ソリッドステート変圧器: 電力網電化の未来?

経済と産業に電気が浸透しつつあるという話になると、私たちは主にEV、バッテリー、急速充電器、再生可能エネルギーなどを思い浮かべます。

しかし結局のところ、これらすべての新しいテクノロジーは、発電所や太陽光発電所からの高出力電力を自動車、住宅、データセンター、工業プラントなどで使用されるレベルに根本的に変換するためのかなり古い設計に依拠しています。

現代の変圧器の基本設計は19世紀後半に遡ります。初期の商用モデルはウィリアム・スタンレー・ジュニアによって開発され、その後、交流電力システムの拡大に伴い、ウェスティングハウス社とニコラ・テスラの提唱により改良が重ねられました。鉄心と銅巻線を用いた電磁誘導という基本原理は、1世紀以上にわたってほとんど変わっていません。

これは、変圧器の唯一の役割が、比較的安定した予測可能な条件で、標準化された電流を送電網から適切なレベルにまで供給することだった時代には十分な設計でした。

しかし現在、電力網と発電がより分散化され、電流の品質に対する要求がより厳しくなるにつれ、これではほとんど十分ではありません。

幸いなことに、半導体業界の材料の進歩により、新しいタイプの変圧器、つまりソリッドステート変圧器への道が開かれています。

100年前のグリッド：従来の変圧器の仕組み

従来型変圧器の技術的基礎

説明したように、変圧器は入力された電流を所定の電圧で受け取り、それをより低い電圧またはより高い電圧に変換する装置です。従来の変圧器の容量と電流変換能力は、鉄心の周囲に巻かれた銅またはアルミニウムのコイルの数によって決まります。ブレーカー、ブッシング、ヒューズなどの追加部品は、変圧器の安全な動作を確保するために存在します。

柔軟性に欠け、かさばる機械ですが、非常に耐久性が高く、数十年、あるいは1世紀も使用できる機械です。また、大きなビジネスでもあります。 2025年には69億ドルの市場規模となり、 2034 年までに年平均成長率 7.97% で成長し、135.9 億ドルに達すると予想されています。

それでも、今日製造されている変圧器は、1900年代に初めて発明された初期の技術を用いた、比較的粗雑な装置です。交通、インターネット接続、その他の近代的な用途において、私たちがますます電力に依存するようになるにつれ、これは問題になる可能性があります。特に、電力網が少数の巨大な発電所ではなく、より断続的で分散化された再生可能エネルギー源によって稼働している状況ではなおさらです。

「昔ながらの鋼鉄、銅、油でできた変圧器には監視機能も制御機能もありません。電圧サージが発生したり、発電所がオフラインになったりした場合、それが大きな問題となる可能性があります。」

- ドリュー・バグリノ – ソリッドステート変圧器メーカー、ヘロン・パワーの創業者兼CEO

ソリッドステートトランスフォーマー（SST）の仕組み

こうした懸念を念頭に、エンジニアたちは変圧器の革新に取り組んでいます。銅や鉄の代わりに、彼らはEVや半導体に用いられる炭化ケイ素や窒化ガリウムといった新素材に注目しました。

設計におけるもう一つの根本的な違いは、ソリッドステート変圧器（SST）が巨大な鉄と銅のブロックではなく、多数の小さなモジュールを組み立てて作られていることです。そのため、容量の変更が容易で、故障箇所も簡単に交換できます。

SST は、いくつかの重要な技術的点で従来の変圧器と異なります。

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世界的な変圧器供給不足の解決

従来の変圧器に関するもう一つの問題は、最近では入手が非常に困難になっていることです。

電化や数ギガワット規模のデータセンターの建設により、電力網の容量拡大の需要が高まり続ける中、米国の公益事業会社は電力網を維持し、さらに改善するために十分な変圧器を見つけようと奔走している。

重要な要因の一つは、電力網の老朽化です。変圧器のような堅牢な機器であっても、50～70年ごとに交換が必要になる可能性があります。米国の配電用変圧器の半分以上、約40万台が すでに想定耐用年数を超えている.

特に銅などの商品価格の上昇と相まって、変圧器の価格はカテゴリーに応じて2019年以降45%から95%上昇しました。

「パワー半導体は下がり続けています。しかし、残念ながら鉄鋼、銅、石油はそうではありません。商品価格は大きく変動し、概して上昇する傾向があります。」

- ドリュー・バグリノ – ソリッドステート変圧器メーカー、ヘロン・パワーの創業者兼CEO

コストを押し上げるもう一つの要因は、外国の鉄鋼やその他の金属に対する関税であり、中国やブラジルなど、変圧器に必要な品質の材料を供給する国の場合、関税は最大50％以上になることが多い。

最後に、変圧器の供給増加への投資は不十分で、2000年代初頭には多くの企業が閉鎖に追い込まれました。これは電力会社による送電網への投資が低すぎることが一因です。そのため、現在、変圧器のサプライチェーンは、 必要な特殊鋼（電磁鋼）、十分な量が得られないのです。

しかし、ソリッドステート変圧器は、たとえ切実に必要とされている追加供給を供給できたとしても、新規変圧器のコスト問題をすぐに解決するわけではありません。なぜなら、現状ではソリッドステート変圧器は従来の変圧器に比べて5倍から10倍も高価だからです。

SSTアプリケーション：ソリッドステートトランスフォーマーが勝利する場所

AIデータセンターと高出力インフラ

これらすべてを総合すると、古い変圧器とソリッドステート変圧器の容量の違いにより、変圧器の使用方法が完全に変わります。

これらは、現在使用されているさまざまな電源装置のタスクを引き継ぐことができ、電力レベルの平滑化、AC から DC (またはその逆) への変換、グリッドとバッテリーの両方への接続などを同時に実行できます。

そのため、SSTは、平均的な電力ユーザーよりもはるかに複雑な電力供給問題を抱えるデータセンターにとって非常に魅力的な選択肢となっています。例えば、SSTは、無停電電源装置（UPS）や、国営電力網、バッテリーパーク、そして地域の再生可能エネルギー発電（ビハインド・ザ・メーター電力）への接続をすべて不要にします。

よりコンパクトなSSTはデータセンターのスペースを大幅に節約し、より多くのコンピューティングラックや冷却システムなどのサポートシステムのためのスペースを確保します。そのため、従来の単純な変圧器では対応できない電力を必要とするデータセンターのような特殊なケースでは、追加コストはさらなる節約にもつながります。

「私たちが取り除いたすべてのコストを合計すると、そのコストの60％から70％になります。」

— DG Matrixの共同創業者兼CEOのハルーン・イナム氏はTechCrunchに語った。

現時点では、データセンターがこの新技術の最初の顧客となっており、その柔軟性とコンパクトさを評価しています。さらに、これにより、データセンターは新しい変圧器の導入を「省略」することが可能になります。さらに、これまでは多額の追加投資を必要としていた電力安定性も実現します。例えば、Heron Linkの変圧器は、バックアップ電源がオンラインになっている間、コンピューティングラックに30秒間電力を供給できます。

再生可能エネルギーとグリッドエネルギー貯蔵

発電の大部分は交流を前提として設計されてきました。これは、石炭、ガス、水力発電所の回転タービンによって交流が生み出されていたためです。しかし、主要な発電源として成長を続ける太陽光発電は、必然的に直流電流を生成するため、送電網に送る前にインバーターで交流電流に変換する必要があります。

同じことはバッテリーにも当てはまります。バッテリーは AC グリッドに接続できますが、入力と出力の両方に DC が必要です。

その結果、インバーターと変圧器の両方の役割を果たすソリッドステート変圧器の価格は、2 つの個別の標準システムと同じになる可能性があります。

EV充電と双方向サポート

EV充電ステーションの設置スペースと施設全体の占有面積は、設置制限要因となる可能性があります。その点において、SSTの密度は競争上の優位性となる可能性があります。

バッテリー パークと同様に、AC-DC インバーターの機能を実行しながら電圧を変更できるという利点も得られます。

最後に、充電ステーション内のソリッドステート変圧器は、同じデバイスで電力網から電力を引き出すことと、電力網にエネルギーを供給することを交互に行うことができるため、充電ステーションを追加のストレージユニットに変えることに役立ちます。

今のところ、EVのドライバーは「モバイルバッテリー」のような役割を果たすことにあまり関心がないようです。しかし将来的には、自動運転車は重要な瞬間に蓄電容量を「貸し出し」、充電ステーションやSST（超高電圧ステーション）を利用してピーク時に電力系統に電力を還流させることで、収益性を高めることができるでしょう。

この傾向は、EV のバッテリー パックの耐久性が向上し、充電と放電のサイクルの頻度が増えても劣化がほとんどなくなるため、さらに広まるでしょう。

スマートパワーグリッドの未来

今のところ、SST は電力会社が電力網に統合するにはあまりにも高価で新しいものになっています。

しかし、長期的には、電力網の管理方法に根本的な変化をもたらす可能性があります。特に、公共料金上昇の最大の要因の一つである送電・配電コストを削減できる可能性があります。

これは、ソリッドステート変圧器が変化する状況に対応できるため、送電網運営者は同じ送電線でより多くの電力を送ることができ、電力消費が増加しても新しい送電線の必要性が減るためです。

「同じ電柱と電線により多くのキロワット時を流すことで、インフラのコストを実際に抑えることができます。100年前に設計された受動的な機械装置の代わりに、インテリジェンスが大きな違いを生み出すことができるのはまさにこの点です。」

- ドリュー・バグリノ – ソリッドステート変圧器メーカー、ヘロン・パワーの創業者兼CEO

注目すべきは、電気自動車ブームのおかげで、シリコンカーバイドをはじめとする電力用途向け半導体の量産が開始されたのは、まだ10年も経っていないということです。したがって、より効率的な製造方法が開発され、業界が規模の経済性を取り入れていくにつれて、これらの半導体のコストは徐々に低下していくと考えられます。

おそらく、これは電力会社が固体変圧器の大規模な設置を開始するために必要なステップとなり、規模の経済の第二の波を生み出すことになるでしょう。

ソリッドステートトランス市場の結論

ソリッドステートトランスフォーマーはまだ非常に新しい技術であり、本格的な市場への導入はまだ道半ばです。データセンター、そして太陽光発電所への導入も徐々に進み、その需要は徐々に高まっているようです。

次のステップは、生産規模を拡大し、この変圧器の設計が従来の設計よりも効率的で信頼性が高く、最終的には安価になることを実際の運用で実証することです。

いくつかのスタートアップ企業がSSTを推進しており、その中には ヘロンパワー元テスラ幹部によって設立された、 DGマトリックスデータセンターに特化し、 アンペアサンドはシンガポールに拠点を置いていますが、米国にも拠点があります。

これらの新興企業、あるいは電気業界の既存の巨大企業が最終的にこの市場を支配するかどうかはまだ分からないが、投資家が注目すべき重要な要素は、この技術の変化に対する伝統的な変圧器会社の反応だろう。

ソリッドステートトランスフォーマーへの投資：イートン（ETN）

イートンは、米国の電力変換機器、低・中電圧電気機器、航空宇宙用油圧機器および燃料ポンプの分野で第 1 位にランクされている、電気機器の大手プロバイダーです。

同社は2025年に240億ドルの収益を上げ、有機的な売上成長率は8%に達する見込みです。南北アメリカは同社最大のセグメントであり、最近ではデータセンターが最大の顧客セグメント（全収益のほぼ4分の1）となっています。

これにより、同社は電化、データセンター建設、再工業化（特に半導体工場）、再生可能エネルギーの増強といったトレンドの恩恵を受けるのに最適な立場にあり、同社の目標は以下のとおりです。

「私たちは世界トップクラスの電力管理会社になります。」

この目標を達成するために、同社は生産能力を1万平方フィート増やすために2億ドルを投資しました。

さらに、同社は「モビリティ」部門も運営し、商用トラックのトランスミッションとクラッチ（南北アメリカで第1位）や電動モビリティの需要に応えています。

合計すると、2025 年の同社の収益の 90% は電気部門と航空宇宙部門によるものとなります。

航空宇宙部門には、F-35、ボーイングKC-46A、シコルスキーCH-53K、ボーイング777X、ボーイングB737MAX、エアバスA350、エアバスA320NEOなどの民間航空機および軍用航空機への主要部品の提供が含まれます。また、SpaceX、Blue Origin、Ariane Group、Amazon、Eutelsat Groupなどにも宇宙用途向け部品を提供しています。

電気機器の需要増加を反映して、イートンの受注残は2020年代を通じて着実に増加し、2025年には過去最高レベルに達する見込みです。

2025年8月、イートンは固体変圧器会社Resilient Power Systemsを8,600万ドルで買収した。

この新興企業は、既存の配電網に直接接続する超小型EV充電デポの設計を行っており、一方イートンはデータセンターとエネルギー貯蔵の分野でさらなる成長の見込みがあるとみており、既存の関係によってより多くの取引をより迅速に締結できる可能性がある。

イートンに加わることを大変嬉しく思います。両社のチーム、能力、そして最先端技術を組み合わせることで、データセンターを含む新製品・新市場における継続的な成長を支えられると確信しています。当社の超小型ソリッドステート変圧器は、エネルギー効率の向上、プロジェクトの市場投入までの時間短縮、そして信頼性の高い電力網の実現に貢献します。

— レジリエント共同創設者兼最高経営責任者トム・ケイスター

ほとんどの SST 企業がまだ非公開企業であるため、Resilient Power Systems のテクノロジーと Eaton の豊富な経験、販売ネットワーク、製造能力を統合することは、投資家にとって、この新しいテクノロジーの市場投入による混乱のリスクなしに、電力変換セクター全体にエクスポージャーを持ち、代わりにその恩恵を受ける良い方法であると思われます。

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