Architectural analysis of blockchain-based decentralized energy management systems

Abstract

Due to the energy transition, the traditional power grid turns from a centralised grid, with single big power plants, into a heterogeneous one, with many unpredictable and volatile electricity producers and consumers. Moreover in the future, common households not only consume energy, but also feed their own energy with photovoltaic plants, batteries or heat pumps, into the grid. This creates a demand for a management system which allows forecasting, planning and tracing electricity usage from producers to consumers and is extendible to the participants' needs. Utilising blockchain technology allows one way of mapping the heterogeneous and decentralised characteristics of the future power grid into a suitable decentralised energy management system. This work analyses possible decentralised concepts and already existing blockchain solutions in order to propose a generic architecture solution for a decentralised energy management system. In addition, the doability of the proposed architecture is shown with a possible implementation, using the Ethereum platform. Furthermore, the implementation is realised in a minimal prototype. Conclusively, the architecture and its implementation are evaluated against possible requirements of a decentralised energy management system, which verifies their suitability for the given problem. This work is not only proposing a solution for an energy-related problem, but also shall help to find the true benefits of the blockchain technology and its current ecosystem.

Aufgrund der Energiewende wandelt sich das traditionelle Stromnetz von einem zentralen Netz, mit einzelnen großen Kraftwerken, in ein heterogenes Netz, mit vielen unvorhersehbaren und volatilen Stromerzeugern und -verbrauchern. Darüber hinaus verbrauchen zukünftig gewöhnliche Haushalte nicht nur Energie, sondern speisen auch eigene Energie mit Photovoltaikanlagen, Batterien oder Wärmepumpen in das Netz ein. Dadurch entsteht eine Nachfrage nach einem Energiemanagementsystem, welches die Prognose, Planung und Rückverfolgung des Stromverbrauchs von Erzeugern zu Verbrauchern ermöglicht und auf die Bedürfnisse der Teilnehmer erweiterbar ist. Durch die Verwendung der Blockchain-Technologie können die heterogenen und dezentralen Merkmale des zukünftigen Stromnetzes in einem geeigneten dezentralen Energiemanagementsystem abgebildet werden. Diese Arbeit analysiert mögliche dezentrale Konzepte und bereits vorhandene Blockchain-Lösungen, um eine generische Architekturlösung für ein dezentrales Energiemanagementsystem vorzuschlagen. Darüber hinaus wird die Machbarkeit der vorgeschlagenen Architektur, unter Verwendung der Ethereum-Plattform, mit einer möglichen Implementierung gezeigt. Zusätzlich wird die Implementierung in einem minimalen Prototypen realisiert. Abschließend wird die Architektur und ihre Implementierung anhand möglicher Anforderungen eines dezentralen Energiemanagementsystems bewertet, was deren Eignung für das gegebene Problem belegen soll. Diese Arbeit schlägt nicht nur eine Lösung für ein Problem im Energiekontext vor, sondern soll auch dazu beitragen die wahren Vorteile der Blockchain-Technologie und ihres aktuellen Ökosystems zu finden.