닉 드 브리스에게, 태양 에너지 개발자의 최고 기술 책임자 실리콘 랜치변압기는 고속도로 진입로와 같습니다. 그의 태양광 발전소에서 생성되는 전기의 전압을 그리드 송전선의 전압과 일치하도록 높입니다. de Vries는 “그것은 당신이 탈 수 있는 티켓입니다.”라고 말합니다. “고압 변압기가 없으면 프로젝트가 없습니다.”
최근에는 이 티켓을 구하기가 훨씬 더 어려워졌습니다. 변압기에 대한 수요가 전 세계적으로 급증함에 따라 새 변압기를 구입하는 데 걸리는 대기 시간이 2021년 50주에서 현재 거의 2년으로 두 배 늘어났습니다. 보고서 ~에서 우드 맥켄지에너지 분석 회사. 발전소에서 송전선까지 전압을 승압하는 보다 전문화된 대형 전력 변압기(LPT)를 기다리는 데는 최대 4년이 걸립니다. 비용도 상승 60~80퍼센트 2020년부터.
약 5년 전, de Vries는 변압기 부족으로 인해 태양광 프로젝트의 온라인 진행이 지연될 것을 걱정하게 되었고 실제로 변압기가 필요하기 몇 년 전에 주문하기 시작했습니다. 내쉬빌에 본사를 둔 Silicon Ranch는 이제 공급망 문제로 인해 태양광 프로젝트가 중단되지 않도록 맞춤형 변압기 파이프라인을 보유하고 있습니다.
이 난관에 처한 회사는 혼자가 아닙니다. Wood MacKenzie 보고서에 따르면 전 세계 재생 에너지 프로젝트의 4분의 1은 변압기가 지역 전력망에 연결되기를 기다리는 동안 지연될 수 있다고 합니다. 인도에서는 220킬로볼트 변압기를 기다리기 시작했습니다. 뛰어올랐다 8개월에서 14개월까지, 잠재적으로 거의 150기가와트에 달하는 새로운 태양광 개발을 감당할 수 있습니다.
그리고 그것은 단지 재생 가능 에너지 프로젝트만이 아닙니다. 변압기 부족 문제는 유틸리티, 주택 소유자, 기업, 철도 시스템, EV 충전소 등 그리드 연결이 필요한 모든 사람에게 영향을 미칩니다. Clallam 카운티에서는 워싱턴 주의 일부 지역에 어스름 영화 촬영이 시작되자 2022년 5월 공무원들은 주택에 대한 전압을 낮추기 위한 패드 장착 변압기를 충분히 확보할 수 없다는 이유로 새로운 주택 건설 요청을 거부하기 시작했습니다. 새로운 전기 서비스에 대해 이미 비용을 지불한 고객의 밀린 업무를 처리하기 위해 전력회사는 개조된 변압기 또는 “목장 러너”를 찾아냈습니다. 이는 도움이 되었지만 새 변압기만큼 오래 지속되지는 않을 것입니다.
부족의 파급 효과는 공공 정책과 안전 모두에 영향을 미칩니다. 변압기가 마모로 인해 파손되거나, 폭풍우에 휩쓸리거나, 손상된 전쟁이나 방해 행위로 인해 신속하게 교체할 수 없으면 정전 위험이 높아집니다. 그만큼 유럽 그린딜전력화를 가속화하기 위해 2030년까지 유럽 송전망을 대규모로 구축할 계획인 는 변압기 대기 시간이 길어 위험에 처해 있다고 말합니다. 존 라베인벨기에 겐트 대학교의 전기 엔지니어이자 에너지 시스템 전문가입니다.
전력엔지니어에게 이번 위기는 기회이기도 하다. 그들은 이제 서로 다르거나 덜 인기 있는 재료를 사용하고, 더 오래 지속되도록, AC와 DC 간 쉽게 변환할 수 있는 전력 전자 장치를 포함하고, 오늘날의 변압기보다 더 표준화되고 덜 맞춤화되도록 변압기 설계를 재작업하고 있습니다. 그들의 혁신을 통해 이 중요한 인프라 부분을 공급망 약점에 대한 저항력을 강화할 뿐만 아니라 미래의 전력망에 더 적합하게 만들 수 있습니다.
트랜스포머 작동 방식
변압기는 간단한 것—그리고 1880년대에 발명된 오래된 것도 있습니다. 일반적인 것은 철이나 강철로 만들어진 양면 코어와 각 측면을 구리선으로 감싼 것입니다. 권선이라고 불리는 전선 세트는 연결되어 있지 않지만 코어를 가로지르는 전자기 유도를 통해 전류가 한 코일에서 다른 코일로 전달됩니다. 와이어가 코어의 각 측면을 감싸는 횟수를 변경함으로써 엔지니어는 장치에서 나오는 전압을 입력된 전압보다 높거나 낮도록 변경할 수 있습니다.
이 기본 설정은 다양한 크기의 변압기의 기초가 됩니다. LPT의 무게는 대왕고래 두 마리 정도의 무게이며 화석 연료나 원자력 발전소에서 나오는 전기(일반적으로 수천 볼트)를 송전선을 통해 흐르는 수십만 볼트와 일치하도록 높이는 데 사용될 수 있습니다. 해당 전선의 전기가 도시에 도착하면 지역 배전을 위해 전압을 수만 볼트로 낮추는 변압기가 있는 변전소를 만나게 됩니다. 더 작은 배전 변압기는 전압을 더욱 낮추어 결국 가정과 기업에서 안전하게 사용할 수 있는 수백 볼트까지 낮춥니다.
심플한 디자인이 강점이라고 하네요 디팍 디반전기 엔지니어이자 조지아 분산 에너지 기술 센터 이사입니다. 변압기는 수십 년 동안 견딜 수 있도록 제작된 크고 부피가 큰 장치입니다. 매우 뛰어난 내구성이 그리드를 뒷받침합니다.
그러나 그것들은 자전거의 기어와 체인과 비슷합니다. 간단한 변환 작업에만 능숙하고 그 외에는 거의 없습니다. 예를 들어, AC로만 작동하는 기존 변압기는 추가 구성 요소 없이는 DC로 전환할 수 없습니다. 수소 연료를 생성하는 전해조, EV 충전소 및 에너지 저장 장치를 포함하여 청정 에너지 미래의 일부가 되는 것을 목표로 하는 수많은 기술에는 모두 많은 변압기가 필요하고 모두 필요하기 때문에 AC-DC 변환이 중요합니다. DC 전원. 반면에 무접점 전력 전자 장치는 AC-DC 변환을 원활하게 처리할 수 있습니다. “변압기를 전력 전자식으로 교체하는 것이 좋지 않을까요?” 디반은 말합니다. “그것은 당신에게 통제권을 줍니다. 그리고 원칙적으로 정말 제대로 하면 더 작아질 수도 있어요.”
고체 변압기의 아이디어는 걷어차는 수년간 학계와 산업계에서. Divan과 그의 팀은 그들의 버전을 모듈형 제어 가능 변압기(MCT)라고 부릅니다. 반도체와 능동 전자 부품을 사용하여 전기를 다른 전압으로 변환할 뿐만 아니라 단일 단계에서 DC와 AC 사이의 전류를 반전시킵니다. 또한 번개와 전력 서지로부터 보호하기 위해 새로운 단열재와 기타 조치로 제작되었습니다. Divan과 그의 팀은 상 2023년부터 전력전자 분야의 IEEE 거래 그들의 디자인 중 하나를 위해.
Divan의 모듈식 변압기는 각 응용 분야에 맞게 맞춤 제작할 필요가 없으므로 제조 병목 현상을 완화할 수 있습니다. 그러나 신흥 기술로서 기존 변압기보다 가격이 더 비싸고 취약합니다. 예를 들어, 오늘날의 반도체는 약 1.7kV보다 큰 전기 부하를 견딜 수 없습니다. 그리드에 연결된 장치는 최소 13kV를 견뎌야 하며, 이는 이러한 변압기 모듈을 쌓아 올리고 전체 그룹이 현실 세계에서 발생하는 모든 상황을 견딜 수 있기를 바라는 것을 의미한다고 Divan은 말합니다.
“고전압을 견디기 위해 10개의 변환기 모듈을 직렬로 쌓아 놓은 경우, 그 중 하나가 실패하면 어떻게 됩니까? 그 중 하나가 200나노초 지연된 신호를 받으면 어떻게 될까요? 모든 것이 당신에게 무너지나요? 이것들은 모두 매우 흥미롭고 도전적인 문제입니다.”라고 Divan은 말합니다.
오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 GRID-C 연구원들은 이전 세대보다 훨씬 작고 동일한 성능을 갖춘 차세대 변압기를 개발했습니다. Alonda Hines/ORNL/미국 에너지부
Oak Ridge National Laboratory의 그리드 연구 통합 및 배포 센터(GRID-C)에서는 마두 친타발리 차세대 변압기에 대한 신기술도 평가하고 있습니다. 전력 전자 장치를 추가하면 변압기는 기존 변압기가 할 수 없는 방식으로 전력 흐름을 관리할 수 있습니다. 태양광과 풍력을 더 추가하다. 또한 변압기는 전력망의 정전이나 장애에 즉각적으로 대응하는 등 정보를 실행에 옮길 수도 있습니다. 이러한 고급 변압기는 모든 곳에서 적합한 솔루션은 아니지만 주요 장소에서 사용하면 전력망에 더 많은 부하를 추가하는 데 도움이 됩니다. GRID-C를 총괄하는 Chinthavali는 데이터를 중계하는 스마트 장치를 장착하면 그리드 운영자에게 더 나은 실시간 정보를 제공하고 전반적인 그리드 탄력성과 내구성을 높일 수 있다고 말합니다.
Silicon Ranch의 de Vries는 새로운 종류의 전력 전자 변압기가 저렴하고 안정적으로 만들어질 수 있다면 태양 에너지의 획기적인 발전이 될 것이라고 말했습니다. 그들은 태양광 발전소에서 송전선으로 가는 전압을 조절하는 일을 단순화할 것입니다. 현재 운영자는 태양 에너지의 가변적인 특성으로 인해 지속적으로 전압 조정을 수행해야 하며, 이 작업으로 인해 인버터, 커패시터 및 기타 구성 요소가 마모됩니다.
변압기가 부족한 이유는 무엇입니까?
변압기 부족을 주도하는 것은 전기 수요와 자재 공급망에서 비롯된 시장 힘입니다. 예를 들어, 거의 모든 변압기 코어는 방향성 전기강판(GOES)으로 만들어집니다. 또한 사용 전기 모터 및 EV 충전기에 사용됩니다. 인접 산업의 확장으로 인해 GOES에 대한 수요가 강화되고 공급의 상당 부분이 전환되었습니다.
게다가 변압기 제조는 일반적으로 약 20년 전 호황기를 거친 후 둔화되었습니다. 히타치에너지, 지멘스 에너지그리고 버지니아 트랜스포머 는 호주, 중국, 콜롬비아, 핀란드, 독일, 멕시코, 미국 및 베트남에 새로운 시설을 설립하여 생산 규모를 확대할 계획을 발표했습니다. 그러나 그러한 노력이 곧 정체를 완화하지는 못할 것입니다.
동시에 변압기에 대한 수요는 지난 2년 동안 70퍼센트 일부 미국 제조업체의 경우. 100kV 이상의 전압을 갖는 LPT에 대한 전 세계 수요는 2020년 이후 47% 이상 증가했으며, 2030년까지 30% 더 증가할 것으로 예상됩니다. 윌프리드 브로이어독일 전기 장비 제조업체의 전무이사 라인하우젠 기계 공장, 레겐스부르크에서. 그리드 인프라 노후화, 신재생에너지 발전, 전력화 확대, 증가 EV 충전소, 그리고 새로운 데이터 센터는 모두 이러한 기계에 대한 수요 증가에 기여합니다.
문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은 일반적인 LPT가 조립 라인에서 단순히 롤오프되지 않는다는 것입니다. 각각은 맞춤형 창작물이라고 말합니다. 비욘 바겐스미스아이다호 국립 연구소의 전력 시스템 연구원. 이 소량 산업에서는 “공장에서는 연간 50개 정도의 제품을 생산할 것”이라고 그는 말합니다.
LPT의 설계는 그것이 서비스를 제공하는 변전소 또는 발전소의 레이아웃뿐만 아니라 전압 요구 사항과 들어오고 나가는 전력선의 방향에 따라 결정됩니다. 예를 들어, 변압기를 전력선에 연결하는 위쪽으로 뻗은 암인 부싱은 선을 차단하기 위해 특정 위치에 구축되어야 합니다.
이러한 맞춤화로 인해 제조 속도가 느려지고 고장난 변압기를 교체하기가 더 어려워집니다. 이는 또한 많은 에너지 회사들이 LPT를 미리 주문하지 않는 이유이기도 하다고 Ghent의 Laveyne은 말합니다. “변압기를 배송받았지만 허가 프로세스가 중단되거나 지연되거나 심지어 취소되는 경우를 상상해 보십시오. [of the project]. 그러면 실제로 사용할 수 없는 변압기에 갇히게 됩니다.”
GE Vernova Advanced Research는 2021년부터 미시시피주 컬럼비아의 한 변전소에서 현장 테스트를 진행 중인 유연한 대형 전력 변압기를 개발했습니다. 협동에너지
덜 맞춤화되고 모든 용도에 적합한 단일 크기의 변압기를 사용하면 공급망 문제를 완화하고 정전을 줄일 수 있습니다. 이를 위해 팀은 GE Vernova 고급 연구(GEVAR) “유연한 LPT” 개발에 도움을 주었습니다. 2021년에 팀은 가 운영하는 변전소에서 165kV 버전의 현장 테스트를 시작했습니다. 협동에너지 미시시피에서는 여전히 활동 중입니다.
이브라히마 은디아예프로젝트를 주도한 GEVAR의 수석 수석 엔지니어인 는 획기적인 발전을 이룩한 것이라고 말합니다. 전압 비율을 포함하여 변압기의 다른 기능을 변경하지 않고 기존 변압기에 임피던스(즉, 전기 흐름에 대한 저항)를 변경할 수 있는 기능을 제공하는 방법.
임피던스와 전압 비율은 모두 일반적으로 각 사용 사례에 맞춰 조정해야 하는 변압기의 중요한 기능입니다. 두 요소를 독립적으로 조정할 수 있다면 다양한 용도로 변환기를 수정할 수 있습니다. 그러나 변압기의 전압 비율을 변경하지 않고 임피던스를 변경하는 것은 처음에는 불가능해 보였다고 Ndiaye는 말했습니다.
해결책은 놀라울 정도로 간단했다. 엔지니어는 변압기 코어의 양쪽에 동일한 양의 권선을 추가했지만 반대 방향으로 추가하여 전압 증가를 상쇄함으로써 다른 요소를 자동으로 변경하지 않고 한 요소를 조정할 수 있었습니다. “없다 [other] 오늘날 그러한 기능을 갖춘 변압기는 세상에 존재하지 않습니다.”라고 Ndiaye는 말합니다.
유연한 LPT는 범용 예비 부품처럼 작동하여 고장난 LPT를 채우고 모든 변압기에 대해 맞춤형 예비 부품을 유지할 필요가 없다고 Ndiaye는 말합니다. 이는 결국 이러한 유형의 변압기와 GOES와 같은 중요한 재료에 대한 수요를 감소시킬 것입니다. 또한 유연한 LPT를 사용하면 다양한 재생 가능 자원이나 EV 충전소 뱅크와 같은 대규모 가변 부하가 있는 경우에도 그리드가 안정적으로 작동할 수 있습니다.
Avangrid의 모바일 변압기는 다중 전압 기능을 갖추고 있으며 몇 달 내에 Avangrid의 육상 태양광 또는 풍력 프로젝트로 트럭으로 운송될 수 있습니다. 히타치 에너지와 Avangrid
비슷하게, 지멘스 에너지 에서는 몇 주 내에 고장난 변압기를 교체할 수 있는 플러그 앤 플레이 백업인 “신속 응답 변압기”를 개발해 왔습니다. 그리고 재생에너지 기업 아방그리드 올해 이동식 변압기를 출시했습니다 몇 달 안에 태양광 또는 풍력 프로젝트로 트럭으로 운송될 수 있습니다.
장수명을 위해 설계된 변압기
기존 변압기의 100년 된 설계를 교체하기보다는 개선할 여지가 있다고 말합니다. 스테판 텐볼렌독일 슈투트가르트 대학의 에너지 연구원. 그는 대학 변압기 연구 연합기존 디자인을 수정하고 있는 국제 연구자들을 연결합니다. 주요 목표는 새로운 변압기가 이전 세대보다 더 오래 지속되도록 하는 것입니다.
한 가지 접근 방식은 다양한 단열 기술을 시도하는 것입니다. 구리 권선은 일반적으로 과열로부터 보호하기 위해 종이와 광유로 절연되어 있습니다. 새로운 접근 방식은 광유를 천연 에스테르로 대체하여 변압기 내부가 더 높은 온도에 안전하게 도달할 수 있도록 하여 공정에서 장치의 수명을 연장합니다. 아이다호 국립 연구소의 Vaagensmith는 세라믹 종이(알루미나 규산염 섬유로 만든 얇고 가벼운 초내열성 소재)를 단열재로 실험했습니다. “우리는 섭씨 1,000도까지 요리했는데, 이는 변압기로서는 터무니없이 높은 수준이었습니다. 괜찮았습니다.”라고 그는 말합니다.
Oak Ridge National Laboratory의 연구원들은 적층 제조를 사용하여 전기 강철로 만들어진 중공 변압기 코어를 제작했습니다. 알렉스 플롯코스키/ORNL
LPT에 사용되는 다른 재료를 변경하는 것도 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어 중공 코어 변압기는 훨씬 적은 양의 강철을 사용합니다. 테네시주 오크리지의 과학자들은 테스트를 해왔습니다 전기강판으로 만든 중공 코어의 3D 프린팅. 2022년 보고서에 따르면 중공 코어로 전환하고 이를 3D 프린팅할 수 있으면 변압기용 GOES 강철을 생산하는 회사가 단 하나뿐인 미국의 재료에 대한 수요가 완화될 것입니다. 보고서 미국 에너지부에서.
변압기 산업, 용량 위기에 직면하다
변압기 제조는 수요가 감소하고 흐름을 반복하는 순환적인 비즈니스였습니다. 이는 뿌리 깊은 사고 방식을 만들어낸 오랜 패턴입니다. 결과적으로 전기 인프라가 지속적으로 호황을 누리고 과거의 시대가 다시 돌아오지 않는다는 분명한 징후에도 불구하고 많은 변압기 제조업체는 용량 증가를 주저해 왔다고 말합니다. 아드리엔 로또버지니아 주 알링턴에 있는 미국 공공 전력 협회의 그리드 보안, 기술 및 운영 서비스 수석 부사장입니다. 그녀는 자신의 태도를 다음과 같이 요약합니다. 제조 시설에 자본을 투입하시겠습니까?”
하지만 전기 수요가 더 많아짐 오고있다. 최근 책 에너지 2040 Georgia Tech의 Divan이 공동 집필한 (Springer)는 몇 가지 놀라운 수치를 제시합니다. 미국 전력망에 연결되기를 기다리는 모든 에너지 프로젝트의 용량은 2,600GW에 달하며 이는 현재 미국 전체 발전 용량의 두 배 이상입니다. 미국 EV 도입에 대한 평균 추정치는 2040년까지 미국에서 1억 2,500만 대의 EV를 보유하게 될 것으로 예상합니다. 미국 데이터 센터의 전력 수요는 더블 인공 지능의 붐으로 인해 이번 10년 말까지. 그만큼 국립재생에너지연구소 모든 추가 부하를 처리하려면 미국 변압기 용량이 2050년까지 260%나 증가해야 한다는 사실이 밝혀졌습니다.
전 세계적으로 전기는 2023년 세계 에너지 수요의 20%를 공급했으며, 국가들이 탈탄소화 방법으로 전기화로 전환함에 따라 2030년에는 30%에 도달할 수 있습니다. 국제에너지기구에 따르면. 인도와 중국은 해당 기간 동안 가장 빠른 수요 증가를 보일 것으로 예상됩니다. 인도 설치 더 많은 태양광 용량 2024년 1분기에는 이전 어느 분기보다 증가했지만 언급한 바와 같이 태양광 프로젝트를 실행하는 데 걸리는 대기 시간은 다음과 같습니다. 변압기 부족.
세계의 전력 시스템은 그러한 격변에 익숙하지 않다고 Divan은 말합니다. 변압기와 같은 오랜 기술은 매우 느리게 변화하기 때문에 전력회사는 R&D에 예산의 0.1% 정도만 지출합니다. 그러나 그들은 대대적인 변화에 대비해야 한다고 Divan은 말합니다. “공익사업으로는 다가오는 쓰나미를 막을 수 없을 것입니다. 그리고 압력이 가해지고 있습니다.”
