住宅全体バックアップでも、すべての負荷を同時に動かす必要はない

大規模住宅用蓄電池システムの設計では、よくある場面が訪れます。

所有者は停電時も住宅を通常どおり運転したいと考えます。建設業者は400アンペアの受電設備を示します。誰かが「住宅全体バックアップ」と口にします。そこで、空調コンプレッサー、プール設備、給湯、電気自動車、床暖房、ゲスト棟、ワイン室、スチームシャワー、さらに標高によっては小規模なレストラン並みの電力を消費する融雪システムまで数え始めることになります。

これらはいずれも、高級住宅の設備として不合理ではありません。ただし、電力網が停止したときに、すべてを同じ重要度で扱うことはできません。

答えは、必ずしも蓄電池を高く積み上げることではありません。重要な負荷、待機できる負荷、そもそも停電時の運転対象にすべきでなかった負荷を判断できるシステムです。

それが負荷制御の価値です。

蓄電池には2つの予算がある

すべての蓄電池エネルギー貯蔵システム（BESS）は、2つの基本的な制限内で動作します。

• エネルギーはキロワット時で測定され、システムが住宅をおおよそどれだけ長く支えられるかを決めます。
• 電力はキロワットで測定され、システムが同時に運転できる負荷の数を決めます。

これは別々の問題です。

蓄電池に、重要負荷を一晩支えるのに十分なエネルギーがあっても、複数の大型モーターを同時に始動できない場合があります。また、優れた瞬時出力を持つシステムでも、任意負荷を計画なく運転させると、蓄電エネルギーを急速に使い果たすことがあります。

米国エネルギー省は、 エネルギー容量、すなわち蓄電システムが保持できるエネルギーの総量と、 電力容量、すなわちある時点で放出できる量を区別しています。^[1] この区別により、蓄電池に一晩分の十分なエネルギーがあっても、すべての大型負荷を同時には支えられない理由を最も明確に理解できます。

国立再生可能エネルギー研究所の住宅用蓄電池研究は、実務上の結果を明確に示しています。インバーター容量によって、空調機器などのモーター駆動設備を含む、有効電力需要または始動電流が大きい負荷をシステムが支えられない場合があります。^[2]

受電設備の定格は、電力網が利用できるときに住宅の電気インフラが収容できる規模を示します。有限の蓄電池システムが長時間停電時に何を運転すべきかを示すものではありません。

物理法則は、キッチンアイランドの大きさには頑として関心を示しません。

負荷制御が設計方程式を変える

最も単純な負荷制御では、住宅がバックアップ運転へ移行した際に、重要でない設備を切り離します。

より高度なシステムは、次の情報に応答できます。

• 蓄電池の充電状態、
• 利用可能なインバーター出力、
• 太陽光発電量、
• 発電機の利用可否、
• 他の大型負荷の運転状態、
• 時刻、および
• 所有者が定めた優先順位。

これにより、すべての機器を同時に運転するという前提を置かずに、大規模住宅の広い範囲をバックアップシステムへ接続したままにできます。

制御シーケンスでは、1つのHVACゾーンの運転を許可しながら、EV充電とプール暖房を一時的に停止できます。コンプレッサーが停止すると、別の管理対象負荷を利用可能にできます。蓄電池が定義された予備しきい値に達した場合、セキュリティ、冷蔵、通信、凍結防止、給水設備、選定照明を維持しながら、追加の快適性負荷を遮断できます。

これは一部の住宅製品が提供する単なる機能ではありません。認知されたレジリエンス戦略です。

DOE Energy Storage Handbookでは、エネルギー管理システムを、蓄電を監視して最適に制御する層として説明しています。充電状態、健全性、温度、運転限界などの蓄電池管理データを用いて、出力指令を決定します。^[3] DOEのレジリエンス指針はさらに踏み込み、重要負荷を早期に優先順位付けし、電力会社、敷地内発電、またはBESSから利用できるエネルギーに応じて、建物システムが優先度の低い負荷を移行または遮断するようプログラムできるとしています。^[4]

要点は単純です。バックアップシステムは、需要が自主的に適切に振る舞うことを期待するのではなく、需要を能動的に管理すべきです。

目標は、すべての負荷を常時利用可能にすることではありません。重要な期間に、適切な負荷を利用可能にすることです。

JLJの計画原則

電力がシステムを停止させ、エネルギー不足が住宅を立ち往生させます。

大型モーターと抵抗加熱負荷には、特別な注意が必要です。

空調コンプレッサー、井戸ポンプ、プールポンプ、電気温水器、オーブン、スパ、融雪システム、EV充電器は、住宅用蓄電池システムの利用可能な電力または蓄電エネルギーの大きな割合を消費する可能性があります。モーターの始動電流は、全負荷電流の数倍になることもあります。DOEのモーター指針によると、一般的なNEMA Design Bモーターは、通常は短時間であるものの、始動時に全負荷電流の4～8倍を消費する場合があります。^[5] したがって、定常状態の計算では許容範囲に見える負荷でも、インバーターの短時間能力を超える可能性があります。^[2]

連携制御がなければ、2つまたは3つの大型負荷がほぼ同時に始動し、バックアップシステムを過負荷にする可能性があります。機器と構成によっては、インバーターの停止を引き起こしたり、システムが維持する目的だった小さく重要な負荷を含む、バックアップ対象バス全体への電力を失わせたりします。

優れた制御戦略は、そのようなあまり役に立たない平等を避けます。

大型負荷を段階的に運転し、モーター始動用の余裕を確保し、両立しない組み合わせを禁止し、意図的な順序で設備を復帰させます。目的はエネルギー節約だけではありません。電気システムを安定させることです。

長時間停電はエネルギー予算の問題

短時間の停電では、印象的な性能を示すのは容易です。十分に大きな蓄電池なら、15分間はほぼ何でも支えられます。

2日または3日の停電は、マーケティングの言葉にはそれほど左右されません。

長時間の事象では、住宅は蓄電エネルギー、流入する太陽光発電、該当する場合の発電機寄与、日々の消費量のバランスを取る必要があります。DOEのREoptレジリエンス手法は、システムが施設の 重要負荷 を電力網の停電中にどれだけ長く維持できるかを推定して、システム規模と蓄電池の運用を評価します。^[6] DOEのレジリエントなグリッド連携型建物に関する指針も同様に、重要負荷を優先し、電力会社、敷地内発電、またはBESSから利用できるエネルギーに応じて、優先度の低い機能を移行または遮断することを推奨しています。^[4]

大規模住宅では、停電時の負荷を通常3つの実務グループに分けます。

1. 常に利用可能でなければならない負荷

一般的には次が含まれます。

• 警報および入退室管理システム、
• カメラ、録画設備、ネットワークインフラ、
• 門扉制御およびインターホン、
• 冷蔵設備、
• 井戸、排水ポンプ、下水、その他の物件保護設備、
• 選定された照明およびコンセント、
• 凍結防止に必要な暖房、
• 医療機器またはその他の生命安全設備、および
• BESS、発電機、建物制御設備そのもの。

2. 選択的に運転できる負荷

プロジェクトによっては、次が含まれます。

• 指定された1つ以上のHVACゾーン、
• 給湯、
• 選定された厨房機器、
• ガレージドア、
• 洗濯設備、
• 限定されたゲスト区域の回路、および
• 選定された利便用コンセント。

3. 通常は待機できる負荷

このグループには多くの場合、次が含まれます。

• EV充電、
• プールおよびスパの加熱、
• サウナおよびスチーム設備、
• 融雪システム、
• 二次HVACゾーン、
• 装飾用電気暖房、および
• 直ちにレジリエンス機能を必要としないその他の高需要設備。

これらは普遍的な分類ではありません。ある設備では、プールポンプが物件保護のために重要な場合があります。別の住宅では、EVが唯一信頼できる移動手段かもしれません。ワイン室も、在庫を確認した途端に優先順位が急上昇することがあります。

優先順位は、一般的なチェックリストからそのまま採用するのではなく、所有者、建設業者、設計チームとともに設定すべきです。

セキュリティを稼働させ続けるには、セキュリティチェーン全体へ給電する必要がある

「セキュリティシステムをバックアップする」という表現は、単一項目のように聞こえます。実際にはほとんどの場合そうではありません。

実際の運転チェーンには、次が含まれる場合があります。

• 警報盤とその電源、
• PoEネットワークスイッチ、
• カメラ、
• ネットワークビデオレコーダーまたはローカルストレージ機器、
• モデム、ルーター、ファイアウォール、無線アクセスポイント、
• 入退室管理盤およびドア金物、
• 門扉駆動装置、
• インターホン、および
• 携帯通信またはその他の二次通信設備。

現代の多くのカメラは、PoEスイッチを通じてデータと電力の両方を受け取ります。そのため、カメラ回路をバックアップしても、スイッチの電源が切れればほとんど意味がありません。同じ依存関係は、レコーダー、ルーター、ファイアウォール、入退室管理盤、門扉コントローラー、通信経路にも当てはまります。目に見える機器が必ずしも重要負荷なのではなく、完全な機能全体が重要です。

DOEのレジリエンス指針では、障害時に優先すべき重要負荷として、セキュリティおよび安全システム、建物へのアクセス、警報、非常照明を明示的に挙げています。^[4] CISAのレジリエント電源に関する指針も同様に、重要通信と関連設備への給電維持を重視し、バックアップ電源、サイバーセキュリティ、物理セキュリティ、通信を1つの連携したレジリエンス課題として扱うよう求めています。^[8]

これらの負荷は、一般にHVAC、給湯、EV充電と比べて小さいため、最高優先度のバックアップ対象に適しています。支援回路を明確に特定し、文書化し、完全なシステムとして試験すべきです。

機密性の高い電子機器には、適切な仕様の無停電電源装置が必要な場合もあります。住宅用BESSは迅速に切り替えられますが、真に無瞬断電源を必要とする機器は、想定上の切替時間に依存すべきではありません。

制御システム自体にもレジリエンス計画が必要です。重要機能は、同じ事象で利用できなくなる可能性があるクラウドサービスやインターネット接続へ全面的に依存せず、実用的な範囲でローカルに継続すべきです。DOEの指針は、通信障害やその他の故障モードをシステム全体の中で検討するよう設計者に求め、CISAは自動化されたレジリエント電源制御に手動オーバーライドを残すことを推奨しています。^[4][9]

レジリエントな制御システムは、WAN接続を失った瞬間に役に立たなくなるべきではありません。

負荷制御は蓄電池の長寿命化を支援できるが、魔法ではない

リチウムイオン蓄電池の寿命は、化学組成、温度、平均充電状態、放電深度、充放電レート、システムに課される運転プロファイルの影響を受けます。

国立再生可能エネルギー研究所の査読済み研究では、用途、環境条件、化学組成、充電状態、放電深度、温度によって、モデル化された住宅用蓄電池寿命に有意な差があることが示されました。^[2] つまり、蓄電池の使い方が重要です。

負荷制御は、回避可能なエネルギースループットを減らし、不必要な深放電を抑えることで、より長い耐用年数を支援できます。これは、同じBESSをバックアップ電源に加えて、太陽光の自家消費、時間帯別料金の最適化、需要管理のために毎日使用する場合に特に重要です。

ここでは節度も重要です。負荷制御によって電気化学の法則が止まるわけではなく、適切に管理された蓄電池の寿命全体を、時折発生する停電だけが決める可能性は低いでしょう。温度管理、製品選定、予備容量設定、保証条件、メーカーの蓄電池管理システムが引き続き中心となります。

それでも、非常用予備容量を保ちながら蓄電池にスパを加熱させることは、長寿命化戦略ではありません。スパ運用戦略です。

健全なエンジニアリング上の立場は、負荷制御をより広いライフサイクル計画の一部とすることです。深いサイクル運転と高需要を、そのエネルギーに真の価値がある場面のために残します。

蓄電池を単に追加するより、優れた制御の方が価値を持つ場合がある

蓄電池容量の追加には明白な利点があり、大規模住宅の中には実際に相当量の蓄電を必要とするものもあります。しかし、あらゆる電気設備を仮に同時運転する前提で全プロジェクトを容量算定すると、高価でありながら連携の不十分なシステムになる可能性があります。

優れた負荷制御戦略により、プロジェクトは次を実現できる場合があります。

• より少ない蓄電容量で定義された停電時稼働時間目標を達成する、
• 同時負荷に必要なインバーター容量を削減する、
• 過負荷停止を回避する、
• 意味のある非常用予備容量を保持する、
• 複数日に及ぶ停電中に太陽光発電をより効果的に利用する、
• すべてを同時運転せずに、より多くの回路を利用可能に保つ、および
• 居住者のニーズの変化に応じて優先順位を調整する。

DOEの指針も、より広い建物の文脈で同じシステムレベルの結論に達しています。負荷を削減・管理することで、建物機能の維持に必要な蓄電容量と敷地内発電容量を減らしつつ、敷地内再生可能電力をより有効に利用できます。^[4]

これは、容量不足のBESSを制御で隠すべきだという意味ではありません。必要な蓄電容量と出力容量は、現実的な負荷データ、運転シナリオ、モーター始動要件、気象条件、太陽光または発電機の寄与から計算する必要があります。

制御は、正しく容量算定されたシステムの能力を高めます。小さな蓄電池を大きな蓄電池に変えるものではありません。

建設業者は壁を閉じる前に負荷制御を計画すべき

停電時の優先順位を話し合う最適な時期は、分電盤の表示が完了し、蓄電池設置業者が到着した後ではありません。

新築および大規模改修では、建設業者、電気技術者、電気工事業者、BESS設計者、HVACチーム、セキュリティインテグレーター、発電機供給業者、ホームオートメーション業者が、早期に負荷戦略を調整すべきです。

設計では、次を定める必要があります。

1. 給電を維持すべき負荷、
2. 条件付きで運転を許可する負荷、
3. バックアップ時に除外する負荷、
4. 想定される最大同時需要、
5. モーター始動および突入電流の要件、
6. 蓄電池の予備容量しきい値、
7. 太陽光と発電機の運転上の相互作用、
8. ローカルおよび手動制御の選択肢、
9. 通信喪失時のフェイルセーフ動作、および
10. 試運転と住宅所有者向けトレーニングの要件。

この計画によって、専用重要負荷盤、インテリジェント回路制御、機器単位の制御、建物自動化との統合、または4つすべての組み合わせを採用する場合があります。

普遍的に正しいアーキテクチャはありません。十分に検討されたアーキテクチャか、そうでないアーキテクチャがあるだけです。

機器だけでなく、停電状態を試運転する

プログラミング画面に「完了」と表示されただけでは、負荷制御シーケンスは完成していません。

試運転には、実際のバックアップモード試験を含めるべきです。プロジェクトチームは次を確認する必要があります。

• 切替動作、
• セキュリティおよびネットワークの継続性、
• モーター始動、
• 負荷遮断と復帰、
• 蓄電池予備容量の遷移、
• 太陽光と発電機の相互作用、
• インターネット停止中のローカル運転、
• 手動オーバーライド、および
• システムが何をしているかを住宅所有者が理解できること。

試験では、文書化されたシーケンスが所有者の実際の優先順位と一致することも確認すべきです。システムは、誤った計画を完璧に実行することがあります。

停電時に、門扉コントローラー、PoEスイッチ、ネットワークレコーダーがバックアップ境界の別々の側に配置されていたと気付くのは望ましくありません。

本当の贅沢は継続性

レジリエントな高級住宅は、停電が起きていないふりをする必要はありません。所有者が電気室を巡回して手動でブレーカーを切り替えなくても、安全で、居住可能で、管理可能な状態を維持する必要があります。

適切に設計された負荷制御が提供するのは、まさにそれです。蓄電池を、有限の蓄電エネルギーを収めた箱から、連携した電力システムへ変えます。重要な運転を保護し、有効な停電時稼働時間を延ばし、回避可能な蓄電池サイクルを減らし、電力網が利用できないときに大規模住宅の電気インフラが知的に対応できるようにします。

住宅全体バックアップとは、住宅全体に計画があることを意味すべきです。

すべての負荷を同時に運転することを意味すべきではありません。

その計画の設計では、電気工学、制御、法令要件、所有者の優先順位、各専門業者の調整がすべて交差します。時には同じ分電盤内で交差します。どの負荷を利用可能に保つべきか、どれを待機させられるか、電力網が停止したときにBESSをどう応答させるべきかを判断する支援が必要な場合は、 JLJ Energy Consultingへお問い合わせください.

私たちは以前にもこの課題に取り組んでいます。通常、予想以上に多くのコンプレッサー、制御システム、そして強い意見を伴いました。