В Соединенных Штатах существует множество планов по расширению и модернизации энергосети. Они включают строительство новых солнечных и ветровых электростанций, ввод угольных и газовых генерирующих мощностей, а также обеспечение электроэнергией дата-центров, обрабатывающих задачи искусственного интеллекта.

Все эти усилия зависят от типа оборудования, базовая конструкция которого относится к концу XIX века: крупного силового трансформатора. Понимание того, почему именно эта категория оборудования стала узким местом, помогает объяснить длительные сроки поставок и растущие затраты, которые сейчас сопровождают эти планы.

Эти массивные металлические конструкции размером примерно с двухэтажный дом могут весить до 400 тонн — примерно как полностью загруженный Boeing 747. Они преобразуют высокое напряжение, используемое для передачи электроэнергии на большие расстояния, в более низкие уровни напряжения, пригодные для домов и предприятий. Хотя оборудование было изобретено около 150 лет назад, крупные силовые трансформаторы по-прежнему производятся в основном по той же базовой технологии.

Многие трансформаторы, работающие в США и других странах, превысили расчетный срок службы. При этом замена для удовлетворения мирового спроса отсутствует. Выполнение и доставка заказа могут занять более трех лет.

Трансформаторы эффективно передают электроэнергию

Крупные силовые трансформаторы незаменимы для передачи электроэнергии на большие расстояния. Электростанции — включая угольные и газовые, гидроэлектростанции, а также солнечные и ветровые парки — часто расположены далеко от потребителей производимой ими электроэнергии.

Электричество, проходящее по линиям передачи, выделяет тепло. На больших расстояниях это тепло может значительно снизить объем энергии, достигающей пункта назначения. Поэтому энергетические компании используют крупные трансформаторы для повышения напряжения, сокращая потери при передаче. Этот процесс можно сравнить с погрузкой груза на большие грузовики, движущиеся по межштатным магистралям: грузовики перевозят больше энергии эффективнее, чем небольшие автомобили по узким дорогам.

Однако электричество высокого напряжения нельзя использовать напрямую в домах и на предприятиях — так же, как грузовик на скорости магистрали не может заехать в жилую подъездную дорожку. Когда электричество достигает района с потребителями, другой крупный трансформатор понижает напряжение до пригодного уровня. Затем распределительные линии низкого напряжения доставляют электричество на оставшееся расстояние до домов и предприятий.

С 2019 по 2025 год спрос на повышающие трансформаторы, соединяющие электростанции с передающей сетью, почти утроился. За тот же период спрос на трансформаторы, выполняющие роль таких «понижающих съездов», более чем удвоился, а их стоимость выросла на 80%. На практике все электростанции, стоящие в центре планов расширения сети — атомные, тепловые, солнечные и ветровые, — зависят от одного и того же ограниченного пула оборудования, изготавливаемого на заказ.

Эти устройства не производятся массово на полностью автоматизированных сборочных линиях. Каждое проектируется индивидуально под требования конкретного места установки. Если специализированный трансформатор выйдет из строя во время сильного шторма или жары, замены на складе, как правило, не окажется.

Специальные материалы ограничивают производство

Материалы, из которых изготавливаются трансформаторы, — основная причина задержек. Один из ключевых компонентов — холоднокатаная анизотропная электротехническая сталь, специализированный продукт, отличающийся от обычной стали.

Производители используют точные термические и механические процессы для выравнивания магнитных кристаллов стали в одном направлении. Такое выравнивание позволяет магнитным полям проходить через материал с относительно низкими потерями энергии — важное свойство при работе с большими объемами электроэнергии. Лишь небольшое число специализированных сталелитейных заводов в мире способно выпускать этот материал, и только один такой завод находится в США. В результате производство трансформаторов в США зависит от единственного внутреннего завода в вопросе материала, лежащего в основе продукта.

Медь также в дефиците. Из нее изготавливают провода, которые наматываются на сердечник трансформатора, обычно выполненный из стали, для обеспечения необходимого преобразования напряжения.

Альтернатива создает новое узкое место

Из-за нехватки трансформаторов энергокомпании и производители электроэнергии могут ждать более двух лет оборудования, необходимого для подключения новой электростанции к сети. Задержка касается станций на атомной энергии, ископаемом топливе, солнечной и ветровой энергии.

Чтобы избежать ожидания подключения к сети, компании, управляющие дата-центрами для систем искусственного интеллекта, стремятся полностью обойти энергосеть, устанавливая собственные газовые электростанции на месте.

Этот обходной путь породил отдельную проблему цепочки поставок. Газовые турбины работают при температуре выше 2000 градусов по Фаренгейту (1100 °C) — достаточно высокой, чтобы расплавить обычную сталь. Лопатки турбин изготавливаются сложным процессом из высокоспециализированных комбинаций металлов и покрываются керамическими термозащитными экранами.

Поскольку технологические компании размещают все больше и более крупных заказов, время между заказом газовой турбины и ее получением выросло до трех-семи лет. Ожидается, что цены на турбины в 2027 году будут почти втрое выше уровня 2019 года из-за роста спроса и продолжающейся нехватки специализированных материалов. Этот срок больше, чем время ожидания подключения к сети, которого собственные электростанции должны были помочь избежать.

Возможные меры реагирования

Цепочка поставок, сложившаяся в XIX веке, с трудом справляется с надежным энергоснабжением экономики XXI века. Крупные силовые трансформаторы также необходимы для модернизации существующей сети и снижения ее уязвимости к крупным штормам и продолжительным отключениям.

Возможные решения конкретны, но сложны. Агентство США по кибербезопасности и защите инфраструктуры рекомендовало стандартизировать конструкции трансформаторов, а не строить каждый агрегат с нуля. Стандартизация могла бы помочь производителям быстрее выпускать больше единиц с помощью конвейерного процесса. Она также могла бы упростить обмен аварийными запасными трансформаторами между энергокомпаниями. Отчет агентства доступен на сайте CISA.

Министерство энергетики США рекомендовало внедрять технологии, известные под общим названием «технологии расширения возможностей энергосети». К ним относятся датчики, которые в реальном времени измеряют, сколько электроэнергии может пройти по дальним линиям передачи, а также передовое программное обеспечение, определяющее альтернативные маршруты распределения электроэнергии от электростанций и максимизирующее мощность, доступную потребителям. По данным министерства, такие системы позволяют передавать на 15–20% больше электроэнергии, чем без них, смягчая узкие места, пока энергокомпании ожидают новые трансформаторы. Информация министерства доступна на сайте DOE.

В более долгосрочной перспективе США могли бы производить больше холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, перерабатывать больше меди и расширять внутренние мощности по производству крупных силовых трансформаторов. От того, будут ли приняты стандартизированные конструкции, внедрены технологии расширения возможностей сети на существующих линиях и создан новый внутренний производственный потенциал, зависит, как долго продлится ожидание этого оборудования.

Каждая попытка адаптировать, улучшить, расширить и модернизировать энергосеть зависит от этого оборудования. Без крупных силовых трансформаторов эти усилия будут серьезно ограничены. Поэтому политические деятели и лидеры отрасли стоят перед выбором: решить проблему нехватки оборудования или согласиться с перегруженностью сети, задержками проектов и ростом затрат.

Устранение трансформаторного узкого места превратило бы эти ограничения из неизбежного исхода в проблему, которую можно решить осознанными решениями.

Джасмин Гарленд (Jasmine Garland) — канцлерский постдокторский научный сотрудник кафедры гражданской, экологической и архитектурной инженерии Университета Колорадо в Боулдере.

Эта статья переиздана из The Conversation по лицензии Creative Commons. Оригинал статьи доступен на The Conversation.

Первоначально этот материал был опубликован на Fortune.com.