Eksplozija, vatrena stihija i onda - mrak. Heathrow troši energije koliko i mali grad, a kad je prošlog četvrtka zbog velikog požara na trafostanici nestalo struje, svijet se podsjetio koliko je energetska infrastruktura krhka. U središtu kaosa gorio je električni transformator.
Transformator rijetko tko vidi kao ključ današnjeg tehnološki isprepletenog svijeta, a još rjeđe kao temelj elektrificirane budućnosti. A riječ je o uređaju bez kojeg gotovo ništa ne može funkcionirati – i koji se u današnje vrijeme sve teže nabavlja. Zamjena izgorjelog transformatora na Heathrowu, kao i mnogih drugih koje unište oluje, požari i poplave na sve nestabilnijem planetu, ne događa se preko noći.
"Na novi transformator ove veličine čeka se dulje od godinu dana", kaže Conor Murphy, potpredsjednik inženjeringa u tehnološkoj tvrtki Novogrid.
Zapanjujući kolaps Heathrowa, u kojem je otkazano više od tisuću letova zbog samo jedne točke kvara, još je jedno poglavlje u globalnoj priči. Bez transformatora, projekti svih vrsta stoje, a posljedice se lančano šire. U Europi, nestašica usporava širenje jeftinih obnovljivih izvora baš kad su visoke cijene električne energije pogodile kućanstva i tvrtke.
U SAD-u, nedostatak transformatora otežava oporavak nakon ekstremnih vremenskih nepogoda. U industrijskom pojasu istočnog Tennesseeja, pogođenom uraganom Helene prošle godine, tek nakon sedam mjeseci tvrtke su ponovno imale pristup punoj količini električne energije.
Na drugom kraju države, transformatori zadaju glavobolje tehnološkim tvrtkama koje trebaju nove, energetski zahtjevne podatkovne centre za umjetnu inteligenciju. Zbog golemog kompleksa koji Muskova tvrtka xAI gradi u Memphisu, lokalni je distributer električne energije prisiljen tražiti višak transformatora od drugih operatora kako bi izbjegao kašnjenja.
Požar na Heathrowu zaustavio zračnu luku | Bloomberg
Čak i projekti bez puno tehnologije mogu zapeti ako nedostaje ovaj više od stoljeća star komad opreme. U Houstonu je gradnja 16 dvoetažnih stanova za mlade koji izlaze iz udomiteljskog sustava, zamišljenih kao mjesto gdje će učiti samostalno živjeti, kasnila godinu i pol dana. Razlog? Nedostajao je transformator.
“Ne možeš graditi na generator”, kaže Carole Brady, izvršna direktorica neprofitne organizacije HomeAid Houston. “Zbog toga je kasnila pomoć mladima koji su zaista bili u nevolji“.
Pandemija Covida-19 poremetila je mnoge opskrbne lance, no većina ih se oporavila. Opskrba transformatorima počela je pucati i prije toga i stanje se otad samo pogoršalo. Umjesto nekoliko mjeseci do godinu dana, sada se na isporuku velikog transformatora čeka tri do pet godina.
Među 47 ključnih komponenti potrebnih za gradnju elektroenergetske infrastrukture, transformatori su od 2018. poskupjeli najviše – cijena im se gotovo udvostručila, pokazuju podaci JPMorgan Asset Managementa.
"Stalno pokušavamo riješiti jednadžbu s nepoznanicama", kaže Kevin Doddridge, izvršni direktor Northcentral Electric Cooperative iz Mississippija. Upravo je njegova tvrtka uskočila drugom distributeru u pomoć kako bi se mogao spojiti podatkovni centar xAI – rezervne su transformatore kamionima prevezli 100 kilometara južno, do Tallahatchie Valley Electric Power Association.
Transformatori mijenjaju napon i čine električnu energiju sigurnom za korištenje. Veličinom variraju od kante za smeće do kontejnera, a nalaze se gotovo posvuda – pa i u dijelovima svijeta gdje pristup struji nije dovoljno razvijen. Većina ih ljudi ni ne primjećuje, no kad je riječ o funkcioniranju elektroenergetske mreže, ovi neugledni metalni sanduci s keramičkim izbočinama važni su koliko i električni vodovi.
Usko grlo u opskrbi transformatorima predstavlja ozbiljnu prijetnju – ne samo za održavanje postojeće infrastrukture, od zračnih luka do domova, nego i za razvoj tehnologija koje tek dolaze, poput umjetne inteligencije, u onome što Međunarodna agencija za energiju naziva "dobom električne energije". No najveći je problem što to usporava prijeko potrebnu tranziciju prema čistim izvorima energije – najboljem rješenju za rastuće globalne temperature.
Lani je prosječna globalna temperatura prvi put premašila 1,5 °C u odnosu na predindustrijsko razdoblje – ključni prag iz Pariškog sporazuma iz 2015. godine. Elektrifikacija je jedno od najučinkovitijih oružja u borbi protiv klimatskih promjena i ključna za sprječavanje zagrijavanja planeta iznad 2 °C, što je gornja granica dogovorena Pariškim sporazumom. Električni uređaji učinkovitiji su od onih koji troše fosilna goriva, a većina novih elektrana koje se danas grade u svijetu ne emitira ugljik.
Elektrifikacija je i pokretač gospodarskog rasta. No energetska tranzicija ne zaostaje zbog političkih rasprava, nedostatka novca ili još neostvarenih tehnoloških proboja – nego zbog skrivenih uskih grla poput nestašice transformatora.
U Sjevernoj Americi i Europi, gdje je potrošnja električne energije desetljećima stagnirala ili padala, sada ponovno raste. Razlog je sve veća potražnja za AI-jem, kao i rast prodaje električnih automobila, dizalica topline i klima uređaja. No opskrbni lanci u tim regijama godinama su bili usmjereni na stabilno poslovanje i rutinsku zamjenu opreme. Po prvi put nakon dugo vremena, te se opskrbne lance mora prilagoditi razvoju, a elektroprivrede se moraju pripremiti za rast.
To otvara nova ograničenja koja se ne mogu brzo riješiti. Globalna potražnja za električnom energijom raste tolikom brzinom da su čak i u Indiji, gdje je proizvodnja struje u ovom stoljeću rasla po 10 posto godišnje, rokovi isporuke transformatora u posljednjih godinu dana udvostručeni.
Potražnja za velikim transformatorima u SAD-u
SAD će i dalje u velikoj mjeri ovisiti o uvozu, čak i dok se domaći kapaciteti proizvodnje povećavaju.
Transformatori nisu poput solarnih panela ili pametnih telefona. Često ih treba dizajnirati prema vrlo uskim specifikacijama, točno prema mjestu na mreži gdje će biti postavljeni. Jedno istraživanje pokazalo je da samo u SAD-u postoji čak 80.000 različitih vrsta manjih transformatora - vjerojatno više nego što je ikad proizvedeno različitih modela automobila.
Dodatne probleme donose carine koje je uveo američki predsjednik Donald Trump. SAD godišnje uvozi više od 80 posto velikih energetskih transformatora, uglavnom iz Kanade i Meksika. Carine na određene metale i prijetnje novima stvaraju nesigurnost baš u trenutku kada proizvođačima treba stabilan lanac opskrbe kako bi ulagali u proizvodnju.
Popis problema u ovom sektoru je dug, a jednostavnih rješenja nema - zbog čega jaz između ponude i potražnje neće uskoro nestati. "Ovo će biti dugotrajna borba", kaže Benjamin Boucher, viši analitičar u konzultantskoj kući Wood Mackenzie. "To nije nešto što ćemo riješiti u sljedećih pet godina".
Kako smo onda došli do toga da jedan jedini uređaj može blokirati industrije vrijedne bilijune dolara? Odgovor se krije u povijesnom trenutku koji je zapečatio ovisnost svijeta o transformatorima.
Krajem 19. stoljeća, kad se električna energija tek počela komercijalno koristiti, dvojica poduzetnika vodila su žestoku bitku za kontrolu nad njezinom budućnošću – u onome što je ostalo poznato kao "rat struja". Thomas Edison zagovarao je istosmjernu struju (DC), dok je George Westinghouse, izumitelj i industrijalac, bio uvjeren da će se izmjenična struja (AC) pokazati praktičnijom.
Zahvaljujući kombinaciji karaktera, financija i tehničkih prednosti, Westinghouse je na kraju pobijedio – i svijet je većinom prešao na AC sustav proizvodnje i prijenosa električne energije. A da bi taj sustav funkcionirao, nužni su transformatori.
Transformatori djeluju poput regulatora za elektrone – mijenjaju napon izmjenične struje kako bi omogućili prijenos električne energije na velike udaljenosti i osigurali stabilnost sustava.
Ako ste ikad pogledali sitna slova na punjaču za mobitel, tamo su obično navedene dvije vrijednosti: napon (voltage) i struja (current). Napon možete zamisliti kao visinu slapa – što je viši, to voda (odnosno elektroni) jače udara. Struja je poput količine vode koja teče – što je veći protok, to je veći prijenos energije. Transformator se nalazi između dviju izmjeničnih vodova i ovisno o potrebama mreže, povećava ili smanjuje napon. Ako napon nije dobro podešen, lako može doći do preopterećenja uređaja – ili čak do nestanka struje.
Bez transformatora nema struje, a njihova nestašica sve češće blokira projekte | Bloomberg
No upravljanje naponom važno je i za učinkovit prijenos energije. S današnjom tehnologijom, više od 10 posto električne energije izgubi se dok putuje od elektrane do potrošača. Bez transformatora koji reguliraju napon, taj bi gubitak već nakon nekoliko desetaka kilometara mogao dosegnuti i 100 posto, što bi električnu energiju učinilo neupotrebljivom za širu upotrebu.
Solarne i plinske elektrane obično proizvode električnu energiju pri naponu od nekoliko stotina ili tisuća volti. Taj se napon pomoću transformatora za povišenje (step-up) povećava na stotine tisuća volti, što omogućuje prijenos struje na desetke ili stotine kilometara uz minimalne gubitke. No prije nego što ta električna energija može puniti vaš mobitel, mora proći kroz niz transformatora za snižavanje napona (step-down), koji dovode struju do vašeg doma na oko 100 do 200 volti.
Transformatori su potrebni na svakoj točki elektroenergetske mreže. Američko ministarstvo energetike procjenjuje da u SAD-u postoji oko 80 milijuna manjih transformatora – otprilike jedan na svake četiri osobe.
Ako su toliko važni i rasprostranjeni, zašto ih onda nedostaje? Odgovor se krije u posebnim materijalima koji su potrebni za njihovu izradu, složenosti proizvodnog procesa i činjenici da su industrije koje ih kupuju i prodaju vrlo oprezne kad je riječ o riziku.
Tvornica GE Vernova u Staffordshireu u Engleskoj jedna je od rijetkih u svijetu koja širi proizvodnju transformatora. Do kraja 2026. broj zaposlenih povećat će se za 50 posto, a proizvodnja će se udvostručiti. To je ujedno i posljednja tvornica u Ujedinjenom Kraljevstvu koja proizvodi velike energetske transformatore.
Nije teško pronaći radnike za proizvodne linije, ali zato nedostaje inženjera koji se bave dizajnom i razvojem.
"Zadnjih su desetljeća talentirani studenti radije birali karijere u tehnologiji", kaže Neil Beardsmore, globalni voditelj prodaje u GE Vernova Grid Integration Solutions. "Ali sada se trend okreće prema energetskoj tranziciji", dodaje, i prvi put vidi ozbiljan rast u ovom sektoru. "Zato pokušavamo ponovno učiniti našu industriju atraktivnom".
U tvornici u Staffordu proizvode se vrlo veliki energetski transformatori koje koriste operatori prijenosnih sustava – primjerice za dovođenje struje s morskih vjetroelektrana ili povezivanje podmorskih visokovoltažnih kabela između regija. Takvi transformatori mogu podnijeti goleme količine energije i teže oko 300 tona.
Zbog svoje mase i kompaktnosti, transformator se mora prevoziti vozilima za izvanredne terete – golemim platformama s više od 100 kotača i kamionima s obje strane koji ga guraju i vuku istovremeno.
"Kad šaljemo jedan takav transformator, policijska pratnja nas vodi sve do luke", kaže Michael Graham, voditelj proizvodnje u GE Vernova. Najbliža luka, Ellesmere, udaljena je oko 60 kilometara od tvornice.
Unutrašnjost transformatora (bez obzira na veličinu) uvijek se sastoji od istih ključnih elemenata. Dvije jezgre s gusto namotanim bakrenim zavojnicama montiraju se na čeličnu konstrukciju. „Tehnologija kojom danas gradimo transformatore stara je više od 100 godina,“ kaže Stefan Tenbohlen, profesor elektrotehnike na Sveučilištu u Stuttgartu. „To nije nuklearna fizika.“
Bez rijetkih materijala nema ni transformatora | Bloomberg
Način na koji transformatori mijenjaju napon temelji se na jednom od najosnovnijih zakona elektromagnetizma: promjena električne struje u vodiču stvara magnetsko polje. I obrnuto – promjena magnetskog polja može stvoriti električnu struju u vodiču.
Transformator objedinjuje tu dvosmjernost u jednom uređaju. Čelična konstrukcija pomaže u zadržavanju magnetskog polja, a u tome je još učinkovitija kad se koristi tzv. orijentirani električni čelik (GOES – grain-oriented electrical steel). No njegova proizvodnja zahtijeva precizan i osjetljiv proces, pa ga malo tko proizvodi.
Oko trećine mase transformatora čine tanke izolirane ploče GOES-a, koje se koriste za izradu jezgre. U Velikoj Britaniji ne postoji nijedna tvornica koja ga proizvodi, pa GE Vernova mora GOES uvoziti iz kontinentalne Europe ili Japana. SAD se oslanja na posljednju aktivnu tvornicu GOES-a u Sjevernoj Americi, smještenu u Pennsylvaniji i u vlasništvu tvrtke Cleveland-Cliffs. No čak ni ta tvornica ne proizvodi najkvalitetniji GOES koji se danas koristi u većini velikih transformatora.
Izrada transformatora iznimno je složena. "Transformator sadrži tisuće dijelova", kaže Eduardo Villar, voditelj proizvodnje u GE Vernovi. Svaki od njih mora biti proizveden prema visokim standardima i s izuzetnom pouzdanošću, jer operatorima mreže nije isplativo držati rezervne dijelove za velike transformatore koje mogu jednostavno zamijeniti ako se pokvare.
Nakon dovršetka širenja kapaciteta, tvornica u Staffordu proizvodit će 36 velikih transformatora godišnje, počevši od 2026. godine, i opskrbljivati britanski National Grid i druge velike operatore mreža diljem svijeta. Možda se ne čini mnogo, ali razlog je što se veliki transformatori izrađuju po narudžbi. "To nije serijska proizvodnja", kaže Villar. "Ne proizvodimo boce".
Transformator se ne može uvijek popraviti. A ipak, toliko je ključan za funkcioniranje mreže – poput guma na automobilu – da njegova zamjena mora biti odmah dostupna. U vremenu sve učestalijih ekstremnih vremenskih pojava, to znači da su operatori i energetske tvrtke ovisni o ograničenom opskrbnom lancu ako uragan uništi transformatore.
Zbog sve veće nestašice, neke tvrtke počele su kupovati više transformatora nego što im trenutačno treba – kako bi imali rezerve u slučaju katastrofe.
U istočnom Tennesseeju, tvrtka Erwin Utilities uspjela je zamijeniti transformatore oštećene tijekom uragana Helene. No to im je pošlo za rukom samo zato što su na vrijeme napravili plan. Prateći stanje na tržištu posljednjih godina, postupno su udvostručili zalihe manjih transformatora u skladištu. To im je omogućilo da brzo ponovno uspostave opskrbu nakon nevremena. "Naravno, to veže značajna financijska sredstva", kaže Lee Brown, direktor Erwina.
U teoriji, sve ove izazove trebalo bi biti moguće savladati i povećati proizvodnju transformatora – s obzirom na toliku potražnju. No zbog ranijih ciklusa rasta i pada, mnogi se u industriji s pravom pitaju isplati li se ponovno ulagati, odnosno hoće li povećana potražnja trajati dovoljno dugo da opravda velika ulaganja potrebna za izgradnju novih tvornica.
Vrijeme isporuke transformatora u SAD-u
Nedostatak ovog ključnog električnog uređaja usporava elektrifikaciju i povećava troškove projekata.
To se posebno osjeti u SAD-u. Eva Gonzalez Isla, analitičarka za mreže i energetske sustave u BloombergNEF-u, objašnjava da su proizvođači transformatora početkom 2000-ih ulagali u širenje proizvodnih kapaciteta u očekivanju rasta potrošnje električne energije. No zatim je došla financijska kriza 2008. godine, nakon koje se potražnja za strujom nije tako brzo oporavila i mnoge su tvrtke ostale bez povrata svojih ulaganja.
Danas ti isti proizvođači ponovno bilježe rast potražnje, potaknut i gradnjom podatkovnih centara za umjetnu inteligenciju. No i dalje nisu sigurni hoće li se taj trend zadržati, kaže Gonzalez Isla. “Nitko neće otvoriti novu tvornicu samo da bi je zatvorio za deset godina.”
Ograničene zalihe GOES-a – specijalnog čelika koji se koristi u transformatorima – također predstavljaju veliku prepreku prije nego što proizvođači uopće mogu razmisliti o gradnji nove tvornice, osobito u SAD-u. Moguće je koristiti i druge vrste čelika, no zbog otpora prema promjenama rijetko se prelazi na nove materijale.
Američko Ministarstvo energetike pokušalo je zakonski potaknuti industriju da prijeđe na amorfni čelik, koji bi transformatore učinio energetski učinkovitijima. No prijedlog je naišao na snažan otpor industrije, jer bi zamjena tako ključnog materijala zahtijevala velika početna ulaganja u promjene dizajna, proizvodnih procesa i opskrbnih lanaca. Kad su prošle godine nove regulative ipak donesene, tijekom mandata bivšeg predsjednika Joea Bidena, dozvoljeno je da se i dalje većinom koristi GOES.
Transformatori su stari više od stoljeća, ali bez njih ni budućnost ne funkcionira | Pixsell
Unatoč svemu, još uvijek postoji dosta prostora za tehnološki napredak. Neke su tvrtke iskoristile svoje skromne istraživačke budžete i državne potpore kako bi razvile nova rješenja. GE Vernova je, primjerice, pokazala da je moguće proizvoditi fleksibilne velike transformatore, što bi moglo smanjiti broj različitih modela koji se moraju proizvoditi. Siemens Energy AG razvio je transformatore za hitne intervencije, koji mogu privremeno zamijeniti velike uređaje dok se ne osposobi stalna zamjena. Avangrid osmislio je mobilne transformatore koji se mogu kamionima prevesti do solarnih ili vjetroelektrana u roku od nekoliko mjeseci.
Postoje i tehnologije koje potpuno preispituju samu bit uređaja koji se u svojoj osnovi nije mijenjao više od stotinu godina. Tu ideju slijede tzv. solid-state transformatori, koji koriste najnovije elektroničke komponente. Takav pristup omogućuje znatno manju veličinu uređaja i uklanja potrebu za posebnim dizajnom u svakoj primjeni. Štoviše, solid-state transformatori mogu komunicirati s operatorima mreže – što klasični transformatori ne mogu. To bi moglo pomoći u sprječavanju kvarova poput onoga na Heathrowu. No ova tehnologija još je daleko od komercijalne upotrebe.
Upravo je snajperski napad 2013. godine upozorio američke dužnosnike na krhkost elektroenergetske mreže i ključnu ulogu transformatora. Dana 16. travnja, napadači su iz vatrenog oružja pucali na trafostanicu Metcalf kraj San Josea u Kaliforniji. Ispaljeni meci probili su vanjsku oplatu i uzrokovali istjecanje ulja za hlađenje. U roku od nekoliko minuta, transformatori su se počeli pregrijavati – i njih 17 automatski se isključilo. Da operator nije hitno pronašao način za preusmjeravanje struje, cijela bi Silicijska dolina mogla ostati bez napajanja.
Napad je izazvao pravi šok u energetskoj industriji. Tadašnji predsjednik Savezne regulatorne komisije za energiju (FERC) izjavio je da se radi o "najznačajnijem slučaju domaćeg terorizma povezanog s elektroenergetskom mrežom ikad zabilježenom". Počinitelji nikad nisu uhvaćeni, ali su energetske tvrtke nakon toga počele pojačavati sigurnost na trafostanicama, a neke su krenule i s gomilanjem zaliha najvažnijih transformatora.
Jasno je da se još puno toga mora učiniti. U petak na Heathrowu, prema podacima londonske vatrogasne službe, gorjelo je oko 25.000 litara ulja za hlađenje iz transformatora. Vatrogasci su više od sedam sati gasili požar, dok je zračna luka istovremeno preusmjeravala sustav kako bi ponovno uspostavila napajanje iz drugih trafostanica i nastavila s radom.
A nije riječ samo o sigurnosnim prijetnjama – klimatske promjene i ekstremne vremenske pojave donose novu razinu rizika. Prije nekoliko godina snažan tornado uništio je 400 kuća i 137 poslovnih objekata u jednom gradu u Kentuckyju. Obnova se odugovlačila zbog nestašice transformatora. Bez pomoći države i bez čuda tehnologije, Marty Ivy, glavni nadzornik lokalne elektrodistribucije Mayfield Electric & Water Systems, morao je improvizirati. "Molili smo, posuđivali i nagovarali druge distributere iz doline Tennessee da nam ustupe transformatore", kaže.
Zbog opreznog i sporog karaktera industrije, nije pametno oslanjati se isključivo na tehnološka rješenja za rješavanje trenutačnih uskih grla. Tu bi država mogla uskočiti – a priče o dvjema tvornicama pokazuju kako.
Godine 2017. proizvođač električne opreme ABB zatvorio je tvornicu transformatora u St. Louisu (Missouri), jer – kako kaže Travis Edmonds, šef opskrbnog lanca za Sjevernu Ameriku u Hitachi Energyju, koji je danas vlasnik ABB-ova transformatorskog biznisa – potražnja nije bila dovoljno stabilna. Tvornica je i dalje zatvorena.
Pixsell
Suprotna je situacija s Hitachijevom tvornicom u Quebecu (Kanada). Ona širi kapacitete, a Edmonds objašnjava da je razlog tome podrška kanadske vlade lokalnim elektrodistributerima. Ideja je jednostavna – država jamči otkup transformatora, što proizvođačima daje sigurnost da se isplati ulagati u gradnju novih postrojenja. Njemačka je, nakon energetske krize izazvane ruskom invazijom na Ukrajinu, uvela slične mjere.
"U nestabilnom svijetu i složenom okruženju za ulaganja, mnogi jednostavno kažu: narudžbi imamo dovoljno - zašto bismo radili više?", komentira Kristian Ruby, glavni tajnik Eurelectrica, organizacije koja okuplja tvrtke u sektoru električne mreže.
S druge strane, Kina godinama sustavno gradi kapacitete za proizvodnju transformatora, kako bi zadovoljila rastuću domaću potražnju za električnom energijom, ali i potrebe izvoza. Na Zapadu su Kanada i Njemačka iznimke. Mnoge bi zemlje željele povećati domaću proizvodnju transformatora, no većina nije spremna koristiti novac poreznih obveznika za takva ulaganja. Ni analitičar Wood Mackenzieja, Benjamin Boucher, ne očekuje da će se SAD odlučiti na taj korak.
Umjesto toga, Trumpove carine na čelik već su podigle cijene transformatora za oko 20 posto, kaže Boucher. Budući da se većina ugovora za nabavu transformatora veže uz cijene sirovina, carine trenutačno izravno utječu na kupce.
U posljednjih 20 godina nije bilo ozbiljnih ulaganja u opskrbne lance za proizvodnju transformatora – i nestašice će vjerojatno postati još izraženije. "Sad nam se sve to vraća", zaključuje Boucher.
.webp){kind=icon}
