Захоплення енергетичного майбутнього: Стратегічна еволюція технології твердотільних перетворювачів у Соединених Штатах

DG Matrix та Resilient Power стверджують, що їхні твердотільні трансформатори можуть знизити вартість, час і складність надання електроенергії даним центрам, зарядним станціям для електромобілів (ЕМ) та подібним. Протягом десятиліть електротехніки мріяли про пристрій, який може безшовно під’єднати сонячні панелі, системи акумуляторів та генератори на місці до високопотужного обладнання, такого як зарядні станції для ЕМ або сервери даних, без потреби у великої кількості дорогого обладнання, щоб зробити їх співпрацю.

Зараз ці пристрої, які називаються твердотільними трансформаторами, насправді починають входити на ринок — і їх поява не могла бути більш своєчасною.

Це тому, що технологія може бути ключем до вирішення масивних енергетичних потреб даних центрів, заводів та зарядних станцій для ЕМ, які можуть перегружати електромережу та заставляти комунальні підприємства спалювати більше вуглеводневих палив, що вносять до глобального потепління.

Наразі попит великих споживачів електроенергії перевищує можливості постачання електроенергії мережею США. Теоретично, цю проблему можна вирішити, дозволивши їм встановити власні сонячні панелі, акумулятори та генератори на місці — ідеально, мікрогрід — але це, на перший погляд, просте рішення насправді є надзвичайно складним та дорогим для реалізації.

Кожна сонячна система, акумулятор, топливний елемент, генератор чи інший джерело енергії на місці потребує багатьох видів обладнання — електрозахисних пристроїв, ізоляційних трансформаторів, підвищувальних та знижувальних трансформаторів, електронних перетворювачів — для безпечного перетворення постійного струму (DC) на перемінний (AC) і навпаки, а також для підвищення або зниження напруги, щоб задовольнити потреби різних навантажень в будівлі.

Твердотільні трансформатори можуть виконати всі ці функції лише одним пристроєм, контролюючи електроенергію так ж-flexibly, як маршрутизатор контролює потік даних. Це особливо цінно для управління обладнанням з високим енергетичним попитом (таким як зарядні станції для ЕМ) або обладнанням, яке надзвичайно чутливе до якості енергії (таким як серверні шафи в даних центрах).

Так каже Харун Інам, генеральний директор та співзасновник DG Matrix. DG Matrix — одна з невеликої кількості компаній, які почали впроваджувати твердотільні трансформатори в практичне використання. Він сказав, що DG Matrix зібрав $20 мільйонів у березні цього року і зараз будує завод у Північній Кароліні, який має почати роботу до кінця цього року з річною продуктивністю 1000 одиниць. "Ми входимо на великий і недостатньо обслугований комерційний та промисловий ринок мікрогрідів," - сказав він. "Люди цього не робили, оскільки вартість будівництва окремого, спеціального мікрогріду надто висока."

DG Matrix не є єдиною компанією, яка працює над цим. Стартап Heron Power, заснований бывшим сотрудником Tesla Дрю Баглино, привлек $43 миллиона и планирует построить свои первые твердотельные трансформаторы к 2027 году. Компания Amperesand привлекла $12,5 млн в прошлом году для продолжения разработки твердотельных трансформаторов, которые тестируются на электросети Сингапура.

Великі електронні компанії зацікавлені в цьому. Електротехнічний гігант Eaton погодився минулого місяця придбати Resilient Power Systems, яка зібрала $5 мільйонів у 2021 році для будівництва та розгортання свого обладнання для конвертації енергії для зарядних станцій ЕМ та інших високоенергетичних середовищ. Eaton вкладе $55 мільйонів у компанію при завершенні транзакції; в залежності від фінансової та технічної продуктивності Resilient Power протягом наступних кількох років Eaton може також сплатити додаткові $95 мільйонів.

"Багато людей працювали над цією технологією більше десятиліть," - сказав Айдан Грехем, старший віцепрезидент та генеральний директор бізнес-напрямку Eaton's Critical Power Solutions. Тепер, з прогресом в кількох ключових інженерних технологіях, ця технологія, можливо, нарешті має свою золоту епоху — комунальні підприємства та інші установи почали тестувати її.

Розвиток твердотільних трансформаторів

Eaton працює над дослідженнями та розробкою твердотільних трансформаторів багато років. Компанія поки що не розкривала, як масштабувати виробництво та розгортання технології Resilient Power. Але Грехем сказав: "Ми досліджуємо кілька областей, включаючи зарядні станції для ЕМ та інтеграцію акумуляторів в даних центри та інші критичні середовища. 'Навіть кратковременна втрата енергії може загрожувати життям людей та коштувати багато грошей.'"

Майкл Вуд III, голова офісу DG Matrix, сказав, що компанія проводить тестування свого обладнання з такими компаніями, як електротехнічний гігант ABB, комунальне підприємство Duke Energy у Північній Кароліні та PowerSecure, великий розробник мікрогрідів та систем електропостачання даних центрів, належний комунальному підприємству Southern Co.

"Найкращий спосіб отримати наступний гігаватт енергії — це будувати розподілені системи," - сказав Вуд. "Сьогодні вам потрібні всі ці пристрої, щоб ці проекти працювали гладко. DG Matrix усуває баланс між всіма цими системами та спрощує його до однієї системи."

Інам сказав, що вартість використання твердотільного трансформатора DG Matrix становить лише половину від вартості підключення типових компонентів мікрогріда на місці за допомогою комбінації різних технічних стандартів. Крім того, це спрощує швидке мішання та зміну обладнання або зміну конфігурації системи даних центрів, зарядних станцій для ЕМ та інших потенційних мікрогрідів.

Так чому ж твердотільні трансформатори лише зараз входяти в поле?

У цьому є хороша причина, сказав Влатко Влатковіч, партнер Clean Energy Ventures, інвестора DG Matrix, та ветеран бізнесу промислової електрифікації General Electric, який приєднався до ради директорів стартапу цього року.

Електромережа сильно залежить від електромеханічних пристроїв, які працюють відносно просто і мало змінювалися за останній століття. Незважаючи на деякий прогрес в останні роки, що зробив можливим пристрої, такі як сонячні інвертори або системи приводу ЕМ, напівпровідники, які роблять можливим сучасне обчислювання, не були широко використані в електромережі.

"Поступовий перехід індустрії на більше електронних пристроїв був великим викликом," - сказав Влатковіч, особливо на високих напругах електромережі. До недавнього часу базова технологія "не була достатньо великою або надійною. Були технічні проблеми."

Подібні виклики торкалися твердотільних трансформаторів в високонапіжних промислових застосуваннях, сказав Ніл Дікман, партнер Energy Transition Ventures, інвестора Resilient Power. Він сказав, що продовжені прогреси в напівпровідниках на основі карбіду сиру і покращення обчислювальної потужності, необхідної для ефективного перетворення енергії, допомогли. "Але це не легко."

Інам, який працював главним технологічним директором постачальника систем контролю енергії Smart Wires перед приєднанням до DG Matrix у 2023 році, зауважив, що стартапу довелося вирішити кілька ключових викликів, щоб досягти цієї точки.

По-перше, на високих напругах тепло, вироблене при перетворенні AC-DC, важко відводити. Обробка "електромагнітного шуму", або інтерференції, викликаної тим же високочастотним електричним комутуванням. "Якщо ви не знаєте, як ефективно знижувати шум, він впливає на все. Він може спричинити перегрів, вибухи та зниження продуктивності," - сказав Інам.

Проте, вирішення цих викликів також має свої переваги. "Наша технологія тепер достатньо зріла та сучасна, щоб ми могли запустити надійне обладнання," - сказав Влатковіч.

Чому зараз найкращий час для твердотільних трансформаторів

Час не міг бути кращим.

"Все електризується, від автомобілів до промисловості до житла," - сказав Влатковіч. "Якщо ви подивитесь на прогнози енергії, яку електромережа повинна доставляти на протязі наступних 10-20 років, ви побачите, що нам потрібно принаймні подвоїти ємність мережі. Деякі прогнози навіть говорять, що нам потрібно тричі збільшити існуючу ємність."

Інам сказав, що задоволення енергетичних потреб даних центрів — це особлива велика можливість.

Амбітні плани штучного інтелекту технологічних гігантів ставлять велику навантаження на електромережі комунальних підприємств в таких гарячих точках даних центрів, як Вірджінія, Джорджія та Техас. Це спонукало розробників даних центрів до пошуку способів зменшення навантаження на електромережу, включаючи будівництво генераторів та акумуляторів поруч або на місці.

"Три великих проблеми — це швидкість постачання енергії (клієнти не можуть отримати енергію настільки швидко, як хотіли б), вартість енергії та можливість агрегації багатьох ресурсів для гнучкості," - сказав Інам. "Ми розмовляли з корпоративними клієнтами, які мають сотні або тисячі сайтів. Найбільшим викликом для них є необхідність проектувати кожен сайт заново. Вони шукають готове рішення для виклику розгортання 1000 сайтів замість одного."

Твердотільні трансформатори можуть допомогти задовольнити ці потреби, сказав Влатковіч. "Від складних встановлень та багатьох компаній до однієї компанії, яка піклується про все."

Внесення більше функцій в менші пакети

Грехем з Eaton сказав, що "високогустинне" упаковування також може зберегти цінний простір в стислих середовищах, таких як даних центри та зарядні станції для ЕМ. Твердотільні трансформатори можна масово виробляти на заводі, зменшуючи вартість та час електротехнічних робіт на будівництві. "Ви повернули це в кероване виробнич