A transzformátorok egy évszázadon keresztül a villamosenergia-hálózatok gerincét alkották, azonban eredetileg lassabb és kisebb kapacitásra voltak tervezve, így a zöldátállás előrehaladásával egyre inkább elavulnak. A hagyományos transzformátorok ugyanis már nem képesek fenntartani a folyamatosan bővülő és átalakuló hálózatok stabilitását és hatékonyságát, valamint a megújulókon alapuló, decentralizált energiaforrásokból származó villamos energia tökéletes integrálására sem alkalmasak.

Ezeket egyrészt központosított, egyirányú rendszerekre optimalizálták, ezért nem képesek a megfelelően szabályozni a hálózatba érkező energia feszültségét, mérsékelni a különböző torzulásokat vagy dinamikusan reagálni a zavarokra. Emellett nincsenek integrálva a digitális ellenőrző rendszerekbe, ahogy a hálózati kommunikációs protokollba sem, ami megakadályozza az intelligens és hatékony hálózatkezelést.

Probléma az is, hogy alacsony frekvencián (50/60 Hz) működnek, és olyan nagy alkatrészeket – úgynevezett magokat és tekercseket – igényelnek, amelyek miatt nem praktikusak szűk környezetben való alkalmazáshoz, például városokban vagy a tengeri szélerőműveken.

Az ilyen hiányosságok miatt az energiahálózatok korszerűsítésekor a transzformátorokra is kiemelt figyelmet kell fordítani. Az elektromos átállás során egyre nagyobb teret nyerhetnek az úgynevezett szilárdtest-transzformátorok (solid-state transformers, SST).

A szilárdtest-transzformátorok működése

Az ezekkel való kísérletezés az 1960-as évek óta folyamatosan zajlik. A legújabb áttöréseknek köszönhetően a teljesítményük és az alkalmazhatóságuk jelentős fejlődésen ment keresztül az évtizedek során – különösen az elmúlt években. A felhasznált nagy sávszélességű félvezetők, mint például a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN),

lehetővé teszik a magasabb kapcsolási frekvenciákat és a hatékonyabb hőkezelést, valamint csökkentik az átalakítás során jelentkező energiaveszteséget.

Az SST-kben alkalmazott magas frekvenciájú transzformátorok (high-frequency transformers, HTF) fejlett mágneses anyagokra épülnek, például ferritekre vagy amorf ötvözetekre, amelyeknek köszönhetően az SST-k mérete és súlya csökkenthető, miközben ugyanúgy képesek biztosítani a magas energiasűrűséget minimális energiaveszteség mellett.

Ezen tulajdonságai miatt egy SST hatékony működési körülmények között képes kezelni a különböző feszültségi szinteket, valamint a fejlett hűtési technológiákkal és intelligens algoritmusokkal párosulva alkalmas a modern villamosenergia-hálózatban való felhasználásra.

A hagyományos transzformátorokkal ellentétben a szilárdtest-transzformátorok többszintű architektúrával rendelkeznek, és a már említett HFT-k tovább erősítik a technológia kifinomultságát és rugalmasságát. Működése három alapvető szakaszra épül.

1. Betáplálási fázis – Ebben a szakaszban az alacsony frekvenciájú váltóáram (AC) egyenárammá (DC) alakul. Az említett szilícium-karbid és a gallium-nitrid központi szerepet játszik ebben a folyamatban, mivel csökkentik a kapcsolás során jelentkező veszteségeket, ezenkívül nagyobb hőstabilitást és magasabb frekvenciájú működést biztosítanak. A bemeneti fokozat reaktív teljesítménykompenzációt is lehetővé tesz, ami pedig a hálózatba való zökkenőmentes integrációt és dinamikus körülmények között is stabil teljesítményt ígér.

2. Izolációs fázis – Ebben a szakaszban egy HFT optimalizálja a magas- és alacsonyfeszültségű oldalak közötti feszültségszinteket. Ezek magas hatékonyságuk mellett szintén segítik a magas hőstabilitás és az energiasűrűség fenntartását. A működési frekvencia a több tíz kilohertztől akár több megahertzig is terjedhet.

3. Kibocsátási fázis – Ez a szakasz az egyenáramot visszaalakítja váltakozó feszültségűvé, vagy az alkalmazástól függően egyenletes frekvencián tartja meg. Ez támogatja a kétirányú villamosenergia-áramlást, emellett a hatékony feszültség- és energiaszabályozás ebben a szakaszban növeli a hálózat stabilitását és hatékonyságát, így az SST-ket a modern hálózatok intelligens csomópontjaivá teszi.

Összességében tehát

az SST-k lehetővé teszik az intelligens hálózatkezelést, miközben növelik a hatékonyságot, mindezek által nagyobb energiastabilitást biztosítva.

Márpedig a megújuló energiaforrások elterjedésével éppen erre van szükség, hiszen ezek mind az előállított villamos energia, mind annak feszültsége tekintetében nagyobb ingadozást eredményeznek. Ráadásul szabályozhatatlanságuk miatt a hatékonyság növelése is fontos szempont, miközben nem szabad megfeledkezni a tárolókapacitások bővítéséről sem.

Nagy jövő állhat a technológia előtt, de még van min dolgozni

A szilárdtest-transzformátorok piaca tavaly 207 millió dollár értékű volt, a számítások szerint azonban 2033-ra elérheti az 586 millió dollárt. Az STT-k még mindig nagyrészt a kutatás és fejlesztés fázisában vannak, de néhány kísérleti projektet már végrehajtottak a technológia életképességének felmérésére.

Az Európai Unió SSTAR projektjének keretében – amely a villamosenergia-ágazat fejlesztését célzó megoldások kifejlesztésére törekszik – Portugáliában és Spanyolországban zajlanak laboratóriumi kísérletek, amelyek eredményeit várhatóan 2026 februárjában publikálják majd.

Habár az SST-k jövőbeli alkalmazását tekintve a legtöbben bizakodók, még számos olyan probléma akad a technológiát illetően, amelyeket le kell küzdeni ahhoz, hogy kifizetődő legyen a forgalomba hozataluk.

A legfőbb ilyen akadályt pedig a költségek jelentik, ugyanis az SST-k sokkal drágábbak, mint a hagyományos transzformátorok.

Igaz, a kutatásukba és fejlesztésükbe irányuló befektetések idővel olcsóbbá tehetik a technológiát.

Kapcsolódó:

Címlapfotó: Dreamstime