Chớp lấy tương lai năng lượng: Sự tiến hóa chiến lược của công nghệ biến áp trạng thái rắn ở Hoa Kỳ

DG Matrix và Resilient Power cho biết các biến áp trạng thái rắn của họ có thể giảm chi phí, thời gian và độ phức tạp trong việc cung cấp điện cho các trung tâm dữ liệu, trạm sạc xe điện (EV) và các nơi tương tự. Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư điện đã mơ ước về một thiết bị có thể kết nối liền mạch các tấm pin mặt trời, hệ thống pin và máy phát điện tại chỗ với các thiết bị công suất cao như bộ sạc EV hoặc máy chủ trung tâm dữ liệu mà không cần đến một lượng lớn phần cứng đắt tiền để làm cho chúng hoạt động cùng nhau.

Bây giờ, những thiết bị được gọi là biến áp trạng thái rắn đang bắt đầu ra thị trường — và sự xuất hiện của chúng không thể kịp thời hơn.

Điều này là vì công nghệ có thể là chìa khóa để giải quyết nhu cầu điện năng khổng lồ của các trung tâm dữ liệu, nhà máy và trạm sạc EV, những thứ có thể làm quá tải lưới điện và khiến các công ty điện phải đốt cháy nhiều nhiên liệu hóa thạch hơn, góp phần gây nên biến đổi khí hậu.

Hiện nay, nhu cầu điện của những người dùng điện lớn vượt quá khả năng cung cấp của lưới điện Hoa Kỳ. Về lý thuyết, vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách cho phép họ lắp đặt các tấm pin mặt trời, pin và máy phát điện tại chỗ — lý tưởng nhất là các microgrid — nhưng giải pháp看似您需要的是越南语的翻译，但最后一部分内容似乎有些偏差，我将直接提供正确的越南语翻译内容，确保符合您的要求： ```html

Hiện nay, nhu cầu điện của những người dùng điện lớn vượt quá khả năng cung cấp của lưới điện Hoa Kỳ. Về lý thuyết, vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách cho phép họ lắp đặt các tấm pin mặt trời, pin và máy phát điện tại chỗ — lý tưởng nhất là các microgrid — nhưng giải pháp dường như đơn giản này thực tế lại cực kỳ phức tạp và tốn kém để triển khai.

Mỗi mảng pin mặt trời, pin, tế bào nhiên liệu, máy phát điện hoặc nguồn điện tại chỗ khác yêu cầu nhiều thiết bị — thiết bị bảo vệ điện, biến áp cách ly, biến áp tăng và giảm điện áp, bộ chuyển đổi điện — để an toàn chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) hoặc ngược lại, và để nâng hoặc hạ điện áp để đáp ứng nhu cầu của các tải khác nhau trong một tòa nhà.

Các biến áp trạng thái rắn có thể thực hiện tất cả các chức năng này chỉ với một thiết bị, kiểm soát điện năng linh hoạt như một bộ định tuyến kiểm soát luồng dữ liệu. Điều này đặc biệt quý giá cho việc quản lý thiết bị có nhu cầu công suất cao (như bộ sạc EV) hoặc thiết bị cực kỳ nhạy cảm với chất lượng điện (như giá đỡ máy chủ trong các trung tâm dữ liệu).

Vì vậy, theo Haroon Inam, CEO và đồng sáng lập của DG Matrix. DG Matrix là một trong số ít công ty đã bắt đầu đưa các biến áp trạng thái rắn vào sử dụng thực tế. Ông nói rằng DG Matrix đã huy động được 20 triệu đô la vào tháng 3 năm nay và hiện đang xây dựng một nhà máy ở Bắc Carolina, dự kiến sẽ bắt đầu hoạt động vào cuối năm nay với công suất sản xuất hàng năm là 1.000 đơn vị. "Chúng tôi đang bước vào thị trường microgrid thương mại và công nghiệp lớn và chưa được phục vụ đầy đủ," ông nói. "Người ta chưa làm điều này bởi vì chi phí xây dựng một microgrid tùy chỉnh duy nhất là quá cao."

DG Matrix không phải là công ty duy nhất đang làm việc trên lĩnh vực này. Heron Power, một startup do cựu nhân viên Tesla Drew Baglino thành lập, đã huy động được 43 triệu đô la và nhằm mục đích xây dựng các biến áp trạng thái rắn đầu tiên của mình vào năm 2027. Amperesand đã huy động 12,5 triệu đô la vào năm ngoái để tiếp tục phát triển các biến áp trạng thái rắn đang được thử nghiệm trên lưới điện Singapore.

Các công ty điện tử lớn cũng quan tâm đến điều này. Tập đoàn thiết bị điện Eaton đã đồng ý mua lại Resilient Power Systems vào tháng trước, công ty này đã huy động được 5 triệu đô la vào năm 2021 để xây dựng và triển khai thiết bị chuyển đổi điện năng cho các trạm sạc EV và các môi trường tiêu thụ năng lượng cao. Eaton sẽ đầu tư 55 triệu đô la vào công ty khi giao dịch hoàn tất; tùy thuộc vào hiệu suất tài chính và kỹ thuật của Resilient Power trong vài năm tới, Eaton có thể trả thêm 95 triệu đô la.

"Rất nhiều người đã nghiên cứu công nghệ này trong hơn một thập kỷ," Aidan Graham, phó chủ tịch cấp cao và tổng giám đốc của mảng Giải pháp Năng lượng Quan trọng của Eaton, nói. Bây giờ, với sự tiến bộ của một số công nghệ kỹ thuật chính, công nghệ này có thể cuối cùng cũng đang có thời đại vàng của nó — các công ty điện và các tổ chức khác đã bắt đầu thử nghiệm nó.

Sự Phát Triển Của Các Biến Áp Trạng Thái Rắn

Eaton đã nghiên cứu và phát triển biến áp trạng thái rắn trong nhiều năm. Công ty vẫn chưa tiết lộ cách mở rộng quy mô sản xuất và triển khai công nghệ của Resilient Power. Nhưng Graham nói: "Chúng tôi đang khám phá một số lĩnh vực, bao gồm sạc EV và tích hợp pin vào các trung tâm dữ liệu và các môi trường quan trọng khác. 'Việc mất điện ngay cả trong một khoảnh khắc cũng có thể đe dọa tính mạng con người và gây thiệt hại lớn về tiền bạc.'"

Michael Wood III, trưởng phòng của DG Matrix, cho biết công ty đang thử nghiệm thiết bị của mình với các công ty bao gồm tập đoàn sản xuất thiết bị điện ABB, công ty điện Duke Energy ở North Carolina, và PowerSecure, một nhà phát triển hệ thống điện lớn cho microgrid và trung tâm dữ liệu thuộc sở hữu của công ty điện Southern Co.

"Cách tốt nhất để có được gigawatt năng lượng tiếp theo là xây dựng các hệ thống phân tán," Wood nói. "Ngày nay, bạn cần tất cả những thiết bị này để làm cho các dự án này hoạt động suôn sẻ. DG Matrix loại bỏ sự cân bằng giữa tất cả các hệ thống này và đơn giản hóa nó thành một hệ thống duy nhất."

Inam cho biết chi phí sử dụng biến áp trạng thái rắn của DG Matrix chỉ bằng một nửa so với việc kết nối các thành phần microgrid tại chỗ thông thường bằng cách kết hợp nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật. Ngoài ra, nó giúp dễ dàng hơn để nhanh chóng kết hợp và thay đổi thiết bị hoặc cấu hình hệ thống của các trung tâm dữ liệu, trạm sạc EV và các địa điểm microgrid tiềm năng khác.

Vậy nếu biến áp trạng thái rắn là một công nghệ hữu ích như vậy, tại sao chúng mới chỉ bắt đầu xuất hiện?

Có lý do tốt để nó mất nhiều thời gian như vậy, Vlatko Vlatkovic, một đối tác của Clean Energy Ventures, một nhà đầu tư của DG Matrix và một chuyên gia lâu năm trong lĩnh vực điện hóa công nghiệp của General Electric, người đã tham gia hội đồng quản trị của startup này năm nay, nói.

Lưới điện phụ thuộc rất nhiều vào các thiết bị điện cơ học hoạt động tương đối đơn giản và hầu như không thay đổi trong suốt thế kỷ qua. Mặc dù có một số tiến bộ trong những năm gần đây đã làm cho các thiết bị như bộ nghịch đảo mặt trời hoặc hệ thống truyền động EV trở nên khả thi, các bán dẫn làm cho máy tính hiện đại trở nên có thể không được sử dụng rộng rãi trong lưới điện.

"Đẩy ngành công nghiệp sử dụng nhiều thiết bị điện năng hơn đã là một thách thức lớn," Vlatkovic nói, đặc biệt là ở các điện áp lưới điện cao hơn. Cho đến gần đây, công nghệ cơ bản "chưa đủ lớn hoặc đáng tin cậy. Có những vấn đề kỹ thuật."

Những thách thức tương tự đã làm phiền biến áp trạng thái rắn trong các ứng dụng công nghiệp điện áp cao, Neal Dikeman, một đối tác của Energy Transition Ventures, một nhà đầu tư của Resilient Power, nói. Ông cho biết sự tiến bộ liên tục của bán dẫn cacbon silic và cải thiện sức mạnh tính toán cần thiết để làm cho chúng hiệu quả trong việc chuyển đổi điện năng đã giúp. "Nhưng điều đó không hề dễ dàng."

Inam, người từng là giám đốc công nghệ của nhà cung cấp kiểm soát điện lưới Smart Wires trước khi tham gia DG Matrix vào năm 2023, lưu ý rằng startup đã phải giải quyết một số thách thức chính để đến được điểm này.

Đầu tiên, ở điện áp cao, nhiệt sinh ra từ quá trình chuyển đổi AC-DC khó tản nhiệt. Xử lý "tiếng ồn điện từ," hoặc nhiễu do chuyển mạch điện tần số cao gây ra. "Nếu bạn không biết cách giảm thiểu tiếng ồn hiệu quả, nó ảnh hưởng đến mọi thứ. Nó có thể gây ra quá nhiệt, nổ và giảm hiệu suất," Inam nói.

Tuy nhiên, giải quyết những thách thức này cũng có phần thưởng của nó. "Công nghệ của chúng tôi hiện đã đủ chín chắn và tinh vi để chúng tôi có thể ra mắt thiết bị đáng tin cậy," Vlatkovic nói.

Tại Sao Thời Điểm Hiện Tại Là Thời Gian Đúng Đắn Cho Các Biến Áp Trạng Thái Rắn

Thời điểm không thể tốt hơn.

"Tất cả mọi thứ đều đang điện hóa, từ ô tô đến công nghiệp đến nhà ở," Vlatkovic nói. "Nếu bạn nhìn vào các dự đoán về năng lượng mà lưới điện sẽ cần cung cấp trong 10 đến 20 năm tới, bạn sẽ thấy rằng chúng ta cần ít nhất gấp đôi công suất lưới điện. Một số dự đoán thậm chí còn nói rằng chúng ta cần gấp ba lần công suất hiện tại."

Inam cho biết việc đáp ứng nhu cầu điện của các trung tâm dữ liệu là một cơ hội lớn.

Các kế hoạch trí tuệ nhân tạo tham vọng của các gã khổng lồ công nghệ đang đặt gánh nặng lớn lên lưới điện của các công ty điện ở các điểm nóng trung tâm dữ liệu như Virginia, Georgia và Texas. Điều này đã thúc đẩy các nhà phát triển trung tâm dữ liệu tìm kiếm cách giảm áp lực lên lưới điện, bao gồm việc xây dựng máy phát điện và pin gần hoặc tại chỗ.

"Ba vấn đề lớn là tốc độ cung cấp điện (khách hàng không thể nhận điện nhanh đủ), chi phí điện, và khả năng kết hợp nhiều nguồn lực cho tính linh hoạt," Inam nói. "Chúng tôi đã nói chuyện với các khách hàng doanh nghiệp có hàng trăm hoặc hàng nghìn địa điểm. Thách thức lớn nhất họ gặp phải là phải thiết kế mỗi địa điểm từ đầu. Họ đang tìm kiếm một giải pháp chìa khóa trao tay cho thách thức triển khai 1.000 địa điểm thay vì một."

Các biến áp trạng thái rắn có thể giúp đáp ứng những nhu cầu này, Vlatkovic nói. "Từ các cài đặt phức tạp và nhiều công ty sang một công ty chăm sóc tất cả."

Đặt Nhiều Chức Năng Hơn Vào Các Gói Nhỏ Hơn

Graham của Eaton cho biết "bộ đóng gói mật độ công suất cao" cũng có thể tiết kiệm không gian quý giá trong các môi trường chật hẹp như các trung tâm dữ liệu và trạm sạc EV. Các biến áp trạng thái rắn có thể được sản xuất hàng loạt trong nhà máy, giảm chi phí và thời gian lao động điện tại công trường. "Bạn đã đưa nó trở lại vào một môi trường sản xuất được kiểm soát," Graham nói.

Ngoài ra, việc có một thiết bị có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ giúp đơn giản hóa yêu cầu kỹ thuật, Dickman nói.

"Nếu bạn thiết kế một hệ thống phức tạp bằng các thành phần sẵn có, sự không khớp của các thiết bị khác nhau không thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu của hệ thống. Điều này làm tăng chi phí và giảm hiệu quả," ông nói. "Bạn có thể giải quyết vấn đề này bằng các sản phẩm tùy chỉnh — nhưng điều đó tốn kém và rủi ro hơn. Khi bạn đang đối mặt với các tấm pin mặt trời, lưu trữ năng lượng và trung tâm dữ liệu, và những người cần di chuyển nhanh chóng và cần thứ gì đó đáng tin cậy và rẻ, tất cả điều này tan vỡ."

Joaquin Aguerre, giám đốc phát triển danh mục chiến lược của công ty, cho biết tất cả những lợi thế tiềm năng này đã thúc đẩy nhà phát triển microgrid PowerSecure khởi chạy các thí điểm ít nhất hai công nghệ biến áp trạng thái rắn, bao gồm các thử nghiệm hợp tác với DG Matrix. "Chúng tôi đang cố gắng đi đầu trong công nghệ này."

PowerSecure đã thiết kế và lắp đặt hơn 2,4 gigawatt công suất microgrid cho các khách hàng từ các nhà bán lẻ lớn và bệnh viện đến các công ty điện và trung tâm dữ liệu. Công ty đặc biệt tập trung vào các biến áp trạng thái rắn để tích hợp các "microgrid lai" hiệu quả năng lượng kết hợp "năng lượng mặt trời, lưu trữ năng lượng, máy phát điện khí thiên nhiên, tế bào nhiên liệu, sạc EV — bất cứ điều gì bạn có thể nghĩ đến," Aguerre nói.

"Nhu cầu thị trường thực sự đã bắt đầu xuất hiện," ông nói. Đồng thời, "hầu hết các công ty này vẫn còn ở giai đoạn đầu.... Bước tiếp theo hợp lý là thực hiện các dự án thí điểm phù hợp để quan sát các trường hợp sử dụng thực tế của khách hàng trên quy mô nhỏ hơn" và kiểm tra độ bền và độ tin cậy của các công nghệ liên quan.

Sau cùng, bất kể các biến áp truyền thống có những nhược điểm nào so với các thiết bị điện năng tiên tiến, "chúng không thường xuyên hỏng," Aguerre nhấn mạnh. "Mọi người đều mong đợi cùng một mức độ đáng tin cậy từ bất kỳ biến áp trạng thái rắn nào họ đang xem xét."