ارتقای شبکه آمریکا به یک ماشین 400 تنی که در دهه 1800 طراحی شده بود، بستگی دارد - و تنها یک کارخانه آمریکایی فولاد ویژه را در داخل آن می‌سازد.

آمریکایی ها برنامه های زیادی برای شبکه برق کشور دارند. برخی از مردم می خواهند با ساختن نیروگاه های خورشیدی و بادی انرژی های تجدیدپذیر را گسترش دهند. برخی دیگر می خواهند نیروگاه های جدید زغال سنگ یا گاز طبیعی اضافه کنند. کسانی هستند که می خواهند به تعدادی ناشناخته از مراکز داده که الگوریتم های هوش مصنوعی را پردازش می کنند، نیرو بدهند.

برای دستیابی به هر یک از این اهداف، کشور به تعداد قابل توجهی از تجهیزات نیاز دارد که طراحی آنها در اواخر قرن نوزدهم اختراع شد: ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ. این سازه های فلزی غول پیکر تقریبا به اندازه یک خانه دو طبقه هستند و وزن آنها به 400 تن می رسد - تقریبا معادل یک بوئینگ 747 با بار کامل. آنها ولتاژهای بالا مورد استفاده برای انتقال برق را به سطوح ولتاژی تبدیل می کنند که مردم می توانند در خانه ها و مشاغل خود استفاده کنند. و آنها عمدتا به همان روشی ساخته شده اند که در 150 سال پیش اختراع شدند.

بسیاری از ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ در حال خدمت در ایالات متحده و سراسر جهان فراتر از طول عمر مورد نظر خود در حال پیر شدن هستند. و جایگزین های کافی برای رفع نیازهای جهان وجود ندارد. ممکن است بیش از سه سال طول بکشد تا سفارش یک شرکت تکمیل و تحویل شود.

ترانسفورماتورها به عنوان سیستم های حمل و نقل

ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ برای انتقال برق در فواصل طولانی بسیار مهم هستند. نیروگاه‌ها – چه با سوخت زغال‌سنگ یا گاز، سدهای برق آبی، یا مزارع خورشیدی یا بادی – اغلب از مشتریانی که به برق تولید شده نیاز دارند، دور هستند.

انتقال نیرو از طریق سیم ها باعث تولید گرما می شود که در طی مسافت طولانی مقدار انرژی وارد شده به انتهای دور را به طور چشمگیری کاهش می دهد. برای کاهش تلفات انرژی، شرکت های برق از ترانسفورماتورهای بزرگ برای افزایش ولتاژ استفاده می کنند. شما می‌توانید به این فکر کنید که محموله‌ها روی کامیون‌های بزرگ بارگیری می‌شوند و در بزرگراه‌های بین ایالتی هدایت می‌شوند. آنها می توانند انرژی زیادی را با کارایی بیشتری نسبت به خودروهای کوچکتر در جاده های کوچکتر حمل کنند.

اما برق ولتاژ بالا برای استفاده در خانه یا کسب و کار بی خطر نیست، همانطور که یک نیمه کامیون با سرعت بزرگراه نباید سعی کند وارد مسیر شما شود. بنابراین وقتی برق به گروهی از مشتریان می رسد، باید از یک رمپ خارج شود و از ترانسفورماتور بزرگ دیگری عبور کند که ولتاژ آن را تا حدی که مشتریان عادی می توانند استفاده کنند، کاهش می دهد. سپس خطوط کم ولتاژ به عنوان خیابان های محلی شهر عمل می کنند و برق را در فاصله کوتاهی از خروجی بزرگراه به خانه ها و مشاغل می رسانند.

بین سال های 2019 تا 2025، تقاضا برای ترانسفورماتورهای افزایش دهنده ژنراتور، آنهایی که نیروگاه ها را به شبکه انتقال متصل می کنند، تقریبا سه برابر شد. و در همان دوره، تقاضا برای ترانسفورماتورها برای کار کردن به عنوان خارج از رمپ بیش از دو برابر شد و هزینه ها 80٪ افزایش یافت.

این دستگاه ها به صورت انبوه از خطوط مونتاژ خودکار تولید نمی شوند. آنها به طور سفارشی برای برآوردن نیازها و خواسته های خاص برای مقصد مورد نظر خود طراحی شده اند. اگر یک ترانسفورماتور تخصصی در طول یک طوفان شدید یا موج گرما از کار بیفتد، فقط جایگزین هایی در انباری در جایی منتظر نمی مانند.

تله زنجیره تامین

آنچه این ترانسفورماتورها از آن ساخته شده اند، بخش بزرگی از تاخیر است.

یکی از عناصر کلیدی چیزی است که به عنوان فولاد الکتریکی دانه گرا شناخته می شود. این اصلا فولاد متوسط ​​نیست. این با استفاده از فرآیندهای حرارتی و مکانیکی دقیق تولید می شود که کریستال های مغناطیسی فولاد را در یک جهت واحد قرار می دهد. هم ترازی کریستالی اجازه می دهد تا میدان های مغناطیسی با اتلاف انرژی کم از فلز عبور کنند، که برای جابجایی مقادیر زیادی الکتریسیته بسیار مهم است. با این حال، تنها تعداد انگشت شماری از کارخانه های تخصصی فولاد در سراسر جهان از فناوری تولید آن برخوردارند. فقط یک آسیاب در ایالات متحده است.

همچنین مس کم است که به سیم هایی تبدیل می شود که دور هسته ترانسفورماتور پیچیده می شود که معمولا از فولاد ساخته می شود تا به تنظیم صحیح ولتاژ برسد.

دور کاری مشکلات خاص خودش را دارد

به دلیل کمبود ترانسفورماتور، ممکن است بیش از دو سال طول بکشد تا شرکت‌های برق و تولیدکنندگان برق، تجهیزاتی را برای اتصال نیروگاه‌های جدید به شبکه دریافت کنند - صرف نظر از اینکه انرژی آنها از انرژی هسته‌ای، سوخت‌های فسیلی، انرژی خورشیدی یا باد تامین می‌شود.

برای دور زدن این تأخیر، شرکت‌هایی که مراکز داده را برای تأمین انرژی سیستم‌های هوش مصنوعی راه‌اندازی می‌کنند، با نصب نیروگاه‌های اختصاصی گاز طبیعی در محل برای راه‌اندازی مراکز رایانه‌ای، به‌دنبال دور زدن شبکه به طور کلی بوده‌اند.

این حرکت باعث ایجاد مشکل دیگری در زنجیره تامین شده است. توربین های گاز در دمای بیش از 2000 درجه فارنهایت (1100 درجه سانتیگراد) می سوزند که به اندازه کافی گرم است تا فولاد استاندارد را ذوب کند. پره های توربین با فرآیندی پیچیده از ترکیبات بسیار تخصصی فلز ساخته می شوند و با سپرهای حرارتی سرامیکی پوشانده می شوند.

از آنجایی که شرکت‌های فناوری سفارش‌های بیشتر و بزرگ‌تری را ثبت می‌کنند، زمان بین سفارش توربین گاز و تحویل آن بین سه تا هفت سال طول کشیده است. و قیمت ها در سال 2027 به دلیل افزایش تقاضا و مواد هنوز کمیاب، پیش بینی می شود که تقریبا سه برابر سال 2019 باشد.

چه کاری می توان کرد؟

زنجیره تامین ساخته شده در قرن نوزدهم در تلاش است تا به طور قابل اعتماد قدرت را به اقتصاد قرن بیست و یکم ارائه دهد.

ترانسفورماتورهای بزرگ قدرت نیز برای ارتقاء شبکه موجود و کاهش آسیب پذیری آن در برابر طوفان های بزرگ یا قطعی های طولانی نقش کلیدی دارند.

راه حل ها هم ملموس و هم پیچیده هستند.

آژانس امنیت سایبری و امنیت زیرساخت ایالات متحده به جای اینکه هر کدام به صورت سفارشی ساخته شوند، استانداردسازی طرح های ترانسفورماتور را توصیه کرده است. این به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا واحدهای بیشتری را با سرعت بیشتری با فرآیندی به سبک خط مونتاژ تولید کنند. همچنین به شرکت‌های خدمات شهری اجازه می‌دهد تا لوازم اضطراری را به اشتراک بگذارند.

وزارت انرژی ایالات متحده استفاده از آنچه را که در مجموع "فناوری های تقویت کننده شبکه" نامیده می شود، توصیه کرده است. این روش‌ها شامل حسگرهایی هستند که در زمان واقعی نظارت می‌کنند که دقیقا چه مقدار نیرو را می‌توان از طریق سیم‌های دوربرد منتقل کرد و نرم‌افزارهای پیشرفته‌ای که می‌توانند مسیرهای جایگزینی را برای توزیع برق از نیروگاه‌ها برای به حداکثر رساندن آنچه در دسترس مشتریان است پیدا کنند. این نوع سیستم‌ها با هم می‌توانند 15 تا 20 درصد برق بیشتری نسبت به بدون آن‌ها انتقال دهند و در زمان انتظار برای تحویل ترانسفورماتورهای جدید، تنگناها را کاهش دهند.

در درازمدت، ایالات متحده می‌تواند فولاد الکتریکی دانه‌گرا بیشتری تولید کند، مس بیشتری را پردازش کند و ظرفیت خود را برای ساخت ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ افزایش دهد.

تمام راه هایی که مردم می خواهند برای انطباق، بهبود، گسترش و نوسازی شبکه برق به این نوع تجهیزات وابسته است. بدون ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ، هیچ یک از تلاش ها خیلی دور نخواهد بود.

به یک معنا، رهبران با یک انتخاب روبرو هستند: رفع این کمبودهای سخت افزاری یا پذیرش عواقب پیش فرض تراکم شبکه، پروژه های تاخیری و افزایش هزینه ها. حل کردن گلوگاه ترانسفورماتور چیزی است که این واقعیت منفعل را به انتخاب فعال تبدیل می کند.

جاسمین گارلند، دانشجوی فوق دکترا در مهندسی عمران، محیط زیست و معماری، دانشگاه کلرادو بولدر

این مقاله با مجوز Creative Commons از The Conversation بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.

این داستان در ابتدا در سایت Fortune.com منتشر شد