Att gripa den eldrivna framtiden: Den strategiska utvecklingen av fasttillståndstransformatorsteknik i USA

DG Matrix och Resilient Power säger att deras fasttillståndstransformatorer kan minska kostnaden, tiden och komplexiteten för att leverera ström till datacenter, laddningsstationer för elbilar (EV) och liknande. Under decennier har elektriska ingenjörer drömt om en enhet som kan sömlöst ansluta solpaneler, batterisystem och lokala generatorer till högeffektutrustning som EV-laddstationer eller dataservrar utan att det behövs ett stort antal dyra hårdvarukomponenter för att få dem att fungera tillsammans.

Nu börjar dessa enheter, kallade fasttillståndstransformatorer, faktiskt tränga in på marknaden - och deras uppkomst kunde inte vara mer läglig.

Detta beror på att teknologin kan vara nyckeln till att hantera de massiva strömförbrukningskraven hos datacenter, fabriker och laddningsstationer för elbilar, vilka kan överväldiga strömnätaget och leda till att energiföretag bränner mer fossilt bränsle som bidrar till den globala uppvärmningen.

För närvarande överskrider dessa stora strömförbrukares efterfrågan på elektricitet försörjningskapaciteten i USA:s strömnät. Teoretiskt sett skulle detta problem kunna lösas genom att tillåta dem att installera egna solpaneler, batterier och generatorer på plats - idealiskt mikronät - men denna synbart enkla lösning är i själva verket extremt komplex och kostsam att genomföra.

Varje solpanel, batteri, bränslecell, generator eller annan lokal strömkälla kräver flera enheter - elektriska skyddsanordningar, isoleringstransformatorer, spänningshöjande och spänningssänkande transformatorer, strömförvandlare - för att säkert konvertera likström (DC) till växelström (AC) eller vice versa, samt höja eller sänka spänningen för att möta behoven hos olika laster i ett byggnadsverk.

Fasttillståndstransformatorer kan uppnå alla dessa funktioner med bara en enhet, styra ström lika flexibelt som en router styr dataflöde. Detta är särskilt värdefullt för att hantera utrustning med höga strömförbrukningskrav (som EV-laddstationer) eller utrustning som är extremt känslig för strömkvalitet (som serverhyllor i datacenter).

Så säger Haroon Inam, VD och medgrundare av DG Matrix. DG Matrix är ett av de få företagen som har börjat sätta fasttillståndstransformatorer i praktisk användning. Han sa att DG Matrix samlade in 20 miljoner dollar i mars i år och bygger just nu en fabrik i North Carolina, som förväntas börja drift senare i år med en årlig produktionskapacitet på 1 000 enheter. "Vi går in i den stora och underbefolkade marknaden för kommersiella och industriella mikronät," sa han. "Folk har inte gjort det här eftersom kostnaden för att bygga ett enda, anpassat mikronät är för hög."

DG Matrix är inte det enda företaget som arbetar med detta. Heron Power, ett start-up-företag grundat av den tidigare Teslanivån Drew Baglino, har samlat in 43 miljoner dollar och syftar till att bygga sina första fasttillståndstransformatorer 2027. Amperesand samlade in 12,5 miljoner dollar förra året för att fortsätta utveckla fasttillståndstransformatorer som testas på Singapores strömnät.

Stora elektronikföretag är intresserade av detta. Elektriska utrustningsgiganten Eaton enades förra månaden om att förvärfva Resilient Power Systems, som samlade in 5 miljoner dollar 2021 för att bygga och distribuera sin strömförvandlingsutrustning för laddningsstationer för elbilar och andra högenergiförbrukande miljöer. Eaton kommer att investera 55 miljoner dollar i företaget vid avslutningen av transaktionen; beroende på Resilient Powers ekonomiska och tekniska prestanda under de kommande åren kan Eaton också betala ytterligare 95 miljoner dollar.

"Många människor har arbetat med denna teknologi i mer än ett decennium," sa Aidan Graham, senior vice president och general manager av Eatons Critical Power Solutions-näring. Nu, med framsteg i flera viktiga ingeniörs- och teknikområden, kan denna teknologi äntligen ha sin gyllene ålder - nätbolag och andra institutioner har börjat testa den.

Utviklingen av fasttillståndstransformatorer

Eaton har arbetat med forskning och utveckling av fasttillståndstransformatorer i många år. Företaget har ännu inte offentliggjort hur man ska skala upp produktionen och distributionen av Resilient Powers teknologi. Men Graham sa: "Vi undersöker flera områden, inklusive laddning av elbilar och integrering av batterier i datacenter och andra kritiska miljöer. 'Att mista ström även för en kort stund kan hota människors liv och kosta mycket pengar.'"

Michael Wood III, chef för DG Matrix, sa att företaget testar sin utrustning med företag inklusive den elektriska utrustningsgiganten ABB, North Carolinas nätbolag Duke Energy, och PowerSecure, en stor utvecklare av mikronät och strömsystem för datacenter som ägs av nätbolaget Southern Co.

"Den bästa sättet att få nästa gigawatt av energi är att bygga distribuerade system," sa Wood. "Idag behöver du all denna utrustning för att få dessa projekt att fungera smidigt. DG Matrix tar bort balansen mellan alla dessa system och förenklar det till ett enda system."

Inam sa att kostnaden för att använda DG Matrix fasttillståndstransformatorer är bara hälften så hög som att ansluta typiska lokala mikronätkomponenter med en kombination av flera tekniska standarder. Dessutom gör det det enklare att snabbt blanda och matcha utrustning eller ändra systemkonfigurationen för datacenter, laddningsstationer för elbilar och andra potentiella mikronätplatser.

Så om fasttillståndstransformatorer är en sådan användbar teknologi, varför tränger de sig in i fältet just nu?

Det finns en bra anledning till att det tagit så lång tid, sa Vlatko Vlatkovic, partner i Clean Energy Ventures, en investerare i DG Matrix och veteran från General Electrics industriella elektrifieringsnäring som anslöt till start-ups styrelse i år.

Strömnätet är starkt beroende av elektromekaniska enheter som fungerar relativt enkelt och har ändrats lite under det senaste århundradet. Trots vissa framsteg de senaste åren som har gjort det möjligt med enheter som solinverterare eller drivsystem för elbilar, har halvledare som gör modern datateknik möjlig inte använts i stort i strömnätet.

"Att driva industrin att använda mer strömelektronik har varit en enorm utmaning," sa Vlatkovic, särskilt vid högre nätspänningar. Tills nyligen var den underliggande tekniken "inte tillräckligt stor eller tillförlitlig. Det fanns tekniska problem."

Liknande utmaningar har plågat fasttillståndstransformatorer i högspänningsindustriella tillämpningar, sa Neal Dikeman, partner i Energy Transition Ventures, en investerare i Resilient Power. Han sa att fortsatta framsteg i siliciumkarbidhalvledare och förbättringar av beräkningskraften som behövs för att göra dem effektiva vid strömförvandling har hjälpt. "Men det är inte lätt."

Inam, som tjänstgjorde som CTO för nätströmkontrollleverantören Smart Wires innan han anslöt till DG Matrix 2023, noterade att start-up-företaget måste lösa flera viktiga utmaningar för att komma dit.

Först, vid höga spänningar är värmen som genereras av DC-AC-konvertering svår att avleda. Hantering av "elektromagnetisk brus", eller interferens orsakad av samma högfrekventa elektriska växling. "Om du inte vet hur du effektivt minimerar bruset, påverkar det allt. Det kan orsaka överhettning, explosioner och prestandaförsämring," sa Inam.

Men att lösa dessa utmaningar har också sina belöningar. "Vår teknik är nu mogen och sofistikerad nog för att vi kan lansera tillförlitlig utrustning," sa Vlatkovic.

Varför nu är rätt tidpunkt för fasttillståndstransformatorer

Tidpunkten kunde inte vara bättre.

"Allt elektrifieras, från bilar till industrier till bostäder," sa Vlatkovic. "Om du tittar på prognoser för hur mycket ström nätet kommer att behöva leverera under de kommande 10-20 åren, ser du att vi behöver minst fördubbla nätets kapacitet. Några prognoser säger till och med att vi behöver trippla den befintliga kapaciteten."

Inam sa att att möta strömförbrukningskraven för datacenter är en särskilt stor möjlighet.

De ambitiösa planerna för artificiell intelligens hos teknologigiganter ger ett enormt tryck på nätbolagens strömnät i datacenterhotspots som Virginia, Georgia och Texas. Detta har lett till att utvecklare av datacenter utforskar sätt att minska trycket på strömnätet, inklusive bygget av generatorer och batterier i närheten eller på plats.

"De tre stora problemen är hastigheten i strömförsörjningen (kunder kan inte få ström snabbt nog), kostnaden för ström, och möjligheten att aggregera flera resurser för flexibilitet," sa Inam. "Vi har pratat med företagskunder med hundra eller tusen platser. Den största utmaningen de står inför är att de måste designa varje plats från grunden. De letar efter en turnkey-lösning för utmaningen att distribuera 1 000 platser istället för en."

Fasttillståndstransformatorer kan hjälpa till att möta dessa behov, sa Vlatkovic. "Från komplexa installationer och flera företag till ett företag som tar hand om allt."

Att placera fler funktioner i mindre paket

Graham från Eaton sa att "hög strömförtäthet" i paketering också kan spara värdefull plats i trånga miljöer som datacenter och laddningsstationer för elbilar. Fasttillståndstransformatorer kan massproduceras i fabriker, vilket minskar kostnaden och tiden för elektrisk arbetskraft på byggarbetsplatser. "Du har tagit det tillbaka till ett kontrollerat tillverkningsmiljö," sa Graham.

Utöver detta, att ha en enda enhet som kan utföra flera uppgifter förenklar ingenjörskraven, sa Dickman.

"Om du designer ett komplext system med färdiga komponenter, kan olikheterna mellan olika enheter inte fullt ut möta systemets krav. Detta ökar kostnaden och minskar effektiviteten," sa han. "Du kan lösa detta problem med anpassade produkter - men det är dyrare och riskabelt. När du har med solenergi, energilagring och datacenter, och människor som måste röra sig snabbt och behöver något tillförlitligt och billigt, faller allt ihop."

Joaquin Aguerre, företagets direktör för strategisk portföljutveckling, sa att alla dessa potentiella fördelar har lett till att mikronätsutvecklaren PowerSecure lanserar pilotprojekt för minst två fasttillståndstransformatorstekniker, inklusive tester i samarbete med DG Matrix. "Vi försöker vara i spetsen för denna teknik."

PowerSecure har designat och installerat mer än 2,4 gigawatt mikronätkapacitet för kunder som varierar från stora detaljhandlare och sjukhus till nätbolag och datacenter. Företaget fokuserar särskilt på fasttillståndstransformatorer för att integrera energieffektiva "hybridmikronät" som kombinerar "sol, energilagring, naturgasgeneratorer, bränsleceller, laddning av elbilar - vad du än kan tänka dig," sa Aguerre.

"Den verkliga marknadsbehovet har börjat visa sig," sa han. Samtidigt, "de flesta av dessa företag är fortfarande i tidiga stadien.... Det logiska nästa steget är att genomföra lämpliga pilotprojekt för att observera reella kundfall på en mindre skala" och testa beständigheten och tillförlitligheten hos de relevanta teknologierna.

Efter allt, oavsett vilka nackdelar traditionella transformatorer har jämfört med framsynt strömelektronik, "misslyckas de inte ofta," pekade Aguerre ut. "Alla förväntar sig samma tillförlitlighet från vilken fasttillståndstransformator de än tittar på."