Il backup dell'intera abitazione non dovrebbe significare tutti i carichi contemporaneamente

Durante la progettazione di un sistema a batteria per una grande abitazione arriva un momento ricorrente.

Il proprietario vorrebbe che la residenza funzionasse normalmente durante un'interruzione. Il costruttore indica la fornitura da 400 ampere. Qualcuno parla di «backup dell'intera abitazione». Poi iniziamo a contare compressori dell'aria condizionata, apparecchiature della piscina, acqua calda sanitaria, veicoli elettrici, pavimenti riscaldati, un'ala per gli ospiti, una cantina, una doccia a vapore e, a seconda dell'altitudine, un sistema scioglighiaccio con l'appetito elettrico di un ristorante di medie dimensioni.

Nessuna di queste dotazioni è irragionevole in un'abitazione di fascia alta. Semplicemente non possono essere tutte considerate ugualmente importanti quando la rete elettrica viene a mancare.

La risposta non è sempre una pila di batterie più alta. È un sistema che sa quali carichi contano, quali possono aspettare e quali non avrebbero mai dovuto essere invitati all'interruzione.

Questo è il valore del controllo dei carichi.

Una batteria ha due budget

Ogni sistema di accumulo di energia a batteria, o BESS, opera entro due limiti fondamentali:

• Energia, misurata in kilowattora, determina approssimativamente per quanto tempo il sistema può sostenere l'abitazione.
• Potenza, misurata in kilowatt, determina quanti carichi il sistema può far funzionare contemporaneamente.

Si tratta di problemi diversi.

Una batteria può contenere energia sufficiente per sostenere i carichi essenziali per tutta la notte, ma non riuscire comunque ad avviare simultaneamente diversi motori di grandi dimensioni. Un sistema può inoltre disporre di una notevole potenza istantanea, ma esaurire rapidamente l'energia accumulata se ai carichi discrezionali è consentito funzionare senza un piano.

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti distingue la capacità energetica—la quantità totale di energia che un sistema di accumulo può contenere—dalla capacità di potenza—la quantità che può erogare in un determinato momento.^[1] Questo è il modo più chiaro per capire perché una batteria possa avere energia accumulata sufficiente per la notte e tuttavia non riuscire ad alimentare contemporaneamente tutti i grandi carichi.

La ricerca sulle batterie residenziali del National Renewable Energy Laboratory esplicita la conseguenza pratica: la capacità dell'inverter può impedire a un sistema di sostenere carichi con elevata domanda di potenza attiva o alta corrente di avviamento, comprese apparecchiature azionate da motori come le unità di condizionamento.^[2]

Il valore nominale della fornitura indica ciò che l'infrastruttura elettrica dell'abitazione può accogliere quando la rete è disponibile. Non indica ciò che un sistema a batteria finito dovrebbe tentare di far funzionare durante un'interruzione prolungata.

La fisica resta ostinatamente indifferente alle dimensioni dell'isola della cucina.

Il controllo dei carichi cambia l'equazione progettuale

Nella sua forma più semplice, il controllo dei carichi scollega le apparecchiature non essenziali quando l'abitazione entra in modalità backup.

Un sistema più evoluto può reagire a:

• stato di carica della batteria;
• potenza disponibile dell'inverter;
• produzione solare;
• disponibilità del generatore;
• stato operativo di altri grandi carichi;
• ora del giorno; e
• priorità definite dal proprietario.

Ciò consente a una grande residenza di rimanere ampiamente collegata al sistema di backup senza presumere che ogni apparecchio debba funzionare contemporaneamente.

Una sequenza di controllo potrebbe consentire il funzionamento di una zona HVAC, bloccando temporaneamente la ricarica dei veicoli elettrici e il riscaldamento della piscina. Quando il compressore si spegne, può diventare disponibile un altro carico gestito. Se la batteria raggiunge una soglia di riserva definita, il sistema può disinserire ulteriori carichi di comfort preservando al contempo sicurezza, refrigerazione, comunicazioni, protezione antigelo, sistemi idrici e illuminazione selezionata.

Non si tratta soltanto di una funzione offerta da alcuni prodotti residenziali. È una strategia di resilienza riconosciuta.

Il DOE Energy Storage Handbook descrive i sistemi di gestione dell'energia come il livello che monitora e controlla in modo ottimale l'accumulo, utilizzando dati del sistema di gestione della batteria quali stato di carica, stato di salute, temperatura e limiti operativi per determinare i comandi di potenza.^[3] Le linee guida del DOE sulla resilienza vanno oltre: i carichi critici dovrebbero essere prioritari fin dall'inizio e i sistemi dell'edificio possono essere programmati per spostare o disinserire i carichi a priorità inferiore in base all'energia disponibile dalla rete, dalla generazione in sito o da un BESS.^[4]

Il punto più ampio è semplice: il sistema di backup dovrebbe gestire attivamente la domanda anziché limitarsi a sperare che la domanda si comporti bene.

L'obiettivo non è rendere sempre disponibili tutti i carichi. L'obiettivo è rendere disponibili i carichi giusti per tutto il tempo in cui contano.

Principio di pianificazione JLJ

La potenza è ciò che fa scattare il sistema. L'energia è ciò che lascia l'abitazione senza risorse.

I motori di grandi dimensioni e i carichi di riscaldamento resistivo meritano particolare attenzione.

Compressori dell'aria condizionata, pompe di pozzo, pompe della piscina, scaldacqua elettrici, forni, spa, sistemi scioglighiaccio e caricabatterie per veicoli elettrici possono consumare una quota significativa della potenza disponibile o dell'energia accumulata di un sistema a batteria residenziale. Anche la corrente di avviamento del motore può essere molte volte superiore alla corrente a pieno carico. Le linee guida del DOE sui motori osservano che un tipico motore NEMA Design B può assorbire da quattro a otto volte la corrente a pieno carico durante l'avviamento, sebbene l'evento sia solitamente breve.^[5] Di conseguenza, un carico che appare accettabile in un calcolo a regime può comunque superare la capacità di breve durata dell'inverter.^[2]

Senza un controllo coordinato, due o tre grandi carichi possono avviarsi quasi simultaneamente e sovraccaricare il sistema di backup. A seconda delle apparecchiature e della configurazione, ciò può provocare l'arresto dell'inverter o togliere alimentazione all'intero bus di backup, compresi i piccoli ma importanti carichi che il sistema doveva preservare.

Una buona strategia di controllo evita questa forma piuttosto poco utile di uguaglianza.

Scagliona i grandi carichi, mantiene un margine per gli avviamenti dei motori, blocca le combinazioni incompatibili e ripristina le apparecchiature in una sequenza deliberata. L'obiettivo non è solo conservare energia, ma mantenere stabile il sistema elettrico.

Le interruzioni prolungate sono un problema di bilancio energetico

È facile impressionare durante una breve interruzione. Una batteria sufficientemente grande può alimentare quasi tutto per quindici minuti.

Un'interruzione di due o tre giorni è meno influenzabile dal marketing.

Durante un evento prolungato, la residenza deve bilanciare energia accumulata, produzione solare in ingresso, contributo del generatore ove applicabile e consumo giornaliero. La metodologia di resilienza REopt del DOE valuta le dimensioni del sistema e il dispacciamento della batteria stimando per quanto tempo un sistema può sostenere i carico critico durante un'interruzione della rete.^[6] Analogamente, le linee guida del DOE sugli edifici resilienti e interattivi con la rete raccomandano di dare priorità ai carichi critici e di spostare o disinserire le funzioni a priorità inferiore in base all'energia disponibile dalla rete, dalla generazione in sito o dal BESS.^[4]

Per una grande residenza, in genere organizzo i carichi durante l'interruzione in tre gruppi operativi.

1. Carichi che devono rimanere disponibili

Questi includono comunemente:

• sistemi di allarme e controllo degli accessi;
• telecamere, apparecchiature di registrazione e infrastruttura di rete;
• controlli dei cancelli e citofoni;
• refrigerazione;
• pozzo, pozzetto, fognatura o altre apparecchiature di protezione della proprietà;
• illuminazione e prese selezionate;
• riscaldamento necessario per la protezione antigelo;
• apparecchiature mediche o altre apparecchiature di sicurezza vitale; e
• lo stesso BESS, il generatore e le apparecchiature di controllo dell'edificio.

2. Carichi che possono funzionare selettivamente

A seconda del progetto, possono includere:

• una o più zone HVAC designate;
• acqua calda sanitaria;
• elettrodomestici da cucina selezionati;
• porte del garage;
• lavanderia;
• circuiti limitati delle aree per gli ospiti; e
• prese di servizio selezionate.

3. Carichi che normalmente possono aspettare

Questo gruppo spesso comprende:

• ricarica dei veicoli elettrici;
• riscaldamento di piscina e spa;
• saune e apparecchiature a vapore;
• sistemi scioglighiaccio;
• zone HVAC secondarie;
• riscaldamento elettrico decorativo; e
• altre dotazioni ad alta domanda prive di una funzione immediata di resilienza.

Queste assegnazioni non sono universali. In un impianto, una pompa della piscina può essere importante per proteggere la proprietà. In un altro, un veicolo elettrico può essere l'unico mezzo di trasporto affidabile della famiglia. Una cantina può salire rapidamente nell'elenco delle priorità dopo che qualcuno ne ha esaminato l'inventario.

Le priorità dovrebbero essere definite con il proprietario, il costruttore e il team di progettazione, anziché scaricate da una lista di controllo generica.

Mantenere attiva la sicurezza significa alimentare l'intera catena di sicurezza

«Eseguire il backup del sistema di sicurezza» sembra una singola voce. Raramente lo è.

La catena operativa reale può includere:

• una centrale di allarme e il relativo alimentatore;
• switch di rete PoE;
• telecamere;
• un videoregistratore di rete o un dispositivo di archiviazione locale;
• modem, router, firewall e punti di accesso wireless;
• pannelli di controllo degli accessi e ferramenta delle porte;
• attuatori dei cancelli;
• citofoni; e
• apparecchiature cellulari o altre apparecchiature di comunicazione secondarie.

Molte telecamere moderne ricevono sia dati sia alimentazione tramite uno switch PoE, quindi alimentare il circuito della telecamera lasciando spegnere lo switch serve a poco. La stessa logica di dipendenza si applica a registratore, router, firewall, pannello di controllo accessi, controllore del cancello e percorso di comunicazione. Il dispositivo visibile non è necessariamente il carico critico; lo è la funzione completa.

Le linee guida del DOE sulla resilienza includono specificamente sistemi di sicurezza, accesso all'edificio, allarmi e illuminazione di emergenza tra i carichi critici ai quali dare priorità durante un'interruzione.^[4] Analogamente, le linee guida CISA sull'alimentazione resiliente sottolineano la necessità di mantenere l'alimentazione delle comunicazioni critiche e delle apparecchiature associate e di trattare alimentazione di backup, cybersicurezza, sicurezza fisica e comunicazioni come un unico problema coordinato di resilienza.^[8]

Questi carichi sono generalmente modesti rispetto a HVAC, riscaldamento dell'acqua o ricarica dei veicoli elettrici. Sono quindi ottimi candidati per la massima priorità di backup. I circuiti di supporto devono essere identificati esplicitamente, documentati e collaudati come sistema completo.

Anche l'elettronica sensibile può richiedere gruppi di continuità opportunamente specificati. Un BESS residenziale può commutare rapidamente, ma le apparecchiature che richiedono un'alimentazione realmente ininterrotta non dovrebbero dipendere da un tempo di commutazione presunto.

Anche i controlli necessitano di un piano di resilienza. Ove pratico, le funzioni critiche dovrebbero continuare localmente, senza dipendere interamente da un servizio cloud o da una connessione Internet che potrebbe essere indisponibile durante lo stesso evento. Le linee guida del DOE invitano i progettisti a considerare interruzioni delle comunicazioni e altre modalità di guasto nel sistema complessivo, mentre CISA raccomanda di mantenere comandi manuali di esclusione per i controlli automatizzati dell'alimentazione resiliente.^[4][9]

Un sistema di controllo resiliente non dovrebbe perdere la propria utilità nel momento in cui viene meno la connessione WAN.

Il controllo dei carichi può favorire la longevità della batteria, ma non è una soluzione magica

La durata delle batterie agli ioni di litio è influenzata da chimica, temperatura, stato di carica medio, profondità di scarica, velocità di carica e scarica e profilo operativo imposto al sistema.

Una ricerca sottoposta a revisione paritaria del National Renewable Energy Laboratory ha rilevato variazioni significative nella durata modellata delle batterie residenziali tra casi d'uso, condizioni ambientali, chimiche, stato di carica, profondità di scarica e temperatura.^[2] In altre parole, il modo in cui una batteria viene utilizzata conta.

Il controllo dei carichi può favorire una maggiore durata riducendo il flusso di energia evitabile e limitando scariche profonde non necessarie. Ciò può essere particolarmente rilevante quando lo stesso BESS viene usato quotidianamente per autoconsumo solare, ottimizzazione delle fasce orarie o gestione della domanda, oltre che come alimentazione di backup.

Occorre però una precisazione importante: il controllo dei carichi non sospende l'elettrochimica e un'interruzione occasionale difficilmente determinerà l'intera vita di una batteria gestita correttamente. Gestione della temperatura, selezione del prodotto, impostazioni della riserva, condizioni di garanzia e sistema di gestione della batteria del produttore restano centrali.

Tuttavia, chiedere alla batteria di riscaldare una spa preservando al contempo le riserve di emergenza non è una strategia di longevità. È una strategia per la spa.

La posizione ingegneristica corretta è che il controllo dei carichi costituisce una parte di un più ampio piano del ciclo di vita. Riserva i cicli profondi e l'elevata domanda ai momenti in cui quell'energia ha davvero valore.

Un controllo migliore può essere più prezioso del semplice aggiungere batterie

Una maggiore capacità della batteria offre vantaggi evidenti e alcune grandi abitazioni richiedono davvero un accumulo considerevole. Tuttavia, dimensionare ogni progetto sull'ipotetico funzionamento simultaneo di ogni dotazione elettrica può produrre un sistema costoso ma comunque mal coordinato.

Una buona strategia di controllo dei carichi può consentire a un progetto di:

• raggiungere un obiettivo definito di autonomia durante un'interruzione con meno accumulo;
• ridurre la capacità dell'inverter necessaria per i carichi simultanei;
• evitare arresti per sovraccarico;
• preservare una riserva di emergenza significativa;
• utilizzare più efficacemente la produzione solare durante interruzioni di più giorni;
• mantenere disponibili più circuiti senza farli funzionare tutti insieme; e
• adattare le priorità al mutare delle esigenze degli occupanti.

Le linee guida del DOE giungono alla stessa conclusione a livello di sistema in un contesto edilizio più ampio: ridurre e gestire il carico può diminuire la capacità di accumulo e di generazione in sito necessaria a sostenere le funzioni dell'edificio, utilizzando meglio l'energia rinnovabile prodotta in sito.^[4]

Ciò non significa che i controlli debbano essere usati per mascherare un BESS sottodimensionato. La capacità di accumulo e di potenza necessaria deve comunque essere calcolata sulla base di dati realistici sui carichi, scenari operativi, requisiti di avviamento dei motori, condizioni meteorologiche e contributo solare o del generatore.

I controlli rendono più capace un sistema correttamente dimensionato. Non trasformano una piccola batteria in una grande.

I costruttori dovrebbero pianificare il controllo dei carichi prima di chiudere le pareti

Il momento migliore per discutere le priorità durante un'interruzione non è dopo che i quadri elettrici sono stati etichettati e l'installatore della batteria è arrivato.

Per nuove costruzioni e ristrutturazioni importanti, il costruttore, l'ingegnere elettrico, l'appaltatore elettrico, il progettista del BESS, il team HVAC, l'integratore della sicurezza, il fornitore del generatore e l'appaltatore della domotica dovrebbero coordinare tempestivamente la strategia dei carichi.

Il progetto dovrebbe stabilire:

1. i carichi che devono rimanere alimentati;
2. i carichi autorizzati a funzionare in modo condizionato;
3. i carichi esclusi durante il backup;
4. la domanda simultanea massima prevista;
5. i requisiti di avviamento dei motori e di corrente di spunto;
6. le soglie di riserva della batteria;
7. le interazioni operative tra solare e generatore;
8. le opzioni di controllo locale e manuale;
9. il comportamento fail-safe in caso di perdita delle comunicazioni; e
10. i requisiti di messa in servizio e formazione del proprietario.

Questa pianificazione può portare a un quadro dedicato ai carichi essenziali, controlli intelligenti dei circuiti, controlli a livello di apparecchio, integrazione con l'automazione dell'edificio o una combinazione di tutte e quattro le soluzioni.

Non esiste un'architettura universalmente corretta. Esiste solo un'architettura che è stata, oppure non è stata, pensata a fondo.

Metti in servizio l'interruzione, non solo le apparecchiature

Una sequenza di controllo dei carichi non è completa solo perché la schermata di programmazione indica «completato».

La messa in servizio dovrebbe includere una vera prova in modalità backup. Il team di progetto dovrebbe verificare:

• il comportamento di commutazione;
• la continuità della sicurezza e della rete;
• l'avviamento dei motori;
• il distacco e il ripristino dei carichi;
• le transizioni delle riserve della batteria;
• l'interazione tra solare e generatore;
• il funzionamento locale durante un'interruzione di Internet;
• i comandi manuali di esclusione; e
• la capacità del proprietario di comprendere ciò che il sistema sta facendo.

La prova dovrebbe inoltre confermare che la sequenza scritta corrisponda alle effettive priorità del proprietario. Un sistema può eseguire in modo impeccabile il piano sbagliato.

Un'interruzione è un pessimo momento per scoprire che il controllore del cancello, lo switch PoE e il registratore di rete sono stati collocati su tre lati diversi del confine di backup.

Il vero lusso è la continuità

Una casa di lusso resiliente non deve fingere che non sia in corso un'interruzione. Deve rimanere sicura, abitabile e gestibile senza richiedere al proprietario di sorvegliare il locale elettrico azionando manualmente gli interruttori.

Questo è ciò che offre un controllo dei carichi ben progettato. Trasforma una batteria da contenitore finito di energia accumulata in un sistema elettrico coordinato. Protegge le operazioni critiche, prolunga l'autonomia utile durante l'interruzione, riduce i cicli evitabili della batteria e consente all'infrastruttura elettrica di una grande abitazione di reagire in modo intelligente quando la rete non è disponibile.

Il backup dell'intera abitazione dovrebbe significare che l'intera abitazione dispone di un piano.

Non dovrebbe significare che tutti i carichi funzionino contemporaneamente.

La progettazione di questo piano è il punto in cui ingegneria elettrica, controlli, requisiti normativi, priorità del proprietario e coordinamento tra le maestranze si incontrano, talvolta nello stesso quadro. Se il tuo progetto ha bisogno di aiuto per determinare quali carichi debbano rimanere disponibili, quali possano aspettare e come il BESS debba reagire quando la rete viene meno, contatta JLJ Energy Consulting.

Abbiamo già affrontato questo problema, di solito con più compressori, sistemi di controllo e opinioni fermamente sostenute di quanto chiunque si aspettasse.