美國對擴建與現代化其電網有多項計畫，包括興建更多太陽能與風力發電場、新增燃煤與天然氣發電廠，以及為處理人工智慧工作負載的資料中心供電。

所有這些努力都依賴一種基本設計可追溯至19世紀末的設備：大型電力變壓器。了解為何這一類設備會成為瓶頸，有助於解釋目前這些計畫中出現的漫長交貨期與不斷上升的成本。

這些巨型金屬結構約為兩層樓房大小，重量可達400噸，約相當於一架滿載的波音747。它們將用於長距離輸電的高電壓轉換為家庭與企業可用的較低電壓。儘管這類設備約在150年前發明，大型電力變壓器至今仍大致以相同的基本方式製造。

許多在美國及其他地區運行中的變壓器，已超過其預定使用年限。與此同時，替代設備的數量不足以滿足全球需求。一筆訂單從生產到交付可能需要三年以上。

變壓器是高效輸電的關鍵

大型電力變壓器對長距離輸電至關重要。發電廠——包括燃煤與燃氣電廠、水力發電壩以及太陽能與風力發電場——通常距離使用其電力的用戶相當遙遠。

電力通過輸電線路時會產生熱能。在長距離傳輸下，這些熱能會大幅降低抵達終點的能量。因此電力公司使用大型變壓器提高電壓，以減少傳輸損耗。這個過程可以比擬為將貨物裝上大型卡車行駛州際高速公路：卡車比使用較小道路的小型車輛能更有效率地運送更多能量。

然而，高壓電力無法直接供家庭與企業使用，就像以高速公路速度行駛的聯結車不能直接駛入住宅車道一樣。當電力抵達用戶附近地區時，需經過另一台大型變壓器將電壓降至可用水準。接著，較低電壓的配電線路如同市區街道，將電力傳送最後一段距離至家庭與企業。

2019年至2025年間，連接發電廠與輸電網路的發電機升壓變壓器需求幾乎成長三倍。同期，作為低壓「匝道」的變壓器需求增加一倍以上，成本上升80%。實際上，電網擴建計畫核心的各類電廠——核能、化石燃料、太陽能與風能——都依賴同一批有限的訂製設備。

這些設備並非由全自動組裝線大量生產。每一台都是為其預定地點的需求而訂製設計。如果一台特殊變壓器在極端風暴或熱浪中故障，倉庫裡通常不會有現成的替換設備。

特殊材料限制產量

變壓器的製造材料是延誤的主要原因之一。關鍵原料之一是取向性電磁鋼，這是一種與普通鋼材截然不同的特殊產品。

製造商使用精密的熱處理與機械製程，將鋼材的磁晶格沿單一方向排列。這種晶格排列使磁場能以較低的能量損耗通過金屬，這對處理大量電力至關重要。全球僅有少數專業鋼廠具備生產這種材料的技術，而其中僅一座位於美國。這使得美國變壓器生產在產品核心材料上依賴唯一的國內鋼廠。

銅也供應短缺。銅被製成線材，纏繞在通常由鋼製成的變壓器鐵芯上，以實現所需的電壓調整。

替代方案帶來新的瓶頸

由於變壓器短缺，公用事業與發電業者可能需要等待兩年以上，才能取得將新電廠併入電網所需的設備。無論電廠採用核能、化石燃料、太陽能或風能，延誤都同樣存在。

為了避免等待併網，為人工智慧系統營運資料中心的公司試圖完全繞過電網，安裝專用的現場天然氣電廠為電腦中心供電。

這種替代做法造成了另一個供應鏈問題。燃氣渦輪機的運轉溫度超過華氏2,000度（攝氏1,100度），足以熔化普通鋼材。渦輪葉片以複雜製程、採用高度特殊的金屬組合製成，並塗覆陶瓷隔熱層。

隨著科技公司下達更多、更大的訂單，燃氣渦輪機從下訂到交付的時間已延長至三至七年。由於需求增加及特殊材料持續稀缺，預計2027年渦輪機價格將接近2019年水準的三倍。這個交貨期甚至比現場電廠原本想避免的併網等待時間更長。

可能的應對方案

建於19世紀的供應鏈，正難以可靠地服務21世紀的經濟。大型電力變壓器也是升級現有電網、降低其對重大風暴與長時間停電脆弱性的關鍵。

潛在解決方案具體但複雜。美國網路安全與基礎設施安全局（CISA）已建議將變壓器設計標準化，而非每台從頭訂製。標準化可協助製造商透過類似組裝線的流程更快速地生產更多設備，也能讓公用事業公司更方便共用緊急備用變壓器。該機構的報告可於 CISA 查閱。

美國能源部已建議部署統稱為「電網增強技術」的技術。這些方法包括即時測量長距離輸電線路可傳輸多少電力的感測器，以及能找出替代路徑、將電力從電廠分配出去並最大化用戶可用電力的先進軟體。根據能源部，這類系統可讓輸電量比原本多出15%至20%，在等待新變壓器交付期間緩解瓶頸。該部門的資訊可於 DOE 查閱。

更長期來看，美國可以生產更多取向性電磁鋼、加工更多銅，並擴大製造大型電力變壓器的國內產能。是否採用標準化設計、是否在現有線路上部署電網增強技術，以及是否興建新的國內產能，將決定這類設備的等待時間會持續多久。

所有適應、改善、擴建與現代化電網的努力都取決於這類設備。沒有大型電力變壓器，這些努力將面臨重大限制。因此，政策制定者與產業領導者面臨抉擇：解決硬體短缺問題，或者接受隨之而來的電網壅塞、計畫延誤與成本上升。

解決變壓器瓶頸，將使這些限制從被動的結果，轉變為可以透過審慎決策加以處理的問題。

Jasmine Garland 是科羅拉多大學博爾德分校土木、環境與建築工程學系的校長級博士後研究員。

本文依據創用CC授權轉載自 The Conversation，原文刊載於 The Conversation。

本文最初刊載於 Fortune.com。