A reserva para toda a casa não deve significar todas as cargas ao mesmo tempo

Durante o projeto de um sistema de baterias para uma casa grande, chega um momento familiar.

O proprietário gostaria que a residência funcionasse normalmente durante uma interrupção. O construtor aponta para o serviço de 400 amperes. Alguém menciona «reserva para toda a casa». Depois começamos a contar compressores de ar condicionado, equipamentos da piscina, água quente doméstica, veículos elétricos, pisos aquecidos, uma ala de hóspedes, uma sala de vinhos, um banho de vapor e — dependendo da altitude — um sistema de degelo com o apetite elétrico de um restaurante modesto.

Nenhuma dessas comodidades é inadequada numa casa de alto padrão. Simplesmente não podem ser todas tratadas como igualmente importantes quando a rede elétrica desaparece.

A resposta nem sempre é uma pilha mais alta de baterias. É um sistema que sabe quais cargas importam, quais podem esperar e quais nunca deveriam ter sido convidadas para a interrupção.

Esse é o valor do controlo de cargas.

Uma bateria tem dois orçamentos

Todos os sistemas de armazenamento de energia em baterias, ou BESS, funcionam dentro de dois limites fundamentais:

• Energia, medida em quilowatt-hora, determina aproximadamente durante quanto tempo o sistema pode suportar a casa.
• Potência, medida em quilowatts, determina quantas cargas o sistema pode operar ao mesmo tempo.

São problemas diferentes.

Uma bateria pode conter energia suficiente para suportar as cargas essenciais durante a noite e, ainda assim, ser incapaz de arrancar vários motores grandes em simultâneo. Um sistema também pode apresentar uma potência instantânea impressionante, mas esgotar rapidamente a energia armazenada quando cargas discricionárias funcionam sem um plano.

O Departamento de Energia dos EUA distingue capacidade de energia— a quantidade total de energia que um sistema de armazenamento pode conter — de capacidade de potência— a quantidade que pode libertar num dado momento.^[1] Esta é a forma mais clara de compreender por que motivo uma bateria pode ter energia armazenada suficiente para a noite e, ainda assim, não conseguir suportar todas as cargas grandes ao mesmo tempo.

A investigação sobre baterias residenciais do National Renewable Energy Laboratory torna explícita a consequência prática: a capacidade do inversor pode impedir um sistema de suportar cargas com elevada procura de potência ativa ou elevada corrente de arranque, incluindo equipamentos acionados por motores, como unidades de ar condicionado.^[2]

A classificação do serviço indica o que a infraestrutura elétrica da casa pode suportar quando a rede está disponível. Não indica o que um sistema finito de baterias deve tentar operar durante uma interrupção prolongada.

A física continua obstinadamente indiferente ao tamanho da ilha da cozinha.

O controlo de cargas altera a equação do projeto

Na sua forma mais simples, o controlo de cargas desliga equipamentos não essenciais quando a casa entra em funcionamento de reserva.

Um sistema mais capaz pode responder a:

• estado de carga da bateria;
• potência disponível do inversor;
• produção solar;
• disponibilidade do gerador;
• estado de funcionamento de outras cargas grandes;
• hora do dia; e
• prioridades definidas pelo proprietário.

Isto permite que uma residência grande permaneça amplamente ligada ao sistema de reserva sem presumir que todos os aparelhos devem funcionar em simultâneo.

Uma sequência de controlo pode permitir o funcionamento de uma zona HVAC enquanto bloqueia temporariamente o carregamento de veículos elétricos e o aquecimento da piscina. Quando o compressor se desliga, outra carga gerida pode ficar disponível. Se a bateria atingir um limiar de reserva definido, o sistema pode desligar cargas adicionais de conforto, preservando a segurança, refrigeração, comunicações, proteção contra congelamento, sistemas de água e iluminação selecionada.

Isto não é apenas uma funcionalidade oferecida por alguns produtos residenciais. É uma estratégia de resiliência reconhecida.

O DOE Energy Storage Handbook descreve os sistemas de gestão de energia como a camada que monitoriza e controla de forma ótima o armazenamento, utilizando dados da gestão das baterias, como estado de carga, estado de saúde, temperatura e limites de funcionamento, para determinar comandos de potência.^[3] A orientação do DOE sobre resiliência vai mais longe: as cargas críticas devem ser priorizadas desde cedo, e os sistemas do edifício podem ser programados para deslocar ou desligar cargas de menor prioridade de acordo com a energia disponível da rede, da geração no local ou de um BESS.^[4]

A ideia geral é simples: o sistema de reserva deve gerir ativamente a procura, em vez de apenas esperar que ela se comporte.

O objetivo não é disponibilizar todas as cargas a toda a hora. O objetivo é disponibilizar as cargas certas durante o tempo em que são importantes.

Princípio de planeamento da JLJ

A potência é o que faz disparar o sistema. A energia é o que deixa a casa sem recursos.

Os motores grandes e as cargas de aquecimento resistivo merecem atenção especial.

Compressores de ar condicionado, bombas de poço, bombas de piscina, aquecedores elétricos de água, fornos, spas, sistemas de degelo e carregadores de veículos elétricos podem consumir uma parte significativa da potência disponível ou da energia armazenada de um sistema residencial de baterias. A corrente de arranque de um motor também pode ser várias vezes superior à corrente de plena carga. A orientação do DOE sobre motores observa que um motor típico NEMA Design B pode consumir entre quatro e oito vezes a corrente de plena carga durante o arranque, embora o evento seja normalmente breve.^[5] Por conseguinte, uma carga que parece aceitável num cálculo de regime permanente ainda pode exceder a capacidade de curta duração do inversor.^[2]

Sem controlo coordenado, duas ou três cargas grandes podem arrancar quase ao mesmo tempo e sobrecarregar o sistema de reserva. Dependendo do equipamento e da configuração, isso pode obrigar ao desligamento do inversor ou retirar energia a todo o barramento de reserva — incluindo as pequenas cargas importantes que o sistema deveria preservar.

Uma boa estratégia de controlo evita essa forma pouco útil de igualdade.

Ela escalona as cargas grandes, mantém margem para os arranques dos motores, bloqueia combinações incompatíveis e repõe o equipamento numa sequência deliberada. O objetivo não é apenas conservar energia. É manter o sistema elétrico estável.

As interrupções prolongadas são um problema de orçamento energético

É fácil causar boa impressão durante uma interrupção curta. Uma bateria suficientemente grande pode suportar quase tudo durante quinze minutos.

Uma interrupção de dois ou três dias é menos suscetível ao marketing.

Durante um evento prolongado, a residência tem de equilibrar a energia armazenada, a produção solar recebida, a contribuição do gerador quando aplicável e o consumo diário. A metodologia de resiliência REopt do DOE avalia o dimensionamento do sistema e o despacho da bateria estimando durante quanto tempo um sistema consegue sustentar as carga crítica durante uma interrupção da rede.^[6] A orientação do DOE sobre edifícios resilientes, eficientes e interativos com a rede também recomenda dar prioridade às cargas críticas e deslocar ou desligar funções de menor prioridade de acordo com a energia disponível da rede, da geração no local ou do BESS.^[4]

Para uma residência de grandes dimensões, organizo geralmente as cargas de interrupção em três grupos de trabalho.

1. Cargas que têm de permanecer disponíveis

Normalmente incluem:

• sistemas de alarme e controlo de acessos;
• câmaras, equipamento de gravação e infraestrutura de rede;
• controlos de portões e intercomunicadores;
• refrigeração;
• equipamento de poço, escoamento, saneamento ou outra proteção da propriedade;
• iluminação e tomadas selecionadas;
• aquecimento necessário para proteção contra congelamento;
• equipamento médico ou outro equipamento de segurança de vida; e
• o próprio BESS, o gerador e o equipamento de controlo do edifício.

2. Cargas que podem funcionar seletivamente

Dependendo do projeto, podem incluir:

• uma ou mais zonas HVAC designadas;
• água quente doméstica;
• eletrodomésticos de cozinha selecionados;
• portas de garagem;
• lavandaria;
• circuitos limitados das áreas de hóspedes; e
• tomadas de conveniência selecionadas.

3. Cargas que normalmente podem esperar

Este grupo inclui frequentemente:

• carregamento de veículos elétricos;
• aquecimento de piscina e spa;
• saunas e equipamentos de vapor;
• sistemas de degelo;
• zonas HVAC secundárias;
• aquecimento elétrico decorativo; e
• outras comodidades de elevada procura sem uma função imediata de resiliência.

Estas atribuições não são universais. Uma bomba de piscina pode ser importante para proteger a propriedade numa instalação. Noutro caso, um veículo elétrico pode ser o único meio de transporte fiável da família. Uma sala de vinhos pode subir rapidamente na lista de prioridades depois de alguém rever o inventário.

As prioridades devem ser estabelecidas com o proprietário, o construtor e a equipa de projeto, em vez de serem retiradas de uma lista genérica.

Manter a segurança em funcionamento significa alimentar toda a cadeia de segurança

«Fornecer reserva ao sistema de segurança» parece um único item. Raramente é.

A cadeia real de funcionamento pode incluir:

• um painel de alarme e a respetiva fonte de alimentação;
• comutadores de rede PoE;
• câmaras;
• um gravador de vídeo em rede ou dispositivo de armazenamento local;
• modem, router, firewall e pontos de acesso sem fios;
• painéis de controlo de acessos e ferragens de portas;
• mecanismos de portões;
• intercomunicadores; e
• equipamento celular ou outro equipamento de comunicação secundário.

Muitas câmaras modernas recebem dados e energia através de um comutador PoE, por isso fornecer reserva ao circuito das câmaras e permitir que o comutador se desligue não resolve muito. A mesma lógica de dependência aplica-se ao gravador, router, firewall, painel de controlo de acessos, controlador do portão e percurso de comunicação. O dispositivo visível não é necessariamente a carga crítica; a função completa é que o é.

A orientação do DOE sobre resiliência inclui especificamente os sistemas de segurança e proteção, o acesso ao edifício, os alarmes e a iluminação de emergência entre as cargas críticas que devem ser priorizadas durante uma perturbação.^[4] De igual modo, a orientação da CISA sobre energia resiliente salienta a manutenção de energia para comunicações críticas e equipamento associado, bem como o tratamento da energia de reserva, cibersegurança, segurança física e comunicações como um único problema coordenado de resiliência.^[8]

Estas cargas são geralmente modestas em comparação com HVAC, aquecimento de água ou carregamento de veículos elétricos. Por isso, são excelentes candidatas à prioridade máxima de reserva. Os circuitos de apoio devem ser identificados explicitamente, documentados e testados como um sistema completo.

Os equipamentos eletrónicos sensíveis também podem justificar fontes de alimentação ininterrupta devidamente especificadas. Um BESS residencial pode transferir rapidamente, mas o equipamento que exige energia verdadeiramente ininterrupta não deve depender de um tempo de transferência presumido.

Os próprios controlos também precisam de um plano de resiliência. Sempre que possível, as funções críticas devem continuar localmente, em vez de dependerem totalmente de um serviço na nuvem ou de uma ligação à Internet que pode estar indisponível durante o mesmo evento. A orientação do DOE recomenda que os projetistas considerem interrupções de comunicação e outros modos de falha no sistema global, enquanto a CISA recomenda a manutenção de comandos manuais para controlos automatizados de energia resiliente.^[4][9]

Um sistema de controlo resiliente não deve perder a utilidade assim que a ligação WAN falha.

O controlo de cargas pode favorecer a longevidade das baterias — mas não faz milagres

A vida útil das baterias de iões de lítio é afetada pela química, temperatura, estado médio de carga, profundidade de descarga, velocidades de carga e descarga e perfil de funcionamento imposto ao sistema.

Uma investigação revista por pares do National Renewable Energy Laboratory encontrou variações significativas na vida útil modelada de baterias residenciais entre casos de utilização, condições ambientais, químicas, estados de carga, profundidades de descarga e temperaturas.^[2] Por outras palavras, a forma como uma bateria é utilizada importa.

O controlo de cargas pode favorecer uma vida útil mais longa ao reduzir o fluxo de energia evitável e limitar descargas profundas desnecessárias. Isto pode ser particularmente relevante quando o mesmo BESS é utilizado diariamente para autoconsumo solar, otimização por períodos tarifários ou gestão da procura, além da energia de reserva.

É importante manter alguma moderação: o controlo de cargas não suspende a eletroquímica, e é improvável que uma interrupção ocasional determine toda a vida útil de uma bateria corretamente gerida. A gestão da temperatura, a seleção do produto, as definições de reserva, as condições da garantia e o sistema de gestão das baterias do fabricante continuam a ser centrais.

Ainda assim, pedir à bateria que aqueça um spa enquanto preserva reservas de emergência não é uma estratégia de longevidade. É uma estratégia para o spa.

A posição de engenharia sensata é considerar o controlo de cargas como uma parte de um plano mais amplo de ciclo de vida. Ele reserva os ciclos profundos e a elevada procura para momentos em que essa energia tem verdadeiro valor.

Um controlo melhor pode ser mais valioso do que simplesmente adicionar baterias

A capacidade adicional das baterias tem benefícios evidentes, e algumas casas de grandes dimensões precisam realmente de armazenamento substancial. Mas dimensionar todos os projetos em torno do funcionamento simultâneo hipotético de todas as comodidades elétricas pode produzir um sistema dispendioso e ainda assim mal coordenado.

Uma boa estratégia de controlo de cargas pode permitir que um projeto:

• atinja um objetivo definido de autonomia durante interrupções com menos armazenamento;
• reduza a capacidade do inversor necessária para cargas simultâneas;
• evite desligamentos por sobrecarga;
• preserve uma reserva de emergência significativa;
• utilize a produção solar com maior eficácia durante interrupções de vários dias;
• mantenha mais circuitos disponíveis sem os operar todos em conjunto; e
• adapte as prioridades à medida que as necessidades dos ocupantes mudam.

A orientação do DOE chega à mesma conclusão ao nível do sistema num contexto mais amplo de edifícios: reduzir e gerir a carga pode diminuir a capacidade de armazenamento e de geração no local necessária para sustentar as funções do edifício, ao mesmo tempo que melhora a utilização da energia renovável produzida no local.^[4]

Isto não significa que os controlos devam ser usados para disfarçar um BESS subdimensionado. A capacidade necessária de armazenamento e potência ainda tem de ser calculada a partir de dados realistas de cargas, cenários de funcionamento, requisitos de arranque dos motores, condições meteorológicas e contribuição solar ou do gerador.

Os controlos tornam um sistema corretamente dimensionado mais capaz. Não transformam uma bateria pequena numa bateria grande.

Os construtores devem planear o controlo de cargas antes de fechar as paredes

O melhor momento para falar das prioridades durante interrupções não é depois de os quadros elétricos estarem etiquetados e o instalador das baterias ter chegado.

Em construções novas e grandes renovações, o construtor, o engenheiro eletrotécnico, o empreiteiro elétrico, o projetista do BESS, a equipa de HVAC, o integrador de segurança, o fornecedor do gerador e o empreiteiro de automação residencial devem coordenar cedo a estratégia de cargas.

O projeto deve estabelecer:

1. as cargas que têm de permanecer alimentadas;
2. as cargas autorizadas a funcionar condicionalmente;
3. as cargas excluídas durante a reserva;
4. a procura simultânea máxima prevista;
5. os requisitos de arranque de motores e corrente de irrupção;
6. os limiares de reserva das baterias;
7. as interações de funcionamento entre energia solar e gerador;
8. as opções de controlo local e manual;
9. o comportamento à prova de falhas se as comunicações forem perdidas; e
10. os requisitos de comissionamento e formação do proprietário.

Este planeamento pode resultar num quadro dedicado a cargas essenciais, controlos inteligentes de circuitos, controlos ao nível dos aparelhos, integração da automação do edifício ou uma combinação das quatro opções.

Não existe uma arquitetura universalmente correta. Existe apenas uma arquitetura que foi — ou não foi — devidamente pensada.

Comissione a interrupção, não apenas o equipamento

Uma sequência de controlo não está concluída só porque o ecrã de programação indica «concluído».

O comissionamento deve incluir um teste real do modo de reserva. A equipa do projeto deve verificar:

• o comportamento da transferência;
• a continuidade da segurança e da rede;
• o arranque dos motores;
• o desligamento e o restabelecimento das cargas;
• as transições das reservas das baterias;
• a interação entre energia solar e gerador;
• o funcionamento local durante uma interrupção da Internet;
• os comandos manuais; e
• a capacidade do proprietário de compreender o que o sistema está a fazer.

O teste também deve confirmar que a sequência escrita corresponde às prioridades reais do proprietário. Um sistema pode executar impecavelmente o plano errado.

Uma interrupção é um mau momento para descobrir que o controlador do portão, o comutador PoE e o gravador de rede foram colocados em três lados diferentes do limite de reserva.

O verdadeiro luxo é a continuidade

Uma casa de luxo resiliente não precisa de fingir que não está a ocorrer uma interrupção. Precisa de permanecer segura, habitável e gerível sem obrigar o proprietário a patrulhar a sala elétrica e a acionar disjuntores manualmente.

É isso que proporciona um controlo de cargas bem projetado. Transforma uma bateria, de uma caixa finita de energia armazenada, num sistema elétrico coordenado. Protege operações críticas, prolonga a autonomia útil durante interrupções, reduz ciclos evitáveis das baterias e permite que a infraestrutura elétrica de uma casa grande responda de forma inteligente quando a rede não está disponível.

A reserva para toda a casa deve significar que toda a casa tem um plano.

Não deve significar que todas as cargas funcionam ao mesmo tempo.

Projetar esse plano é onde se encontram a engenharia elétrica, os controlos, os requisitos das normas, as prioridades do proprietário e a coordenação das especialidades — ocasionalmente no mesmo quadro. Se o seu projeto precisa de ajuda para determinar quais cargas devem permanecer disponíveis, quais podem esperar e como o BESS deve responder quando a rede falha, contacte a JLJ Energy Consulting.

Já passámos por isto, normalmente com mais compressores, sistemas de controlo e opiniões firmemente defendidas do que alguém esperava.