Ευφυή συστήματα μέτρησης ενέργειας με χρήση τεχνολογιών blockchain και έξυπνων συμβολαίων: μια βιβλιογραφική ανασκόπηση

Abstract

Με την ταχεία ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η έρευνα για το εμπόριο ενέργειας έχει λάβει σημαντική προσοχή τα τελευταία χρόνια. Το Blοckchain έχει υιοθετηθεί ευρέως για το σχεδιασμό νέων συστημάτων εμπορίας ενέργειας. Πρόκειται για μια κοινή και κατανεμημένη βάση ψηφιακών δεδομένων που διατηρεί ένα συνεχώς αυξανόμενο αρχείο συναλλαγών με χρονολογική σειρά. Οι συναλλαγές ομαδοποιούνται σε μπλοκ, τα οποία έχουν χρονική σήμανση και είναι κρυπτογραφικά συνδεδεμένα με προηγούμενα μπλοκ για να σχηματίσουν μια αλυσίδα εγγραφών που καθορίζει την αλληλουχία ή αλυσίδα των γεγονότων. Τα blocks της αλυσίδας «τρέχουν» σε ψηφιακά δίκτυα, μεταδίδοντας δεδομένα, αντιγράφοντάς τα από το ένα μέρος στο άλλο. Στον τομέα των κρυπτονομισμάτων, αυτό ισοδυναμεί με την αντιγραφή ψηφιακών νομισμάτων από το ηλεκτρονικό πορτοφόλι ενός χρήστη σε αυτό κάποιου άλλου. Η κύρια πρόκληση έγκειται στο γεγονός ότι το σύστημα πρέπει να διασφαλίσει ότι τα νομίσματα δαπανώνται μόνο μία φορά και ότι δεν υπάρχει διπλή δαπάνη. Αυτό γίνεται: 1) είτε χρησιμοποιώντας ένα κεντρικό σημείο αρχής, που ενεργεί ως έμπιστος ενδιάμεσος μεταξύ των συναλλασσόμενων μερών και αποθηκεύει/εξασφαλίζει την έγκυρη κατάσταση της αλυσίδας και διατηρεί τα αρχεία ενημερωμένα, 2) είτε, από κάθε μέλος του δικτύου blockchain που διατηρεί το δικό του αντίγραφο της αλυσίδας(ή έχει πρόσβαση σε αυτό μέσω ανοιχτού νέφους) και επαληθεύει την εγκυρότητά της. Στην τελευταία περίπτωση, η πρόκληση έγκειται στην εύρεση ενός τρόπου ενοποίησης και συγχρονισμού πολλαπλών αντιγράφων της αλυσίδας. Η διαδικασία επικύρωσης και ενοποίησης της αλυσίδας από τα μέλη του δικτύου γίνεται, συγκρίνοντας τις εκδόσεις τους της αλυσίδας χρησιμοποιώντας ένα κατανεμημένο σύστημα ψηφοφορίας, μέσω του οποίου επιτυγχάνεται συναίνεση για την έγκυρη κατάσταση της. Αυτοί οι μηχανισμοί επικύρωσης είναι γνωστοί ως κατανεμημένοι αλγόριθμοι συναίνεσης. Τα κίνητρα ή οι ανταμοιβές θεωρητικών παιγνίων χρησιμοποιούνται για να διασφαλιστεί η έντιμη συμπεριφορά των κατανεμημένων κόμβων. Τρεις βασικές ιδέες μπορούν να συνοψιστούν ως απαιτήσεις για μελλοντικά ενεργειακά συστήματα: η απανθρακοποίηση, η αποκέντρωση και η ψηφιοποίηση, με μια στροφή προς την ενδυνάμωση των καταναλωτών. Προς αυτή τη κατεύθυνση, προγραμματιστές blockchain: δημιουργούν συναλλακτικές ψηφιακές πλατφόρμες που μπορούν να είναι πλήρως αποκεντρωμένες και μπορούν να διευκολύνουν το P2P (Peer to Peer) εμπόριο ενέργειας. Αναπτύσσουν τοπικές αγορές ενέργειας και εφαρμογές Internet of Things (IοT) που μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο στο όραμα του έξυπνου δικτύου (smart grid). Το εμπόριο ενέργειας, ειδικότερα, ως κρίσιμο συστατικό της διαχείρισης ενέργειας, εξελίσσεται από συγκεντρωτικό σε κατανεμημένο τρόπο. Οι πελάτες ενέργειας μπορούν να αγοράσουν ηλεκτρική ενέργεια μόνο από επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας στην παραδοσιακή αγορά ενέργειας. Σε ένα έξυπνο δίκτυο, οι χρήστες ενέργειας χρησιμεύουν τόσο ως καταναλωτές όσο και ως προμηθευτές ηλεκτρικής ενέργειας. Η πλεονάζουσα παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές μπορεί να ανταλλάσσεται για αμοιβαίο όφελος με την εταιρεία κοινής ωφέλειας και άλλους χρήστες σε περιπτώσεις ελλείμματος τροφοδοσίας. Το μοντέλο δικτύου Peer-to-Peer (P2P) επιτρέπει στην αγορά ενέργειας να λειτουργεί με επίκεντρο τον καταναλωτή και υποστηρίζει τη συμμετοχή των αποκαλούμενων «προμηθευτών». Μερικές από τις υπάρχουσες εφαρμογές στον ενεργειακό τομέα : Brοοklyn microgrid (ΗΠΑ), Sunchain (Γαλλία), Pοwer Ledger (Αυστραλία), Pοwer-ID (Ελβετία), I-NUK (Γαλλία), Tal.Markt (Γερμανία), SοlarCοin, NRGCοin (Βέλγιο), DAISEE (Γαλλία), Gruenstrοmjetοn (Γερμανία), Pylοn Netwοrk Project (Ισπανία), Pοwer-ID. Σε τέτοιες εφαρμογές, κάθε ενεργειακή συναλλαγή καταγράφεται και αποθηκεύεται στο blockchain όλων των υπολογιστών (κόμβων) που αποτελούν το δίκτυό της (π.χ. ένα μικροδίκτυο). Όλοι οι συμμετέχοντες ενημερώνονται για κάθε συναλλαγή σε πραγματικό χρόνο και οι υπολογιστές τους ελέγχουν τους άλλους για την πρόληψη τυχόν απάτης. Οι ταυτότητες των συμμετεχόντων είναι είτε γνωστές (δημόσιο blockchain) είτε ανώνυμες (ιδιωτικό blockchain) ανάλογα με τον τύπο του blockchain. Το αρχείο όλων των συναλλαγών (απόδειξη ύπαρξης) που δημιουργείται, είναι κρίσιμο από νομική και δικαστική άποψη σε περίπτωση διαφωνίας. Όσον αφορά την ενεργειακή πιστοποίηση και επαλήθευση, το Blοckchain μπορεί να επικυρώσει την προέλευση και τον τύπο της ενέργειας ανά πάσα στιγμή με απαράβατο τρόπο (έλεγχος σε πραγματικό χρόνο) και να παράγει ένα αρχείο ιδιοκτησίας για κάθε πιστοποιητικό ανανεώσιμης ενέργειας, να χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή, την πιστοποίηση και την επικύρωση των συναλλαγών εκπομπών μεταξύ χρηστών του συστήματος, μια προσέγγιση που εφαρμόζεται στην Κίνα από την IBM και την Energy Blοckchain Lab. Με τη δημιουργία ενός συστήματος έξυπνων συμβολαίων (smart contracts) και με την ανάπτυξη αυτόνομων αποκεντρωμένων εφαρμογών (Dapps) που δεν απαιτούν ανθρώπινη αλληλεπίδραση, η επεξεργασία των συναλλαγών μπορεί να αυτοματοποιηθεί και να γίνει ακόμη πιο αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική. Με την αναμενόμενη ανάπτυξη του IοT τα επόμενα χρόνια, οι τοπικές αρχές θα μπορούν να αποκτούν μια συνεχή διάγνωση όλων των ενεργειακών τους εγκαταστάσεων (μονάδες παραγωγής ενέργειας, έξυπνα δίκτυα κ.λπ.).Ένα blockchain σύστημα σε μόνιμη επικοινωνία με συσκευές IοT που χρησιμοποιεί έξυπνα συμβόλαια και DApps θα μπορούσε θεωρητικά να διαχειριστεί την ενεργειακή υποδομή μιας τοπικής αρχής. Ο συνδυασμός Blοckchain και έξυπνων μετρητών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσαρμογή ενός συστήματος τιμολόγησης, μειώνοντας τον κίνδυνο δόλιας υπερτιμολόγησης για λογαριασμό προμηθευτών. Τα έξυπνα συμβόλαια θα μπορούσαν να διευκολύνουν την εφαρμογή ενός αυτοματοποιημένου, ευέλικτου μηχανισμού ικανού να αμείβει τους καταναλωτές σε πραγματικό χρόνο και να προσαρμόζει τη ζήτηση όταν είναι απαραίτητο. Χάρη στην ψηφιακή εμπιστοσύνη που παρέχουν τα blockchains, ένα τέτοιο σύστημα θα επέτρεπε στα μέλη του –παραγωγούς και καταναλωτές– να εμπορεύονται ενέργεια με μη αυτόματο ή αυτοματοποιημένο τρόπο (έξυπνα συμβόλαια) σε ένα εναρμονισμένο και ασφαλές πλαίσιο χρησιμοποιώντας εικονικό ή πραγματικό νόμισμα. Οι συμμετέχοντες στο δίκτυο θα επωφεληθούν επίσης από πολύ μικρότερες αποστάσεις μετάδοσης ενέργειας σε σύγκριση με ένα κεντρικό σύστημα, μειώνοντας έτσι τη σπατάλη ενέργειας και το κόστος. Ο μετασχηματισμός των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε πιστώσεις άνθρακα και η πώλησή τους στην αγορά μπορεί να γίνει πραγματικότητα με τη βοήθεια της τεχνολογίας blockchain και τη χρήση ενός συστήματος έξυπνων συμβολαίων. Τέλος, τα blockchain συστήματα μπορούν να διευκολύνουν την ανάπτυξη της ηλεκτροκίνησης ως υπηρεσίας χάρη στην εφαρμογή ενός απλούστερου και λιγότερο δαπανηρού συστήματος επαναφόρτισης σε σύγκριση με τις υπάρχουσες λύσεις. Tα ηλεκτρικά οχήματα (EV) αποτελούν ένα μεγάλο βήμα προς έναν φιλικό τρόπο μεταφοράς. Ορισμένοι χρήστες παράγουν ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας ηλιακούς συλλέκτες και φορτίζουν τα ηλεκτρικά τους οχήματα. Άλλοι, χρησιμοποιούν σταθμούς φόρτισης και πληρώνουν για τη φόρτιση του οχήματος. Αυτό εγείρει το ζήτημα της εμπιστοσύνης και της διαφάνειας που το Blockchain καλείται να μετριάσει. Σε αυτή τη διπλωματική παρέχεται: Μια συστηματική έρευνα των διαφόρων διαθέσιμων εφαρμογών συναλλαγών ενέργειας που σχετίζονται με το blockchain. Αυτές οι προσεγγίσεις ταξινομούνται με βάση: 1)τους τομείς δραστηριοποίησης (Έξυπνο Δίκτυο, Ηλ. οχήματα), 2)τις μεθοδολογίες που εφαρμόζονται, 3)την προοπτική βιωσιμότητας, 4)την ωριμότητα της υλοποίησής τους. Η περιγραφική ανάλυση περιλαμβάνει 62 ερευνητικά άρθρα που δημοσιεύθηκαν μεταξύ 2017-2021 και στοχεύει: α) Στη βελτίωση της στατιστικής περιγραφής, ομαδοποίησης και επίδειξης των θεμάτων ενδιαφέροντος της σχετικής βιβλιογραφίας ή των σχέσεών τους (δημοσιεύσεις ανά έτος και τομέα κ.λπ.). β) Στην ενσωμάτωση ανάλυσης των τρεχου-σών τάσεων της έρευνας στον τομέα των μηχανισμών εμπορίας ενέργειας με δυνατότητα blockchain και παρουσίαση των ζητημάτων που έχουν βρεθεί γ) Στη παρουσίαση των διαφόρων ερευνητικών προσεγγίσεων που έχουν χρησιμοποιηθεί μέχρι αυτό το σημείο στην επιστημονική βιβλιογραφία. Από την ανάλυση των στοιχείων υλοποίησης προκύπτει ότι οι Blockchain δοκιμές περιλάμβαναν: την αξιολόγηση έξυπνων συμβολαίων , δοκιμές API , δοκιμές απόδοσης, δοκιμές κόμβου-αλυσίδας. Οι πιο προηγμένες υλοποιήσεις περιλάμβαναν : τη χρήση αυτοματοποιημένων scripts και δοκιμές απόδοσης, χρησιμοποιώντας εργαλεία όπως Truffle, Ethereum Tester, Populus, ψηφιακές αποκεντρωμένες εφαρμογές (δηλαδή DApps) με ενσωματωμένη διαχείριση ταυτότητας, βελτιωμένες λειτουργίες κλπ. Παρείχαν δείκτες απόδοσης προκειμένου να μετρούν την καθυστέρηση, την απόδοση, την κυκλοφορία δικτύου, τη μνήμη, τη χρήση της CPU και το ποσοστό αποτυχίας των συναλλαγών τους, την ασφάλεια/ το απόρρητο και την επαληθευσιμότητα των δεδομένων εμπορίας ενέργειας, τη δίκαιη κατανομή των πόρων του συστήματος το κόστος λειτουργιών των έξυπνων συμβολαίων (gas). Η πλειοψηφία των εφαρμογών Energy Trading στη βιβλιογραφία χρησιμοποιούν το Ethereum ως την υποκείμενη τεχνολογία blockchain. Η 2η προτιμώμενη τεχνολογία ήταν η Hyperledger. Οι εφαρμογές του blockchain ταξινομήθηκαν επίσης, σύμφωνα με τους αλγόριθμους συναίνεσης που χρησιμοποιούνται. Οι πιο συνηθισμένοι:Proof-of-Work (PoW), Proof-of-Stake (PoS), Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT). Σχετικά με τα ανοιχτά ζητήματα και τις προκλήσεις των τρεχουσών εφαρμογών blockchain ενεργειακής εμπορίας, τα κυριότερα είναι: 1) η χαμηλή απόδοση και το υψηλό κόστος συναλλαγής, 2) η προστασία απορρήτου και τα θέματα ασφάλειας , 3) η επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο μεγάλου όγκου δεδομένων αισθητήρων, 4) η πιθανή άδικη ή κακόβουλη συμπεριφορά από αγοραστές ή πωλητές ενέργειας 5) οι δυσκολίες τιμολόγησης του μοντέλου (πώς πρέπει να τιμολογηθεί σωστά μια συμφωνία για να βοηθήσει τους αγοραστές και τους πωλητές να καταλήξουν γρήγορα σε συμφωνία), 6) η ελαχιστοποίηση του κόστους/ μεγιστοποίηση κέρδους 7) οι απαιτήσεις σε μεγάλο αποτύπωμα άνθρακα. Επιπλέον , όσον αφορά τις πειραματικές δοκιμές, οι περισσότερες αναφορές στη βιβλιογραφία προσομοιώνουν τις σχετικές λειτουργίες μόνο σε επίπεδο πλατφόρμας blockchain χωρίς να τις συνδέουν με το πραγματικό φυσικό σύστημα. Οι τεχνολογικές προκλήσεις που προκύπτουν αφορούν τους τομείς: της απόδοσης, του χρόνου συναλλαγής, της επεκτασιμότητας, των κατανεμημένων αλγόριθμων συναίνεσης προκειμένου να επιτρέπουν την παράλληλη επεξεργασία, την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών και ασφαλών έξυπνων συμβολαίων, τη διαχείριση δεδομένων με στόχο την ελαχιστοποίηση της αποθήκευσης δεδομένων στην αλυσίδα (π.χ. αποκεντρωμένη αποθήκευση δεδομένων στο cloud), τους κίνδυνους για το απόρρητο και την ασφάλεια (τρωτά κυρίως τα ψηφιακά πορτοφόλια ή τα έξυπνα συμβόλαια). Παρατηρείται επιπλέον έλλειψη τυποποιημένων σημείων αναφοράς (benchmarking), για τη συγκριτική αξιολόγηση των εφαρμογών. Επίσης, η προοπτική της βιωσιμότητας υπονοήθηκε σε όλες τις επιλεγμένες εργασίες, αλλά δεν αναφέρθηκε διεξοδικά. Δεδομένων των τεράστιων ενεργειακών απαιτήσεων των σημερινών δικτύων blockchain, οι ανησυχίες που σχετίζονται με το περιβάλλον είναι σημαντικές. Η εξόρυξη κρυπτονομισμάτων απαιτεί υπολογιστές υψηλής απόδοσης . Το γεγονός αυτό οδηγεί σε υψηλό κόστος ανάπτυξης. Τα blockchain μπορεί να πραγματοποιήσουν σημαντική εξοικονόμηση κόστους παρακάμπτοντας τους μεσάζοντες, ωστόσο, απαιτούν δαπανηρή νέα υποδομή, προσαρμοσμένο εξοπλισμό και κόστη συντήρησης. Όλα τα παραπάνω μπορεί να κάνουν τους επενδυτές να πιστεύουν ότι μπορεί να μην έχουν το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα έναντι των ήδη υπαρχουσών λύσεων σε καθιερωμένες αγορές. Δεδομένου ότι τα δίκτυα blockchain δεν μπορούν να εγγυηθούν την ακρίβεια των δεδομένων που δεν δημιουργήθηκαν εγγενώς στην αλυσίδα (όπως πληροφορίες που προέρχονται από συσκευές IoT), η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να επικεντρωθεί σε τρόπους διασφάλισης της πηγής των παραγόμενων πληροφοριών και της ακρίβειας και ακεραιότητας των δεδομένων. Σχετικά με το ρυθμιστικό πλαίσιο θα απαιτηθούν νέοι τύποι συμβάσεων για την περιγραφή συμφωνιών μεταξύ προμηθευτών και καταναλωτών, ειδικά όταν οι αντισυμβαλλόμενοι κάνουν χρήση του δημόσιου δικτύου. Αυτό συνεπάγεται την ανάγκη για νέα και δυνητικά πιο ευέλικτα τιμολόγια ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία επί του παρόντος υπόκεινται σε αυστηρές ρυθμίσεις. Επιπλέον, οι ρυθμιστικές αρχές είναι υπεύθυνες για τον καθορισμό των κανόνων προστασίας των δεδομένων των καταναλωτών, όπως η πολιτική GDPR της ΕΕ για τα δεδομένα των καταναλωτών. Οι χρήστες του συστήματος blockchain θα πρέπει να συμμορφώνονται με τις υποχρεώσεις τους, αλλά ταυτόχρονα, οι ευαίσθητες πληροφορίες των καταναλωτών πρέπει να παραμένουν εμπιστευτικές. Τέλος, σχετικά με τη τυποποίηση και πιστοποίηση της διαδικασίας : πρέπει να αναπτυχθούν πρότυπα και πρωτόκολλα για τις αρχιτεκτονικές blockchain για να επιτρέπουν τη διαλειτουργικότητα μεταξύ τεχνολογικών λύσεων. Συμπερασματικά, ο μέχρι τώρα αδόμητος πειραματισμός των λύσεων εμπορίας ενέργειας που σχετίζονται με blockchain για λογαριασμό των ερευνητών, πρέπει να προσανατολιστεί προς την ανάπτυξη δοκιμαστικών εφαρμογών στην πραγματική ζωή, ιδίως λαμβάνοντας υπόψη την ικανότητά τους να δημιουργούν προστιθέμενη αξία.