Usvajanje budućnosti energije: Strategijska evolucija tehnologije tranzistora na čvrstem stanju u Sjedinjenim Državama

DG Matrix i Resilient Power tvrde da mogu smanjiti troškove, vreme i složenost osiguranja struje za centra podataka, lokacije za punjenje električnih vozila (EV) i slično. Decenijama su električni inženjeri sanjali o uređaju koji može bez prekidno povezati solarne panele, baterijske sisteme i lokalne generatora sa opremom visokog potrošnog profila, poput EV punjaka ili servera u centrima podataka, bez potrebe za velikim količinama skupih hardverskih komponenti kako bi radili zajedno.

Sada, ti uređaji, poznati kao čvrste stanje transformatori, zapravo počinju da stizu na tržište — i njihov dolazak ne može biti timelijaniji.

To je zato što bi ova tehnologija mogla biti ključna za rešavanje ogromnih potreba za strujom centara podataka, fabrika i lokacija za punjenje EV, koje bi mogle pretjerano opteretiti mrežu i dovesti do toga da javne usluge gore više fosilnih goriva što doprinosi globalnom zagrevanju.

Trenutno, zahtevi ovih velikih potrošača struje premašuju snagu isporuke američke električne mreže. Teoretski, ovaj problem bi se mogao rešiti omogućavanjem im instalacije sopstvenih solarnih panela, baterija i generatora na mestu — idealno mikro-mreže — ali ovo činično jednostavno rešenje zapravo je ekstremno složeno i skupo za implementiranje.

Svaki solarni niz, baterija, gorivna celija, generator ili drugi lokalni izvor struje zahteva mnogo komada opreme — uređaje za elektro-zaštitu, izolacione transformatore, step-up i step-down transformatore, konvertere struje — kako bi sigurno prebacivali direktnu struju (DC) u izmeničnu struju (AC) i obrnuto, i prilagođavali napon različitim opterećenjima u građevini.

Čvrsti stanje transformatori mogu ostvariti sve ove funkcije samo jednim uređajem, upravljajući strujom tako fleksibilno kao što ruter kontroluje protok podataka. Ovo je posebno vrednovano za upravljanje opremom visokog potrošnog profila (poput EV punjaka) ili opremom koja je ekstremno osetljiva na kvalitet struje (poput redova servera u centrima podataka).

Tako kaže Haroon Inam, CEO i koosnivač DG Matrix. DG Matrix je jedna od malobrojnih kompanija koje je počela praktično koristiti čvrste stanje transformatore. Rekao je da je DG Matrix sakupio 20 miliona dolara u martu ove godine i trenutno gradi fabriku u Severnoj Karolini, koja se očekuje da počne sa radom kasnije ove godine sa godišnjom proizvodnjom od 1.000 jedinica. "Ulazimo u ogroman i nedovoljno iskorišćen tržište komercijalnih i industrijskih mikro-mreža," rekao je. "Ljudi to nisu radili jer je trošak izgradnje pojedinačne, prilagođene mikro-mreže bio previše visok."

DG Matrix nije jedina kompanija koja radi na tome. Heron Power, startap osnovan bivšim Tesla zaposlenim Drew Baglino, sakupio je 43 miliona dolara i ima za cilj da izgradi svoje prve čvrste stanje transformatore do 2027. Amperesand je sakupio 12,5 miliona dolara prošle godine kako bi nastavio razvijati čvrste stanje transformatore koji se testiraju na mreži Singapura.

Velike elektronske kompanije su zainteresovane za ovo. Električni opremni gigant Eaton je mesec dana nazad dogovorio kupovinu Resilient Power Systems, koja je sakupila 5 miliona dolara 2021. godine za izgradnju i deploument svoje opreme za konverziju struje za lokacije za punjenje EV i druge okruženja visokog potrošnog profila. Eaton će uložiti 55 miliona dolara u kompaniju na zatvaranju transakcije; u zavisnosti od finansijskog i tehničkog performansa Resilient Power-a u naredne godine, Eaton može platiti dodatnih 95 miliona dolara.

"Mnogi ljudi su radili na ovoj tehnologiji već desetlétima," rekao je Aidan Graham, senior vice president i generalni direktor Critical Power Solutions poslovanja Eatona. Sada, sa napretkom u nekoliko ključnih inženjerskih tehnologija, ova tehnologija možda konačno doživljava svoju zlatnu dobu — javne usluge i druge institucije počele su da je testiraju.

Evolucija čvrstih stanje transformatora

Eaton je radio na istraživanju i razvoju čvrstih stanje transformatora već godinama. Kompanija još uvek nije otkrila kako će skalirati proizvodnju i deploument tehnologije Resilient Power. Ali Graham je rekao: "Istražujemo nekoliko oblasti, uključujući punjenje EV i integrisanje baterija u centre podataka i druge kritične okruženja. 'Gubitak struje čak i na trenutak može prijetiti životima ljudi i koštati mnogo novca.'"

Michael Wood III, šef kabineta DG Matrix, rekao je da kompanija testira svoju opremu sa kompanijama uključujući giganta proizvodnje električne opreme ABB, utilitu Severne Karoline Duke Energy i PowerSecure, velikog razvojnog partnera mikro-mreža i sistema struje za centre podataka u vlasništvu utility Southern Co.

"Najbolji način da dobijete sledeće gigavate energije jeste da izgrađujete raspodeljene sisteme," rekao je Wood. "Danas trebate sve ove uređaje kako bi ta projekta radila gladko. DG Matrix eliminira ravnotežu između svih ovih sistema i pojednostavljuje ih u jedan sistem."

Inam je rekao da je trošak korišćenja čvrstog stanje transformatora DG Matrix samo polovina cene spajanja tipičnih komponenti lokalne mikro-mreže kombinacijom više tehničkih standarda. Takođe, olakšava brzo mešanje i zamenu opreme ili promenu konfiguracije sistema u centrima podataka, lokacijama za punjenje EV i drugim potencijalnim lokacijama mikro-mreža.

Znači, ako su čvrsti stanje transformatori takva korisna tehnologija, zašto oni tek sada ulaze u polje?

Postoji dobar razlog zašto je to trajalo toliko dugo, rekao je Vlatko Vlatković, partner u Clean Energy Ventures, investitoru DG Matrix i veteran poslovanja General Electric za industrijsku elektrifikaciju, koji je ove godine pridružio startupovoj upravnoj odboru.

Električna mreža se značajno oslanja na elektromehaničke uređaje koji relativno jednostavno rade i koji se malo promenili u proteklom veku. Iako je postignut neki napredak u poslednjih nekoliko godina, što je omogućilo da uređaji poput solarnih invertera ili sistema pogona EV budu mogući, poluprovodnici koji omogućavaju moderno računarstvo nisu široko korišćeni u električnim mrežama.

"Potiskivanje industrije da koristi više elektronike za snabdevanje strujom bilo je ogroman izazov," rekao je Vlatković, posebno na višim naponima mreže. Do nedavno, osnovna tehnologija "nije bila dovoljno velika ili pouzdarna. Bili su tehnički problemi."

Slični izazovi su mučili čvrste stanje transformatore u visokonaponskim industrijskim aplikacijama, rekao je Neal Dikeman, partner u Energy Transition Ventures, investitoru u Resilient Power. Nastavni napredak silicijum karbidnih poluprovodnika i poboljšanja računarske moći potrebne za efikasnu konverziju struje pomogli su. "Ali to nije lako."

Inam, koji je bio glavni tehnološki direktor Smart Wires, pružaoca usluga kontrole mrežne snage, pre nego što je 2023. godine pridružio DG Matrix, napomenuo je da je startup morao da reši nekoliko ključnih izazova kako bi došao do ove tačke.

Prvo, na visokim naponima, toplota generisana pretvorbom AC-DC je teška za disipaciju. Rukovanje "elektromagnetskim bukom", ili interferencijom uzrokovanom istim visokofrekventnim električnim prekidačima. "Ako ne znate kako efektivno mitigirati buku, utiče na sve. Može dovesti do pregrejavanja, eksplozija i smanjenja performansi," rekao je Inam.

Međutim, rešavanje ovih izazova takođe donosi svoje nagrade. "Naša tehnologija je sada dovoljno zrela i sofisticirana da možemo izdati pouzdane uređaje," rekao je Vlatković.

Zašto sada je vreme za čvrste stanje transformatore

Vreme ne može biti bolje.

"Sve se elektrificira, od automobila do industrije do stambenih objekata," rekao je Vlatković. "Ako pogledate projekcije koliko struje mreža treba da dostavi u narednih 10 do 20 godina, vidit ćete da moramo barem duplirati kapacitet mreže. Neke projekcije čak kažu da treba triputa povećati postojeću kapacitet."

Inam je rekao da je zadovoljenje potreba za strujom centara podataka posebno velika prilika.

Ambiciozni planovi tehničkih velikanaca za umetnu inteligenciju stavljaju ogroman opterećenje na mreže javnih usluga u top lokacijama centara podataka, poput Virginije, Georgije i Teksasa. To je podstaklo razvojne partnere centara podataka da istražuju načine smanjenja pritiska na mrežu, uključujući gradnju generatora i baterija blizu ili na mestu.

"Tri velika problema su brzina snabdevanja strujom (klijenti ne mogu dobiti struju dovoljno brzo), cena struje i sposobnost agregiranja više resursa za fleksibilnost," rekao je Inam. "Razgovarali smo sa korporativnim klijentima sa stotinama ili hiljadama lokacija. Najveći izazov koji suočavaju jeste da moraju dizajnirati svaku lokaciju od nule. Traže gotovo rešenje za izazov raspoređivanja 1.000 lokacija umesto jedne."

Čvrsti stanje transformatori mogu pomoći da se ispune ovi potrebe, rekao je Vlatković. "Od složenih instalacija i više kompanija do jedne kompanije koja se brine o svemu."

Stavljanje više funkcija u manje pakete

Graham iz Eatona rekao je da "visoka gustoća snage" pakovanja takođe može uštedeti dragoceno prostora u tesnim okruženjima, poput centara podataka i lokacija za punjenje EV. Čvrsti stanje transformatori mogu biti masovno proizvedeni u fabrikama, smanjujući troškove i vreme električnog rada na građevinskim lokacijama. "Vratili ste to u kontrolisanu proizvodnu sredinu," rekao je Graham.

Takođe, imanje jednog uređaja koji može obavljati više zadataka pojednostavljuje inženjerske zahteve, rekao je Dickman.

"Ako dizajnirate složen sistem koristeći komponente sa policama, neusaglašenost različitih uređaja ne može u potpunosti ispuniti zahteve sistema. To povećava troškove i smanjuje efikasnost," rekao je. "Možete rešiti taj problem prilagođenim proizvodima — ali to je skuplje i rizičnije. Kada se bavite solarnom energijom, skladištenjem energije i centrima podataka, ljudima koji treba da brzo kreću i treba nešto pouzdano i jeftino, sve to se rasipa."

Joaquin Aguerre, direktor za strategijski razvoj portfelja kompanije, rekao je da su svi ovi potencijalni prednosti potaknuli razvojnog partnera mikro-mreža PowerSecure da pokrene pilot projekte najmanje dve tehnologije čvrstih stanje transformatora, uključujući testove u saradnji sa DG Matrix. "Pokušavamo biti na vrhu ove tehnologije."

PowerSecure je dizajnirao i instalirao preko 2,4 gigavata kapaciteta mikro-mreža za klijente od velikih trgovaca i bolnica do javnih usluga i centara podataka. Kompanija se posebno fokusira na čvrste stanje transformatore za integraciju energetski efikasnih "hibridnih mikro-mreža" koje kombiniraju "solarne panele, skladištenje energije, generatori na plin, gorivne celije, punjenje EV — sve što možete zamisliti," rekao je Aguerre.

"Stvarna tržišna potreba je počela da se pojavljuje," rekao je. Istovremeno, "većina ovih kompanija još uvek je u ranim fazama.... Sledeći logičan korak jeste da se provedu odgovarajući pilot projekti kako bi se promatrani realni slučajevi korišćenja klijenata na manjoj skali" i testirala otpornost i pouzdanost relevantnih tehnologija.

Nakon svega, bez obzira na sve mane tradicionalnih transformatora u poređenju sa savremenim elektronikom za snabdevanje strujom, "oni retko padaju," napomenuo je Aguerre. "Svi očekuju istu pouzdanost od bilo kog čvrstog stanje transformatora na koji gledaju."