SOUL-P2P : socioeconomically optimized utlity ledger for P2P energy systems

Abstract

Abstract: Sustainable energy systems increasingly rely on decentralized solutions that empower communities to manage their own supply and demand. By tapping into local renewable resources, peer-to-peer (P2P) trading can reduce carbon emissions, lower grid congestion, and enhance system resilience, which are all key goals of a sustainable energy transition. However, existing P2P platforms give slight attention to non-monetary social support mechanisms, which are critical for equitable access, but focus largely on monetary exchanges. SOUL-P2P is a novel P2P energy trading and non-monetary sharing framework that integrates offchain optimization with onchain settlement to balance economic efficiency, social equity, and grid independence. Offchain execution proceeds in four sequential stages: (i) each consumer–prosumer pair computes a mutually optimal price and quantity with a non-cooperative game; (ii) a mixed-integer linear program (MILP) selects the combination of these bids that maximizes total monetary welfare; (iii) any remaining prosumer surplus is redistributed freely in a non-monetary sharing phase, and contributors earn the newly introduced Social Support Index (SSI); (iv) final unmet demand is satisfied by the grid at SSI-based discounted rates. On the blockchain side, six modular Solidity contracts record bids, settle trades and non-monetary sharings, update SSIs, and enforce discounted grid purchases on an Ethereum-compatible network, ensuring tamper resistance and auditability. We evaluate SOUL-P2P using a realistic hourly energy usage dataset for 25 houses under four offchain scenarios: All-Grid, Trade Only, Distributed Ant Colony Optimization (DACO) Benchmark, and SOUL-P2P. To account for seasonality, we conduct experiments across four representative seasonal days to assess robustness. Then, replicate the SOUL-P2P scenario on a private Hardhat network, which is a developer‑focused Ethereum emulator that runs a permissioned, in‑memory blockchain with instant block confirmations, predictable gas costs, and full control over mining parameters. This setup enables us to precisely test our Solidity contracts in a fast and deterministic environment before any public deployment. Results show that SOUL‑P2P cuts overall grid procurement by 31\% (from full reliance under All‑Grid down to just 69\%), surpassing the 22\% and 12\% reductions achieved by the Trade‑Only and DACO benchmarks, respectively. By combining monetary trading with non-monetary sharing, SOUL-P2P boosts total peer-to-peer exchanges by 91\% over the DACO scenario. Economically, collective peer budgets under SOUL-P2P end approximately 0.2\% higher than the best benchmark, which is the Trade Only scenario. Additionally, onchain execution reproduces offchain allocations with complete fidelity. This thesis presents both a detailed mathematical model and an open-source implementation; thus, it provides a practical guide for deploying secure, efficient, and socially conscious P2P energy markets on blockchain platforms.Özet: Sürdürülebilir enerji sistemleri, toplulukların kendi arz ve taleplerini yönetmesini sağlayan merkeziyetsiz çözümlere giderek daha fazla yönelmektedir. Yerel yenilenebilir kaynakların kullanımı sayesinde görevdeş (P2P) enerji ticareti, karbon emisyonunun azalmasını, şebeke kullanımını hafifletmeyi ve sistem dayanıklılığını güçlendirmeyi hedefler, ki bunlar sürdürülebilir enerji dönüşümünün ana hedefleri arasında yer almaktadır. Ancak mevcut P2P platformları, adil erişim için kritik öneme sahip parasal olmayan sosyal destek mekanizmelerine yeterince yer vermemekte, ağırlıklı olarak parasal işlemlere odaklanmaktadır. SOUL-P2P, ekonomik verimlilik, sosyal eşitlik ve şebeke bağımsızlığı arasında denge kurmak amacıyla zincir dışı (offchain) optimizasyonu ve zincir içi (onchain) uzlaşmayı bir araya getiren yenilikçi bir P2P enerji platformudur. Offchain süreci dört ardışık aşamada gerçekleşir: (i) her tüketici üretici çifti, işbirlikçi olmayan (non-cooperative) bir oyun modeli ile karşılıklı olarak optimal fiyat ve aktarılacak enerji miktarını belirler; (ii) bir karma tamsayılı doğrusal program (MILP), bu tekliflerden toplam parasal refahı maksimize edecek kombinasyonu seçer; (iii) ardından, kalan üretim fazlası enerji, parasal olmayan paylaşım aşamasında ücretsiz olarak dağıtılır ve katkıda bulunanlar için yeni tanımlanan Sosyal Destek İndeksi (SSI) artırılır; (iv) son olarak geriye kalan karşılanmamış talepler ise SSI'ye dayalı indirimli tarifelerle şebekeden karşılanır. Blokzincir tarafındaki Ethereum bazlı altı modüler Solidity kontratı; teklifleri kaydeder, alışveriş ve paylaşım işlemlerini gerçekleştirir, SSI günceller ve indirimli ücret ile şebekeden enerji alımlarını sağlar; böylece değiştirilemezlik ve denetlenebilirlik sağlanır. SOUL-P2P, 25 ev için oluşturulan gerçekçi saatlik enerji kullanım verisi kullanılarak "All-Grid", "Trade Only", "DACO Benchmark" ve "SOUL-P2P" olmak üzere dört offchain senaryoda değerlendirildi. Mevsimselliği göz önünde bulundurmak için dört temsilî mevsim gününde ek deneyler yaparak yöntemin sağlamlığı test edildi. Ardından, SOUL-P2P senaryosu geliştirme (development) odaklı bir Ethereum emülatörü olan bir Hardhat ağına taşındı. Hardhat, direkt bellekte çalışan bir blokchain olmasının yanı sıra izinli olması (permissioned), blok onaylarının anlık gerçekleşmesi, öngörülebilir gaz ücretleri ve madencilik parametreleri üzerinde tam kontrol sağlaması sebepleri ile seçilmiştir. Bu kurulum, Solidity akıllı sözleşmelerimizi (smart constract) herhangi bir kamuya açık ağda denemeden önce hızlı ve belirleyici (deterministik) bir ortamda tam olarak test etmemizi mümkün kılmıştır. Sonuçlar, SOUL P2P'nin şebeke'den alınan toplam enerji miktarını All-Grid senaryoya oranla \%31, Trade Only ve DACO senaryolarına oranla ise sırasıyla \%22 ve \%12 azalttığını göstermektedir. SOUL P2P parasal alışverişi ücretsiz paylaşım aşamasıyla birleştirerek görevdeş toplam enerji aktarımını DACO senaryosuna kıyasla \%91 oranında artırmaktadır. Ekonomik açıdan ise, SOUL P2P'nin katılımcıların toplam bütçesini en yakın senaryoya (Trade Only) göre yaklaşık \%0,2 daha az harcamaktadır. Ayrıca onchain akış, offchain enerji aktarım kararlarını eksiksiz ve birebir biçimde gerçekleştirmektedir. Bu tez, ayrıntılı bir matematiksel modelin yanı sıra açık kaynaklı (open source) bir uygulama sunarak; güvenli, verimli ve sosyal açıdan duyarlı P2P enerji piyasalarının blokzincir platformlarında hayata geçirilmesi için pratik bir kılavuz sağlamaktadır.