки данных искать способы снизить нагрузку на энергосеть, включая строительство генераторов и аккумуляторов поблизости или на месте.
"Три большие проблемы — скорость подачи электроэнергии (клиенты не могут получить электроэнергию быстро), стоимость электроэнергии и возможность объединения множества ресурсов для гибкости," сказал Инам. "Мы говорили с корпоративными клиентами, у которых сотни или тысячи объектов. Самая большая проблема, с которой они сталкиваются, — это необходимость проектировать каждый объект с нуля. Они ищут готовое решение для развертывания 1000 объектов вместо одного."
Твердотельные трансформаторы могут помочь удовлетворить эти потребности, сказал Влаткович. "От сложных установок и множества компаний к одной компании, которая заботится обо всем."
Размещение большего числа функций в меньших корпусах
Грэм из Eaton сказал, что "высокоплотная" упаковка также может сэкономить ценное пространство в ограниченных средах, таких как центры обработки данных и зарядные станции для ЭМ. Твердотельные трансформаторы могут производиться массово на заводах, что сокращает стоимость и время электромонтажных работ на строительных площадках. "Вы вернули это в контролируемую производственную среду," сказал Грэм.
Кроме того, наличие одного устройства, которое может выполнять множество задач, упрощает инженерные требования, сказал Дикман.
"Если вы проектируете сложную систему с использованием готовых компонентов, несоответствие различных устройств не может полностью удовлетворить требования системы. Это увеличивает затраты и снижает эффективность," сказал он. "Вы можете решить эту проблему с помощью индивидуальных продуктов — но это дороже и рискованнее. Когда вы имеете дело с солнечной энергией, накопителями энергии и центрами обработки данных, и людям нужно быстро двигаться и нужна надежная и дешевая вещь, все это разваливается."
Хоакин Агурре, директор по стратегическому развитию портфеля компании, сказал, что все эти потенциальные преимущества побудили разработчика микроэнергосетей PowerSecure запустить пилотные проекты по крайней мере двух технологий твердотельных трансформаторов, включая тесты в сотрудничестве с DG Matrix. "Мы пытаемся быть на переднем крае этой технологии."
PowerSecure спроектировала и установила более 2,4 гигаватт мощности микроэнергосетей для клиентов, включая крупные розничные сети, больницы, энергетические компании и центры обработки данных. Компания особенно сосредоточена на твердотельных трансформаторах для интеграции энергоэффективных "гибридных микроэнергосетей", которые сочетают "солнечную энергию, накопители энергии, газовые генераторы, топливные элементы, зарядные станции для ЭМ — все, что вы можете себе представить," сказал Агурре.
"Реальный рыночный спрос начал появляться," сказал он. В то же время, "большинство этих компаний все еще находятся на ранних этапах.... Следующий логический шаг — провести соответствующие пилотные проекты, чтобы наблюдать реальные случаи использования клиентов в меньшем масштабе" и протестировать долговечность и надежность соответствующих технологий.
В конце концов, независимо от каких-либо недостатков, которые имеют традиционные трансформаторы по сравнению с передовыми силовыми электрониками, "они редко выходят из строя," отметил Агурре. "Все ожидают такой же надежности от любого твердотельного трансформатора, который они рассматривают."
