שנאים במצב מוצק: עתיד חשמול הרשת?

כשאנחנו מדברים על תהליך החשמול שמשתלט על הכלכלה והתעשיות שלנו, אנחנו חושבים בעיקר על רכבים חשמליים, סוללות, מטענים מהירים, אנרגיה מתחדשת וכו'.

אבל בסופו של דבר, כל הטכנולוגיות החדשות הללו עדיין מסתמכות על עיצובים ישנים למדי למעבר בסיסי של חשמל בעל הספק גבוה מתחנות כוח וחוות סולאריות לרמות המשמשות במכוניות, בתים, מרכזי נתונים, מפעלים תעשייתיים וכו'.

תכנון הליבה של השנאי המודרני מתוארך לסוף המאה ה-19, עם מודלים מסחריים מוקדמים שפותחו על ידי ויליאם סטנלי ג'וניור ומאוחר יותר שוכללו ככל שמערכות חשמל AC התרחבו, בתמיכתם של ווסטינגהאוס וניקולה טסלה. העיקרון הבסיסי - אינדוקציה אלקטרומגנטית באמצעות ליבות ברזל וסלילי נחושת - נותר ללא שינוי במידה רבה במשך למעלה ממאה שנה.

זה היה עיצוב טוב מספיק עבור מצבים בהם התפקיד היחיד של שנאים היה להביא זרם סטנדרטי מהרשת לרמה הנכונה בתנאים יציבים יחסית וצפויים.

אבל עכשיו, ככל שרשת החשמל וייצור החשמל הופכים מבוזרים יותר, והדרישה לאיכות הזרם הופכת מחמירה יותר, זה בקושי מספיק.

למרבה המזל, ההתקדמות שנעשתה בחומרים מתעשיית המוליכים למחצה פותחת את הדרך לסוג פוטנציאלי חדש של שנאי: שנאים במצב מוצק.

הרשת בת המאה: כיצד פועלים שנאים מסורתיים

יסודות טכניים של שנאים מסורתיים

כפי שהוסבר, שנאי הוא התקן המקבל קלט כזרם במתח נתון וממיר אותו למתח אחר, נמוך או גבוה יותר. קיבולת שנאי קלאסי וטרנספורמציה של הזרם נקבעים על ידי מספר סלילי הנחושת או האלומיניום סביב ליבת הברזל. חלקים נוספים כמו מפסקים, תותבים, נתיכים וחומרים אחרים נמצאים שם כדי להבטיח שהשנאי יפעל בבטחה.

למרות היותן נוקשות ומגושמות, אלו מכונות עמידות מאוד שניתן להשתמש בהן במשך עשרות שנים, או אפילו מאה שלמה. זהו גם עסק גדול, עם שוק של 69 מיליארד דולר בשנת 2025, וצפוי לגדול בקצב צמיחה שנתי ממוצע (CAGR) של 7.97% עד 2034 ל-135.9 מיליארד דולר.

ובכל זאת, שנאים כפי שהם מיוצרים כיום הם מכשירים גולמיים יחסית, המשתמשים בטכנולוגיה מוקדמת שהומצאה לראשונה במאה ה-1900. ככל שאנו הופכים תלויים יותר ויותר בחשמל לתחבורה, קישוריות ויישומים מודרניים אחרים, זה יכול להפוך לבעיה, במיוחד מכיוון שרשת החשמל כבר לא פועלת רק על כמה תחנות כוח ענקיות, אלא על מקורות מתחדשים לסירוגין ומבוזרים יותר.

"לשנאי פלדה, נחושת ונפט בסגנון ישן אין שום ניטור, אין שום בקרה. במקרים של נחשולי חשמל או תחנת כוח נכשלת, זה יכול להיות נטל."

- דרו בגלינו - מייסד ומנכ"ל חברת השנאים המוצקים Heron Power

כיצד פועלים שנאים במצב מוצק (SST)

מתוך דאגה זו, מהנדסים מחפשים להמציא מחדש שנאים. במקום נחושת וברזל, הם הפנו את תשומת ליבם לחומרים חדשים המשמשים ברכבים חשמליים ובמוליכים למחצה, כגון סיליקון קרביד וגליום ניטריד.

הבדל מהותי נוסף בתכנון הוא ששנאים במצב מוצק (SST) אינם עשויים מגוש ברזל ונחושת אחד מסיבי, אלא ממודולים קטנים רבים המורכבים יחד. כתוצאה מכך, ניתן לשנות בקלות את הקיבולת שלהם, וכל נקודת כשל ניתנת להחלפה בקלות.

שנאים מסוג SST שונים משנאים מסורתיים בכמה נקודות טכניות מרכזיות:

החלק כדי לגלול →

פתרון המחסור העולמי באספקת שנאים

בעיה נוספת עם שנאים מסורתיים היא פשוט שקשה מאוד למצוא אותם לאחרונה.

בעוד שהביקוש לקיבולת רשת חשמל גדולה יותר ממשיך לעלות עקב חשמול ובניית מרכזי נתונים מרובי ג'יגה-וואט, חברות שירות אמריקאיות נאבקות למצוא מספיק שנאים כדי לתחזק את הרשת, ואף לשפר אותה עוד יותר.

גורם מפתח אחד הוא שרשת החשמל מזדקנת, ואפילו מכשיר חזק כמו שנאי עשוי להזדקק להחלפה כל 50-70 שנה בערך. יותר ממחצית משנאי החלוקה בארה"ב, כ-40 מיליון יחידות, כבר עברו את חיי השירות הצפויים שלהם.

בשילוב עם עליית מחירי הסחורות, במיוחד נחושת, הדבר הוביל לעלייה של מחירי השנאים מ-45% ל-95% מאז 2019, בהתאם לקטגוריה.

"מוליכים למחצה להספק ממשיכים להיות זולים יותר. פלדה, נחושת ונפט, למרבה הצער, אינם במצב הזה. מחירי הסחורות יכולים לנוע לכל עבר, והם בדרך כלל עולים."

- דרו בגלינו - מייסד ומנכ"ל חברת השנאים המוצקים Heron Power

גורם נוסף שהגדיל את העלויות היה מכסים על פלדה מחו"ל ומתכות אחרות, לעתים קרובות עד 50% או יותר עבור מדינות המספקות את איכות החומר הנדרשת לשנאים, כמו סין או ברזיל.

לבסוף, לא הושקעו מספיק בהגדלת היצע השנאים, כאשר חברות רבות אף נסגרו בתחילת שנות ה-2000, בין היתר בשל השקעה נמוכה מדי ברשת החשמל מצד חברות השירות. אז כעת, שרשרת האספקה ​​של השנאים, כולל דרגת הפלדה המיוחדת שהיא דורשת (פלדה חשמלית), פשוט לא זמין בכמויות מספיקות.

עם זאת, שנאים במצב מוצק לא יפתרו באופן מיידי את בעיית העלות של שנאים חדשים, גם אם הם יכולים לספק אספקה ​​נוספת נחוצה ביותר. הסיבה לכך היא, שנכון לעכשיו, הם עדיין יקרים פי 5-10 משנאים מסורתיים.

יישומי SST: היכן שנאי מצב מוצק מנצחים

מרכזי נתונים ותשתיות עתירות אנרגיה בתחום הבינה המלאכותית

בסך הכל, ההבדלים הללו בקיבולת בין שנאים ישנים לשנאים במצב מוצק משנים לחלוטין את אופן השימוש בהם.

הם יכולים לקחת על עצמם את המשימות של מגוון רחב של ספקי כוח הנמצאים כיום בשימוש, תוך החללת רמות ההספק בו זמנית, המרת זרם חילופין לזרם ישר (או להיפך), חיבור לרשת החשמל ולסוללות וכו'.

עובדה זו הפכה את מרכזי החשמל (SST) לאופציה אטרקטיבית מאוד עבור מרכזי נתונים, המתמודדים עם בעיות אספקת חשמל מורכבות הרבה יותר מאלה של משתמש החשמל הממוצע. לדוגמה, SST יכולים לבטל את הצורך באספקת חשמל ללא הפרעה (UPS) ובחיבור לרשת החשמל הארצית, לפארקי סוללות וייצור אנרגיה מתחדשת מקומי (חשמל מאחורי המונה) בבת אחת.

מערכות SST קומפקטיות יותר חוסכות גם הרבה מקום במרכז נתונים, ומשחררות קיבולת עבור יותר מדפי מחשוב או מערכות תמיכה כמו קירור. לכן, העלויות הנוספות מגיעות גם עם חיסכון נוסף עבור מקרים מיוחדים כמו מרכזי נתונים, הזקוקים להרבה יותר ממה ששנאי מסורתי פשוט יכול לספק.

"אם תסכמו את העלות של כל מה שהוצאנו, אנחנו 60% עד 70% מהעלות הזו."

— אמר הארון אינאם, מייסד שותף ומנכ"ל DG Matrix, ל-TechCrunch.

נכון לעכשיו, מרכזי נתונים היו הלקוחות הראשונים של טכנולוגיה חדשה זו, מכיוון שהם מעריכים את הגמישות והקומפקטיות שלה. בנוסף, זה מאפשר להם "לדלג על התור" לשנאים חדשים. לבסוף, היא מספקת את סוג יציבות החשמל שדרשה השקעה נוספת רבה עד כה, לדוגמה, השנאים של Heron Link יכולים לספק לארונות מחשוב 30 שניות של חשמל בזמן שמקורות גיבוי נכנסים לפעילות.

אנרגיה מתחדשת ואחסון אנרגיה ברשת

רוב ייצור החשמל תוכנן סביב זרם חילופין, שכן בתחילה הוא הופק על ידי טורבינה מסתובבת בתחנות כוח פחם, גז או הידרואלקטריות. אך פוטו-וולטאיות, שגדלו למקור דומיננטי לייצור אנרגיה, מייצרות באופן טבעי זרם ישר, מה שמחייב ממירים להפוך אותו תחילה לזרם חילופין, לפני שהוא נשלח לרשת.

אותו הדבר נכון לגבי סוללות, אשר עשויות להיות מחוברות לרשת AC, אך דורשות DC הן כקלט והן כפלט.

כתוצאה מכך, שנאי מצב מוצק שיכול לבצע גם את תפקידיו של ממיר וגם של שנאי יכול בסופו של דבר לעלות באותו מחיר כמו שתי מערכות סטנדרטיות נפרדות.

טעינת רכב חשמלי ותמיכה דו-כיוונית

שטח ושטח המתקן יכולים להיות גורמים מגבילים עבור עמדות טעינה לרכבים חשמליים. במובן זה, צפיפות עמדות הטעינה של רכב חשמלי עשויה להפוך ליתרון תחרותי.

כמו פארקי סוללות, גם הם ייהנו מיכולתם לשנות מתח תוך ביצוע המשימה של ממיר AC-DC.

לבסוף, שנאי מצב מוצק בתחנת טעינה יכול לסייע בהפיכתם ליחידות אחסון נוספות, שכן אותו מכשיר יוכל להחליף בין שאיבת חשמל מהרשת או אספקת אנרגיה אליה.

נכון לעכשיו, נהגי רכבים חשמליים לא צפויים להתעניין במיוחד בתפקיד זה של "סוללה ניידת". אך בעתיד, ציי מכוניות אוטונומיות עשויים להגדיל את רווחיותם על ידי "השכרת" קיבולת האחסון שלהן ברגעים קריטיים, ושימוש בתחנות טעינה ותחנות SST כדרך להזרים אנרגיה בחזרה לרשת החשמל בשעות השיא.

מגמה זו תהפוך נפוצה יותר ויותר ככל שסוללות של רכבים חשמליים יהפכו עמידות יותר ויותר, עם מעט מאוד הידרדרות, אם בכלל, כתוצאה ממחזורי טעינה-פריקה תכופים יותר.

עתיד רשת החשמל החכמה

נכון לעכשיו, טכנולוגיות SST היו פשוט יקרות וחדשות מדי עבור חברות שירות לשלב אותן ברשת החשמל שלהן.

עם זאת, בטווח הארוך, הם יוכלו להביא לשינוי רדיקלי באופן ניהול רשתות החשמל. הם יוכלו במיוחד לקצץ בעלויות ההולכה וההפצה, אחת התורמות הגדולות ביותר לאינפלציה בחשבונות החשמל.

הסיבה לכך היא ששנאים במצב מוצק יכולים להגיב לתנאים משתנים, מה שמאפשר למפעילי רשת החשמל לשלוח יותר חשמל דרך אותם קווים, ובכך להפחית את הצורך בקווים חדשים למרות צריכת החשמל הגוברת.

"אפשר למעשה להפוך את התשתית לנגישה יותר, כי מעבירים יותר קילוואט-שעה דרך אותם עמודים וחוטי חשמל. זה המקום שבו אינטליגנציה, במקום עצמים מכניים פסיביים שתוכננו לפני 100 שנה, יכולה לעשות הבדל גדול."

- דרו בגלינו - מייסד ומנכ"ל חברת השנאים המוצקים Heron Power

יש לציין כי סיליקון קרביד ומוליכים למחצה אחרים ליישומי חשמל החלו להיות מיוצרים באופן המוני רק לפני פחות מעשור, הודות לפריחה של כלי רכב חשמליים. לכן, הגיוני שהם יעלו פחות ופחות בהדרגה, ככל שיתפתחו שיטות ייצור יעילות יותר והתעשייה תשלב יתרונות גודל.

סביר להניח שזה יהיה הצעד הנדרש מחברות שירות כדי להתחיל להתקין שנאים במצב מוצק בקנה מידה גדול, מה שייצור לאחר מכן גל שני של יתרונות לגודל.

סיכום שוק שנאי מצב מוצק

שנאים במצב מוצק הם עדיין טכנולוגיה חדשה מאוד, המחפשת את היישום הראשון שלה בשוק ההמוני. נראה שהיא מוצאת אותו לאט לאט במרכזי נתונים, ויותר ויותר בפארקים פוטו-וולטאיים.

השלב הבא יהיה להגדיל את הייצור ולהדגים בפעולה אמיתית שתכנון שנאים זה יכול להיות יעיל יותר, אמין יותר ו/או בסופו של דבר זול יותר מהתכנון המסורתי המבוסס יותר.

כמה סטארט-אפים דוחפים לקידום SSTs, כולל כוח אנפה, שנוסדה על ידי בכיר לשעבר בטסלה, מטריקס DG, המתמקד במרכזי נתונים, ו אמפרסנד, שבסיסה בסינגפור אך עם קיבולת גם בארה"ב.

נותר לראות אם חברות הסטארט-אפ הללו, או הענקיות הוותיקות בתעשיית החשמל, ישלטו בסופו של דבר בשוק זה, כאשר תגובתן של חברות שנאים מסורתיות לשינוי טכנולוגי זה היא ככל הנראה הגורם המרכזי שכדאי לשים לב אליו עבור משקיעים.

השקעה בשנאים במצב מוצק: Eaton (ETN)

איטון היא ספקית ענקית של ציוד חשמלי, המדורגת במקום הראשון בארה"ב בציוד להמרת מתח, ציוד חשמלי במתח נמוך ובינוני, משאבות הידראוליות ודלק לתעופה וחלל.

היא ייצרה הכנסות של 24 מיליארד דולר בשנת 2025, עם צמיחה אורגנית של 8% במכירות; יבשת אמריקה היא הפלח הגדול ביותר של החברה, כאשר מרכזי נתונים הפכו לאחרונה לפלח הלקוחות הגדול ביותר שלה (כמעט רבע מכלל ההכנסות).

זה מציב את החברה בעמדה מושלמת להפיק תועלת ממגמת החשמול, בניית מרכזי נתונים, התיעוש מחדש (במיוחד מפעלי מוליכים למחצה) והצטברות אנרגיה מתחדשת, עד כדי כך שהמטרה המוצהרת של החברה היא:

"נהיה חברת ניהול החשמל המובילה בעולם."

כדי להגשים שאיפה זו, החברה השקיעה מיליארד דולר כדי להוסיף 2 מיליון רגל מרובע לכושר הייצור שלה.

בנוסף, החברה ניהלה גם מדור "ניידות", שדאג לביקוש לתיבות הילוכים ומצמדים למשאיות מסחריות (מספר 1 באמריקה) ולניידות חשמלית.

בסך הכל, 90% מרווחיות החברה בשנת 2025 נבעה ממגזרי החשמל והחלל.

מגזר התעופה והחלל כולל אספקת רכיבים מרכזיים למטוסים אזרחיים וצבאיים כמו ה-F-35, בואינג KC-46A, סיקורסקי CH-53K, בואינג 777X, בואינג B737MAX, איירבוס A350, איירבוס A320NEO ועוד. כמו כן, הוא מספק רכיבים ליישומי חלל ל-SpaceX, Blue Origin, Ariane Group, Amazon, Eutelsat Group ועוד.

בהתאם לביקוש הגובר לציוד חשמלי, צבר האספקה ​​של Eaton גדל בהתמדה לאורך שנות ה-2020 והגיע לרמת שיא בשנת 2025.

באוגוסט 2025, רכשה Eaton את חברת השנאים המצוידים באנרגיה מוצקה, Resilient Power Systems, תמורת 86 מיליון דולר.

לסטארט-אפ היו תכנונים של עמדות טעינה קומפקטיות במיוחד לרכבים חשמליים שמתחברים ישירות לרשת החלוקה הקיימת, בעוד ש-Eaton רואה סיכויי צמיחה נוספים במרכזי נתונים ואחסון אנרגיה, שם קשריה הקיימים יכולים לסייע בסגירת עסקאות רבות יותר מהר יותר.

"אנו נרגשים להצטרף לאיטון, ומאמינים שהצוותים המשולבים שלנו, היכולות והטכנולוגיה המובילה שלנו יתמכו בצמיחה המתמשכת שלנו במוצרים ובשווקים חדשים, כולל מרכזי נתונים. השנאים הקומפקטיים ביותר שלנו במצב מוצק יכולים לשפר את יעילות האנרגיה, את זמן השיווק של פרויקטים ולתמוך ברשת חשמל אמינה."

— מייסד שותף ומנכ"ל Resilient, טום קייסטר

מכיוון שרוב חברות SST עדיין רשומות לציבור באופן פרטי, מיזוג הטכנולוגיה של Resilient Power Systems עם הניסיון הנרחב, רשת המכירות ויכולת הייצור של Eaton נראה כדרך טובה עבור משקיעים לקבל חשיפה למגזר טרנספורמציה של חשמל בכללותו, ללא סיכון לשיבוש עקב הגעת טכנולוגיה חדשה זו לשוק, ולהפיק ממנה תועלת במקום זאת.

חדשות והתפתחויות אחרונות במניות Eaton (ETN)