Твердотельные трансформаторы могут разгрузить сети на фоне бума ИИ

Трансформаторы, важная, но почти незаметная часть электросети: они повышают и понижают напряжение, чтобы электричество эффективно шло на большие расстояния. Их базовая конструкция почти не менялась около века, а сами устройства сложны и в дефиците. Рост спроса на электроэнергию от электромобилей, дата-центров и других потребителей заставляет исследователей и компании искать им замену. Одна из идей, твердотельные трансформаторы.

Обычный трансформатор, это по сути катушки медной проволоки на сердечнике из специальной электротехнической стали; число витков определяет, повышается напряжение или понижается. Твердотельная версия сочетает магнитные компоненты с мощными полупроводниками (силовой электроникой). Такой трансформатор сам управляет частотой тока: сначала переводит переменный ток из сети в постоянный, затем с помощью переключателей на полупроводнике вроде карбида кремния, в переменный ток более высокой частоты, потом магнитный компонент меняет напряжение, а дополнительная электроника возвращает ток к нужному виду. Благодаря этому магнитный сердечник можно сделать гораздо меньше: по словам профессора электротехники и компьютерной инженерии Университета штата Северная Каролина Срджана Лукича, некоторые образцы примерно в десять раз меньше при той же мощности. Кроме того, твердотельный трансформатор берёт на себя работу выпрямителей и инверторов, что уменьшает занимаемое место и потенциально снижает потери энергии в системе.

В августе Управление электроэнергетики штата Нью-Йорк (New York Power Authority) и Институт исследований электроэнергетики EPRI испытали твердотельный трансформатор мощностью один мегаватт в реалистичных условиях на площадке EPRI. Устройство собрали в лаборатории Лукича; по его словам, это первое подобное испытание трансформатора такой мощности. КПД прототипа, примерно 98% (теряется лишь 2% подаваемой энергии), тогда как у эквивалентной связки обычного трансформатора и выпрямителя он около 96%. По оценке Лукича, это означает, что твердотельный вариант мог бы вдвое сократить потери по сравнению с обычным оборудованием. Одна из целей проекта, повысить доверие энергокомпаний к новым устройствам. Прототип работает при примерно 15 000 вольт, это относительно низкое напряжение; для крупных дата-центров, которым нужны более высокие напряжения, и линий электропередачи, работающих при сотнях тысяч вольт, нужна дополнительная инженерная проработка.

Самые мощные трансформаторы для подключения электростанций и магистральных линий, «священный Грааль» отрасли, по выражению Лукича: существующая твердотельная технология для них пока не подходит, нужны новые материалы и конструкции. Поэтому разработчики сейчас сосредоточены на дата-центрах: туда идут деньги, а требования к напряжению ниже. В ближайшей перспективе такие трансформаторы могут питать серверные стойки внутри дата-центров.

Стартап Heron Power в феврале привлёк 140 млн долларов на коммерциализацию своего твердотельного трансформатора Heron Link. По словам основателя и гендиректора Дрю Баглино, технологию можно применять в дата-центрах, солнечных электростанциях и сетевых накопителях. Компания переходит к испытаниям в больших масштабах: батареи ёмкостью 10 МВт·ч в штаб-квартире в Скоттс-Вэлли (Калифорния) скоро проверят с трансформаторами Heron, также планируется пилот с соседней солнечной фермой. Слабое место подобных устройств, больше возможных видов отказов силовой электроники, чем у обычных трансформаторов, где поломка отключает всё устройство. Heron использует модульную конструкцию из множества небольших блоков: при отказе одного остальные продолжают работать, пока его не заменят. Компания строит в Калифорнии завод стоимостью 100 млн долларов; производство должно начаться в 2027 году, а выход на полную мощность, 40 ГВт трансформаторов в год, ожидается в 2029-м.

Фон, дефицит. По словам Бенджамина Буше, аналитика цепочек поставок Wood Mackenzie, производители сетевого оборудования недавно вложили 1,7 млрд долларов в американскую цепочку поставок силовых трансформаторов (высоковольтная передача) и ещё 1,3 млрд, в распределительные трансформаторы. Но и эти инвестиции не поспевают за ростом сети: ожидание крупных обычных трансформаторов растягивается до пяти лет. Новые производства запустить трудно, так как процесс технически сложен и требует специализированной рабочей силы, поэтому даже объявленные несколько лет назад заводы откроются нескоро. Твердотельные трансформаторы могут смягчить часть этого давления.

Ключевые факты

В августе New York Power Authority и EPRI испытали прототип твердотельного трансформатора на один мегаватт, собранный в лаборатории Срджана Лукича; по его словам, это первое такое испытание на такой мощности.
По словам Лукича, КПД прототипа около 98% против примерно 96% у связки обычного трансформатора и выпрямителя, то есть потери могли бы сократиться вдвое; некоторые образцы примерно в десять раз компактнее.
Прототип работает при примерно 15 000 вольт; для высоковольтных линий и подключения электростанций технология пока непригодна и требует новых материалов и конструкций.
Heron Power привлекла 140 млн долларов, строит в Калифорнии завод за 100 млн долларов: старт производства в 2027 году, полная мощность 40 ГВт в год, в 2029-м.
Ожидание крупных обычных трансформаторов достигает пяти лет; по словам аналитика Wood Mackenzie Бенджамина Буше, они стали одним из главных узких мест для энергокомпаний, разработчиков генерации и дата-центров.

Почему это важно

Трансформаторы, основа передачи и распределения электроэнергии, а их нехватка уже тормозит строительство электростанций и дата-центров: ожидание крупных устройств достигает пяти лет, и даже вложенные 1,7 млрд и 1,3 млрд долларов не успевают за ростом сети. Твердотельные трансформаторы предлагают другой подход, полупроводники плюс уменьшенный магнитный компонент, который может немного разгрузить поставки и сократить потери. Статья при этом не утверждает, что они заменят обычные: сказано лишь, что они могут помочь смягчить давление.

Кому это важно

Энергокомпаниям и операторам сетей, которым нужно больше доверия к новым компонентам; разработчикам электростанций и дата-центров, зависящим от сроков поставки трансформаторов; производителям сетевого оборудования и стартапам вроде Heron Power. Читателям, следящим за ИИ-инфраструктурой, материал полезен как объяснение, почему питание дата-центров упирается в, казалось бы, скучное железо.

Как это применить

Прямого применения для читателя здесь нет: технология в разработке. По словам Лукича, в ближайшей перспективе твердотельные трансформаторы могут использоваться внутри дата-центров для питания серверных стоек, а Heron Power называет также солнечные электростанции и сетевые накопители. Тем, кто планирует энергоснабжение, стоит следить за результатами пилотов Heron (испытания с батареями в Скоттс-Вэлли и пилот с соседней солнечной фермой) и за запуском завода в 2027 году. Сравнения цены твердотельных и обычных трансформаторов в статье нет.

Можно ли доверять

Материал, объясняющая статья MIT Technology Review, с указанием источников: профессор Срджан Лукич, основатель и гендиректор Heron Power Дрю Баглино, аналитик Wood Mackenzie Бенджамин Буше. Цифры об эффективности (98% против 96%, потери вдвое меньше) приводит Лукич, чья лаборатория и построила устройство; независимых данных EPRI или NYPA в статье не приводится. Планы Heron по заводу и пилотам, заявления самой компании и расчёты издания, а не достигнутые результаты. Год августовского испытания и февральского раунда в тексте не указан.

Риски и подводные камни

Технология пока не годится для самых мощных высоковольтных трансформаторов, нужных для линий электропередачи и подключения электростанций, и дополнительная инженерная проработка потребуется даже для более высоких напряжений в крупных дата-центрах. У силовой электроники больше возможных видов отказов, чем у обычных трансформаторов; Heron отвечает на это модульной конструкцией. Сроков выхода твердотельных трансформаторов в высоковольтные сети в статье нет, а заявленные цифры по потерям и размеру пока основаны на слове Лукича («могли бы», «некоторые образцы»).

«Без трансформаторов у вас, по сути, нет электрической сети.»

— Бенджамин Буше, аналитик по цепочкам поставок Wood Mackenzie