Ujemanje s prihodnostjo električne energije: Strategična evolucija tehnologije tranzistorjev v čvrstem stanju v Združenih državah

DG Matrix in Resilient Power pravita, da njihovi tranzistorji v pevnem stanju lahko zmanjšajo stroške, čas in kompleksnost oskrbe s strmo za podatkovne centre, nabiralne točke električnih vozil (EV) in podobno. Desetletja so električni inženirji sanjali o napravi, ki bi brezpotno povezovala sončne panele, baterijske sisteme in lokalne generatorje s visokomernim opremo, kot so nabiralnice EV ali strežniki podatkovnih centrov, brez potrebe po velikem količinu dragocene opreme, da bi delovali skupaj.

Zdaj pa te naprave, imenovane tranzistorji v pevnem stanju, začenjajo resnično vstopati na trg — in njihov prihod ne more biti bolj pravočasen.

To je zaradi tega, ker bi ta tehnologija lahko bila ključna za reševanje masivnih potreb po strmi za podatkovnimi centri, tovarnami in nabiralnimi točkami EV, ki bi lahko prepričale omrežje strme in povzročile, da se upravitelji strme uporabljajo več fosilnih goriv, ki prispevajo k globalnemu segrevanju.

Trenutno presega povpraševanje teh velikih uporabnikov strme zmogljivost ameriškega omrežja strme. Teoretično bi se to problem lahko rešil, če bi jim dovolili namestiti lastne sončne panele, baterije in generatorje na kraju – idealno mikro mreže – toda ta zdaj enostavna rešitev je v resnici izredno kompleksna in draga za izvedbo.

Vsaka sončna postaja, baterija, gorivo celica, generator ali drug vir strme na kraju zahteva več komponent opreme – električna zaščitna naprava, izolacijski tranzistorji, tranzistorji za povišanje in znižanje napetosti, pretvorbniki strme – za varno pretvarjanje enosmerne strme (DC) v dvostransko strmo (AC) ali obratno in za povišanje ali znižanje napetosti, da bi zadovoljili potrebe različnih obremenitev v stavbi.

Tranzistorji v pevnem stanju lahko dosežejo vse te funkcije z le eno napravo, ki kontrolira strmo tako fleksibilno, kot router nadzira pretok podatkov. To je še posebno vredno za upravljanje opreme z visokim povpraševanjem po strmi (kot so nabiralnice EV) ali opreme, ki je izredno občutljiva na kakovost strme (kot so strežni stolpi v podatkovnih centrih).

Tako pravi Haroon Inam, CEO in sozačalo DG Matrix. DG Matrix je eden od redkih podjetij, ki je začelo praktično uporabo tranzistorjev v pevnem stanju. Pravi, da je DG Matrix leta to leto zbral 20 milijonov dolarjev in trenutno gradi tovarno v Severni Karolini, ki naj bi začela operirati kasneje letos z letnim proizvodniskim kapacitetom 1.000 enot. "Vstopamo v ogromen in nespremljen trg komercialnih in industrijskih mikro mrež," pravi. "Ljudje tega niso storili, ker je cena gradnje posameznih, prilagojenih mikro mrež previsoka."

DG Matrix ni edina podjetje, ki deluje na tem področju. Heron Power, startup, ustanovljen od prejšnjega zaposlenega Tesle Drew Baglino, je zbral 43 milijonov dolarjev in si prizadeva za izgradnjo svojih prvi tranzistorjev v pevnem stanju do leta 2027. Amperesand je lani zbral 12,5 milijonov dolarjev za nadaljnji razvoj tranzistorjev v pevnem stanju, ki se testirajo na singapurskem omrežju strme.

Velika elektronska podjetja so zainteresirana za to. Velikan električne opreme Eaton je mesec minjed dogovoril nakup Resilient Power Systems, ki je zbral 5 milijonov dolarjev leta 2021 za gradnjo in razširjanje svoje opreme za pretvorbo strme za nabiralne točke EV in druge okolja z visokim porabljanjem strme. Eaton bo vložil 55 milijonov dolarjev v podjetje ob zaključku transakcije; glede na finančno in tehnično učinkovitost Resilient Power v naslednjih nekaj letih bo Eaton morda plačal dodatnih 95 milijonov dolarjev.

"Veliko ljudi je na tej tehnologiji delalo več kot deset let," pravi Aidan Graham, senior vice president in general manager podjetja Eaton's Critical Power Solutions. Zdaj, s napredkom v nekaj ključnih inženirskih tehnologijah, ta tehnologija morda končno doživi svojo zlati doba – upravitelji in drugi instituti so začeli z njeno testiranjem.

Razvoj tranzistorjev v pevnem stanju

Eaton je dolgo leta delal na razvoju tranzistorjev v pevnem stanju. Podjetje še ni razkrilo, kako bo množično proizvodnjo in razširjanje tehnologije Resilient Power. Toda Graham pravi: "Raziskujemo več področij, vključno z nabiralnico EV in integracijo baterij v podatkovne centre in druge kritične okolja. 'Izguba strme celo za trenutek lahko ogrozi življenja ljudi in stane veliko denarja.'"

Michael Wood III, chief of staff v DG Matrix, pravi, da podjetje testira svojo opremo z podjetji, vključno z velikanom proizvodnje električne opreme ABB, severnokarolinškim upraviteljem strme Duke Energy in PowerSecure, velikim razvijalcem mikro mrež in sistemov strme za podatkovne centre, ki jih lastni upravitelj Southern Co.

"Najboljši način, da pridobiš naslednje gigavat, je zgraditi distribuirane sisteme," pravi Wood. "Danes potrebujete vse te naprave, da bi ti projekti delovali gladko. DG Matrix eliminira ravnotežje med vsemi temi sistemi in ga poenostavi v en sam sistem."

Inam pravi, da je cena uporabe tranzistorja v pevnem stanju DG Matrix samo polovica cene povezovanja tipičnih komponent mikro mreže na kraju z kombinacijo več tehničnih standardov. Poleg tega olajša hitro mešanje in spreminjanje opreme ali spremembo konfiguracije sistema podatkovnih centrov, nabiralnih točk EV in drugih potencialnih lokacij mikro mrež.

Torej, če so tranzistorji v pevnem stanju tako uporabna tehnologija, zakaj se le zdaj pojavljajo?

Ima dober razlog, da je trajalo tako dolgo, pravi Vlatko Vlatkovic, partner v Clean Energy Ventures, investitor v DG Matrix in starosta poslovanja General Electric za industrijsko elektrifikacijo, ki je letos pristopil k odboru startapa.

Omrežje strme se zelo zanaša na elektromehanske naprave, ki delujejo relativno preprosto in se v zadnjem stoletju bistveno niso spremenile. Čeprav je v zadnjih letih bil nek napredek, ki je omogočil naprave, kot so inverterji sončne strme ali pogoni EV, polprevodniki, ki omogočajo sodobno računalništvo, še niso bili široko uporabljeni v omrežju strme.

"Spodbujanje industrije, da uporablja več elektronike za strmo, je bila velika izziv," pravi Vlatkovic, še posebej pri višjih napetostih omrežja. Dokler nedavno, temeljna tehnologija "ni bila dovolj velika ali zanesljiva. Bilo je tehničnih težav."

Podobne izzive so imeli tudi tranzistorji v pevnem stanju v industrijskih aplikacijah z višjimi napetostmi, pravi Neal Dikeman, partner v Energy Transition Ventures, investitor v Resilient Power. Pravi, da sta pomagala nadaljnji napredek silicij-karbida polprevodnikov in izboljšava računalniške moči, ki je potrebna za učinkovito pretvarjanje strme. "Ampak to ni enostavno."

Inam, ki je pred priključitvijo DG Matrix leta 2023 služil kot glavni tehnološki direktor ponudnika kontrole strme Smart Wires, opozarja, da je startup moral rešiti več ključnih izzivov, da bi dosegel to točko.

Prvi, pri višjih napetostih je težko odvajati toplotno, ki jo ustvarja pretvorba AC-DC. Obdelava "elektromagnetnega šuma" ali motenj, ki jih povzroča ista visokofrekvenčna električna preklop. "Če ne veste, kako učinkovito zmanjšati šum, to vpliva na vse. Lahko povzroči pregrevanje, eksplozije in zmanjšanje učinkovitosti," pravi Inam.

Vendar pa reševanje teh izzivov prinaša tudi nagrade. "Naša tehnologija je zdaj dovolj zrela in sofisticirana, da lahko izdajamo zanesljivo opremo," pravi Vlatkovic.

Zakaj je zdaj pravo časa za tranzistorje v pevnem stanju

Čas ne more biti bolj pravočasen.

"Vse se elektrificira, od avtomobilov do industrije do stanovanj," pravi Vlatkovic. "Če pogledate projekcije strme, ki jo bo omrežje moralo dostaviti v naslednjih 10 do 20 let, videli boste, da moramo vsaj podvojiti zmogljivost omrežja. Nekateri projekti celo pravijo, da moramo trikrat povečati obstoječo zmogljivost."

Inam pravi, da je zadovoljitev potreb po strmi podatkovnih centrov posebno velika priložnost.

Ambiciozni načrti za umetno inteligenco tech giants postavljajo veliko bremena na omrežja strme upraviteljev v podatkovnih centerih, kot so Virginia, Georgia in Texas. To je spodbudilo razvijalce podatkovnih centrov, da iščejo načine, kako zmanjšati pritisok na omrežje strme, vključno z gradnjo generatorjev in baterij blizu ali na kraju.

"Tri velike probleme so hitrost oskrbe z strmo (stranka ne more dobiti strme dovolj hitro), cena strme in sposobnost agregacije več virov za fleksibilnost," pravi Inam. "Govorili smo s podjetnimi strankami z sto ali tisoč lokacij. Največji izziv, s katerim se soočajo, je, da morajo vsako lokacijo oblikovati od začetka. Iščejo gotovo rešitev za izziv, da namestejo 1.000 lokacij namesto ene."

Tranzistorji v pevnem stanju lahko pomagajo pri izpolnjevanju teh potreb, pravi Vlatkovic. "Od kompleksnih namestitvenih postopkov in več podjetij do enega podjetja, ki se skrbi za vse."

Več funkcij v manjših paketih

Graham iz Eaton pravi, da lahko "visoko gostota moči" pakiranja tudi shrani dragocene prostora v tesnih okoljih, kot so podatkovni centri in nabiralne točke EV. Tranzistorji v pevnem stanju lahko proizvajajo v tovarnah, kar zmanjša ceno in čas električnega dela na gradbišču. "S to ste to vrnila v kontrolirano proizvodno okolje," pravi Graham.

Dodatno, imeti eno napravo, ki lahko opravlja več nalog, poenostavi inženirski zahtevki, pravi Dickman.

"Če oblikujete kompleksen sistem z uporabo standardnih komponent, neuskladitev različnih naprav ne more v celoti zadovoljiti zahtev sistema. To poveča stroške in zmanjša učinkovitost," pravi. "To lahko rešite z prilagojeno opremo - toda to je dražje in tvegano. Ko se ukvarjate z sončno energijo, shranjevanjem energije in podatkovnimi centri, in ljudje, ki potrebujejo hitro premikati in potrebujejo nekaj zanesljivega in poceni, vse to se razpadne."

Joaquin Aguerre, direktor za strategični razvoj portfolija podjetja, pravi, da so vse te potencialne prednosti spodbudile razvijalca mikro mrež PowerSecure, da je začel pilotne teste vsaj dveh tehnologij tranzistorjev v pevnem stanju, vključno z testi v sodelovanju z DG Matrix. "Poskušamo biti na čelu te tehnologije."

PowerSecure je oblikoval in namestil več kot 2,4 gigavata zmogljivosti mikro mrež za stranke, od velikih maloprodajalcev in bolnišnic do upraviteljev strme in podatkovnih centrov. Podjetje se posebej osredotoča na tranzistorje v pevnem stanju za integracijo energetsko učinkovitih "hibridnih mikro mrež", ki združujejo "sončno energijo, shranjevanje energije, generatorje na plin, gorivo celice, nabiralnice EV - kar si lahko predstavljate," pravi Aguerre.

"Realna povpraševanje na trgu je začelo nastajati," pravi. Hkrati pa "večina teh podjetij še vedno v začetnih fazah.... Naslednji logičen korak je, da se izvedejo primerne pilotne projekti, da se opazijo realni uporabniški primeri na manjšem merilu" in preveri trdnost in zanesljivost relevantnih tehnologij.

Konec koncev, ne glede na kakšne pomanjkljivosti tradicionalnih tranzistorjev v primerjavi z moderno elektroniko za strmo, "te ne odpovedujejo pogosto," opozarja Aguerre. "Vsakdo pričakuje enako zanesljivost od katerega koli tranzistorja v pevnem stanju, ki ga gledajo."