Pagkuha ng Kinabukasan sa Paggamit ng Kapangyarihan: Ang Strategikong Pag-unlad ng Teknolohiyang Solid-State Transformer sa Estados Unidos

Nagsasabi ang DG Matrix at Resilient Power na maaaring bawasan ng kanilang solid-state transformers ang halaga, oras, at hirap sa pagbibigay ng kuryente sa mga data center, hub para sa pag-charge ng sasakyan na elektriko (EV), at iba pa. Sa loob ng ilang dekada, nangangarunong ang mga electrical engineer ng isang aparato na makakonekta nang walang hiwa-hiwalay ang mga solar panel, battery systems, at lokal na generators sa mataas na kuryenteng kagamitan tulad ng EV chargers o mga server ng data center nang hindi kinakailangan ng malaking dami ng mahal na hardware upang gumana silang magkasama.

Ngayon, ang mga aparato na ito na tinatawag na solid-state transformers ay unti-unti nang pumasok sa merkado — at ang kanilang paglitaw ay hindi maaaring mas maopportunistic pa.

Ito ay dahil ang teknolohiya ay maaaring ang susi sa pag-aadress ng malaking pangangailangan sa kuryente ng mga data center, pabrika, at hub para sa pag-charge ng EV, na maaaring lumampas sa kakayahan ng power grid at maging sanhi ng utilities na sunugin ang mas maraming fossil fuels na nakakatulong sa global warming.

Kasalukuyan, ang pangangailangan sa kuryente ng mga malalaking konsumidor ng kuryente ay lumalampas sa kakayahan ng U.S. power grid. Teoretikal, maaari itong lutasin sa pamamagitan ng pagpayag sa kanila na mag-install ng sarili nilang solar panels, batteries, at generators on-site — ideyal na microgrids — ngunit ang napakadaling solusyon na ito ay talagang napakapinsala at mahal na ipatupad.

Ang bawat solar array, battery, fuel cell, generator, o iba pang lokal na source ng kuryente ay nangangailangan ng maraming kagamitan — mga electrical protection devices, isolation transformers, step-up at step-down transformers, power converters — upang ligtas na i-convert ang direct current (DC) sa alternating current (AC) o vice versa, at itaas o ibaba ang voltage upang tugunan ang pangangailangan ng iba't ibang loads sa isang gusali.

Maaaring maisakatuparan ng solid-state transformers ang lahat ng mga tungkulin na ito gamit ang iisang aparato, nagko-control ng kuryente nang katulad ng router na kontrolador ng flow ng data. Ito ay lalo na'y may halaga sa pag-manage ng high-power-demand equipment (tulad ng EV chargers) o equipment na napakalababo sa kalidad ng kuryente (tulad ng mga server racks sa data center).

Ganito ang sinabi ni Haroon Inam, CEO at co-founder ng DG Matrix. Isa siya sa iilan na kompanya na nagsimula nang ilapat ang solid-state transformers sa praktikal na uso. Sinabi niya na nakuha ng DG Matrix ang $20 million noong Marso ng taong ito at kasalukuyang binubuo ang isang pabrika sa North Carolina, na inaasahang magsisimula ng operasyon sa huling bahagi ng taon na may kapasidad ng 1,000 units taon-taon. "Papasok kami sa malaking at hindi napupuno na commercial at industrial microgrid market," sinabi niya. "Hindi ito ginawa ng mga tao dahil ang halaga ng paggawa ng iisang, custom microgrid ay napaka-mahal."

Hindi lang si DG Matrix ang kompanya na nagtatrabaho dito. Ang Heron Power, isang startup na itinatag ng dating empleyado ng Tesla na si Drew Baglino, ay nakuha ang $43 million at layuning itayo ang unang solid-state transformers sa 2027. Ang Amperesand ay nakuha ang $12.5 million noong nakaraang taon upang patuloy na pagbutihin ang solid-state transformers na kasalukuyang pinagsubok sa power grid ng Singapore.

Interesado ang mga malalaking electronics companies dito. Ang electrical equipment giant na Eaton ay sumang-ayon noong nakaraang buwan na bilhin ang Resilient Power Systems, na nakuha ang $5 million noong 2021 upang itayo at ilunsad ang kanilang power conversion equipment para sa EV charging hubs at iba pang mataas na energy-consuming environments. Ang Eaton ay mag-iinvest ng $55 million sa kompanya sa closing ng transaksyon; depende sa financial at technical performance ng Resilient Power sa susunod na ilang taon, maaari rin magbigay ang Eaton ng karagdagang $95 million.

"Maraming tao ang nagtrabaho sa teknolohiyang ito nang higit sa dekada," sinabi ni Aidan Graham, senior vice president at general manager ng Critical Power Solutions business ng Eaton. Ngayon, dahil sa mga pag-unlad sa ilang mahahalagang engineering technologies, maaaring wala nang hihintayin ang golden age ng teknolohiya — ang utilities at iba pang institusyon ay nagsisimula nang subukan ito.

Ebolusyon ng Solid-State Transformers

Matagal nang nagtrabaho ang Eaton sa solid-state transformer research and development. Hindi pa inihayag ng kompanya kung paano isasama ang paggawa at paglalapat ng teknolohiya ng Resilient Power. Ngunit sinabi ni Graham: "Kami ay nag-aaral ng ilang lugar, kasama ang EV charging at pag-integrate ng batteries sa mga data center at iba pang critical environments. 'Ang pagkawala ng kuryente kahit sandali lamang ay maaaring mapanganib ang buhay ng mga tao at magsanhi ng maraming gastos.'"

Sinabi ni Michael Wood III, chief of staff ng DG Matrix, na sinusubok ng kompanya ang kanilang kagamitan kasama ang mga kompanya tulad ng electrical equipment manufacturing giant na ABB, North Carolina utility na Duke Energy, at PowerSecure, isang malaking developer ng microgrid at data center power system na pinagmamay-ari ng utility na Southern Co.

"Ang pinakamahusay na paraan upang makakuha ng susunod na gigawatt ng enerhiya ay ang paggawa ng mga distributed systems," sinabi ni Wood. "Ngayon, kailangan mo ng lahat ng mga aparato na ito upang gumana nang maayos ang mga proyektong ito. Ang DG Matrix ay nagwawala ng balanse sa lahat ng mga sistema na ito at ginagawang simple ito sa iisang sistema."

Sinabi ni Inam na ang halaga ng paggamit ng solid-state transformer ng DG Matrix ay kalahati lamang ng halaga ng pagkonekta ng typical on-site microgrid components gamit ang kombinasyon ng maraming technical standards. Bukod dito, madali itong mag-mix at match ng mga kagamitan o baguhin ang sistema configuration ng mga data center, EV charging hubs, at iba pang potensyal na microgrid sites.

Kaya kung gaano kagamit ang solid-state transformers, bakit lang sila pumasok sa field ngayon?

May mabuting rason kung bakit ito naging matagal, ayon kay Vlatko Vlatkovic, isang partner sa Clean Energy Ventures, isang investor sa DG Matrix at isang veteran ng industrial electrification business ng General Electric na sumama sa board ng startup noong taong ito.

Ang power grid ay malaki ang pagbabatas ng electromechanical devices na gumagana nang relatibong simple at hindi masyadong nagbago sa loob ng nakaraang siglo. Bagama't may ilang pag-unlad sa mga nakaraang taon na nagawang posible ang mga aparato tulad ng solar inverters o EV drive systems, ang semiconductors na nagawang posible ang modern computing ay hindi pa lubhang ginamit sa power grid.

"Malaking hamon ang pagpapakilos ng industriya upang gamitin ang mas maraming power electronics," sinabi ni Vlatkovic, lalo na sa mas mataas na grid voltages. Hanggang kamakailan, ang teknolohiya "ay hindi sapat ang sukat o reliabilidad. May mga teknikal na problema."

Mga parehong hamon ang naging hadlang sa solid-state transformers sa high-voltage industrial applications, ayon kay Neal Dikeman, isang partner sa Energy Transition Ventures, isang investor sa Resilient Power. Sinabi niya na ang patuloy na pag-unlad ng silicon carbide semiconductors at improvements sa computing power na kinakailangan upang maging efficient sila sa power conversion ay nakatulong. "Pero hindi ito madali."

Si Inam, na siyang chief technology officer ng grid power control provider na Smart Wires bago sumama sa DG Matrix noong 2023, ay nagsalita na ang startup ay kailangang lutasin ang ilang mahahalagang hamon upang makarating sa puntong ito.

Una, sa mataas na voltages, mahirap idissipate ang init na gawa ng AC-DC conversion. Pag-handle ng "electromagnetic noise," o interference dulot ng parehong mataas na frequency electrical switching. "Kung hindi mo alam kung paano effectively mitigate the noise, it affects everything. Maaari itong maging sanhi ng overheating, explosions, at performance degradation," sinabi ni Inam.

Gayunpaman, mayroon ring gantimpala sa paglutas ng mga hamon na ito. "Ang aming teknolohiya ay sapat na mature at sophisticated ngayon na maaari namin ilunsad ang reliable equipment," sinabi ni Vlatkovic.

Saan Nagtatapos ng Oras para sa Solid-State Transformers

Ang oras ay hindi maaaring mas maopportunistic pa.

"Lahat ay nagiging elektriko, mula sa mga kotse hanggang sa industriya at tirahan," sinabi ni Vlatkovic. "Kung titignan mo ang projections ng kuryente na kailangan ng grid sa susunod na 10 to 20 taon, makikita mo na kailangan nating daluin ang grid capacity. Ang ilang projections ay nagsasabi na kailangan nating tatlong beses ang existing capacity."

Sinabi ni Inam na ang pag-satisfy ng pangangailangan sa kuryente ng mga data center ay isang partikular na malaking oportunidad.

Ang ambitous na artificial intelligence plans ng tech giants ay naglalagay ng malaking pasanin sa power grids ng utilities sa mga data center hotspots tulad ng Virginia, Georgia, at Texas. Ito ay nag-udyok sa mga developer ng data center na maghanap ng paraan upang bawasan ang presyon sa power grid, kasama ang paggawa ng mga generator at batteries nearby o on-site.

"Ang tatlong malaking problema ay ang bilis ng pag-supply ng kuryente (ang mga customer ay hindi mabilis makakuha ng kuryente), ang halaga ng kuryente, at ang kakayahang i-aggregate ang maraming resources para sa flexibility," sinabi ni Inam. "Nag-usap kami sa mga enterprise customers na may hundreds o thousands ng sites. Ang pinakamalaking hamon na kanilang kinakaharap ay ang kailangan nilang disenyo mula sa zero bawat site. Sila ay naghahanap ng turnkey solution sa challenge ng deployment ng 1,000 sites kaysa sa isang site."

Maaaring tumulong ang solid-state transformers sa pag-satisfy ng mga pangangailangan na ito, ayon kay Vlatkovic. "Mula sa complex installations at maraming kompanya hanggang sa iisang kompanya na nag-aalamin ng lahat."

Paglagay ng Mas Maraming Functions sa Mas Maliliit na Packages

Sinabi ni Graham ng Eaton na ang "high-power-density" packaging ay maaari ring makatipid sa mahalagang espasyo sa tight environments tulad ng mga data center at EV charging stations. Maaaring mass-produce ang solid-state transformers sa mga pabrika, na nagbabawas ng halaga at oras ng electrical labor sa construction sites. "Inuwi mo ito sa controlled manufacturing environment," sinabi ni Graham.

Bukod dito, ang pagkakaroon ng iisang aparato na maaaring gumawa ng maraming task ay simplifies ang engineering requirements, ayon kay Dickman.

"Kung gagawin mo ang isang complex system gamit ang off-the-shelf components, ang mismatch ng iba't ibang devices ay hindi maaaring fully meet the system's requirements. Ito ay nagdudulot ng mas mahal at mas mababa ang efficiency," sinabi niya. "Maaari kang lutasin ng custom products — pero ito ay mas mahal at mas riskier. Kapag kaugnay ng solar, energy storage, at data centers, at mga tao na kailangan ng mabilis na kilos at kailangan ng isang reliable at mura, lahat ng ito ay bumabagsak."

Sinabi ni Joaquin Aguerre, direktor ng strategic portfolio development ng kompanya, na ang lahat ng potensyal na benepisyo na ito ay nagpapahikayat sa microgrid developer na PowerSecure na ilunsad ang mga pilot ng hindi bababa sa dalawang solid-state transformer technologies, kasama ang mga test sa pakikipagtulungan kay DG Matrix. "We're trying to be at the forefront of this technology."

Ang PowerSecure ay disenyo at instalado ang higit sa 2.4 gigawatts ng microgrid capacity para sa mga customer mula sa malalaking retailers at ospital hanggang sa utilities at data centers. Partikular na nakatuon ang kompanya sa solid-state transformers upang i-integrate ang energy-efficient "hybrid microgrids" na naglalabas ng "solar, energy storage, natural gas generators, fuel cells, EV charging — anumang makakaisip ka," ayon kay Aguerre.

"Ang tunay na market demand ay nagsimula nang lumitaw," sinabi niya. Samantalang, "ang karamihan sa mga kompanyang ito ay nasa maagang yugto pa.... Ang susunod na logical step ay ang pag-conduct ng appropriate pilot projects upang makita ang real customer use cases sa mas maliit na scale" at subukan ang durability at reliability ng relevant technologies.

Sa huli, kahit ano ang mga disadvantages ng traditional transformers compared with cutting-edge power electronics, "hindi sila madalas bumagsak," sinabi ni Aguerre. "Inaasahan ng lahat ang parehong reliability mula sa anumang solid-state transformer ang kanilang hinahanap."