Notstromversorgung für das gesamte Haus sollte nicht bedeuten, alle Lasten gleichzeitig zu versorgen

Bei der Planung eines Batteriesystems für ein großes Wohnhaus kommt ein vertrauter Moment.

Der Hauseigentümer möchte, dass das Wohnhaus während eines Stromausfalls normal weiterbetrieben wird. Der Bauherr verweist auf den 400-Ampere-Anschluss. Jemand erwähnt „Notstromversorgung für das gesamte Haus“. Dann beginnen wir, Klimakompressoren, Pooltechnik, Warmwasserbereitung, Elektrofahrzeuge, Fußbodenheizung, einen Gästeflügel, einen Weinraum, eine Dampfdusche und – je nach Höhenlage – eine Schneeschmelzanlage mit dem elektrischen Appetit eines mittelgroßen Restaurants zu zählen.

Keine dieser Ausstattungen ist in einem hochwertigen Wohnhaus unangemessen. Sie können nur nicht alle als gleich wichtig behandelt werden, wenn das Versorgungsnetz ausfällt.

Die Antwort ist nicht immer ein höherer Batteriestapel. Es ist ein System, das weiß, welche Lasten wichtig sind, welche warten können und welche von vornherein nie zum Stromausfall hätten eingeladen werden sollen.

Darin liegt der Wert der Laststeuerung.

Eine Batterie hat zwei Budgets

Jedes Batterie-Energiespeichersystem, kurz BESS, arbeitet innerhalb zweier grundlegender Grenzen:

• Energie, gemessen in Kilowattstunden, bestimmt ungefähr, wie lange das System das Haus versorgen kann.
• Leistung, gemessen in Kilowatt, bestimmt, wie viele Lasten das System gleichzeitig betreiben kann.

Das sind unterschiedliche Probleme.

Eine Batterie kann genügend Energie enthalten, um wesentliche Lasten über Nacht zu versorgen, und dennoch nicht in der Lage sein, mehrere große Motoren gleichzeitig zu starten. Ein System kann auch über beeindruckende momentane Leistung verfügen, seine gespeicherte Energie jedoch schnell aufbrauchen, wenn nicht notwendige Lasten ohne Plan betrieben werden dürfen.

Das U.S. Department of Energy unterscheidet Energiekapazität—die gesamte Energiemenge, die ein Speichersystem aufnehmen kann—von Leistungskapazität—der Menge, die es zu einem bestimmten Zeitpunkt abgeben kann.^[1] Das ist die klarste Erklärung dafür, warum eine Batterie genug gespeicherte Energie für die Nacht haben und trotzdem nicht jede große Last gleichzeitig tragen kann.

Untersuchungen zu Wohnbatterien des National Renewable Energy Laboratory machen die praktische Folge deutlich: Die Wechselrichterkapazität kann verhindern, dass ein System Lasten mit hohem Wirkleistungsbedarf oder hohem Anlaufstrom versorgt, einschließlich motorbetriebener Geräte wie Klimaanlagen.^[2]

Die Anschlussbemessung zeigt, was die elektrische Infrastruktur des Hauses aufnehmen kann, wenn das Netz verfügbar ist. Sie zeigt nicht, was ein begrenztes Batteriesystem während eines längeren Ausfalls zu betreiben versuchen sollte.

Die Physik zeigt sich weiterhin hartnäckig unbeeindruckt von der Größe der Kücheninsel.

Laststeuerung verändert die Planungsgleichung

In ihrer einfachsten Form trennt die Laststeuerung nicht notwendige Geräte, wenn das Haus in den Notstrombetrieb wechselt.

Ein leistungsfähigeres System kann reagieren auf:

• Batterieladezustand;
• verfügbare Wechselrichterleistung;
• Solarproduktion;
• Verfügbarkeit des Generators;
• Betriebsstatus anderer großer Lasten;
• Tageszeit; und
• vom Eigentümer definierte Prioritäten.

Dadurch kann ein großes Wohnhaus weitgehend mit dem Notstromsystem verbunden bleiben, ohne anzunehmen, dass jedes Gerät gleichzeitig laufen sollte.

Eine Steuerungssequenz könnte den Betrieb einer HVAC-Zone zulassen und gleichzeitig das Laden von Elektrofahrzeugen und die Poolheizung vorübergehend sperren. Sobald der Kompressor abschaltet, kann eine weitere gesteuerte Last verfügbar werden. Erreicht die Batterie einen definierten Reserveschwellenwert, kann das System zusätzliche Komfortlasten abwerfen und dabei Sicherheit, Kühlung, Kommunikation, Frostschutz, Wassersysteme und ausgewählte Beleuchtung erhalten.

Dies ist nicht bloß eine Funktion, die von einigen wenigen Produkten für Wohngebäude angeboten wird. Es ist eine anerkannte Resilienzstrategie.

Das DOE Energy Storage Handbook beschreibt Energiemanagementsysteme als die Ebene, die Speicher überwacht und optimal steuert und dabei Batteriemanagementdaten wie Ladezustand, Gesundheitszustand, Temperatur und Betriebsgrenzen zur Bestimmung von Leistungsbefehlen nutzt.^[3] Die DOE-Leitlinien zur Resilienz gehen noch weiter: Kritische Lasten sollten frühzeitig priorisiert werden, und Gebäudesysteme können so programmiert werden, dass sie Lasten niedrigerer Priorität entsprechend der verfügbaren Energie aus Versorgungsnetz, Eigenerzeugung oder BESS verschieben oder abwerfen.^[4]

Der übergeordnete Punkt ist einfach: Das Notstromsystem sollte den Bedarf aktiv steuern, statt lediglich zu hoffen, dass er sich von selbst vernünftig verhält.

Das Ziel besteht nicht darin, jede Last jederzeit verfügbar zu machen. Das Ziel besteht darin, die richtigen Lasten so lange verfügbar zu machen, wie sie gebraucht werden.

Planungsgrundsatz von JLJ

Leistung bringt das System zum Abschalten. Energie lässt das Haus ohne Versorgung zurück.

Große Motoren und Widerstandsheizlasten verdienen besondere Aufmerksamkeit.

Klimakompressoren, Brunnenpumpen, Poolpumpen, elektrische Warmwasserbereiter, Öfen, Whirlpools, Schneeschmelzanlagen und EV-Ladegeräte können einen erheblichen Anteil der verfügbaren Leistung oder gespeicherten Energie eines Batteriesystems für Wohngebäude beanspruchen. Der Motoranlaufstrom kann zudem ein Mehrfaches des Volllaststroms betragen. Die DOE-Motorleitlinien weisen darauf hin, dass ein typischer Motor der NEMA Design B beim Start das Vier- bis Achtfache des Volllaststroms aufnehmen kann, auch wenn der Vorgang gewöhnlich nur kurz dauert.^[5] Eine Last, die in einer stationären Berechnung akzeptabel erscheint, kann daher dennoch die Kurzzeitleistung des Wechselrichters überschreiten.^[2]

Ohne koordinierte Steuerung können zwei oder drei große Lasten nahezu gleichzeitig starten und das Notstromsystem überlasten. Je nach Ausrüstung und Konfiguration kann dies eine Abschaltung des Wechselrichters erzwingen oder die gesamte notstromversorgte Sammelschiene spannungslos machen – einschließlich der kleinen, wichtigen Lasten, die das System eigentlich erhalten sollte.

Eine gute Steuerungsstrategie vermeidet diese eher wenig hilfreiche Form der Gleichbehandlung.

Sie staffelt große Lasten, hält Leistungsreserve für Motoranläufe vor, sperrt unvereinbare Kombinationen und schaltet Geräte in einer gezielten Reihenfolge wieder zu. Ziel ist nicht nur, Energie zu sparen. Ziel ist, das elektrische System stabil zu halten.

Längere Ausfälle sind ein Problem des Energiebudgets

Bei einem kurzen Ausfall lässt sich leicht Eindruck machen. Eine ausreichend große Batterie kann fast alles fünfzehn Minuten lang versorgen.

Ein zwei- oder dreitägiger Ausfall ist weniger empfänglich für Marketingversprechen.

Während eines längeren Ereignisses muss das Wohnhaus gespeicherte Energie, eingehende Solarproduktion, gegebenenfalls Generatorbeitrag und täglichen Verbrauch ausbalancieren. Die REopt-Resilienzmethodik des DOE bewertet Systemgröße und Batteriebetrieb, indem sie schätzt, wie lange ein System den Standort versorgen kann kritische Last während eines Netzausfalls.^[6] Die DOE-Leitlinien für resiliente, netzinteraktive Gebäude empfehlen ebenfalls, kritische Lasten zu priorisieren und Funktionen niedrigerer Priorität entsprechend der verfügbaren Energie aus Versorgungsnetz, Eigenerzeugung oder BESS zu verschieben oder abzuwerfen.^[4]

Für ein großes Wohnhaus ordne ich die Lasten bei Stromausfall im Allgemeinen in drei Arbeitsgruppen ein.

1. Lasten, die verfügbar bleiben müssen

Dazu gehören üblicherweise:

• Alarm- und Zutrittskontrollsysteme;
• Kameras, Aufzeichnungsgeräte und Netzwerkinfrastruktur;
• Torsteuerungen und Gegensprechanlagen;
• Kühlung;
• Brunnen-, Sumpf-, Abwasser- oder andere Anlagen zum Schutz des Grundstücks;
• ausgewählte Beleuchtung und Steckdosen;
• für den Frostschutz erforderliche Heizung;
• medizinische oder andere sicherheitskritische Geräte; und
• das BESS, der Generator und die Gebäudesteuerung selbst.

2. Lasten, die selektiv betrieben werden können

Je nach Projekt können dazu gehören:

• eine oder mehrere festgelegte HVAC-Zonen;
• Warmwasserbereitung;
• ausgewählte Küchengeräte;
• Garagentore;
• Wäschereigeräte;
• begrenzte Stromkreise in Gästebereichen; und
• ausgewählte Komfortsteckdosen.

3. Lasten, die in der Regel warten können

Diese Gruppe umfasst häufig:

• Laden von Elektrofahrzeugen;
• Pool- und Spa-Heizung;
• Saunen und Dampftechnik;
• Schneeschmelzanlagen;
• sekundäre HVAC-Zonen;
• dekorative elektrische Heizungen; und
• andere verbrauchsintensive Komforteinrichtungen ohne unmittelbare Resilienzfunktion.

Diese Zuordnungen sind nicht universell. Eine Poolpumpe kann bei einer Anlage für den Schutz des Grundstücks wichtig sein. In einem anderen Haushalt kann ein Elektrofahrzeug das einzige zuverlässige Verkehrsmittel sein. Ein Weinraum kann auf der Prioritätenliste rasch nach oben rücken, sobald jemand den Bestand geprüft hat.

Die Prioritäten sollten gemeinsam mit Eigentümer, Bauherr und Planungsteam festgelegt werden, statt aus einer allgemeinen Checkliste übernommen zu werden.

Die Sicherheit online zu halten bedeutet, die gesamte Sicherheitskette mit Strom zu versorgen

„Das Sicherheitssystem sichern“ klingt wie ein einzelner Punkt. Das ist es selten.

Die tatsächliche Betriebskette kann umfassen:

• eine Alarmzentrale und ihre Stromversorgung;
• PoE-Netzwerk-Switches;
• Kameras;
• einen Netzwerkvideorekorder oder ein lokales Speichergerät;
• Modem, Router, Firewall und drahtlose Zugangspunkte;
• Zutrittskontrollzentralen und Türhardware;
• Torantriebe;
• Gegensprechanlagen; und
• Mobilfunk- oder andere sekundäre Kommunikationsgeräte.

Viele moderne Kameras erhalten Daten und Strom über einen PoE-Switch. Daher bringt es wenig, den Kamerastromkreis zu sichern, wenn der Switch abgeschaltet werden darf. Dieselbe Abhängigkeitslogik gilt für Rekorder, Router, Firewall, Zutrittskontrollzentrale, Torsteuerung und Kommunikationsweg. Nicht unbedingt das sichtbare Gerät ist die kritische Last, sondern die vollständige Funktion.

Die DOE-Leitlinien zur Resilienz zählen Sicherheits- und Schutzsysteme, Gebäudezugang, Alarmanlagen und Notbeleuchtung ausdrücklich zu den kritischen Lasten, die während einer Störung priorisiert werden sollten.^[4] Auch die Leitlinien von CISA zur resilienten Stromversorgung betonen, dass die Stromversorgung kritischer Kommunikationssysteme und zugehöriger Geräte aufrechterhalten und Notstromversorgung, Cybersicherheit, physische Sicherheit und Kommunikation als ein koordiniertes Resilienzproblem behandelt werden müssen.^[8]

Diese Lasten sind im Vergleich zu HVAC, Warmwasserbereitung oder EV-Laden im Allgemeinen gering. Damit sind sie ausgezeichnete Kandidaten für die höchste Notstrompriorität. Ihre unterstützenden Stromkreise sollten ausdrücklich identifiziert, dokumentiert und als vollständiges System geprüft werden.

Empfindliche Elektronik kann außerdem entsprechend spezifizierte unterbrechungsfreie Stromversorgungen erfordern. Ein BESS für Wohngebäude kann schnell umschalten, doch Geräte, die tatsächlich unterbrechungsfreie Stromversorgung benötigen, sollten sich nicht auf eine angenommene Umschaltzeit verlassen.

Auch die Steuerungen selbst benötigen einen Resilienzplan. Kritische Funktionen sollten nach Möglichkeit lokal weiterarbeiten, statt vollständig von einem Cloud-Dienst oder einer Internetverbindung abhängig zu sein, die während desselben Ereignisses möglicherweise nicht verfügbar ist. Die DOE-Leitlinien fordern Planer auf, Kommunikationsausfälle und andere Fehlerarten im Gesamtsystem zu berücksichtigen, während CISA empfiehlt, manuelle Übersteuerungen für automatisierte resiliente Stromsteuerungen beizubehalten.^[4][9]

Ein resilientes Steuerungssystem sollte nicht in dem Moment nutzlos werden, in dem die WAN-Verbindung ausfällt.

Laststeuerung kann die Batterielebensdauer unterstützen – sie ist jedoch keine Zauberei

Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien wird durch Chemie, Temperatur, durchschnittlichen Ladezustand, Entladetiefe, Lade- und Entladeraten sowie das dem System auferlegte Betriebsprofil beeinflusst.

Begutachtete Forschung des National Renewable Energy Laboratory ergab erhebliche Unterschiede in der modellierten Lebensdauer von Wohnbatterien je nach Anwendungsfall, Umgebungsbedingungen, Chemie, Ladezustand, Entladetiefe und Temperatur.^[2] Mit anderen Worten: Es ist wichtig, wie eine Batterie genutzt wird.

Laststeuerung kann eine längere Lebensdauer unterstützen, indem sie vermeidbaren Energiedurchsatz reduziert und unnötige Tiefentladung begrenzt. Das kann besonders relevant sein, wenn dasselbe BESS neben der Notstromversorgung täglich für solaren Eigenverbrauch, zeitvariable Tarifoptimierung oder Lastmanagement eingesetzt wird.

Hier ist eine wichtige Einschränkung angebracht: Laststeuerung setzt die Elektrochemie nicht außer Kraft, und ein gelegentlicher Stromausfall bestimmt wahrscheinlich nicht die gesamte Lebensdauer einer ordnungsgemäß verwalteten Batterie. Temperaturmanagement, Produktauswahl, Reserveeinstellungen, Garantiebedingungen und das Batteriemanagementsystem des Herstellers bleiben zentral.

Die Batterie einen Spa beheizen zu lassen, während Notfallreserven erhalten werden sollen, ist dennoch keine Lebensdauerstrategie. Es ist eine Spa-Strategie.

Die solide ingenieurtechnische Position lautet, dass Laststeuerung ein Bestandteil eines umfassenderen Lebenszyklusplans ist. Sie reserviert tiefe Zyklen und hohe Leistung für Momente, in denen diese Energie wirklich wertvoll ist.

Bessere Steuerung kann wertvoller sein als einfach mehr Batterien hinzuzufügen

Zusätzliche Batteriekapazität hat offensichtliche Vorteile, und einige große Wohnhäuser benötigen tatsächlich beträchtliche Speicher. Doch jedes Projekt auf den hypothetischen gleichzeitigen Betrieb sämtlicher elektrischer Annehmlichkeiten auszulegen, kann zu einem teuren System führen, das weiterhin schlecht koordiniert ist.

Eine gute Laststeuerungsstrategie kann einem Projekt ermöglichen:

• ein definiertes Ziel für die Ausfalllaufzeit mit weniger Speicher zu erreichen;
• die für gleichzeitig auftretende Lasten erforderliche Wechselrichterkapazität zu verringern;
• Abschaltungen durch Überlastung zu vermeiden;
• eine sinnvolle Notfallreserve zu erhalten;
• Solarproduktion während mehrtägiger Ausfälle wirksamer zu nutzen;
• mehr Stromkreise verfügbar zu halten, ohne sie alle gleichzeitig zu betreiben; und
• Prioritäten anzupassen, wenn sich die Bedürfnisse der Bewohner ändern.

Die DOE-Leitlinien gelangen im größeren Gebäudekontext zur gleichen Schlussfolgerung auf Systemebene: Die Verringerung und Steuerung von Lasten kann die Speicher- und Eigenerzeugungskapazität reduzieren, die zur Aufrechterhaltung von Gebäudefunktionen erforderlich ist, und gleichzeitig die vor Ort erzeugte erneuerbare Energie besser nutzen.^[4]

Das bedeutet nicht, dass Steuerungen verwendet werden sollten, um ein zu klein dimensioniertes BESS zu kaschieren. Erforderliche Speicher- und Leistungskapazität müssen weiterhin anhand realistischer Lastdaten, Betriebsszenarien, Motoranlaufanforderungen, Wetterbedingungen und des Beitrags von Solarenergie oder Generator berechnet werden.

Steuerungen machen ein richtig dimensioniertes System leistungsfähiger. Sie verwandeln eine kleine Batterie nicht in eine große.

Bauherren sollten die Laststeuerung planen, bevor die Wände geschlossen werden

Der beste Zeitpunkt, Ausfallprioritäten zu besprechen, ist nicht erst, nachdem die Schalttafeln beschriftet sind und der Batterieinstallateur eingetroffen ist.

Bei Neubauten und umfangreichen Renovierungen sollten Bauherr, Elektroingenieur, Elektroauftragnehmer, BESS-Planer, HVAC-Team, Sicherheitsintegrator, Generatorlieferant und Gebäudeautomationsunternehmen die Laststrategie frühzeitig koordinieren.

Die Planung sollte festlegen:

1. die Lasten, die mit Strom versorgt bleiben müssen;
2. die Lasten, die bedingt betrieben werden dürfen;
3. die Lasten, die im Notstrombetrieb ausgeschlossen sind;
4. den maximal erwarteten gleichzeitigen Bedarf;
5. Motoranlauf- und Einschaltstromanforderungen;
6. Schwellenwerte für Batteriereserven;
7. betriebliche Wechselwirkungen zwischen Solarenergie und Generator;
8. lokale und manuelle Steuerungsmöglichkeiten;
9. ausfallsicheres Verhalten bei Kommunikationsverlust; und
10. Anforderungen an Inbetriebnahme und Einweisung der Hauseigentümer.

Diese Planung kann zu einer eigenen Verteilung für wesentliche Lasten, intelligenten Stromkreissteuerungen, Steuerungen auf Geräteebene, Integration in die Gebäudeautomation oder einer Kombination aus allen vier führen.

Es gibt keine universell richtige Architektur. Es gibt nur eine Architektur, die durchdacht wurde – oder eben nicht.

Nehmen Sie den Ausfallbetrieb in Betrieb, nicht nur die Ausrüstung

Eine Laststeuerungssequenz ist nicht fertig, nur weil der Programmierbildschirm „abgeschlossen“ anzeigt.

Die Inbetriebnahme sollte einen echten Test im Notstrombetrieb umfassen. Das Projektteam sollte prüfen:

• Umschaltverhalten;
• Kontinuität von Sicherheit und Netzwerk;
• Motoranlauf;
• Lastabwurf und Wiederzuschaltung;
• Übergänge der Batteriereserve;
• Zusammenspiel von Solarenergie und Generator;
• lokalen Betrieb während eines Internetausfalls;
• manuelle Übersteuerungen; und
• die Fähigkeit des Hauseigentümers zu verstehen, was das System gerade tut.

Der Test sollte außerdem bestätigen, dass die schriftlich festgelegte Sequenz den tatsächlichen Prioritäten des Eigentümers entspricht. Ein System kann den falschen Plan fehlerfrei ausführen.

Ein Stromausfall ist ein ungünstiger Zeitpunkt für die Entdeckung, dass Torsteuerung, PoE-Switch und Netzwerkrekorder auf drei verschiedenen Seiten der Notstromgrenze platziert wurden.

Der wahre Luxus ist Kontinuität

Ein resilientes Luxuswohnhaus muss nicht so tun, als gäbe es keinen Stromausfall. Es muss sicher, bewohnbar und beherrschbar bleiben, ohne dass der Hauseigentümer im Elektroraum patrouillieren und Schutzschalter von Hand umlegen muss.

Genau das bietet eine gut geplante Laststeuerung. Sie verwandelt eine Batterie von einem begrenzten Behälter gespeicherter Energie in ein koordiniertes Stromversorgungssystem. Sie schützt kritische Betriebsabläufe, verlängert die nutzbare Ausfalllaufzeit, reduziert vermeidbare Batteriezyklen und ermöglicht der elektrischen Infrastruktur großer Wohnhäuser, intelligent zu reagieren, wenn das Netz nicht verfügbar ist.

Notstromversorgung für das gesamte Haus sollte bedeuten, dass das gesamte Haus einen Plan hat.

Sie sollte nicht bedeuten, dass jede Last gleichzeitig läuft.

Die Ausarbeitung dieses Plans ist der Punkt, an dem Elektrotechnik, Steuerungen, Regelwerksanforderungen, Prioritäten des Eigentümers und Gewerkeabstimmung zusammenkommen – gelegentlich sogar in derselben Schalttafel. Wenn Ihr Projekt Unterstützung dabei benötigt, festzulegen, welche Lasten verfügbar bleiben sollen, welche warten können und wie das BESS reagieren soll, wenn das Netz ausfällt, wenden Sie sich an JLJ Energy Consulting.

Wir haben das schon früher durchgearbeitet, meist mit mehr Kompressoren, Steuerungssystemen und nachdrücklich vertretenen Meinungen, als irgendjemand erwartet hatte.