Scheduling and Controlling Smart Micro Grids / Energy Communities as Kubernetes First-Class Citizens

Abstract

Die Zukunft des Stromnetzes ist dezentralisiert: der Zusammenschluss einer immer größer werdenden Zahl von Haushalten und Heimkraftwerken mit Eigenstromerzeugung für den eigenen wie auch gemeinschaftlichen Nutzen - auf Basis erneuerbarer Energien.Unser Denken und Verhalten bezüglich der Nutzung von Energie ist gerade dabei, sich langfristig und grundlegend zu verändern: Erneuerbare Energiegemeinschaften (EEG) ermöglichen den Austausch von Energie in der Nachbarschaft und kommen europaweit immer stärker zum Einsatz. Erzeuger und Verbraucher in örtlicher Nähe bilden dabei Energiegemeinschaften, um ihren jeweiligen Energiebedarf und Energieüberschuss über das bestehende, öffentliche Stromnetz zu teilen und so auszugleichen. Diese lokale Energieumverteilung führt zu einer größeren Unabhängigkeit von zentralen Kraftwerken, reduziert Energieschwankungen auf der Hochspannungsnetzebene, und führt in weiterer Folge zu stabilieren Stromnetzen und geringeren Kosten.Der Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) für den Echtzeit-Informationsaustausch zur aktuellen Energienutzung und zu etwaigen Energieüberschüssen der Teilnehmer einer Energiegemeinschaft, macht die EEG nicht nur intelligent, sondern ist entscheidend, um Effizienz weitere positive Effekte hinsichtlich Kosten und Umwelt zu maximieren.Diese Arbeit schlägt eine Lösung vor, um Produzenten und Verbraucher im Heimbereich zu sog. "Microgrids" zu vernetzen und sie als EEGs zu modellieren, sodass die Teilnehmer ihre Energie nicht nur zufällig, sondern intelligent miteinander teilen. Dies wird durch ein Framework ermöglicht, das mit einem cloud-basierten Energiemanagementsystem (EMS) alle Teilnehmer als "first-class citizen" in Kubernetes miteinander vernetzt, und bestehende IKT für die Kommunikation zwischen Cloud und Teilnehmern herstellerunabhängig unterstützt.Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die Effektivität von intelligenten Energiegemeinschaften mit einem zentralen EMS, unter Verwendung realer und simulierter Energiedaten österreichischer Erzeuger- und Verbraucherhaushalte, die sich zu EEGs zusammenschließen, dadurch als virtuelle Mikrokraftwerke innerhalb des Stromnetzes agieren, um Energie miteinander intelligent zu teilen.

The future of the power grid is decentralized: the interconnection of a vast amount of residential sites and micro power plants, for self-sufficiency, individual and community benefit, all powered by renewable energies.Energy communities are facilitating the sharing of energy within neighborhoods, which is becoming state-of-the-art across Europe and is about to shape how we live and think energy usage forever: Prosumers and consumers in proximity are establishing energy communities to collaborate on distributing both their energy demand and excess via the existing public power grid. This localized energy redistribution leads to greater independence from central power plants, reduces energy fluctuations at the high-voltage grid level, and ultimately results in more stable power grids and lower costs.The use of Information and Communication Technology (ICT) for real-time exchange of current energy demand and excess data among participants in an energy community not only makes them intelligent but is also crucial for maximizing the positive environmental and ecological effects of energy sharing.This thesis introduces a solution that connects residential prosumers and consumers into smart microgrids by conceptualizing them as energy communities, s.t. they not only share energy randomly but interact intelligently. This is achieved through a cloud-based Energy Management System (EMS), all seamlessly integrated as first-class citizens within Kubernetes, and leveraging existing ICT for cloud-to-member communication in a vendor-agnostic manner.The results will showcase the effectiveness of intelligent energy communities with a central EMS coordinator, using real-world and simulated energy data of Austrian prosumer and consumer households, that are grouped together, acting as virtual micro power plants in central grid's perspective to share energy intelligently with each other.