Stany Zjednoczone mają wiele planów rozbudowy i modernizacji swojej sieci energetycznej. Obejmują one budowę kolejnych farm solarnych i wiatrowych, dodawanie elektrowni węglowych i gazowych oraz dostarczanie energii elektrycznej do centrów danych przetwarzających obciążenia związane ze sztuczną inteligencją.

Wszystkie te działania zależą od rodzaju urządzeń, którego podstawowy projekt pochodzi z końca XIX wieku: dużych transformatorów mocy. Zrozumienie, dlaczego ta jedna kategoria urządzeń stała się wąskim gardłem, pomaga wyjaśnić długie czasy oczekiwania i rosnące koszty, które obecnie przebiegają przez te plany.

Te masywne konstrukcje metalowe mogą mieć rozmiary mniej więcej dwupiętrowego domu i ważyć do 400 ton – około tyle, co w pełni załadowany Boeing 747. Przekształcają one wysokie napięcia używane do przesyłu energii elektrycznej na duże odległości w niższe napięcia, które mogą wykorzystywać domy i firmy. Choć urządzenie zostało wynalezione około 150 lat temu, duże transformatory mocy nadal są wytwarzane w dużej mierze według tego samego podstawowego podejścia.

Wiele transformatorów pracujących w Stanach Zjednoczonych i gdzie indziej jest starszych niż ich przewidywany okres eksploatacji. Jednocześnie nie ma wystarczającej liczby zamienników, aby sprostać światowemu popytowi. Zrealizowanie i dostarczenie zamówienia może zająć ponad trzy lata.

Transformatory efektywnie przesyłają energię elektryczną

Duże transformatory mocy są niezbędne do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości. Elektrownie – w tym węglowe i gazowe, zapory wodne oraz farmy solarne i wiatrowe – często znajdują się daleko od klientów, którzy korzystają z wytwarzanej przez nich energii.

Prąd przepływający przez linie przesyłowe generuje ciepło. Na dużych odległościach to ciepło może znacznie zmniejszyć ilość energii docierającej do celu. Firmy energetyczne wykorzystują więc duże transformatory do podnoszenia napięcia, co ogranicza straty przesyłowe. Proces ten można porównać do załadunku towarów na duże ciężarówki poruszające się autostradami: przewożą one energię wydajniej niż mniejsze pojazdy jadące mniejszymi drogami.

Jednak energii o wysokim napięciu nie można bezpośrednio używać w domach i firmach – tak jak półciężarówka jadąca z prędkością autostradową nie może wjechać na podjazd mieszkalny. Gdy energia dociera na obszar, gdzie znajdują się odbiorcy, inny duży transformator obniża napięcie do poziomów użytecznych. Linie rozdzielcze o niższym napięciu przewożą następnie energię na pozostałej odległości do domów i firm.

W latach 2019–2025 popyt na transformatory podwyższające napięcie, łączące elektrownie z siecią przesyłową, niemal się potroił. W tym samym okresie popyt na transformatory pełniące rolę tych niższo-napięciowych „zjazdów” more niż doubled, a ich koszty wzrosły o 80%. W praktyce elektrownie będące centrum planów rozbudowy sieci – jądrowe, kopalne, solarne i wiatrowe – wszystkie zależą od tej samej ograniczonej puli urządzeń budowanych na zamówienie.

Te jednostki nie są masowo produkowane na w pełni zautomatyzowanych liniach montażowych. Każda jest projektowana na zamówienie według wymagań swojego docelowego miejsca. Jeśli specjalistyczny transformator ulegnie awarii podczas ekstremalnej burzy lub fali upałów, zamiennik zwykle nie czeka w magazynie.

Specjalistyczne materiały ograniczają produkcję

Materiały używane do budowy transformatorów są głównym źródłem opóźnień. Kluczowym składnikiem jest stal elektrotechnicznaIENTRY, specjalistyczny produkt różniący się od zwykłej stali.

Producenci stosują precyzyjne procesy termiczne i mechaniczne, aby ułożyć kryształy magnetyczne stali w jednym kierunku. To ułożenie pozwala polom magnetycznym przechodzić przez materiał przy stosunkowo niskich stratach energii, co jest ważną cechą przy przetwarzaniu dużych ilości energii elektrycznej. Tylko niewielka liczba wyspecjalizowanych hut na świecie potrafi wytworzyć ten materiał, a tylko jedna z tych hut znajduje się w Stanach Zjednoczonych. To sprawia, że amerykańska produkcja transformatorów zależy od jednej krajowej huty dla materiału stanowiącego serce produktu.

Na deficyt cierpi też miedź. Jest ona formowana w druty owijane wokół rdzenia transformatora, zwykle wykonanego ze stali, aby uzyskać wymagane zminimalizowanie napięcia.

Alternatywa tworzy kolejne wąskie gardło

Z powodu niedoboru transformatorów firmy energetyczne i producenci energii mogą czekać ponad dwa lata na urządzenia potrzebne do podłączenia nowej elektrowni do sieci. Opóźnienie dotyczy elektrowni zasilanych energią jądrową, paliwami kopalnymi, energią słoneczną lub wiatrem.

Aby uniknąć czekania na podłączenie do sieci, firmy prowadzące centra danych dla systemów sztucznej inteligencji próbowały ominąć sieć, instalując dedykowane, zlokalizowane na miejscu elektrownie gazowe.

To obejście stworzyło osobny problem w łańcuchu dostaw. Turbiny gazowe pracują w temperaturach przekraczających 2000 stopni Fahrenheita (1100 C), co jest na tyle gorące, aby stopić zwykłą stal. Łopatki turbin są wytwarzane skomplikowanym procesem z wysoce wyspecjalizowanych kombinacji metali i pokrywane ceramicznymi osłonami termicznymi.

W miarę jak firmy technologiczne składały coraz większe i liczniejsze zamówienia, czas między zamówieniem turbiny gazowej a jej otrzymaniem wydłużył się do trzech–siedmiu lat. Ceny turbin w 2027 roku mają być niemal trzykrotnie wyższe niż w 2019 roku z powodu większego popytu i nadal rzadkich materiałów specjalistycznych. Ten czas oczekiwania jest dłuższy niż okres czekania na podłączenie do sieci, którego elektrownie na miejscu miały uniknąć.

Możliwe odpowiedzi

Łańcuch dostaw zbudowany w XIX wieku ma trudności z niezawodną obsługą gospodarki XXI wieku. Duże transformatory mocy są również potrzebne do modernizacji istniejącej sieci i zmniejszenia jej podatności na duże burze i długotrwałe awarie.

Potencjalne rozwiązania są konkretne, ale złożone. Amerykańska Agencja Bezpieczeństwa Cybernetycznego i Infrastruktury zaleciła standaryzację projektów transformatorów, zamiast budować każdą jednostkę od podstaw. Standaryzacja mogłaby pomóc producentom szybciej wytwarzać więcej jednostek w procesie typu taśma montażowa. Mogłaby też ułatwić firmom energetycznym dzielenie się zapasami awaryjnych transformatorów. Raport agencji jest dostępny na stronie CISA.

Amerykański Departament Energii zalecił wdrożenie technologii zbiorczo znanych jako „technologie zwiększające przepustowość sieci”. Obejmują one czujniki mierzące w czasie rzeczywistym, ile energii elektrycznej może przepływać przez dalekosiężne linie przesyłowe, a także zaawansowane oprogramowanie identyfikujące alternatywne trasy dystrybucji energii z elektrowni i maksymalizujące moc dostępną dla klientów. Według departamentu takie systemy mogą umożliwić przesył o 15–20% więcej energii elektrycznej niż bez nich, łagodząc wąskie gardła, podczas gdy firmy energetyczne czekają na nowe transformatory. Informacje departamentu są dostępne na stronie DOE.

W dłuższej perspektywie Stany Zjednoczone mogłyby produkować więcej stali elektrotechnicznejIENTRY, przetwarzać więcej miedzi i rozbudować krajowe zdolności do produkcji dużych transformatorów mocy. To, czy zostaną przyjęte standaryzowane projekty, czy technologie zwiększające przepustowość sieci zostaną wdrożone na istniejących liniach i czy zostanie zbudowana nowa krajowa zdolność produkcyjna, ukształtuje, jak długo potrwa oczekiwanie na te urządzenia.

Każde działanie mające na celu dostosowanie, ulepszenie, rozbudowę i modernizację sieci energetycznej zależy od tego sprzętu. Bez dużych transformatorów mocy te działania napotkają poważne ograniczenia. decydenci i liderzy branży stoją więc przed wyborem: rozwiązać niedobory sprzętu lub zaakceptować wynikające z nich zatory sieciowe, opóźnione projekty i wyższe koszty.

Rozwiązanie wąskiego gardła transformatorowego przekształciłoby te ograniczenia z domyślnego wyniku w problem, który można rozwiązać poprzez świadome decyzje.

Jasmine Garland jest Chancellors Postdoctoral Fellow w dziedzinie inżynierii lądowej, środowiskowej i architektonicznej na University of Colorado Boulder.

Ten artykuł został ponownie opublikowany z The Conversation na licencji Creative Commons. Oryginalny artykuł jest dostępny na stronie The Conversation.

Ta historia była pierwotnie publikowana na Fortune.com.