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Research unit
SFOE
Project number
SI/501660
Project title
PowerID: Community Energienetzwerke mit Prosumenten-Fokus (Projekt «Quartierstrom»)

Texts for this project

 GermanFrenchItalianEnglish
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Short description
(German)
Im Projekt „Quartierstrom“ wird untersucht, wie ein Energiesystem aufgebaut werden kann, das den direkten Energieaustausch zwischen Haushalten regelt – ohne Beteiligung Dritter. Dafür wird im Versorgungsgebiet des EW Walenstadt erstmals ein solches System auf Basis der Blockchain-Technologie umgesetzt. Dabei soll der Austausch von produzierten und verbrauchten Energiemengen lokal festgehalten und elektrische und thermische Speicher automatisiert bewirtschaftet werden. Da die Mechanismen für die Konsensberechnung von Blockchain-Implementierungen sich stark hinsichtlich Energiebedarf, Funktionalität, Reifegrad und Zentralisierungsgrad unterscheiden, werden im Rahmen des Projekts geeignete Blockchain-Varianten für die Anwendung im Feld untersucht. Ebenfalls wird die Akzeptanz durch private Haushalte untersucht und die Auswirkungen auf Netz- und Versorgungsqualität spezifisch analysiert.
Short description
(French)
Le projet «Quartierstrom» («Electricité du quartier») étudie comment développer un système énergétique régulant l’échange direct d’énergie entre des ménages sans l’intervention de tiers. Dans ce cadre, le distributeur d’énergie EW Walenstadt met en place, pour la première fois, un tel dispositif, basé sur la technologie de la chaîne de bloc (blockchain) dans sa zone d’approvisionnement. Ce système doit permettre d’enregistrer localement l’échange des quantités d’énergie produites et consommées et de gérer automatiquement les installations de stockage d’électricité et de chaleur. Comme les mécanismes utilisés pour l’établissement de l’algorithme consensuel prévalant à l’implémentation des chaînes de blocs diffèrent considérablement selon la demande d’énergie, les fonctionnalités, le degré de maturité et de centralisation, le projet étudie des variantes de chaînes de blocs pouvant être utilisées sur le terrain. L’accueil réservé à cette innovation par les ménages privés et les effets sur la qualité du réseau et de l’approvisionnement sont aussi analysés spécifiquement.
Short description
(Italian)
Nell’ambito del progetto «Quartierstrom» (elettricità di quartiere), si esamina la possibilità di istituire un sistema energetico che consenta di regolare lo scambio di energia tra le economie domestiche direttamente, senza l’intervento di terzi. Nel comprensorio di approvvigionamento dell’azienda elettrica Walenstadt si istituisce per la prima volta un tale sistema, basato sulla tecnologia blockchain. Il sistema permette di rilevare a livello locale lo scambio di volumi di energia prodotta e di energia consumata e di gestire in modo automatico accumulatori elettrici e termici. Visto che i metodi di calcolo del consenso delle implementazioni di tecnologia blockchain variano notevolmente in base al fabbisogno di energia, alla funzionalità, al grado di maturità e di centralità, il progetto persegue lo scopo di individuare le opzioni più adatte all’applicazione sul campo. Inoltre, si prefigge di analizzare il grado di accettazione delle economie domestiche nonché le ripercussioni sulla qualità della rete e dell’approvvigionamento.
URL-addresses
(German)
Schlussbericht
(German)

Die dezentrale Erzeugung von erneuerbarer Energie spielt eine immer wichtigere Rolle, um die in der Schweizer Energiestrategie 2050 formulierten Ziele zu erreichen, den zukünftigen Strombedarf zu decken und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Lokale Energiemärkte können den lokalen Ausgleich erhöhen, den Konsumenten eine aktive Einflussnahme auf die Energiebeschaffung ermöglichen und zugleich Anreize für Investitionen in die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien bieten. Fortschritte in Distributed Ledger Technologien haben Ambitionen zur Schaffung dezentralisierten Energiemärkte beflügelt, in denen Prosumenten überschüssige erneuerbare Energie direkt in der Nachbarschaft verkaufen können. Allerdings wurde bislang nur eine sehr überschaubare Anzahl von Projekten erfolgreich in die Praxis umgesetzt, da Peer-to-Peer- (P2P)-Energiemärkte mit Herausforderungen an mehreren Fronten konfrontiert sind. Dies bedinhaltet die technische Komplexität, die Verfügbarkeit geeigneter Infrastruktur, Fragen bezüglich der Marktgestaltung, bezüglich Nutzerverhaltens und Akzeptanz, bezüglich Datenschutz, potenzieller Geschäftsmodelle und bezüglich regulatorischer Hürden.

Das Projekt Quartierstrom (ursprünglicher Titel "PowerID"), das im Rahmen des Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekt-Programms des Schweizer Bundesamt für Energie unterstützt wurde, gehört zu den ersten Projekten, die einen realen P2P-Energiemarkt geschaffen und untersucht haben. In enger Zusammenarbeit mit dem lokalen Energieversorgungsunternehmen EW Walenstadt hat das Projektteam in der Stadt Walenstadt (Kanton St. Gallen) den ersten Peer-to-Peer-Energiemarkt der Schweiz auf der Basis der Blockchaintechnologie mit 37 teilnehmenden Haushalten und einem Seniorenheim realisiert. Prosumenten-Haushalte, die bereits eine Photovoltaik-Anlage besassen, konnten ihre überschüssige Solarproduktion direkt an benachbarte Haushalte verkaufen, ohne Abwicklung über bzw. Abhängigkeit von einer Drittpartei. Über eine Benutzerschnittstelle konnten sowohl Prosumenten als auch Konsumenten Preise angeben, zu denen sie bereit waren, lokal produzierten Solarstrom zu (ver)kaufen. Die Transaktionen wurden automatisch berechnet, verwaltet und auf einem Blockchainsystem in Echtzeit gespeichert. Wenn die Energienachfrage oder das -angebot nicht innerhalb der Gemeinschaft bereitgestellt bzw. abgenommen werden konnten, diente der lokale Energieversorger EW Walenstadt als Reservoir/Versicherung, um Über- bzw. Unterkapazitäten zum fixen Einspeise- bzw. Bezugspreis auszugleichen.

Das verteilte System sicherte die Datenintegrität und die Konformität mit den Regeln des lokalen Energiemarktes, ohne dass eine zentral verwaltete Datenbank erforderlich war. Dadurch wurde sichergestellt, dass die gespeicherten Daten nicht durch einen böswilligen Akteur verändert werden konnten, und sorgte für das nötige Vertrauen innerhalb eines Netzwerks von Peers, die sich nicht kennen. Eine solche konsensbasierte Vertrauensbildung ist besonders in grossen, offenen Gemeinschaften von Vorteil, in denen es keine entsprechenden rechtlichen Rahmenbedingungen oder deren Durchsetzung gibt. Darüber hinaus kann ein Destributed Ledger (Technologie zur „verteilten Buchführung“) eine höhere Sicherheit bieten, da es keinen Single Point of Failure (d.h. keine Achillesverse) gibt. Ein weiterer Vorteil der eingeführten Lösung steht im Zusammenhang mit dem Datenschutz und der Einhaltung der Allgemeinen Datenschutzverordnung (GDPR) der Europäischen Union: Es wurden keine persönlichen Daten auf der Blockchain veröffentlicht; zu keinem Zeitpunkt wurde eine Verbindung zwischen dem öffentlichen Schlüssel und der wahren Identität des Haushalts, der den privaten Schlüssel besitzt, auf der Blockkette veröffentlicht. Durch die Verwendung einer selbstbestimmten Identität, bei der die privaten Daten auf dem Gerät des jeweiligen Marktteilnehmers gespeichert bleiben und die Zugriffskontrolle über den Distributed Ledger erfolgt, werden Anonymität und das Recht auf Vergessen/Widerruf als grundlegende Funktionalitäten allen Peers innerhalb des Netzwerks zur Verfügung gestellt.

Nachdem das prototypische System von einem interdisziplinären Team von Forschenden und Mitgliedern aus der Industrie unter der Leitung des Bits to Energy Labs der ETH Zürich entworfen und implementiert worden war, haben die Teilnehmer während eines ganzen Jahres auf dem System gehandelt. So wurde das System unter saisonalen Schwankungen getestet und das Nutzerverhalten über einen Zeitraum von 12 Monaten beobachtet. Während der einjährigen Feldphase des Projekts produzierten die Solarpanels im Quartier über 250 MWh und die teilnehmenden Haushalte verbrauchten fast 470 MWh; 70 MWh wurden innerhalb der Gemeinde gehandelt.

Folgende Aspekte standen im Fokus der Untersuchung im Quartierstrom-Projekt:

A) die technische Machbarkeit eines auf Blockchain basierenden lokalen Energiemarkts mit besonderem Schwerpunkt auf der lokalen Nutzung der Solarenergie,

B) die optimale Marktgestaltung und die daraus resultierenden Preise im Laufe der Zeit,

C) Nutzerverhalten, insbesondere Interaktion mit der Benutzerschnittstelle, Preispräferenzen und die Motivation der Teilnehmer zur Teilnahme am lokalen Energiemarkt sowie

D) Datenschutzaspekte, die technische Skalierbarkeit der Lösung, das regulatorische Umfeld und potenzielle Geschäftsmodelle.

Die Ergebnisse dieses Projekts sind vielfältig, aber vor allem die Akzeptanz unter den Teilnehmern sowie das öffentliche Interesse, das dem Projekt entgegengebracht wurde, waren ausserordentlich positiv. Über das Projekt wurde in den Medien ausführlich und positiv berichtet, unter anderem im SRF, bei CNN Money, Blick und im Blog des Weltwirtschaftsforums. Die technische Umsetzung und Gestaltung des Systems stellt Pionierarbeit dar und demonstriert die technische Machbarkeit eines P2P-Energiemarktes unter Verwendung moderner intelligenter Mess- und Kommunikationsinfrastruktur. In der Konzeptionsphase des Projekts erwies sich die Identifizierung und Umsetzung eines geeigneten Marktdesigns als grundlegend für die ordnungsgemässe Funktion des P2P-Energiemarktes; folglich erwies sich dieser Aspekt als aufwendiger als ursprünglich vorgesehen. Die Marktpreise für den Energiehandel innerhalb des Quartiers (resultierend aus den Geboten der Teilnehmer in der Benutzeroberfläche) pendelten zwischen dem Einspeisetarif als Untergrenze und dem regulären Strompeis für Privathaushalte als Obergrenze. Die Interaktion der Teilnehmer mit der Benutzeroberfläche übertraf die Erwartungen des Teams, und die überwiegende Mehrheit der Teilnehmer schien die grundlegende Mechanik des implementierten Auktionsmechanismus trotz seiner Komplexität zu verstehen. Obwohl viele Teilnehmer ihre Fähigkeit zur direkten Beeinflussung des Preises, den sie für den lokalen Strom bezahlten/erhalten, zu schätzen wussten, äusserte gegen Ende des Projekts eine Mehrheit von ihnen den Wunsch nach einem System mit einem höheren Automatisierungsgrad. Das Projekt offenbarte zugleich auch operationelle Schwierigkeiten bei der Einführung eines solchen Transaktionssystems auf der bestehenden Infrastruktur für intelligente Zähler und bei der Identifizierung eines vielversprechenden Geschäftsmodells für ein blockkchain-basiertes System und im Rahmen der aktuellen Schweizer Gesetzgebung für Eigenverbrauchsgemeinschaften.

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Schlussbericht
(English)

The distributed generation of renewable energy plays an increasingly important role in meeting the goals put forward in the Swiss Energy Strategy 2050 and to cover future electricity demand while reducing greenhouse gas emissions. Local energy markets may increase local balancing, enable consumers to actively influence energy sourcing, and provide incentives for investments in renewable generation. Advances in distributed ledger technologies have spurred ambitions to create such decentralized energy markets in which prosumers can directly sell excess renewable energy from peer to peer. However, only a limited number of projects have been implemented successfully in practice, as peer-to-peer (P2P) energy markets face challenges on multiple fronts, including technical complexity, the availability of suitable infrastructure, questions regarding the market design, user behavior and acceptance, data privacy, potential business models, and regulatory hurdles.

The Quartierstrom project (proposal titled “PowerID”), which has been supported within the flagship program by the Swiss Federal Office of Energy, is among the first to create and examine a real-world P2P energy market. In close cooperation with the local utility company EW Walenstadt, the project team has implemented Switzerland’s first peer-to-peer energy market based on blockchain technology with 37 participating households and a retirement home in the town of Walenstadt (Canton of St. Gallen). Prosumer households, who already owned a PV-panel, could sell their excess solar production directly to neighboring households without interference or reliance on a trusted third party. Via a user interface, both prosumers and consumers were able to indicate prices at which they were willing to sell / buy locally produced solar energy. The transactions were automatically calculated, managed and stored on a blockchain system in real time. If energy demand or supply could not be traded within the local community, the local utility provider, EW Walenstadt, served as backup to fill excess capacities at fixed tariffs.

The distributed system secured data integrity and conformity with the rules of the local energy market without requiring a centrally managed database. This ensured that the stored data could not be tampered with by one malicious actor and provided the necessary trust within a network of peers, who do not know each other. Such consensus-based trust establishing is particularly beneficial in large, open communities, where an absence of corresponding legal settings or enforcement thereof exists. Furthermore, a distributed ledger can provide higher security, as there is no single point of failure. Another benefit of the introduced solution is related to data privacy and compliance with the General Data Protection Regulation (GDPR) of the European Union: No personal data was published on the blockchain; no association between the public key and the household’s true identity that holds the private key was published on the blockchain at any point in time. Through the use of self-sovereign identity, in which private data remains stored on the device of the peer and access-control is provided over a distributed ledger, anonymity and the right to forget/revoke are provided as basic functionalities to all peers within the network.

After the prototypical system had been designed and implemented by an interdisciplinary team of researchers and members from industry led by the Bits to Energy Lab at ETH Zurich, participants were trading on the system for a period of an entire year. The system was thus tested under seasonal variations and user behavior was observed over a period of 12 months. During the one-year field phase of the project, the solar panels in the Quartier have produced over 250 MWh and the participating households have consumed almost 470 MWh, 70MWh were sold from household to household within the community.

More in detail, the Quartierstrom project has investigated

A) the technical feasibility of a blockchain-based community energy system with a particular focus on the local utilization of solar energy,

B) the optimal market design and resulting prices over time,

C) user behavior, in particular interaction with the user interface, price preferences and participants’ motivation for participating in the local energy market and has explored

D) privacy aspects, the technical scalability of the solution, the regulatory environment, and potential business models.

The findings of this project are manifold, but most notably, the acceptance among the participants as well as the public interest that the project receive were outstandingly positive. The project received extensive and positive media coverage including in outlets like SRF, CNN Money, Blick, and the World Economic Forum blog. The technical implementation and design of the system represents pioneering work and demonstrates the technical feasibility of a P2P energy market using modern smart metering and communication infrastructure. In the conception phase of the project, the identification and implementation of a suitable market design revealed itself as fundamental for the proper operation of the P2P energy market; consequently, substantially more work than originally anticipated was dedicated to these aspects. Market prices for trading energy within the Quartier (resulting from the participants’ bids in the user interface) fluctuated between the feed-in tariff as the lower bound and the residential retail tariff as the upper tariff. Participants’ interaction with the user interface exceeded the team’s expectations and the vast majority of participants seemed to understand the fundamental mechanics of the auction mechanism implemented, despite its complexity. Although many participants stated an appreciation for their ability to directly influence the price they paid/received for local electricity, towards the end of the project, a majority of them expressed a preference for a system with a higher degree of automation. At the same time, the project also revealed operational difficulties in deploying such a transactional system on existing smart meter infrastructure and in identifying a promising business model for a blockchain-based system, in particular under the current Swiss legislation for self-consumption communities.

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Schlussbericht
(French)

La production décentralisée d'énergie renouvelable joue un rôle de plus en plus important pour atteindre les objectifs fixés dans la stratégie énergétique 2050 de la Suisse et pour couvrir la demande future en électricité tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre. Les marchés locaux de l'énergie peuvent accroître l'équilibrage local, permettre aux consommateurs d'influencer activement l'approvisionnement en énergie et fournir des incitations aux investissements dans la production d'énergie renouvelable. Les progrès réalisés dans les technologies de registres distribués ont stimulé les ambitions de créer de tels marchés de l'énergie décentralisés dans lesquels les consommateurs peuvent vendre directement l'énergie renouvelable excédentaire d'un pair à l'autre. Cependant, seul un nombre limité de projets ont été mis en œuvre avec succès dans la pratique, car les marchés de l'énergie pair à pair (P2P) sont confrontés à des défis sur de multiples fronts, notamment la complexité technique, la disponibilité d'infrastructures adaptées, les questions concernant la conception du marché, le comportement et l'acceptation des utilisateurs, la confidentialité des données, les modèles commerciaux potentiels et les obstacles réglementaires.

Le projet Quartierstrom (proposition intitulée "PowerID"), qui a été soutenu dans le cadre du programme phare par l'Office Fédéral Suisse de l'Energie, est l'un des premiers à créer et à examiner un véritable marché de l'énergie P2P. En étroite collaboration avec la société d'électricité locale EW Walenstadt, l'équipe du projet a mis en place le premier marché de l'énergie pair à pair de Suisse basé sur la technologie de la chaîne de blocs, avec 37 ménages participants et une maison de retraite dans la ville de Walenstadt (canton de Saint-Gall). Les ménages “prosommateurs”, qui possédaient déjà un système photovoltaïque, pouvaient vendre leur production solaire excédentaire directement aux ménages voisins sans interférence ou dépendance à l'égard d'un tiers de confiance. Grâce à une interface utilisateur, les prosommateurs et les consommateurs ont pu indiquer les prix auxquels ils étaient prêts à vendre/acheter l'énergie solaire produite localement. Les transactions ont été automatiquement calculées, gérées et stockées en temps réel sur un système de chaîne de blocs. Si la demande ou l'offre d'énergie ne pouvait pas être échangée au sein de la communauté locale, le fournisseur d'électricité local, EW Walenstadt, servait de réserve pour combler les capacités excédentaires à des tarifs fixes.

Le système distribué garantissait l'intégrité des données et la conformité avec les règles du marché local de l'énergie sans nécessiter de base de données gérée de manière centralisée. Cela a permis d'éviter que les données stockées ne soient altérées par un acteur malveillant et a apporté la confiance nécessaire au sein d'un réseau de pairs qui ne se connaissent pas. Cette confiance consensuelle est particulièrement bénéfique dans les grandes communautés ouvertes, où il n'existe pas de cadre juridique correspondant ou d'application de celui-ci. En outre, un registre distribué (“distributed ledger”) peut offrir une sécurité accrue, car il n'y a pas de point de défaillance unique. Un autre avantage de la solution introduite est lié à la confidentialité des données et au respect du règlement général sur la protection des données (RGD) de l'Union européenne: Car les données personnelles n'ont pas été publiées sur la blockchain; de même, aucune association entre la clé publique et la véritable identité du ménage qui détient la clé privée n'a été publiée sur la blockchain à aucun moment. Grâce à l'utilisation de l'identité autosouveraine, dans laquelle les données privées restent stockées sur le dispositif du pair et le contrôle d'accès est assuré par un registre distribué, l'anonymat et le droit d'oubli/révocation sont fournis comme fonctionnalités de base à tous les pairs au sein du réseau.

Après que le système prototype avait été conçu et mis en œuvre par une équipe interdisciplinaire de chercheurs et de membres de l'industrie dirigée par le Bits to Energy Lab de l'ETH Zurich, les participants ont fait des transactions sur le système pendant une année entière. Le système a donc été testé sous des variations saisonnières et le comportement des utilisateurs a été observé sur une période de 12 mois. Pendant la phase de terrain d'un an du projet, les panneaux solaires du Quartier ont produit plus de 250 MWh et les ménages participants ont consommé près de 470 MWh, 70 MWh ont été vendus de ménage à ménage au sein de la communauté.

Plus en détail, le projet Quartierstrom a étudié

A) la faisabilité technique d'un système énergétique communautaire basé sur une chaîne de blocs, avec un accent particulier sur l'utilisation locale de l'énergie solaire,

B) la conception optimale du marché et les prix qui en résultent au fil du temps,

C) le comportement des utilisateurs, en particulier l'interaction avec l'interface utilisateur, les préférences de prix et la motivation des participants à participer au marché local de l'énergie, et

D) les aspects liés à la protection de la vie privée, l'évolutivité technique de la solution, l'environnement réglementaire et les modèles commerciaux potentiels.

Les conclusions de ce projet sont multiples, mais surtout, l'acceptation par les participants ainsi que l'intérêt du public pour le projet ont été remarquablement positifs. Le projet a bénéficié d'une couverture médiatique importante et positive, notamment dans des médias tels que SRF, CNN Money, Blick et le blog du Forum économique mondial. La mise en œuvre technique et la conception du système représentent un travail de pionnier et démontrent la faisabilité technique d'un marché de l'énergie P2P utilisant une infrastructure moderne de communication et de comptage intelligent. Lors de la phase de conception du projet, l'identification et la mise en œuvre d'une conception de marché appropriée se sont révélées fondamentales pour le bon fonctionnement du marché de l'énergie P2P; par conséquent, un travail bien plus important que prévu à l'origine a été consacré à ces aspects. Les prix du marché pour le commerce de l'énergie au sein du Quartier (résultant des offres des participants dans l'interface utilisateur) ont fluctué entre le tarif de rachat comme limite inférieure et le tarif de détail résidentiel comme limite supérieure. L'interaction des participants avec l'interface utilisateur a dépassé les attentes de l'équipe et la grande majorité des participants semblait comprendre les mécanismes fondamentaux du mécanisme d'enchères mis en œuvre, malgré sa complexité. Alors que de nombreux participants ont déclaré apprécier leur capacité à influencer directement le prix qu'ils payent/reçoivent pour l'électricité locale, vers la fin du projet, une majorité d'entre eux ont exprimé une préférence pour un système plus automatisé. Le projet a également révélé des difficultés opérationnelles dans le déploiement d'un tel système transactionnel sur l'infrastructure existante de compteurs intelligents et dans l'identification d'un modèle commercial prometteur pour un système basé sur une blockchain, en particulier dans le cadre de la législation suisse actuelle pour les communautés d'autoconsommation.

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