El respaldo de toda la vivienda no debe significar todas las cargas a la vez

Durante el diseño de un sistema de baterías para una vivienda grande llega un momento conocido.

El propietario quiere que la residencia funcione con normalidad durante un corte. El constructor señala el servicio de 400 amperios. Alguien menciona el «respaldo de toda la vivienda». Entonces empezamos a contar compresores de aire acondicionado, equipos de piscina, agua caliente sanitaria, vehículos eléctricos, suelos radiantes, un ala de invitados, una bodega, una ducha de vapor y, según la altitud, un sistema de deshielo con el apetito eléctrico de un restaurante modesto.

Ninguna de esas prestaciones es irrazonable en una vivienda de alta gama. Simplemente no pueden tratarse todas como igual de importantes cuando desaparece la red eléctrica.

La respuesta no siempre es una torre más alta de baterías. Es un sistema que sabe qué cargas importan, cuáles pueden esperar y cuáles nunca deberían haberse invitado al corte en primer lugar.

Ese es el valor del control de cargas.

Una batería tiene dos presupuestos

Todo sistema de almacenamiento de energía en baterías, o BESS, funciona dentro de dos límites fundamentales:

• Energía, medida en kilovatios-hora, determina aproximadamente cuánto tiempo puede el sistema respaldar la vivienda.
• Potencia, medida en kilovatios, determina cuántas cargas puede hacer funcionar el sistema a la vez.

Son problemas distintos.

Una batería puede contener energía suficiente para respaldar las cargas esenciales durante toda la noche y, aun así, no poder arrancar varios motores grandes al mismo tiempo. Un sistema también puede tener una potencia instantánea impresionante pero agotar rápidamente su energía almacenada si se permite que las cargas discrecionales funcionen sin un plan.

El Departamento de Energía de Estados Unidos distingue la capacidad energética—la cantidad total de energía que puede almacenar un sistema— de la capacidad de potencia—la cantidad que puede liberar en un momento determinado.^[1] Esa es la forma más clara de entender por qué una batería puede tener suficiente energía almacenada para la noche y, aun así, no poder soportar todas las cargas grandes simultáneamente.

La investigación sobre baterías residenciales del Laboratorio Nacional de Energías Renovables deja clara la consecuencia práctica: la capacidad del inversor puede impedir que un sistema respalde cargas con una elevada demanda de potencia activa o una alta corriente de arranque, incluidos equipos accionados por motores como las unidades de aire acondicionado.^[2]

La capacidad nominal del servicio indica lo que puede admitir la infraestructura eléctrica de la vivienda cuando la red está disponible. No indica qué debería intentar hacer funcionar un sistema finito de baterías durante un corte prolongado.

La física sigue sin mostrar el menor interés por el tamaño de la isla de la cocina.

El control de cargas cambia la ecuación de diseño

En su forma más sencilla, el control de cargas desconecta los equipos no esenciales cuando la vivienda entra en funcionamiento de respaldo.

Un sistema más capaz puede responder a:

• el estado de carga de la batería;
• la potencia disponible del inversor;
• la producción solar;
• la disponibilidad del generador;
• el estado operativo de otras cargas grandes;
• la hora del día; y
• las prioridades definidas por el propietario.

Esto permite que una residencia grande permanezca ampliamente conectada al sistema de respaldo sin suponer que todos los aparatos deben funcionar al mismo tiempo.

Una secuencia de controles podría permitir que funcione una zona de HVAC mientras bloquea temporalmente la carga de vehículos eléctricos y la calefacción de la piscina. Cuando el compresor se apaga, otra carga gestionada puede quedar disponible. Si la batería alcanza un umbral de reserva definido, el sistema puede desconectar cargas adicionales de confort mientras conserva la seguridad, la refrigeración, las comunicaciones, la protección contra congelación, los sistemas de agua y la iluminación seleccionada.

No se trata simplemente de una función ofrecida por unos pocos productos residenciales. Es una estrategia de resiliencia reconocida.

El Manual de almacenamiento de energía del DOE describe los sistemas de gestión energética como la capa que supervisa y controla de forma óptima el almacenamiento, utilizando datos de gestión de baterías como el estado de carga, el estado de salud, la temperatura y los límites operativos para determinar las órdenes de potencia.^[3] La orientación del DOE sobre resiliencia va un paso más allá: las cargas críticas deben priorizarse desde el principio y los sistemas del edificio pueden programarse para desplazar o desconectar cargas de menor prioridad según la energía disponible de la red, la generación in situ o un BESS.^[4]

La idea general es sencilla: el sistema de respaldo debe gestionar activamente la demanda en lugar de limitarse a esperar que esta se comporte bien.

El objetivo no es que todas las cargas estén disponibles todo el tiempo. El objetivo es que las cargas adecuadas estén disponibles durante todo el tiempo que importen.

Principio de planificación de JLJ

La potencia es lo que hace disparar el sistema. La energía es lo que deja aislada la vivienda.

Los motores grandes y las cargas de calefacción por resistencia merecen especial atención.

Los compresores de aire acondicionado, las bombas de pozos, las bombas de piscinas, los calentadores eléctricos de agua, los hornos, los spas, los sistemas de deshielo y los cargadores de vehículos eléctricos pueden consumir una parte importante de la potencia disponible o de la energía almacenada de un sistema residencial de baterías. La corriente de arranque de un motor también puede ser varias veces superior a la corriente a plena carga. La orientación del DOE sobre motores señala que un motor NEMA Design B típico puede consumir entre cuatro y ocho veces la corriente a plena carga durante el arranque, aunque el evento suele ser breve.^[5] Por ello, una carga que parece aceptable en un cálculo de régimen permanente puede seguir superando la capacidad de corta duración del inversor.^[2]

Sin un control coordinado, dos o tres cargas grandes pueden arrancar casi al mismo tiempo y sobrecargar el sistema de respaldo. Según los equipos y la configuración, esto puede provocar el apagado de un inversor o cortar la alimentación de todo el bus respaldado, incluidas las cargas pequeñas e importantes que el sistema debía conservar.

Una buena estrategia de controles evita esa forma poco útil de igualdad.

Escalona las cargas grandes, mantiene margen para los arranques de motores, bloquea combinaciones incompatibles y restablece los equipos en una secuencia deliberada. El objetivo no es solo conservar energía. Es mantener estable el sistema eléctrico.

Los cortes prolongados son un problema de presupuesto energético

Es fácil impresionar durante un corte breve. Una batería suficientemente grande puede alimentar casi cualquier cosa durante quince minutos.

Un corte de dos o tres días es menos susceptible al marketing.

Durante un evento prolongado, la residencia debe equilibrar la energía almacenada, la producción solar entrante, la aportación del generador cuando corresponda y el consumo diario. La metodología de resiliencia REopt del DOE evalúa el tamaño del sistema y la gestión de la batería estimando durante cuánto tiempo puede un sistema sostener la carga crítica de un emplazamiento durante un corte de la red.^[6] La orientación del DOE sobre edificios resilientes e interactivos con la red también recomienda priorizar las cargas críticas y desplazar o desconectar funciones de menor prioridad según la energía disponible de la red, la generación in situ o el BESS.^[4]

Para una residencia grande, generalmente organizo las cargas durante un corte en tres grupos de trabajo.

1. Cargas que deben permanecer disponibles

Normalmente incluyen:

• sistemas de alarma y control de acceso;
• cámaras, equipos de grabación e infraestructura de red;
• controles de puertas e intercomunicadores;
• refrigeración;
• equipos de pozos, sumideros, aguas residuales u otros sistemas de protección de la propiedad;
• iluminación y tomas de corriente seleccionadas;
• calefacción necesaria para proteger contra la congelación;
• equipos médicos u otros equipos de seguridad vital; y
• el propio BESS, el generador y los equipos de control del edificio.

2. Cargas que pueden funcionar de forma selectiva

Según el proyecto, pueden incluir:

• una o varias zonas de HVAC designadas;
• agua caliente sanitaria;
• electrodomésticos de cocina seleccionados;
• puertas de garaje;
• lavandería;
• circuitos limitados de zonas de huéspedes; y
• tomas de corriente de conveniencia seleccionadas.

3. Cargas que normalmente pueden esperar

Este grupo suele contener:

• carga de vehículos eléctricos;
• calefacción de piscinas y spas;
• saunas y equipos de vapor;
• sistemas de deshielo;
• zonas secundarias de HVAC;
• calefacción eléctrica decorativa; y
• otras comodidades de alta demanda sin una función inmediata de resiliencia.

Estas asignaciones no son universales. Una bomba de piscina puede ser importante para proteger la propiedad en una instalación. En otra, un vehículo eléctrico puede ser el único medio de transporte fiable del hogar. Una bodega puede ascender rápidamente en la lista de prioridades después de que alguien revise el inventario.

Las prioridades deben establecerse con el propietario, el constructor y el equipo de diseño, no descargarse de una lista de comprobación genérica.

Mantener la seguridad en línea significa alimentar toda la cadena de seguridad

«Respaldar el sistema de seguridad» parece una única partida. Rara vez lo es.

La cadena operativa real puede incluir:

• un panel de alarma y su fuente de alimentación;
• conmutadores de red PoE;
• cámaras;
• un grabador de vídeo en red o un dispositivo de almacenamiento local;
• módem, enrutador, cortafuegos y puntos de acceso inalámbrico;
• paneles de control de acceso y herrajes de puertas;
• operadores de portones;
• intercomunicadores; y
• equipos de comunicaciones celulares u otros equipos secundarios.

Muchas cámaras modernas reciben tanto datos como alimentación mediante un conmutador PoE, por lo que respaldar el circuito de la cámara mientras se permite que el conmutador se apague no sirve de mucho. La misma lógica de dependencias se aplica al grabador, el enrutador, el cortafuegos, el panel de control de acceso, el controlador del portón y la vía de comunicaciones. El dispositivo visible no es necesariamente la carga crítica; lo es la función completa.

La orientación del DOE sobre resiliencia incluye específicamente los sistemas de seguridad y protección, el acceso al edificio, las alarmas y la iluminación de emergencia entre las cargas críticas que deben priorizarse durante una interrupción.^[4] La orientación de CISA sobre energía resiliente también subraya la necesidad de mantener la alimentación de las comunicaciones críticas y los equipos asociados, y de tratar la energía de respaldo, la ciberseguridad, la seguridad física y las comunicaciones como un único problema coordinado de resiliencia.^[8]

Estas cargas suelen ser modestas en comparación con HVAC, el calentamiento de agua o la carga de vehículos eléctricos. Esto las convierte en excelentes candidatas para la máxima prioridad de respaldo. Sus circuitos de apoyo deben identificarse explícitamente, documentarse y probarse como un sistema completo.

Los equipos electrónicos sensibles también pueden requerir fuentes de alimentación ininterrumpida debidamente especificadas. Un BESS residencial puede transferir rápidamente, pero los equipos que necesitan una alimentación realmente ininterrumpida no deben depender de un tiempo de transferencia supuesto.

Los propios controles también necesitan un plan de resiliencia. Siempre que sea práctico, las funciones críticas deben seguir funcionando localmente en lugar de depender por completo de un servicio en la nube o de una conexión a Internet que podría no estar disponible durante el mismo evento. La orientación del DOE indica a los diseñadores que consideren las interrupciones de las comunicaciones y otros modos de fallo dentro del sistema general, mientras que CISA recomienda conservar anulaciones manuales para los controles automatizados de energía resiliente.^[4][9]

Un sistema de control resiliente no debería perder su utilidad en el mismo momento en que la pierde la conexión WAN.

El control de cargas puede favorecer la longevidad de las baterías, pero no es magia

La vida útil de las baterías de iones de litio se ve afectada por la química, la temperatura, el estado medio de carga, la profundidad de descarga, las tasas de carga y descarga y el perfil operativo impuesto al sistema.

Una investigación revisada por pares del Laboratorio Nacional de Energías Renovables encontró variaciones significativas en la vida útil modelada de baterías residenciales según los casos de uso, las condiciones ambientales, las químicas, el estado de carga, la profundidad de descarga y la temperatura.^[2] En otras palabras, importa cómo se utiliza una batería.

El control de cargas puede contribuir a una vida útil más larga al reducir el flujo de energía evitable y limitar las descargas profundas innecesarias. Esto puede ser especialmente pertinente cuando el mismo BESS se utiliza a diario para autoconsumo solar, optimización por franjas horarias o gestión de la demanda, además de como energía de respaldo.

Aquí conviene ejercer cierta moderación: el control de cargas no suspende la electroquímica y es poco probable que un corte ocasional determine toda la vida útil de una batería correctamente gestionada. La gestión térmica, la selección del producto, los ajustes de reserva, las condiciones de la garantía y el sistema de gestión de baterías del fabricante siguen siendo fundamentales.

Aun así, pedir a la batería que caliente un spa mientras conserva las reservas de emergencia no es una estrategia de longevidad. Es una estrategia para el spa.

La posición de ingeniería sensata es que el control de cargas forma parte de un plan más amplio del ciclo de vida. Reserva los ciclos profundos y la alta demanda para los momentos en que esa energía resulta realmente valiosa.

Un mejor control puede ser más valioso que simplemente añadir baterías

Una mayor capacidad de baterías ofrece beneficios evidentes y algunas viviendas grandes realmente necesitan un almacenamiento considerable. Sin embargo, dimensionar cada proyecto en torno al funcionamiento simultáneo hipotético de todas las comodidades eléctricas puede producir un sistema costoso que siga estando mal coordinado.

Una buena estrategia de control de cargas puede permitir que un proyecto:

• cumpla un objetivo definido de autonomía durante cortes con menos almacenamiento;
• reduzca la capacidad del inversor necesaria para cargas simultáneas;
• evite apagados por sobrecarga;
• conserve una reserva de emergencia significativa;
• utilice la producción solar con mayor eficacia durante cortes de varios días;
• mantenga disponibles más circuitos sin hacerlos funcionar todos a la vez; y
• adapte las prioridades a medida que cambien las necesidades de los ocupantes.

La orientación del DOE llega a la misma conclusión a nivel de sistema en un contexto de edificios más amplio: reducir y gestionar la carga puede disminuir la capacidad de almacenamiento y generación in situ necesaria para mantener las funciones del edificio, al tiempo que se aprovecha mejor la energía renovable generada en el emplazamiento.^[4]

Esto no significa que los controles deban utilizarse para ocultar un BESS de tamaño insuficiente. La capacidad necesaria de almacenamiento y potencia sigue teniendo que calcularse a partir de datos de carga realistas, escenarios operativos, requisitos de arranque de motores, condiciones meteorológicas y aportación solar o del generador.

Los controles hacen que un sistema correctamente dimensionado sea más capaz. No convierten una batería pequeña en una grande.

Los constructores deben planificar el control de cargas antes de cerrar las paredes

El mejor momento para hablar de las prioridades durante un corte no es después de etiquetar los cuadros eléctricos y de que haya llegado el instalador de baterías.

En obras nuevas y reformas importantes, el constructor, el ingeniero eléctrico, el contratista eléctrico, el diseñador del BESS, el equipo de HVAC, el integrador de seguridad, el proveedor del generador y el contratista de automatización del hogar deben coordinar pronto la estrategia de cargas.

El diseño debe establecer:

1. las cargas que deben permanecer alimentadas;
2. las cargas que pueden funcionar de forma condicional;
3. las cargas excluidas durante el respaldo;
4. la demanda simultánea máxima prevista;
5. los requisitos de arranque de motores y corriente de irrupción;
6. los umbrales de reserva de las baterías;
7. las interacciones operativas entre la energía solar y el generador;
8. las opciones de control local y manual;
9. el comportamiento a prueba de fallos si se pierden las comunicaciones; y
10. los requisitos de puesta en servicio y formación del propietario.

Esta planificación puede dar lugar a un cuadro específico de cargas esenciales, controles inteligentes de circuitos, controles a nivel de aparato, integración con la automatización del edificio o una combinación de las cuatro opciones.

No existe una arquitectura universalmente correcta. Solo existe una arquitectura que se ha pensado bien, o no.

Ponga en servicio el funcionamiento durante el corte, no solo los equipos

Una secuencia de control de cargas no está terminada porque la pantalla de programación diga «completo».

La puesta en servicio debe incluir una prueba real en modo de respaldo. El equipo del proyecto debe verificar:

• el comportamiento de la transferencia;
• la continuidad de la seguridad y de la red;
• el arranque de motores;
• la desconexión y restauración de cargas;
• las transiciones de reserva de las baterías;
• la interacción entre la energía solar y el generador;
• el funcionamiento local durante una interrupción de Internet;
• las anulaciones manuales; y
• la capacidad del propietario para comprender qué está haciendo el sistema.

La prueba también debe confirmar que la secuencia escrita coincide con las prioridades reales del propietario. Un sistema puede ejecutar a la perfección el plan equivocado.

Un corte es un mal momento para descubrir que el controlador del portón, el conmutador PoE y el grabador de red se colocaron en tres lados distintos del límite de respaldo.

El verdadero lujo es la continuidad

Una vivienda de lujo resiliente no necesita fingir que no se está produciendo un corte. Necesita seguir siendo segura, habitable y gestionable sin obligar al propietario a patrullar la sala eléctrica accionando interruptores a mano.

Eso es lo que proporciona un control de cargas bien diseñado. Convierte una batería, que es una caja finita de energía almacenada, en un sistema eléctrico coordinado. Protege las operaciones críticas, prolonga la autonomía útil durante cortes, reduce los ciclos evitables de las baterías y permite que la infraestructura eléctrica de una vivienda grande responda de forma inteligente cuando la red no está disponible.

El respaldo de toda la vivienda debe significar que toda la vivienda tiene un plan.

No debe significar que todas las cargas funcionen a la vez.

El diseño de ese plan es el punto en el que confluyen la ingeniería eléctrica, los controles, los requisitos de códigos, las prioridades del propietario y la coordinación de los distintos oficios, a veces en el mismo cuadro. Si su proyecto necesita ayuda para determinar qué cargas deben permanecer disponibles, cuáles pueden esperar y cómo debe responder el BESS cuando desaparece la red, contacte con JLJ Energy Consulting.

Ya hemos resuelto situaciones como esta, normalmente con más compresores, sistemas de control y opiniones firmemente defendidas de lo que nadie esperaba.