Geleceğin Enerjisini Yakalamak: Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Katı Hal Dönüşümü Teknolojisinin Stratejik Evrimi
DG Matrix ve Resilient Power, katı hal dönüştürücülerinin veri merkezlerine, elektrikli araç (EV) şarj merkezlerine ve benzeri yerlere güç sağlamanın maliyetini, süresini ve karmaşıklığını azaltabileceğini söylüyor. Onlarca yıldır, elektrik mühendisleri güneş panelleri, batarya sistemleri ve yerel jeneratörleri EV şarj cihazları veya veri merkezi sunucuları gibi yüksek güç gerektiren ekipmanlara sorunsuz bir şekilde bağlayabilecek, bu ekipmanların birlikte çalışması için büyük miktarlarda pahalı donanıma ihtiyaç duymadan işlev gösterebilecek bir cihaz hayal ediyorlardı.
Şimdi, katı hal dönüştürücü adı verilen bu cihazlar nihayet piyasaya girmeye başladı — ve görünüşleri daha da zamanında olamazdı.
Bu teknoloji, veri merkezleri, fabrikalar ve EV şarj merkezlerinin büyük güç taleplerini ele almak için anahtar olabilir. Bu talepler, güç ağını aşırı yükleyebilir ve enerji şirketlerinin küresel ısınmaya katkıda bulunan daha fazla fosil yakıt yakmasına neden olabilir.
Şu anda, bu büyük güç kullanıcılarının elektrik talebi ABD güç ağındaki arz kapasitesini aşmaktadır. Teorik olarak, bu sorun onların kendi güneş panellerini, bataryalarını ve jeneratörlerini kurmalarına izin verilerek çözülebilir — ideal olarak mikro ağlar — ancak bu görünen basit çözüm aslında uygulamada oldukça karmaşık ve pahalıdır.
Her bir güneş dizi, batarya, yakıt hücresi, jeneratör veya diğer yerel güç kaynağı, doğrudan akımı (DC) alternatif akıma (AC) veya tam tersi şekilde güvenli bir şekilde dönüştürmek ve binalardaki farklı yüklerin ihtiyaçlarını karşılamak için gerilimi yükseltmek veya düşürmek için birçok ekipman gerektirir — elektrik koruma cihazları, yalıtım dönüştürücüler, gerilim yükselteç ve indirgeyiciler, güç dönüştürücüler.
Katı hal dönüştürücüler, tüm bu işlevleri sadece bir cihazla gerçekleştirebilir, bir yönlendirici veri akışını kontrol etmesi gibi esnek bir şekilde elektriği kontrol edebilir. Bu, yüksek güç talep eden ekipmanlar (örneğin EV şarj cihazları) veya güç kalitesine son derece hassas ekipmanlar (örneğin veri merkezindeki sunucu rafları) yönetmek için özellikle değerlidir.
Böyle dedi DG Matrix'in CEO'su ve ortak kurucusu Haroon Inam. DG Matrix, katı hal dönüştürücülerin pratik kullanımına başlamış olan birkaç şirket arasında yer alıyor. O, DG Matrix'in bu yıl Mart ayında 20 milyon dolar topladığını ve şu an Kuzey Karolina'da bir fabrika inşa ettiğini söyledi. Fabrika, bu yılın sonlarına doğru yıllık 1.000 ünite üretim kapasitesiyle faaliyete geçmesi bekleniyor. "Büyük ve hizmet almayan ticari ve endüstriyel mikro ağ pazarına giriyoruz," dedi. "İnsanlar bunu yapmadı çünkü tek bir özel mikro ağı inşa etmenin maliyeti çok yüksek."
DG Matrix, bu konuda çalışan tek şirket değil. Tesla'nın eski çalışanı Drew Baglino tarafından kurulan Heron Power, 43 milyon dolar topladı ve 2027 yılına kadar ilk katı hal dönüştürücülerini inşa etmeyi amaçlıyor. Amperesand geçen yıl katı hal dönüştürücüler üzerinde çalışmaya devam etmek için 12,5 milyon dolar topladı ve bu dönüştürücüler Singapur'un güç ağı üzerinde test ediliyor.
Büyük elektronik şirketleri bu konuya ilgi duyuyor. Elektrik ekipmanı devi Eaton, geçen ay EV şarj merkezleri ve diğer yüksek enerji tüketen ortamlar için güç dönüştürme ekipmanları inşa etmek ve dağıtmak üzere 2021 yılında 5 milyon dolar toplayan Resilient Power Systems'i satın alma anlaşması yaptı. Eaton, işlem kapanışında şirkete 55 milyon dolar yatırım yapacak; Resilient Power'ın önümüzdeki birkaç yıl içindeki finansal ve teknik performansına bağlı olarak, Eaton ek 95 milyon dolar ödemek de mümkündür.
"Birçok kişi bu teknoloji üzerinde on yıldan fazla çalışıyor," dedi Eaton'ın Kritik Güç Çözümleri İşletmesi'nin genel müdürü ve üst düzey yönetici Aidan Graham. Şimdi, birkaç önemli mühendislik teknolojisindeki gelişmelerle, bu teknoloji nihayet altın çağını yaşıyor olabilir — hizmet sağlayıcılar ve diğer kurumlar test etmeye başlıyor.
Katı Hal Dönüştürücülerin Evrimi
Eaton, katı hal dönüştürücü araştırmaları ve geliştirme çalışmalarına yıllardır devam ediyor. Şirket, Resilient Power'ın teknolojisini üretiminin ve dağıtımının nasıl ölçeklendirileceği konusunda henüz bilgi vermedi. Ancak Graham şunu söyledi: "EV şarjı ve bataryaların veri merkezleri ve diğer kritik ortamlara entegrasyonu dahil olmak üzere birkaç alan üzerinde çalışıyor oluyoruz. 'Güç kaybı bile bir an için hayatları tehdit edebilir ve çok para kaybettirebilir.'"
DG Matrix'in genel müdür yardımcısı Michael Wood III, şirketin elektrik ekipmanı imalat devi ABB, Kuzey Karolina'daki Duke Energy ve Southern Co. tarafından sahip olunan büyük mikro ağ ve veri merkezi güç sistemi geliştiricisi PowerSecure ile ekipmanını test ettiklerini söyledi.
"Bir sonraki gigavat enerjiyi elde etmenin en iyi yolu dağıtılmış sistemler inşa etmektir," dedi Wood. "Bugün, bu projelerin sorunsuz çalışmasını sağlamak için tüm bu cihazlara ihtiyacınız var. DG Matrix, tüm bu sistemler arasındaki dengeyi ortadan kaldırır ve onu tek bir sisteme indirger."
Inam, DG Matrix'in katı hal dönüştürücüsünün kullanımı, çeşitli teknik standartların kombinasyonu kullanılarak tipik yerel mikro ağ bileşenlerini bağlamaktan sadece yarısı maliyetli olduğunu söyledi. Ayrıca, veri merkezleri, EV şarj merkezleri ve diğer potansiyel mikro ağ sitelerinde ekipmanları hızlı bir şekilde karıştırıp eşleştirip veya sistem yapılandırmasını değiştirmeyi kolaylaştırır.
Peki, katı hal dönüştürücüler böyle faydalı bir teknolojiyse, neden şimdiye kadar bu alanda girmiş değiller?
Bunun bu kadar uzun sürmesinin iyi bir nedeni var, dedi Clean Energy Ventures'ın ortağı ve General Electric'in endüstriyel elektrifikasyon işinde uzmanlaşmış olan Vlatko Vlatkovic, DG Matrix'e yatırım yapan ve bu yıl startup'ın yönetim kuruluna katılan bir kişi.
Güç ağı, son yüzyıl boyunca çok az değişen nispeten basit bir şekilde çalışan elektromekanik cihazlara büyük ölçüde bağımlıdır. Son yıllarda bazı ilerlemeler, güneş inversörleri veya EV sürücü sistemleri gibi cihazları mümkün kılmış olsa da, modern hesaplama imkanı sağlayan yarı iletkenler henüz güç ağında yaygın olarak kullanılmamıştır.
"Sektörü daha fazla güç elektronik cihazı kullanmaya zorlamak büyük bir zorluk oldu," dedi Vlatkovic, özellikle daha yüksek güç ağı gerilimlerinde. Yakın zamana kadar, temel teknoloji "yeterince büyük veya güvenilir değildi. Teknik sorunlar vardı."
Resilient Power'a yatırım yapan Energy Transition Ventures'ın ortağı Neal Dikeman, katı hal dönüştürücülerin yüksek gerilimli endüstriyel uygulamalarda benzer zorluklar yaşadığını söyledi. Silisyum karbür yarı iletkenlerdeki devamlı ilerlemeler ve güç dönüşümünde etkin olmak için gereken hesaplama gücündeki iyileştirmeler yardımcı olmuş, dedi. "Ama bu kolay değil."
Inam, 2023'te DG Matrix'e katılmadan önce grid güç kontrol sağlayıcısı Smart Wires'in baş teknoloji görevlisi olarak görev yaptı, ve girişimin bu noktaya ulaşmak için birkaç kilit zorluğu çözmek zorunda kaldığını belirtti.
Öncelikle, yüksek gerilimlerde AC-DC dönüştürmede üretilen ısı散发出去的热量难以消散。处理“电磁噪声”或由高频电切换引起的干扰。“如果你不知道如何有效减轻噪声，它会影响一切。它可能导致过热、爆炸和性能下降，”伊南说。 然而，解决这些挑战也有其回报。“我们的技术现在已经足够成熟和先进，可以推出可靠的设备，”弗拉特科维奇说。 ### 为什么现在是固态变压器的时代 时机再好不过了。 “从汽车到工业再到住宅，一切都正在电气化，”弗拉特科维奇说。“如果你看看未来10到20年电网需要提供的电力预测，你会发现我们需要至少将电网容量翻倍。有些预测甚至说我们需要将现有容量增加三倍。” 伊南表示，满足数据中心的电力需求是一个特别大的机会。 科技巨头雄心勃勃的人工智能计划给数据中心热点地区的公用事业电网带来了巨大压力，如弗吉尼亚州、乔治亚州和得克萨斯州。这促使数据中心开发商探索减少对电网压力的方法，包括在附近或现场建造发电机和电池。 “三大问题是供电速度（客户无法快速获得电力）、电力成本以及灵活聚合多种资源的能力，”伊南说。“我们与拥有数百或数千个站点的企业客户进行了交谈。他们面临的最大挑战是必须从头开始设计每个站点。他们正在寻找一种交钥匙解决方案，以应对部署1000个站点而不是一个站点的挑战。” 弗拉特科维奇说，固态变压器可以帮助满足这些需求。“从复杂的安装和多个公司到一家公司负责所有事情。” ### 将更多功能整合到更小的封装中 伊顿公司的格雷厄姆表示，“高功率密度”封装还可以在数据中心和电动汽车充电站等紧凑环境中节省宝贵的空间。固态变压器可以在工厂大规模生产，从而减少施工现场的电气劳动力成本和时间。“你已经将其带回了一个受控的制造环境，”格雷厄姆说。 此外，迪克曼表示，拥有一台可以执行多项任务的单一设备简化了工程要求。 “如果你使用现成的组件设计一个复杂的系统，不同设备之间的不匹配可能无法完全满足系统的要求。这会增加成本并降低效率，”他说。“你可以用定制产品解决这个问题——但这更昂贵且风险更大。当你处理太阳能、储能和数据中心时，人们需要快速行动，并需要可靠且廉价的东西，所有这些都会崩溃。” 该公司的战略组合开发总监华金·阿格雷表示，所有这些潜在优势促使微电网开发商PowerSecure至少启动了两种固态变压器技术的试点，包括与DG Matrix合作进行的测试。“我们试图走在这一技术的前沿。” PowerSecure为从大型零售商和医院到公用事业和数据中心的各种客户设计和安装了超过2.4吉瓦的微电网容量。该公司特别关注固态变压器，以整合高效的“混合微电网”，结合“太阳能、储能、天然气发电机、燃料电池、电动汽车充电——你能想到的一切，”阿格雷说。 “真正的市场需求已经开始出现，”他说。同时，“大多数这些公司仍处于早期阶段……下一步合乎逻辑的是进行适当的试点项目，在较小规模上观察实际客户用例，并测试相关技术的耐用性和可靠性。” 毕竟，无论传统变压器与尖端电力电子相比有何缺点，“它们并不经常失败，”阿格雷指出。“每个人都期望他们看到的任何固态变压器都具有同样的可靠性。”
