El presente estudio se adentra en el impacto que tienen las mejoras en eficiencia energética, la flexibilidad de carga y la electrificación en la capacidad de los sistemas fotovoltaicos solares y de almacenamiento de energía (PVESS) para proporcionar energía de respaldo en hogares durante cortes de energía prolongados. Utilizando simulaciones, se modelan perfiles de generación solar y de carga de uso final para hogares unifamiliares en diferentes climas y geografías. Se aplican paquetes de medidas de eficiencia, flexibilidad y electrificación a hogares de referencia y se estima el tamaño mínimo de almacenamiento de batería necesario para alimentar cargas críticas designadas durante cortes de energía que duren 24 horas o más. El objetivo es proporcionar ideas sobre cómo los PVESS pueden desempeñar un papel en aplicaciones de respaldo a medida que los hogares evolucionan, y así informar el diseño de sistemas, productos, modelos de negocio y políticas relacionadas. El análisis solo considera factores técnicos y trabajos futuros explorarán consideraciones económicas. Uno de los aspectos clave del estudio es el examen de cortes de energía prolongados, variando los tipos y ubicaciones de los hogares, aplicando diferentes medidas a hogares existentes y probando diferentes escenarios de cortes de energía y respaldo de carga. Además, proporciona una visión general de los datos y métodos utilizados en VISION, un análisis de soluciones de energía de respaldo para hogares. Se examinan 10 ubicaciones en todo Estados Unidos que representan diferentes climas y geografías y se desarrollaron perfiles de carga energética de referencia para aproximadamente 1000 hogares unifamiliares en cada ubicación utilizando la plataforma de modelado NREL ResStock. Por consiguiente, se consideraron 17 escenarios al aplicar diversas combinaciones de mejoras en eficiencia energética, medidas de electrificación y opciones de flexibilidad de carga al stock de edificios de referencia. 

La descripción de la metodología utilizada para analizar los impactos de las interrupciones de energía en hogares con diferentes configuraciones de energía de respaldo permite que se analicen cómo se modelan las cargas de respaldo, los sistemas fotovoltaicos, las interrupciones de energía y los datos meteorológicos. Las cargas de respaldo se dividen en cargas críticas limitadas (refrigerador, luces, etc.), cargas críticas (calefacción/refrigeración adicional) y cargas de toda la casa. Los sistemas fotovoltaicos se dimensionan en función del consumo anual y del área de techo disponible. Las interrupciones de energía se modelan como eventos de 3 días que comienzan en el día de carga neta más alta del percentil 90. La carga neta es la carga bruta menos la producción fotovoltaica. Los datos meteorológicos provienen de archivos meteorológicos anuales típicos para representar las condiciones promedio, y algunas ubicaciones se analizan durante 11 años de datos meteorológicos reales para comparar. De igual forma se analiza un modelo para optimizar el tamaño de los sistemas de almacenamiento de baterías para proporcionar energía de respaldo durante las interrupciones de energía. El modelo determina la capacidad mínima de la batería (en kWh) necesaria para satisfacer cargas críticas durante un apagón de 3 días que comienza en un día de alta demanda. Se supone que la batería puede cargarse y descargarse al mismo ritmo (igual a su capacidad en kWh) y que la batería comienza con un estado de carga del 100%. Los resultados se presentan para los tamaños de batería requeridos para el parque de edificios existente en diferentes ubicaciones bajo condiciones de referencia y al agregar diferentes recursos energéticos distribuidos.  Para el stock de referencia, los tamaños medios de batería requeridos varían desde 10 kWh en Los Ángeles hasta 90 kWh en DFW y Phoenix. Las casas con calefacción por resistencia eléctrica requieren baterías mucho más grandes, por lo cual, existe una amplia variación en los tamaños requeridos entre las casas de cada ubicación. En general, existe una tendencia lineal en la que el tamaño requerido de la batería aumenta aproximadamente 1,1 kWh por cada kWh adicional de carga neta. 

Por otra parte, se analiza cómo diferentes medidas de recursos energéticos distribuidos (DER) impactan el tamaño requerido de los sistemas de baterías de respaldo para proporcionar energía durante un corte de energía en la red eléctrica de 3 días de duración. Se estudian los efectos incrementales de agregar secuencialmente diversas mejoras de eficiencia y medidas de electrificación a los stocks de edificios en 10 ubicaciones en Estados Unidos. Las medidas estudiadas incluyen ajustes de puntos de consigna de HVAC, mejoras en el envolvente de los edificios, remodelaciones de bombas de calor y electrificación de calefacción de agua, cocina y secado de ropa. Los resultados muestran que los ajustes de puntos de consigna de HVAC y las mejoras en el envolvente de los edificios reducen la necesidad de baterías en mayor medida en ubicaciones con veranos calurosos o con calefacción eléctrica concentrada, como Washington D.C., Memphis, Dallas-Fort Worth, Tampa y Phoenix.  

Las remodelaciones de bombas de calor disminuyen el dimensionamiento de las baterías en lugares cálidos al reemplazar los sistemas de aire acondicionado ineficientes, pero aumentan en lugares fríos al requerir más energía de respaldo para la calefacción. Sin embargo, las bombas de calor reducen drásticamente las necesidades de batería para hogares que originalmente usaban calefacción por resistencia eléctrica. Las medidas de electrificación adicionales tienen un impacto negligente en el dimensionamiento. En esta instancia, la combinación de mejoras en eficiencia puede reducir a la mitad el tamaño de la batería requerida en algunos climas cálidos, pero las remodelaciones de bombas de calor en climas fríos generalmente requieren baterías más grandes al reemplazar combustibles fósiles. Adicionalmente, se discute el impacto de varias medidas de recursos energéticos distribuidos (DER) en el dimensionamiento requerido de las baterías de respaldo para proporcionar energía durante cortes de energía en la red de diferentes duraciones. Se encuentra que las mejoras en eficiencia, las medidas de flexibilidad de carga y las remodelaciones de bombas de calor pueden reducir las necesidades de batería, siendo las bombas de calor las que tienen mayor impacto en climas cálidos al reemplazar los sistemas de aire acondicionado ineficientes. La electrificación de otros electrodomésticos tiene un efecto negligente. El tamaño requerido de la batería sigue estando determinado principalmente por el consumo total de electricidad durante un corte de energía. Los cortes de energía más largos requieren baterías más grandes ya que la energía solar diaria puede no recargar completamente la batería. Los análisis de sensibilidad muestran que las necesidades de batería aumentan para condiciones climáticas más extremas y cortes de energía más largos. Las medidas de DER pueden prolongar el tiempo que una batería determinada puede proporcionar respaldo.  

En relación con las bombas de calor pueden reducir las necesidades de almacenamiento de baterías para energía de respaldo en climas de inviernos suaves, pero requieren baterías más grandes en climas más fríos. El tamaño de la batería requerida depende en gran medida del momento y la duración de una interrupción de energía y de las cargas que se respaldan. La implementación de flexibilidad de la demanda a través de ajustes termostáticos y mejoras en el envolvente de los edificios puede reducir significativamente el almacenamiento necesario, especialmente para hogares con grandes cargas de refrigeración o calefacción eléctrica. Mientras que las bombas de calor eficientes pueden reducir sustancialmente las necesidades de almacenamiento al reemplazar el aire acondicionado ineficiente en climas cálidos, pueden aumentar enormemente los requisitos de almacenamiento si reemplazan el calor de los combustibles fósiles en áreas frías, aunque las medidas de eficiencia pueden mitigar esto. El tipo de respaldo de calefacción utilizado ya sea fósil o de resistencia eléctrica, también influye en el tamaño del almacenamiento. El respaldo limitado de cargas críticas sin calefacción/refrigeración requiere baterías mucho más pequeñas que el respaldo de toda la casa, incluidas estas cargas. La carga bidireccional de vehículos eléctricos podría ayudar a habilitar el respaldo de bombas de calor y de toda la casa en climas fríos y durante eventos extremos de varios días al proporcionar almacenamiento de energía adicional y transmisión si los cargadores públicos tienen energía. Del mismo modo, se incluye la discusión sobre varios temas relacionados con los sistemas de almacenamiento de energía fotovoltaica (PVESS) que proporcionan energía de respaldo durante cortes de energía. Se señala que las bombas de calor en climas fríos requieren un almacenamiento significativo para el respaldo de PVESS dado sus necesidades energéticas, pero mantener sistemas de calefacción con combustibles fósiles para uso ocasional puede ayudar a abordar este desafío. Los vehículos eléctricos bidireccionales también pueden ayudar a habilitar el respaldo de PVESS en algunos casos, como hogares fríos con bombas de calor o durante cortes especialmente largos de más de 3 días. Suscita la identificación de áreas para futuras investigaciones en torno al rendimiento del respaldo de PVESS, aplicaciones para equipos médicos o habitaciones individuales, dimensiones socioeconómicas, evaluaciones económicas comparando PVESS con otras opciones, validación empírica del uso de PVESS por parte de los clientes, análisis de PVESS en configuraciones de vecindario, impactos del cambio climático y sobredimensionamiento de sistemas fotovoltaicos para mejorar las capacidades de respaldo. 

De otra manera se aborda el modelado del impacto de los recursos energéticos distribuidos en la resiliencia de la red eléctrica. En primer lugar, se resumen los resultados de simulaciones que analizan cómo se distribuyen los tamaños de los sistemas fotovoltaicos (PV) en función del área de techo disponible. Además, se examina el momento estacional de los eventos de interrupción de energía en función de los días de carga neta pico. El análisis encuentra que la mayoría de los sistemas fotovoltaicos utilizan menos de la mitad del área de techo disponible y que las interrupciones generalmente ocurren en invierno para regiones frías y en verano para regiones calurosas. Posteriormente, se discuten los requisitos de potencia y energía de las baterías para proporcionar energía de respaldo durante las interrupciones. La mayoría de los hogares simulados requirieron duraciones de batería de más de 4 horas, lo que indica que las necesidades de energía dominaban el dimensionamiento de la potencia. La pre-enfriamiento y pre-calentamiento de los hogares utilizando energía solar excedente antes de las interrupciones podrían reducir ligeramente los tamaños típicos de las baterías en 1-8 kWh, pero los impactos fueron pequeños. El dimensionamiento de las baterías también aumentó de manera algo lineal con las duraciones de interrupción más largas. Finalmente, la implementación de mejoras en la eficiencia energética antes de los ajustes de los puntos de ajuste limitó los impactos de estos ajustes en las baterías en regiones frías con calefacción eléctrica. Se discute cómo diferentes medidas de eficiencia energética y tecnologías afectan el tamaño de la batería requerida para hogares con sistemas de almacenamiento de energía fotovoltaica (PVESS). Se encuentra que ajustar los puntos de ajuste del termostato, instalar bombas de calor y mejorar las envolventes de los edificios pueden reducir el tamaño necesario de la batería, especialmente en climas fríos donde los hogares utilizaban anteriormente combustibles fósiles para la calefacción. Los impactos son menores en climas cálidos. El uso de datos climáticos reales de varios años, en lugar de datos meteorológicos típicos, puede mostrar tamaños de batería requeridos más grandes al evaluar eventos climáticos extremos. Las necesidades de batería también son sensibles al tipo y eficiencia de las bombas de calor instaladas. Las comparaciones específicas de las reducciones en el tamaño mediano de la batería al implementar diferentes medidas individualmente y juntas en varias ubicaciones son relevantes para el dimensionamiento. Además, se reconocen los desafíos que enfrentará el modelado debido al cambio climático y alienta a utilizar datos climáticos históricos. En general, este documento proporciona una visión detallada de cómo las mejoras en eficiencia energética y electrificación pueden influir en la capacidad de los sistemas fotovoltaicos y de almacenamiento de energía para respaldar hogares durante cortes de energía prolongados, lo que tiene implicaciones importantes para el diseño y la implementación de políticas y tecnologías relacionadas con la energía en el futuro.