[논문 리뷰] Quartierstrom -- Implementation of a real world prosumer centric local energy market in Walenstadt, Switzerland

Liliane Ableitner, Arne Meeuw외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 17.

Smart Grid Energy ManagementEngineering인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 스위스 바렌슈타트에서 실시된 실제 블록체인 기반 피어 투 피어 에너지 마켓인 Quartierstrom을 제시한다. 이 시스템은 사용자가 정의한 가격으로 지역에서 생성된 태양광 전기를 프로슈머와 소비자가 직접 거래할 수 있도록 한다. 이 시스템은 동적 가격 설정, 스마트 미터 데이터, 웹 기반 인터페이스를 활용한 이중 경매 메커니즘을 통해 지역 에너지 소비를 장려하고, 그리드 비용을 줄이며, 자가 소비율을 향상시킨다. 37세대 가구를 대상으로 한 시범 프로젝트를 통해 기술적 및 사용자 수용 가능성의 실현 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

Prosumers in many regions are facing reduced feed-in tariffs and currently have no possibility to influence the level of remuneration for the locally produced solar energy. Peer-to-peer communities may offer an alternative to the feed-in tariff model by enabling prosumers to directly sell their solar energy to local consumers (possibly at a rate that is beneficial for both consumer and prosumer). The Quartierstrom project investigates a transactional energy system that manages the exchange and remuneration of electricity between consumers, prosumers and the local electric grid provider in the absence of intermediaries. This whitepaper describes the prototypical real-world system being implemented in the town of Walenstadt, Switzerland, with 37 participating households. The community members of this pilot project pay a reduced tariff for grid usage if the electricity produced by a prosumer is sold to another community member, which is located on the same voltage or grid level downstream a substation1. Such a tariff structure incentivizes local balancing, i.e. locally produced energy can be consumed locally whenever possible to avoid costs from higher grid levels. The blockchain is a novel technology suitable to log the produced and consumed units of energy within a community, making it possible to implement market places. In those marketplaces, both prosumers and consumers can indicate a price at which they are willing to sell / buy locally produced solar energy without the intermediation of a utility. The key goals of this project are the assessment of A) the technical, economical and ecological feasibility of a blockchain-based community energy system regarding local utilization of solar energy, grid quality and energy efficiency and B) resulting dynamics regarding local market prices and user acceptance.

연구 동기 및 목표

• 프로슈머와 소비자를 대상으로 한 블록체인 기반 지역 에너지 마켓의 기술적, 경제적, 생태학적 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 위치 기반 그리드 요금제가 지역 에너지 소비와 그리드 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 공동체 에너지 거래 시스템에서의 사용자 수용도 및 행동적 동태를 연구하기 위해.
• 분산형 에너지 거래가 자가 소비율을 향상시키고 중심 집중형 그리드 의존도를 낮추는 데 어떻게 기여할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 규제적 지원이 없는 상황에서도 지역 에너지 균형을 유도하는 새로운 바닥에서부터의 요금 모델을 테스트하기 위해.

제안 방법

• 스위스 바렌슈타트의 37세대 가구 간 피어 투 피어 전기 거래를 위한 블록체인 기반 이중 경매 메커니즘의 구현.
• 정확한 거래 정산을 위해 실시간 생산 및 소비 데이터를 추적하기 위한 스마트 미터 데이터 통합.
• Flask와 Bootstrap을 사용한 웹 애플리케이션 개발을 통해 사용자가 구매/판매 가격 한도를 설정하고 에너지 및 재무 데이터를 모니터링할 수 있도록 지원.
• 프로슈머가 최소 판매 가격을 설정하고 소비자가 최대 구매 가격을 설정할 수 있도록 동적 가격 슬라이더 사용.
• 월간 이메일 보고서와 사용자 인터페이스 피드백 루프를 통해 참여도와 시스템 사용량을 모니터링.
• 에너지 흐름 최적화 및 자립도 향상을 위해 향후 공동체 수준의 배터리 저장 시스템 통합 고려.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 환경에서 블록체인 기반 피어 투 피어 에너지 마켓이 프로슈머와 소비자 간 태양광 전기의 직접적인 지역 거래를 성공적으로 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 사용자가 정의한 가격 한도가 공동체 에너지 시스템에서 거래 빈도, 자가 소비율, 재정적 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 위치 기반 그리드 요금제 모델이 그리드 사용 비용을 얼마나 줄이고 지역 에너지 균형을 장려하는가?
• RQ4 투명하고 실시간 피드백이 제공되는 공동체 에너지 거래 시스템에서 사용자 수용도와 참여도는 어느 정도인가?
• RQ5 공동체 수준의 배터리 저장 시스템 통합이 가정 수준의 저장 시스템과 비교해 에너지 효율성과 자립도를 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• Quartierstrom 시스템은 2019년 1월에 성공적으로 출시되었으며, 한 해 동안 포괄적인 소비, 생산, 거래 데이터를 수집하였다.
• 참여 가구의 거의 전부가 계정을 생성했으며, 대부분은 데이터를 모니터링하거나 가격 설정을 조정하기 위해 자주 로그인하여 높은 사용자 참여도를 보였다.
• 실시간 데이터 통합을 통한 블록체인 기반 이중 경매 메커니즘의 지역 에너지 거래에 대한 기술적 실현 가능성이 입증되었다.
• 동적 가격 슬라이더와 실시간 KPI(예: 자가 소비율, 자립도)를 제공하는 웹 인터페이스는 투명성 제공과 사용자 의사결정 지원에 효과적이었다.
• 2019년 하반기 예정된 공동체 수준의 배터리 통합이 가정 수준의 저장 시스템보다 자가 소비율과 에너지 효율성을 더 효과적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
• 신규 요금 모델에 대한 규제적 지원이 없음에도 불구하고, 연구 자금으로 고위계층 그리드 비용을 보전함으로써 바닥에서부터의 그리드 비용 할당 모델을 성공적으로 테스트하였다.