De Verenigde Staten hebben meerdere plannen om hun elektriciteitsnet uit te breiden en te moderniseren. Deze omvatten het bouwen van meer zon- en windparken, het toevoegen van kolen- en gasgestookte centrales en het leveren van elektriciteit aan datacenters die kunstmatige-intelligentiewerkbelasting verwerken.

Al deze inspanningen zijn afhankelijk van een type apparatuur waarvan het basisontwerp dateert uit het einde van de 19e eeuw: de grote vermogentransformator. Begrijpen waarom deze enkele categorie apparatuur een knelpunt is geworden, helpt de lange levertijden en stijgende kosten verklaren die nu door die plannen lopen.

Deze massieve metalen constructies kunnen ongeveer zo groot zijn als een huis van twee verdiepingen en tot 400 ton wegen, ongeveer het gewicht van een volledig beladen Boeing 747. Ze zetten de hoge spanningen die worden gebruikt om elektriciteit over lange afstanden te transporteren om naar lagere spanningen die huishoudens en bedrijven kunnen gebruiken. Hoewel de apparatuur zo'n 150 jaar geleden werd uitgevonden, worden grote vermogentransformatoren nog grotendeels volgens dezelfde basisaanpak vervaardigd.

Veel transformatoren die in de Verenigde Staten en elders in bedrijf zijn, zijn ouder dan hun beoogde levensduur. Tegelijkertijd zijn er niet genoeg vervangingen om aan de wereldwijde vraag te voldoen. Het invullen en leveren van een bestelling kan meer dan drie jaar duren.

Transformatoren transporteren elektriciteit efficiënt

Grote vermogentransformatoren zijn essentieel voor het transport van elektriciteit over lange afstanden. Energiecentrales—inclusief kolen- en gasgestookte installaties, waterkrachtcentrales en zon- en windparken—bevinden zich vaak ver van de klanten die de elektriciteit gebruiken die zij produceren.

Elektriciteit die door transmissielijnen stroomt, genereert warmte. Over lange afstanden kan die warmte de hoeveelheid energie die de bestemming bereikt aanzienlijk verminderen. Energiebedrijven gebruiken daarom grote transformatoren om de spanning te verhogen, waardoor transmissieverliezen afnemen. Het proces kan worden vergeleken met het laden van vracht op grote vrachtwagens die over autosnelwegen rijden: de vrachtwagens vervoeren energie efficiënter dan kleinere voertuigen op kleinere wegen.

Echter, elektriciteit op hoge spanning kan niet direct worden gebruikt door huishoudens en bedrijven, net zoals een vrachtwagen met snelwegtempo niet de oprit van een woonhuis kan oprijden. Wanneer elektriciteit een gebied bereikt waar klanten zich bevinden, verlaagt een andere grote transformator de spanning tot bruikbare niveaus. Lagere distributielijnen vervoeren de elektriciteit vervolgens over de resterende afstand naar huizen en bedrijven.

Van 2019 tot 2025 bijna verdrievoudigde de vraag naar generator step-up transformatoren—die energiecentrales verbinden met het transmissienet. Gedurende dezelfde periode meer dan verdubbelde de vraag naar transformatoren die als die lagere-spannings-'uitritten' dienen, terwijl hun kosten met 80% stegen. In de praktijk zijn de centrales die centraal staan in de netuitbreidingsplannen—kernenergie, fossiele brandstoffen, zon en wind—alle afhankelijk van dezelfde beperkte pool van op maat gebouwde apparatuur.

Deze eenheden worden niet massaal geproduceerd op volledig geautomatiseerde assemblagelijnen. Elk exemplaar wordt op maat ontworpen voor de vereisten van de beoogde locatie. Als een gespecialiseerde transformator uitvalt tijdens een extreme storm of hittegolf, staat er doorgaans geen vervanging in een magazijn te wachten.

Gespecialiseerde materialen beperken de productie

De materialen die worden gebruikt om de transformatoren te bouwen, zijn een belangrijke bron van de vertraging. Eén cruciaal onderdeel is korrelgeoriënteerd elektrisch staal, een gespecialiseerd product dat verschilt van gewoon staal.

Fabrikanten gebruiken nauwkeurige thermische en mechanische processen om de magnetische kristallen van het staal in één richting uit te lijnen. Die uitlijning zorgt ervoor dat magnetische velden met relatief laag energieverlies door het materiaal kunnen gaan, een belangrijke eigenschap bij het verwerken van grote hoeveelheden elektriciteit. Slechts een klein aantal gespecialiseerde staalfabrieken wereldwijd kan het materiaal produceren, en slechts één van die fabrieken bevindt zich in de Verenigde Staten. Daardoor is de Amerikaanse transformatorproductie afhankelijk van één enkele binnenlandse fabriek voor het materiaal dat de kern van het product vormt.

Ook koper is schaars. Het wordt gevormd tot draden die om de kern van de transformator worden gewikkeld, die doorgaans van staal is gemaakt, om de vereiste spanningsaanpassing te bewerkstelligen.

Een alternatief creëert een nieuw knelpunt

Door het tekort aan transformatoren kunnen nutsbedrijven en energieproducenten meer dan twee jaar wachten op apparatuur die nodig is om een nieuwe centrale op het net aan te sluiten. De vertraging geldt voor centrales die worden aangedreven door kernenergie, fossiele brandstoffen, zonne-energie of wind.

Om het wachten op een netaansluiting te vermijden, hebben bedrijven die datacenters voor kunstmatige-intelligentiesystemen exploiteren geprobeerd het net volledig te omzeilen door eigen, ter plaatse geïnstalleerde gascentrales te bouwen.

Die oplossing heeft een apart supplychainprobleem veroorzaakt. Gasturbines werken bij temperaturen boven 2.000 graden Fahrenheit (1.100 C), heet genoeg om standaard staal te smelten. Turbinebladen worden via een complex procédé gemaakt van sterk gespecialiseerde metaalcombinaties en coated met keramische hitteschilden.

Nu technologiebedrijven grotere en talrijkere bestellingen plaatsen, is de tijd tussen het bestellen van een gasturbine en het ontvangen ervan opgelopen tot drie tot zeven jaar. De prijzen voor turbines in 2027 worden naar verwachting bijna drie keer zo hoog als in 2019, door hogere vraag en de aanhoudende schaarste aan gespecialiseerde materialen. Die levertijd is langer dan de wachttijd voor netaansluiting die de eigen centrales juist wilden omzeilen.

Mogelijke reacties

Een supplychain uit de 19e eeuw heeft moeite om betrouwbaar te voorzien in de behoeften van een economie uit de 21e eeuw. Grote vermogentransformatoren zijn ook nodig om het bestaande net te upgraden en de kwetsbaarheid voor grote stormen en langdurige stroomuitval te verminderen.

De mogelijke oplossingen zijn concreet maar complex. Het Amerikaanse Cybersecurity and Infrastructure Security Agency heeft aanbevolen transformatoren te standaardiseren in plaats van elke eenheid vanaf nul te bouwen. Standaardisatie zou fabrikanten kunnen helpen sneller meer eenheden te produceren via een assemblagelijnachtig proces. Het zou nutsbedrijven ook gemakkelijker kunnen maken om noodreservetransformatoren te delen. Het rapport van het agentschap is beschikbaar op CISA.

Het Amerikaanse Department of Energy heeft aanbevolen technologieën in te zetten die gezamenlijk bekendstaan als 'netwerkverbeterende technologieën'. Deze omvatten sensoren die in realtime meten hoeveel elektriciteit door lange transmissielijnen kan stromen, evenals geavanceerde software die alternatieve routes identificeert voor de distributie van elektriciteit vanaf centrales en het vermogen dat voor klanten beschikbaar is maximaliseert. Volgens het departement kunnen dergelijke systemen 15% tot 20% meer elektriciteit transporteren dan anders, waardoor knelpunten verminderen terwijl nutsbedrijven wachten op nieuwe transformatoren. De informatie van het departement is beschikbaar op DOE.

Op de langere termijn zou de Verenigde Staten meer korrelgeoriënteerd elektrisch staal kunnen produceren, meer koper kunnen verwerken en de binnenlandse capaciteit om grote vermogentransformatoren te vervaardigen kunnen uitbreiden. Of gestandaardiseerde ontwerpen worden ingevoerd, netwerkverbeterende technologieën op bestaande lijnen worden ingezet en nieuwe binnenlandse capaciteit wordt gebouwd, bepaalt hoe lang het wachten op deze apparatuur duurt.

Elke inspanning om het elektriciteitsnet aan te passen, te verbeteren, uit te breiden en te moderniseren is afhankelijk van deze apparatuur. Zonder grote vermogentransformatoren zullen die inspanningen aanzienlijke beperkingen ondervinden. Beleidsmakers en industrieleiders staan daarom voor een keuze: de hardwatertekorten aanpakken of de daaruit voortvloeiende netcongestie, vertraagde projecten en hogere kosten accepteren.

Het oplossen van het transformatorflesje would die beperkingen van een standaarduitkomst veranderen in een probleem dat kan worden aangepakt via weloverwogen beslissingen.

Jasmine Garland is Chancellors Postdoctoral Fellow in Civil, Environmental and Architectural Engineering aan de University of Colorado Boulder.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Het originele artikel is beschikbaar op The Conversation.

Dit verhaal werd oorspronkelijk gepubliceerd op Fortune.com.