IOTA-betriebene Smart-Grid-Infrastruktur

11. Dez'20

Übersetzung des Blogartikel von Autor Michele Nati, Head of Telco & Infrastructure Development, IOTA Foundation.



Ermöglichung von Energiehandelsplattformen

Vor einigen Monaten identifizierte das European Innovation Radar die IOTA Foundation (IF) und die im Rahmen des +CityxChange-Projekts entwickelte Energiehandelsplattform als Key Innovator bzw. High Potential Innovation.

Kürzlich wurde die Auswirkung derselben Innovation vom TM Forum anerkannt, das die IOTA Foundation (IF) und eine Reihe anderer Partner ebenfalls für die geschäftliche Auswirkung ihrer Lösungen auszeichnete. Die Auszeichnung war Teil des TM Forum Catalyst-Innovationswettbewerbs, der im Rahmen der Digital Transformation World-Konferenz ins Leben gerufen wurde, der Flaggschiff-Veranstaltung des Forums, die in diesem Jahr vollständig online stattfand und kürzlich am 12. November zu Ende ging.

Aber was ist die Kerninnovation, die IF diesen Erfolg beschert hat? Wir beschreiben dies im folgenden Artikel.


Fangen wir von vorne an...

Seit 2018 arbeitet IF im Rahmen des europäischen Projekts +CityXchange mit einer Reihe von Smart-Energy-Partnern zusammen, die in Trondheim, Norwegen, und Limerick, Irland, tätig sind.

Nach einer anfänglichen Aufbauphase, in der Use-Case- und Architektur-Diskussionen geführt wurden, startete schließlich im Jahr 2020 die Entwicklungsphase des Projekts. Die IF arbeitete dabei mit NTNU, ABB, Powel, TronderEnergi und SmartMpower zusammen.

Aufbauend auf den Anforderungen der Stakeholder in den Leit-Städten Limerick und Trondheim testete IF ein MVP einer dezentralen Energiehandelsplattform. Sie können sich eine Zusammenfassung dieser Arbeit in diesem Video ansehen oder den Rest dieses Blogposts für weitere Details lesen.



Das Wichtigste zuerst: Was bedeutet Energiehandel? Und warum ist er wichtig?

Heutzutage hat der globale Energieverbrauch seine zwei Hauptvektoren in (i) Gebäuden, die ca. 40 % des gesamten Primärenergiebedarfs ausmachen, und in (ii) Transportmitteln, die ca. 28 % desselben Energiebedarfs ausmachen.

Trotz des hohen Energieverbrauchs im Zusammenhang mit Gebäuden beginnen die jüngsten Innovationen in der intelligenten Gebäudetechnik diesen Trend umzukehren.

Dank der kontinuierlichen und verstärkten Entwicklung dezentraler erneuerbarer Energiequellen, wie z. B. Photovoltaik auf Dächern, und der Verbesserung lokaler Energiespeichertechnologien können einige Gebäude nun zu Positiv-Energiegebäuden werden. Ein Beispiel dafür ist das Powerhouse Brattørkaia in Trondheim, das in der Abbildung unten gezeigt wird. Das Gebäude ist vollständig mit Solarzellen verkleidet.


Positiv-Energie-Gebäude (Trondheim, Norwegen)


Gebäude mit positiver Energie (Trondheim, Norwegen)

Dank der Fähigkeit, Energie aus erneuerbaren Quellen zu erzeugen, kombiniert mit anderen intelligenten Technologien, ist ein Positiv-Energie-Gebäude dann in der Lage, als flexibles Energiesystem zu agieren. Das bedeutet, dass es seine Energieproduktion und seinen Energieverbrauch effizient verwaltet, und zwar in dem Maße, dass es mehr Energie produziert, als es für seinen Betrieb benötigt, während es seine Gesamtbelastung des Energienetzes reduziert. Infolgedessen können Microgrids agiler werden.

Kombiniert man diese Innovation mit der Verbesserung von IoT- und Smart-Metering-Technologien, kann die von Positiv-Energie-Gebäuden produzierte und verbrauchte Energie in Echtzeit gemessen und sogar prognostiziert werden, wenn historische Daten mit aktuellen Wetterbedingungen kombiniert und mit KI-Algorithmen verarbeitet werden.

Positiv-Energie-Gebäude erzeugen einen Überschuss an Energie, der gespeichert oder umverteilt werden kann. Und warum sollten sie das tun? Um den Bedarf anderer Gebäude und der gesamten Nachbarschaft zu decken. Energieüberschüsse könnten dann lokal gehandelt und getauscht werden. Nicht nur Gebäude, sondern auch Stadtteile könnten zu autarken "Energieinseln" werden, wenn nicht sogar einen Energieüberschuss erzeugen.

Um diese Smart-Grid-Innovation zu ermöglichen, wird eine neuartige digitale Infrastruktur benötigt.


Was ist also die Aufgabe einer solchen digitalen Infrastruktur?

Um eine Energiehandelsplattform aufzubauen, benötigen angeschlossene Agenten, die Energie-Assets kontrollieren (z. B. Batteriespeicher, Solarpaneele usw.), eine Infrastruktur für den Datenaustausch, um Angebote für den Verkauf verfügbarer überschüssiger Energie zu machen (Angebotsseite). Gleichzeitig müssen andere Agenten Gesuche zum Kauf der verfügbaren Energie veröffentlichen (Nachfrageseite).

Wenn diese Informationen zur Verfügung stehen, können Handelsplattformen mit Hilfe spezieller Optimierungsalgorithmen Angebot und Nachfrage bestmöglich aufeinander abstimmen und einen Energieausgleich über den Marktplatz der angeschlossenen Anlagen, Gebäude und letztlich Stadtteile erreichen. Dies zu ermöglichen, d. h. Energieüberschüsse und Flexibilität monetarisieren zu können, ermöglicht den weiteren Einsatz und die Integration von dezentralen Energieressourcen in städtischen Umgebungen.


Warum existiert eine solche digitale Infrastruktur zur gemeinsamen Nutzung von Daten nicht bereits?

Zunächst einmal, weil es bis jetzt keinen Bedarf dafür gab. Wie bereits erwähnt, war es aufgrund des Mangels und der Verbreitung anderer ermöglichender Technologien erst kürzlich möglich, Energieüberschüsse zu erzeugen.

Zweitens unterscheidet sich die Idee, Energieüberschüsse dezentral zu handeln, von alten Marktdesigns und Geschäftsmodellen, die auf der Prämisse eines eher zentralisierten Energiesystems aufgebaut waren.

Erst jetzt zeichnet sich ein Paradigmenwechsel ab. Netzbetreiber erkennen nun die Möglichkeit, teure Netzausbaumaßnahmen, die mit der Integration dezentraler Energieressourcen verbunden sind, zu vermeiden, indem sie zu Orchestratoren von lokal ausgeglichenen Energiemärkten werden. Auch die Regulierungsbehörden beginnen, sich auf diese neuen Möglichkeiten einzustellen.

Der Bedarf an einer skalierbaren digitalen Infrastruktur wird nun offensichtlich. Darüber hinaus verstehen wir auch, wie solche Daten von einer Vielzahl unabhängiger Akteure generiert werden und wie wichtig es ist, die Einhaltung von Vorschriften und die Transparenz dieses Datenflusses und seiner Verarbeitung sicherzustellen.

Eine zentralisierte, Cloud-basierte Infrastruktur für den Datenaustausch führt zu Konflikten, die möglicherweise nicht mit der Vision offener und transparenter Märkte vereinbar sind, die in solchen dezentralen Ökosystemen eingesetzt werden. Ein Black-Box-Ansatz führt zu einem Single-Point-of-Failure und der Gefahr der Manipulation von Daten oder Verarbeitungsprozessen. Um zu skalieren, eine Optimierung zu gewährleisten und weitere Innovationen einzuführen, wird die zentralisierte Infrastruktur außerdem ständig gefordert sein, den wachsenden Anforderungen an Datenaustausch und Interoperabilität gerecht zu werden.

Aus diesem Grund gewinnen aufkommende Open-Source-Technologien, wie z. B. Distributed Ledgers (DLTs), jetzt als potenzielle Bausteine für eine offene und transparente Smart-City- und Energieinfrastruktur an Aufmerksamkeit. Durch die gemeinsame Nutzung der von diesen Energiehandelsplattformen benötigten Daten und ihrer Optimierungsalgorithmen auf einer gemeinsamen dezentralen Infrastruktur wird der exklusive Zugriff auf eine vorab ausgewählte Anzahl von Aggregatoren aufgehoben. Dadurch wird der Zugang zu diesen Daten demokratisiert, während Transparenz und Nachvollziehbarkeit gewährleistet sind.


Eine Infrastruktur zur gemeinsamen Nutzung von Daten ist jedoch nur ein Teil der Gleichung. Was wird noch benötigt?

Die Antwort lautet: eine Infrastruktur für den Austausch von Werten. Und kann diese zentralisiert werden? Ja, allerdings könnte auch eine Dezentralisierung Vorteile bringen.

Die Gründe dafür sind die folgenden. Die Teilnahme von Prosumern (d.h. Anlagen, die Energieüberschüsse produzieren und verbrauchen) am Energiehandel sollte problemlos möglich sein und Anreize schaffen, indem ihre Eigentümer direkt belohnt werden. Ein optimaler Ansatz würde nahezu sofortige und gebührenfrei Zahlungen für gehandelte Energieüberschüsse nutzen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, könnten Zahlungen von Erzeugern an Verbraucher Peer-to-Peer und in Echtzeit erfolgen und automatisch von den dezentralen Edge-Energie-Assets selbst verwaltet werden, anstatt zentralisiert, aggregiert und auf monatlicher oder vierteljährlicher Basis abgerechnet zu werden. Der IOTA-Token könnte stattdessen genutzt werden, um die Abwicklung solcher Machine-to-Machine-Trades zu erleichtern.



DLT-betriebene Smart-Grid-Infrastruktur - Warum IOTA?

Aufgrund des verteilten Charakters lokaler Energiemärkte wird das Argument für die Entwicklung vertrauenswürdiger Energiehandelsplattformen mit transparenter digitaler Infrastruktur für Datenaustausch und Zahlungen immer deutlicher. Um dies zu erreichen, sollten Distributed-Ledger-Technologien (DLT) zum Einsatz kommen. Eine DLT-basierte digitale Infrastruktur kann die Nachvollziehbarkeit der ausgetauschten Daten und die Herkunft der erneuerbaren Energielieferungen garantieren und einen Echtzeit- und automatisierten Werttransfer auf einer Pay-per-Use-Basis verarbeiten. Die Komplexität wird reduziert, wenn dieselbe DLT die Nachvollziehbarkeit von Daten und Werttransaktionen in Echtzeit gewährleistet.

Allerdings würden nicht alle DLTs diese Anforderungen erfüllen. Die ausgewählten sollten in der Lage sein, sich direkt mit Energieanlagen zu integrieren und auf die hohe Anzahl von Transaktionen zu skalieren, die innerhalb eines Stadtteils oder einer Stadt angedacht sind.

IOTA Tangle erfüllt diese Anforderungen. Lassen Sie uns sehen, warum.

IOTA kann Wert- und Datentransaktionen auf der gleichen Infrastruktur verarbeiten. IOTA bietet eine Open-Source-Softwaretechnologie, die direkt in IoT-Geräte (z. B. intelligente Stromzähler) eingebettet werden kann, wodurch der Anwendungsbereich dieser digitalen Infrastrukturinnovation auf den IoT-Rand des Stromnetzes erweitert werden kann. Energieanlagen können sofort Nachfrage und Angebot für Energieüberschüsse teilen, ohne dass eine zentralisierte Datenaggregation erforderlich ist. IOTA Identity garantiert die Authentizität der Quellen und die Integrität der geteilten Daten und hilft dabei, die Reputation von Prosumern aufzubauen. Dank IOTA Streams wird die Vertraulichkeit der Informationen von ihren Eigentümern kontrolliert und der Zugriff kann nur ausgewählten Plattformbetreibern gewährt werden. Dies fördert die Agilität des Marktes und den Wettbewerb. Gleichzeitig kann die Vertraulichkeit, d.h. wer an wen verkauft, gewahrt werden und nur autorisierten Parteien, d.h. Regulierungsbehörden, zugänglich gemacht werden.

Aufgrund der gebührenfreien IOTA-Transaktionen gibt es keine unvorhergesehenen Kosten, die die Nutzung einer solchen dezentralen Infrastruktur einschränken könnten. Und das gilt für beides: die Freigabe von benötigten Daten oder die Abwicklung von Zahlungen.

Darüber hinaus wird der IOTA Access noch dynamischere Energiehandelsszenarien ermöglichen, wie z.B. solche mit eMaaS (electric Mobility as a Service).

Stellen Sie sich dazu ein Elektrofahrzeug (EV) vor, das Energie benötigt, um seine Fahrt zu beenden. Das Fahrzeug wird über den Marktplatz für Energieflexibilität verfügbare Energieladestationen in der Nähe anfragen. Gleichzeitig stellen Sie sich private Ladestationsbesitzer vor, die ihre Verfügbarkeit zum Laden von Autos in der Nähe bis zu einer bestimmten Energiemenge anbieten. Sobald Nachfrage und Angebot durch den Marktplatz abgeglichen sind, kann die Zugangsberechtigung zu der ausgewählten Ladestation direkt an das abgeglichene Auto erteilt werden, so dass nur autorisierte Fahrzeuge nahtlos an der Station laden können.


Wie kann die IF diese innovative Infrastruktur ermöglichen?

Um diese Infrastruktur bereitzustellen, haben wir eine Reihe von Hardware- und Software-Komponenten entwickelt. Eine vereinfachte High-Level-Übersicht der implementierten Architektur ist in der folgenden Abbildung dargestellt.


Infrastruktur- und Marktplatz-Architektur


Unser Fokus liegt auf der Daten- und Zahlungsinfrastruktur, die auf dem IOTA Tangle aufgebaut ist, jedoch wurden einige zusätzliche Komponenten implementiert, um deren Wert zu demonstrieren. Wie bereits erwähnt, ist es das Ziel der IOTA Foundation, die Dezentralisierung dieses Prozesses an den Rand des Stromnetzes zu bringen und die Möglichkeit zu schaffen, Energieanlagen direkt mit der Infrastruktur zu verbinden. Zu diesem Zweck haben wir zunächst ein IOTA-Asset-Modul entwickelt. Es ist ein eingebettetes IoT-Gerät (unter Verwendung eines PyCom-Boards) mit einem integrierten Energiezähler und einem IOTA-Kryptokern, der es jedem Energie-Asset ermöglicht, Daten direkt auf dem IOTA Tangle zu veröffentlichen. Das Modul kann sich mit lokalem WiFi oder mit einem LTE-M-Netzwerk verbinden, wodurch es in einer Reihe von Energieanlagen und Szenarien eingesetzt werden kann. Es ist mit verschiedenen Standards kompatibel und kann die Energie der angeschlossenen Anlage entweder direkt oder über einen in die Anlage integrierten Energiezähler (z. B. ABB SiteEMS) messen, der über einen bereitgestellten HAN-Port angeschlossen ist. Das Gerät registriert seine Identität (Public Key) auf dem IOTA Tangle, so dass es alle generierten Nachrichten verschlüsseln und signieren kann.


IOTA (edge) Assetmodul


Eine Asset Manager UI ist unten abgebildet und erlaubt es dem Besitzer, das Modul mit Parametern wie Kosten für verkaufte Energie oder Preis für gekaufte Energie zu konfigurieren. Zahlungen werden direkt vom Gerät aus durchgeführt, das eine IOTA-Wallet hostet, die über dieselbe UI finanziert werden kann. Die gewünschte Menge an Token kann über dieselbe UI von einer zentralen Wallet in die Geräte-Wallet verschoben werden. Alarme für den Fall, dass das lokale Wallet-Guthaben unter einen Schwellenwert fällt, können ebenso eingerichtet werden wie periodische Abhebungen, wenn das Wallet-Guthaben ein vordefiniertes Limit überschreitet. Alle Transaktionen, an denen das Gerät beteiligt ist, werden auf dem IOTA Tangle protokolliert und über die UI-Auditing-Funktionen sichtbar.


Marktplatz-Prototyp Dashboard


Nach der anfänglichen Konfiguration generiert das Modul automatisch Energie-Überschussangebote und -nachfragen für das angeschlossene Asset, basierend auf den vordefinierten Parametern, und postet sie auf der Tangle-Infrastruktur unter Verwendung eines Stream-Kanals.

Eine Reihe von Standard-APIs (Platform to Tangle APIs) ermöglicht es unserem Backend (das zu Demonstrationszwecken entwickelt wurde) oder jedem anderen Handelsplattform-Backend, diese Nachfragen und Angebote zu extrahieren (wenn der Zugriff auf den entsprechenden Stream von seinem Eigentümer gewährt wird), die Integrität ihrer Quelle zu validieren und sie automatisch abzugleichen, um eine bestimmte Leistung zu maximieren.

In diesem Stadium wurde eine sehr einfache Abgleichsstrategie im angeschlossenen Bid Manager implementiert (d. h. der angebotene Energieüberschuss ist größer als die nachgefragte Energie und der Preis ist niedriger als der angebotene Preis). Jede komplexere Strategie kann jedoch von den angeschlossenen Plattformen über die bereitgestellten APIs übernommen werden. Sobald ein Abgleich erfolgt ist, wird ein vereinbartes Gebot vom "Settlement"-Modul auf der Tangle-Infrastruktur (unter Verwendung der gleichen Standard-APIs) zu Prüfzwecken gespeichert und eine Benachrichtigung an die beteiligten Erzeuger- und Verbraucheranlagen gesendet.

Der Energieaustausch kann dann von einem "Settlement"-Modul überwacht werden, das die von den produzierenden und verbrauchenden Assets in einem eigens für diesen Zweck geöffneten Stream-Kanal geposteten Energiemessungen beobachtet. Die auf Asset-Ebene gesendete und empfangene Energie wird von dem angeschlossenen IOTA-Asset-Modul gemessen. Sobald ein Energieaustausch bestätigt wird, wird das Modul "Zahlung und Prüfung" ausgelöst und eine Zahlungsanforderung von einem Verbraucher an den Erzeuger wird im selben Stream protokolliert. Das IOTA-Modul überwacht, dass die angeforderte IOTA-Zahlung verarbeitet wird, bevor es einen Konfliktlösungsprozess auslöst.

Mit der aktuellen Implementierung kann der folgende Workflow demonstriert werden, wobei die auf der Tangle-Infrastruktur freigegebenen Informationen verwendet werden.


Energie-Marktplatz-Workflow


Was kommt als nächstes?

Die Aufgabe der IOTA Foundations ist es, neue Lösungen zu ermöglichen, die von der Nutzung des IOTA-Ledgers und anderer Technologien profitieren können. Mit diesem Artikel haben wir diskutiert, wie es möglich ist, die Smart-Grid-Infrastruktur zu verbessern, um lokale Energieplattformen und Marktplätze zu ermöglichen.

Durch den weiteren Ausbau einer solchen digitalen Infrastruktur mit Standard-IoT-APIs (z. B. FIWARE) für die nahtlose Integration von Assets und Standardprotokollen für den Datenaustausch (z. B. OASIS eMIX) kann die Fähigkeit der Prosumer unterstützt werden, sich mit verschiedenen Marktplätzen zu verbinden. Gleichzeitig werden Plattformbetreiber auch in der Lage sein, verschiedene Distribution Energy Operators (DSO) und Optimierungsalgorithmen zu verbinden.

Um eine solche Interoperabilität zu ermöglichen, werden zusätzliche Bausteine erforderlich sein, zu denen gehören:

  • Interkonnektivitäts-Gateways, die auf offenen Standard-APIs basieren, um den Zugang für jede Anlage und jeden DSO, Optimierungsalgorithmus zu ermöglichen. Dafür werden wir verschiedene Standards untersuchen, einschließlich der OASIS WG-Spezifikation.
  • IoT-Bibliotheken und Hardware-Integration für die Verbindung von Energie-Assets mit standardisierten digitalen Zwillingen und die Integration mit einer vollständigen dezentralen Identität für Dinge, um die Integrität von Daten und die Authentizität von Quellen zu garantieren und den Aufbau von Reputation und Energiegutschriften für ihre Besitzer zu ermöglichen.

Um mehr darüber zu erfahren, wie Sie diesen Ausbau der Infrastruktur unterstützen und die erforderlichen Bausteine entwickeln können, wenden Sie sich bitte an das Team der IOTA Foundation unter integrations@iota.org. Forschungs- und akademische Organisationen sind in dieser Phase besonders willkommen.



Aufruf zum Mitmachen: Interessentenmeldung

Diese Infrastruktur und dieser Marktplatz werden derzeit eingerichtet und genutzt, um energieerzeugende Anlagen, z. B. Photovoltaik-Paneele, und verbrauchende Anlagen, z. B. Batterien und EV-Ladegeräte, die im Null-Energie-Gebäude, einem lebenden Labor für nachhaltige Energieforschung auf dem NTNU-Campus in Trondheim, eingesetzt werden, zu verbinden.

Um die Nutzung und Annahme dieser digitalen Infrastruktur außerhalb des +CityxChange-Projekts und der Partner zu fördern und die Entwicklung der neuen Smart City und städtischer Peer-to-Peer-Energiehandelslösungen zu ermöglichen, arbeitet die IOTA Foundation auch mit Alpha Venturi zusammen. Alpha Venturi ist ein norwegisches Innovations- und Venture-Studio, das sich auf aufstrebende Technologien spezialisiert hat. Alpha Venturi inkubiert ein Spinoff-Unternehmen und damit verbundene Forschungs- und Innovationsinitiativen, die das +CityXchange-Projekt und die in diesem Blogpost vorgestellten Komponenten nutzen.

Um die Entwicklung und Kommerzialisierung von marktreifen Lösungen zu beschleunigen, die diese Infrastruktur nutzen, begrüßt Alpha Venturi Interessenbekundungen von:

  • Potenziellen Nutzern und Nutznießern aus den Bereichen Energie, Immobilien, Stadt, Genossenschaften und anderen Sektoren
  • Testbeds und Living Labs, die an zukünftigen Pilotinitiativen interessiert sind
  • Entwicklungs- und Lieferpartnern aus der Industrie, Forschung, Wissenschaft oder Verbänden


Bitte setzen Sie sich mit Alpha Venturi in Verbindung, indem Sie Wilfried Pimenta de Miranda über wilfried@alpha-venturi.com kontaktieren.