Design, implementation and testing of a Cloud-based solution for management of energy ecosystems

Keeping up with the increased energy demand, that follows from worldwide population growth and constant technological progress, while reducing CO2 emissions inevitably leads, within a comprehensive strategy, to a growing quota production of renewable energy sources. Due to the variable and distributed nature of these resources and to the growing production of smart connected devices, the electric power systems will be characterized by a higher complexity, especially from management, control and communication perspectives, and relationship with customers and between operators will become more and more relevant. As a result, the integration of the latest technologies in IT industry and the development of network control system have a crucial role to play in order to avoid the grid holding back the evolution of the energy sector. So the next step in this direction is identified in the achievement of a cyber-physical system (CPS), in which electric grid and Internet of Things (IoT) are combined. In this scenario arises the opportunity for the integration of cloud computing, since it is a technology which meets the current information and communication requirements. More specifically this work explores cloud paradigm and its implementations in the energy domain, analyzing features that encourage their development and possible applications, with respect to energy and information management. The contribution of this research consists in analyzing the actual state of cloud computing, trough a comprehensive scientific literature and industrial context review. Providing an overview of main applications that exploit this technology to serve electric power systems, exploring in particular the different architecture and enabling technologies. Ultimately introducing a cloud-based solution model in a specific ecosystem, describing its implementation consistent with the required services and functions. The work done suggests several considerable advantages resulting from the integration of cloud and platforms using its characteristics, allowing for eased data sharing, resource scalability, and increased system reliability. Furthermore, despite cloud significant potential, for its applications further studies arerequiredfromcostsandenergyconsumptionperspectives, andanequalapproach is required in the other domain involved for the effective development of a smart power system.

In un’ottica congiunta di incremento della domanda energetica, conseguenza della crescita demografica mondiale e del continuo progresso tecnologico, e di diminuzione delle emissioni di CO2 vi è la necessità, all’interno di una strategia diversificata, di aumentare la quota di produzione da fonti di energia rinnovabile. A causa della natura intermittente e distribuita di queste fonti e della crescente produzione di dispositivi connessi si avrà un incremento della complessità della rete dal punto di vista della gestione, del controllo e della comunicazione, e la necessità di interazione con il consumatore e tra operatori avrà un importanza sempre maggiore. Di conseguenza l’integrazione di nuove tecnologie del settore IT e lo sviluppo di avanzati sistemi di controllo della rete ricoprono un ruolo fondamentale per evitare che quest’ultima agisca da forza frenante nell’evoluzione del settore energetico. Il passo successivo in questa direzione è identificato nella realizzazione di un cyberphysical system (CPS), in cui si combinino rete elettrica e Internet of Things (IoT). In questo scenario si presenta la possibilità per l’integrazione del cloud computing, in quanto tecnologia che risponde alle esigenze informatiche e di comunicazione attuali. Il lavoro di tesi qui presentato si propone di valutare il paradigma cloud e la sua implementazione nei sistemi energetici, analizzando le caratteristiche che rendono complementari questi due sistemi e le possibili applicazioni, in particolare rispetto alla gestione energetica e delle informazioni. Il contributo di questa ricerca consiste nell’analizzare lo stato attuale del cloud computing, utilizzando le informazioni disponibili nella letteratura scientifica e nel contesto industriale attuale. Fornire una panoramica sulle principali applicazioni che integrano o sfruttano questa tecnologia nel settore dell’energia, analizzandone l’architettura e le tecnologie abilitanti. Infine presentare un modello di soluzione in uno specifico ecosistema, descrivendone la sua implementazione in accordo con i servizi e le funzioni richieste, e fornendone una valutazione finale. Il lavoro svolto suggerisce notevoli vantaggi nell’utilizzo del cloud computing e di piattaforme che ne sfruttino le proprietà, permettendo una facile condivisione dei dati, scalabilità delle risorse, e aumentando l’affidabilità del sistema. Inoltre, nonostante il notevole potenziale del cloud, ulteriori studi sono richiesti dal punto di vista dei costi e del fabbisogno energetico di soluzioni di questo tipo, e per l’effettivo sviluppo di una rete intelligente è necessario un approccio coerente negli altri settori coinvolti.