Proof-of-concept for a smart grid controller blockchain platform for virtual power plants : with focus on blockchain-integrated privacy solutions

Abstract

Steigender Energieverbrauch und der Klimawandel stellen globale Herausforderungen dar. Die Europäische Union hat in ihrer Klimaund Energiepolitik Ziele festgelegt, die sie bis 2030 zu erfüllen versucht. Neben der Verringerung der Treibhausgasemissionen um mindestens 40 % im Vergleich zu 1990 sollte der Anteil erneuerbarer Energiequellen auf mindestens 27 % erhöht werden und die Energieeffizienz um mindestens 27 %. Die Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen schafft neue Chancen, aber auch Herausforderungen. Für die Integration erneuerbarer Energiequellen wurden verschiedene Konzepte entwickelt, wie beispielsweise Microgrids oder virtuelle Kraftwerke, die ständig untersucht und verbessert werden. Wesentlich für diese Ansätze ist jedoch der Ausbau des bestehenden Energienetzes mittels Kommunikationstechnik zu einem intelligenten Stromnetz, dem Smart Grid. Der Endbenutzer übernimmt eine aktive Rolle in einem Smart Grid, z. B.: können Lastspitzen in Zusammenarbeit reduziert werden. Dies wird durch die Digitalisierung der EndbenutzerInnen mit intelligenten Stromzählern, den Smart Metern, und dem Übergang zum Smart Home erleichtert. Eine vielversprechende Technologie, die derzeit in Smart Grids erforscht wird, ist die Blockchain, mit der verschiedene Prozesse in Smart Grids realisiert werden, die sich durch eine dezentrale Struktur auszeichnen. Die bekannteste Anwendung ist der lokale P2P-Energiehandel. Das Ziel der Diplomarbeit war, eine Blockchain-Plattform als Proof-of-Concept aufzubauen, deren Schwerpunkt auf der Protokollierung der Energieerzeugung, des Energieverbrauchs und des Energiehandels liegt. Die TeilnehmerInnen der Plattform können ein Portfolio verschiedener Anlagen besitzen, beispielsweise aus Photovoltaikanlagen, Batterien, Elektroautos und Dieselgeneratoren. In einer realen Umgebung wären die TeilnehmerInnen mit intelligenten Stromzählern oder IoT-Geräten ausgestattet, die mit der Plattform verbunden sind. Eine zentrale Instanz, die von einem Energieunternehmen oder einer Gemeinde kontrolliert wird, würde für die Verwaltung der Plattform verantwortlich sein, d.h., verantwortlich für die Registrierung der Smart Meter und IoT-Geräte sowie für die Weiterverarbeitung der Daten. Die Blockchain-Plattform ist erweiterbar, so dass auf deren Basis andere Anwendungen realisiert werden können, z. B.: die Begleichung von Pönalezahlungen bei Nichteinhaltung der Spannungsgrenzen. Aufgrund des Inkrafttretens der Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) am 25. Mai 2018 in der Europäischen Union liegt ein besonderer Schwerpunkt dieser Diplomarbeit auf dem Datenschutz. Für die Validierung der Funktionen des Proof-of-Concept, wurde eine Modellregion mit Raspberry Pis simuliert. Um ein realistisches Szenario zu simulieren, wurden Lastund Erzeugungsprofile verwendet. Mit Hilfe der realisierten Plattform ließ sich eine Bewertung in Bezug auf Performance und Datenschutz durchführen. Abschließend werden Schlussfolgerungen gezogen, um Empfehlungen für die Integration der Blockchain-Plattform in eine "reale" Umgebung geben zu können, z. B.: Großschönau, Green Energy Lab oder Act4.energy im Burgenland.

Rising energy consumption and climate change pose global challenges. The European Union has set three targets in its climate and energy policy that it aims to meet by 2030. In addition to reducing greenhouse gas emissions by at least 40 % compared to 1990 levels, the share of renewable energy sources should be increased to at least 27 % and energy efficiency by at least 27 %. The shift from fossil fuels to renewable sources of energy creates new opportunities, but also challenges. For the integration of renewable energy sources, different concepts have been developed, such as microgrids or virtual power plants, which are constantly being investigated and improved. Essential for these approaches, however, is the expansion of the existing energy network by means of communication technology to form an intelligent power grid, the Smart Grid. The end user assumes an active role in a smart grid, e.g, load peaks can be reduced in cooperation. This will be facilitated by the digitization of end users using smart meters and the transition to the smart home. One promising technology, that is currently being explored in smart grids is the blockchain, which is used to realize different processes in smart grids, that are characterized by a decentralized structure, of which the best-known application is the local P2P energy trading. The aim of the diploma thesis was to build a blockchain platform as a proof-of-concept whose focus is on the protocolling of energy production, energy consumption and energy trading. The participants of the platform can own a portfolio of different installations, such as photovoltaic systems, batteries, electric cars and diesel generators. In a real-life environment, participants would be equipped with smart meters or IoT devices that interface with the platform. A central authority, under the control of an energy company or a municipality, would be responsible for the administration of the platform, i.a. responsible for the registration of the smart meters and IoT devices as well as the further processing of the data. The blockchain platform is extensible so that other applications can be realized, e.g., the settlement of penalty payments in case of non-compliance with voltage limits. Due to the enforcement of the General Data Protection Regulation (GDPR) on 25th May 2018 in the European Union, this thesis lays a special focus on privacy. To validate the features of the proof-of-concept, a model region was simulated using Raspberry Pis. In order to simulate a realistic scenario, existing load and generation pro les were used. With the help of the implemented platform, an evaluation was made regarding performance and data protection. Finally, conclusions are drawn to be able to provide recommendations for integrating the blockchain platform into a real-life environment, such as Groschönau, Green Energy Lab, or Act4.energy in Burgenland.