Governance models for an IoT-based energy internet using a multi-agent approach
Närvä, Juha (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020042923298
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020042923298
Tiivistelmä
The existing power grid is designed to transfer energy from high voltage to medium voltage. For historical reasons, it was designed to consider a one-directional electricity feed; thus, it does not properly consider consumer activity. The existing energy supply relies on centralized electricity production. The largest sources of electricity are power plants using nuclear, hydrogen, natural gas, and fossil fuels.
The future household energy will be mainly produced locally by prosumers. De-centralized renewable energy generation and energy-storage systems are expected to change the operation of the existing power grids. The new power grid will support bi-directional electricity flow facilitated by commonly managed fifth generation communication technology. Users’ intelligent electronic devices will be actively controlled by internet of things devices. Groups of active users will be organized as physical microgrid communities, in which they will share a pool of energy resources. They will consume jointly, following a commons-based electricity management approach forming an energy internet. Using distributed energy resources, needed energy will be virtually packetized and managed by an energy server. Virtually packetized energy management will maximize the benefits to prosumers of renewable-energy production and consumption inside a microgrid, providing them with electricity self-sustainability. Under this regime, the price of electricity will be zero within the community, while the need for externally produced electricity will be minimal.
In this thesis, the transformation of the existing power grid to create the energy internet is illustrated using three-layer agent modeling. Disruptive change agents are identified, and agent-based governance models are developed to demonstrate a change pathway from the existing system to an energy internet. Nykyinen sähköverkko, sekä sen ohjauslaitteisto on suunniteltu pääsääntöisesti keskitettyyn sähköntuotantoon sekä yksisuuntaiseen sähkönsiirtoon. Verkon suunnitteluaikana ei ollut laajamittaista hajautettua kuluttajien sähköntuotantoa, joka olisi voitu ottaa huomioon. Suurimmat sähköntuotantolähteet ovat ydinvoima, vesivoima, maakaasu sekä fossiiliset polttoaineet.
Tulevaisuuden kotitalouksien käyttöenergia tullaan tuottamaan pääasiassa paikallisesti niiden itsensä toimesta. Kasvava hajautettu sähköntuotanto käyttäen uusiutuvia energian lähteitä edesauttaa nykyisen sähköverkon muutospaineita. Tulevaisuuden sähköverkko tulee tukemaan kaksisuuntaista sähkönsiirtoa, yhteisesti ohjatun viidennen sukupolven langattoman kommunikaatioteknologian avulla. Sähköverkon sekä sähkönkäyttäjien älykkäiden elektronisien järjestelmien mittaamiseen ja ohjaamiseen käytetään esineiden internettiä. Aktiiviset sähkönkäyttäjät voivat muodostaa fyysisiä pienverkkoja, joka mahdollistavat itsetuotetun energian jakamisen. Järjestelmän, joka muodostaa energia-internetin, ohjaa virtuaalisesti kvantisoitua sähkönkulutusta ja -jakamista. Energia-internet maksimoi yhteisössä tuotetun energian hyödyn, saavuttaen energiaomavaraisuuden sekä nollaenergiakustannuksen käyttäen uusiutuvia energianlähteitä.
Tässä työssä kuvataan agenttimallinnuksen avulla energia-internetin tarvitsemia muutoksia nykyiseen sähköverkkoon. Lisäksi työssä esitellään energia-internetin keskeiset tekniset sekä kaupalliset muutosagentit nykytilaan verrattuna, sekä kuvataan tarvittavia muutoksia energia-internetin muodostamiseksi.
The future household energy will be mainly produced locally by prosumers. De-centralized renewable energy generation and energy-storage systems are expected to change the operation of the existing power grids. The new power grid will support bi-directional electricity flow facilitated by commonly managed fifth generation communication technology. Users’ intelligent electronic devices will be actively controlled by internet of things devices. Groups of active users will be organized as physical microgrid communities, in which they will share a pool of energy resources. They will consume jointly, following a commons-based electricity management approach forming an energy internet. Using distributed energy resources, needed energy will be virtually packetized and managed by an energy server. Virtually packetized energy management will maximize the benefits to prosumers of renewable-energy production and consumption inside a microgrid, providing them with electricity self-sustainability. Under this regime, the price of electricity will be zero within the community, while the need for externally produced electricity will be minimal.
In this thesis, the transformation of the existing power grid to create the energy internet is illustrated using three-layer agent modeling. Disruptive change agents are identified, and agent-based governance models are developed to demonstrate a change pathway from the existing system to an energy internet.
Tulevaisuuden kotitalouksien käyttöenergia tullaan tuottamaan pääasiassa paikallisesti niiden itsensä toimesta. Kasvava hajautettu sähköntuotanto käyttäen uusiutuvia energian lähteitä edesauttaa nykyisen sähköverkon muutospaineita. Tulevaisuuden sähköverkko tulee tukemaan kaksisuuntaista sähkönsiirtoa, yhteisesti ohjatun viidennen sukupolven langattoman kommunikaatioteknologian avulla. Sähköverkon sekä sähkönkäyttäjien älykkäiden elektronisien järjestelmien mittaamiseen ja ohjaamiseen käytetään esineiden internettiä. Aktiiviset sähkönkäyttäjät voivat muodostaa fyysisiä pienverkkoja, joka mahdollistavat itsetuotetun energian jakamisen. Järjestelmän, joka muodostaa energia-internetin, ohjaa virtuaalisesti kvantisoitua sähkönkulutusta ja -jakamista. Energia-internet maksimoi yhteisössä tuotetun energian hyödyn, saavuttaen energiaomavaraisuuden sekä nollaenergiakustannuksen käyttäen uusiutuvia energianlähteitä.
Tässä työssä kuvataan agenttimallinnuksen avulla energia-internetin tarvitsemia muutoksia nykyiseen sähköverkkoon. Lisäksi työssä esitellään energia-internetin keskeiset tekniset sekä kaupalliset muutosagentit nykytilaan verrattuna, sekä kuvataan tarvittavia muutoksia energia-internetin muodostamiseksi.