Blockchain v energetickom sektore – výzvy a príležitosti

Technológia blockchain púta čoraz väčšiu pozornosť a často sa uvádza ako sľubná technológia, ktorá by mohla priniesť výrazné výhody a inovácie v energetickom sektore. Britské národné stredisko pre integráciu energetických systémov (financované EPSRC) v spolupráci s veľkými priemyselnými partnermi (Siemens) spracovalo a nedávno uverejnilo jeden z prvých akademických výskumných materiálov, ktorý vypracovali odborníci a ktorý skúma výzvy a príležitosti blockchainu v oblasti energetických aplikácií. Výskumné úsilie viedli akademici zo skupiny Smart Systems Group na Heriot-Watt University.
Blockchain v energetickom sektore – výzvy a príležitosti

Tento dokument dôkladne prehodnotil 140 iniciatív a začínajúcich výskumov v oblasti blockchainu v širokom spektre vrátane decentralizovaných trhov s energiou a miestnej energetickej komunity, financovania a obchodovania s obnoviteľnými zdrojmi energie, aplikácií IoT a EV. Projekty boli systematicky klasifikované do rôznych skupín podľa ich aplikačnej oblasti, implementačnej platformy a použitej konsenzuálnej stratégie. V dokumente sa uvádza, že blockchain by potenciálne mohol priniesť výhody v rámci celej energetickej trilémy: zlepšiť energetickú dostupnosť znížením nákladov a efektívnosť v celom energetickom dodávateľskom reťazci, zlepšiť energetickú a kybernetickú bezpečnosť a stimulovať nízkouhlíkové energetické projekty a aplikácie inteligentných sietí. V článku sa diskutovalo aj o technických výzvach, ktoré predstavuje technológia blockchain, a o oblastiach zlepšenia, ako sú požiadavky na zlepšenie energetickej účinnosti, rýchlosť transakcií a škálovateľnosť. Táto technológia môže byť prelomová, pretože spochybňuje tradičné spôsoby prevádzkovania energetických systémov, a preto vyžaduje zásadné regulačné zmeny.

Tieto a ďalšie kľúčové zistenia príspevku boli nedávno predstavené v rámci webinára spoločnosti IEEE Smart Grid Society. V nasledujúcom rozhovore odpovedajú Merlinda Andoni a Valentin Robu z Herrion-Watt University na otázky zo svojho webinára, ktorý sa uskutočnil v júli tohto roku.

Merlinda Andoni
Je výskumnou pracovníčkou na Heriot-Wattovej univerzite, ktorá pracuje pre Národné centrum pre integráciu energetických systémov (CESI) v Spojenom kráľovstve. Súčasťou jej výskumu je skúmanie technológie blockchainu ako prostriedku umožňujúceho prechod na nízkouhlíkovú energiu a modelovanie systémov s viacerými agentmi pre decentralizované energetické systémy. V minulosti pracovala ako energetická konzultantka pre projekty obnoviteľnej energie v Grécku a získala cenu Academic Young Professionals Green Energy Award 2018. M. Andoni je študentkou IEEE, PES, Smart Grid Society a členkou Gréckej technickej komory.
Valentin Robu
Je docentom na Heriot-Watt University v Edinburghu, kde je spoluzakladateľom skupiny Smart System Group, a výskumným spolupracovníkom v Centre for Collective Intelligence Group na MIT. Jeho výskumné záujmy pokrývajú distribuované systémy umelej inteligencie, systémy s viacerými agentmi a ich aplikácie v rôznych oblastiach, najmä v oblasti inteligentných energetických systémov, logistiky, monitorovania majetku a robotiky. Je vedúcim alebo spoluriešiteľom v niekoľkých rozsiahlych projektoch v Spojenom kráľovstve vrátane integrácie národného systému (CESI), znižovania dopytu po energii v Indii (CEDRI), systémov včasného varovania v sieti (NCEWS), siete ORCA (Offshore Robotics for Certification of Asets).

Ako sa implementujú mechanizmy konsenzu? Sú programy mechanizmov konsenzu vykonávané Ethereom alebo inými platformami automaticky?

Na úvod si najprv povedzme, čo je to konsenzus. Je to vlastnosť blockchainu, v rámci ktorej vidí každý účastník rovnakú, úplne usporiadanú množinu platných (validných) záznamov a blokov. Algoritmus sa stará o to, aby sa vybrali iba transakcie, ktoré sú v rámci daného usporiadania validné, a tiež zaisťuje, že je veľmi ťažké zmeniť jeden alebo viac minulých blokov a záznamov, čím sa má zabezpečiť nemennosť záznamov. Platformy blockchainu, ako napríklad Ethereum, majú vlastné algoritmy konsenzu a mnoho projektov ich aktuálne používa. Napríklad Ethereum a ďalšie platformy blockchainu aktuálne používajú konsenzuálny algoritmus „dôkaz prácou“ (proof of work), avšak vývojári Etherea chcú prejsť na algoritmus „dôkaz vkladom“ (proof of stake); Tendermint implementuje algoritmus Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) založený na hlasovaní validátorov o stave transakcie atď. Implementácia a kód týchto konsenzuálnych mechanizmov a všeobecne operačných protokolov blockchainových systémov vrátane akýchkoľvek zmien parametrov zdrojového kódu sú odsúhlasené komunitou platformy a potom vykonané automaticky. Kto sa v zásade hlási k otvorenosti systému blockchain? Pokročilejšie projekty vedené spoločnosťami, ktoré často vyvíjajú svoju vlastnú platformu s vlastným konsenzom, niekedy s vlastnou kryptomenou atď.

Je nepochybné, že v záujme bezpečnosti musíme uchovávať naše údaje o elektrickej energii v súkromí pred inými nedôveryhodnými subjektmi. Na seminári ste uviedli, že si môžeme vybrať iba povolený blockchain. Týmto spôsobom však možno do siete priniesť jeden alebo viac dôveryhodných tretích subjektov, čo porušuje zásadu blockchainu.

Systémy blockchain umožňujú účasť známych, dôveryhodných uzlov alebo čiastočne dôveryhodných uzlov. V príklade, na ktorý sa pýtate, by sa na obmedzenie prístupu k súkromným údajom spotrebiteľov vyžadoval povolený systém blockchain. Vo verejnom blockchaine má ktokoľvek prístup do denníka histórie všetkých transakcií alebo údajov v systéme, čo znamená, že zachovanie súkromia v takomto prostredí musí byť zabezpečené inými technikami, ktoré umožňujú anonymitu. Treba poznamenať, že povolený systém blockchain nie je to isté ako centrálny sklad informácií alebo centrálne riadená databáza.

Zoberme si napríklad blockchain aplikovaný na komunitný energetický projekt, kde domy s dopytom, solárne panely, batérie atď. (t. j. spotrebitelia) obchodujú svoju energiu prostredníctvom platformy blockchain pripojenej k inteligentným meračom. Strany v takom systéme nemôžu byť úplne anonymné, ako napr. peňaženky v kryptomenovom systéme, ktoré môže otvoriť každý bez odhalenia svojej identity. V skutočnosti je možné, že niektoré peňaženky patria jednotlivcom, ktorí sa zaoberajú trestnou činnosťou, ale neexistuje spôsob, ako ich identifikovať. Často sú chytení len vtedy, keď sa snažia vymeniť svoju kryptomenu za peniaze alebo zapojiť do výmen. V komunitárnom energetickom systéme sa nemôže ktokoľvek pripojiť, pretože táto sieť má topológiu, geografické obmedzenia a v podstate je známe miesto každého inteligentného merača v distribučnej sieti. Spotrebitelia môžu obchodovať priamo medzi sebou decentralizovaným spôsobom, bez sprostredkovania zo strany spoločnosti alebo úradu pre verejnú službu, často sa však nevyžaduje absolútna anonymita a voľný prístup kohokoľvek (ako v systéme kryptomeny). Toto je príklad povoleného systému blockchain s obmedzeným prístupom k členom. V takomto prostredí majú blockchainy stále veľmi atraktívne vlastnosti, ako napríklad odhaliť neserióznosť, bránia dvojitému započítaniu (nemôžete predať rovnakú energiu dvom susedom súčasne, pretože to môže overiť protokol transakcií odolný proti neoprávneným zásahom), nemôžete pridať falošné transakcie, napríklad platby za nedodanú energiu. Technológia blockchain dosahuje tieto vlastnosti bez ústredného orgánu na presadzovanie pravidiel. Obchodné a zmluvné záväzky sa namiesto toho presadzujú prostredníctvom samotného kódexu a prostredníctvom decentralizovaných inteligentných zmlúv.

Aký je súčasný štandard rýchlosti generovania blokov? Podľa odborných zdrojov sa uvádza údaj 10 minút/blok. Existujú normy alebo usmernenia týkajúce sa rýchlosti generovania? Uveďte príklady, ak je to možné.

Priemerná rýchlosť generovania 10 minút/blok sa týka konkrétne bitcoinového systému, ktorý používa mechanizmus konsenzu proof of work. Obtiažnosť matematickej hádanky, ktorú musia ťažiari riešiť, je nastavená tak, aby sa priemerne jeden blok validoval = generoval približne každých 10 minút. V iných systémoch, ako je napríklad Ethereum, je priemerný čas blokovania omnoho rýchlejší a dosahuje rýchlosť 15 až 20 sekúnd (https://etherscan.io/chart/blocktime). Rýchlosť generovania preto nie je absolútnym pravidlom a záleží na konkrétnej implementácii systému (nedá sa povedať, že neexistuje „štandardná rýchlosť“ ako taká, pokiaľ neuvádzate konkrétnu implementáciu systému blockchain, ako je bitcoin). Existujú projekty energetického blockchainu zamerané na zúčtovanie a vykonanie takmer v reálnom čase, napríklad testovacia sieť Tobalaba vybudovaná nadáciou Energy Web Foundation, kde sa rýchlosť generovania bloku pohybuje medzi 3 a 10 s.

Aký rýchly je tento proces? Dokáže sa blockchain priblížiť fungovaniu v reálnom čase?

Rýchlosť transakcie a rýchlosť generovania bloku závisia od technických charakteristík systému blockchain, ako je veľkosť bloku a typ distribuovaného konsenzuálneho algoritmu. Všeobecne povedané, blok je najprv navrhnutý/vygenerovaný a následne je prijatý ostatnými členskými uzlami. Posledný uvedený je známy proces, ktorý sa nazýva dosiahnutie konsenzu. Okrem toho sa blok po určitom čase (v závislosti od konsenzuálneho algoritmu) stane trvalou súčasťou blockchainu, t. j. dosiahne konečnosť. V prípade bitcoinov sa blok generuje v priemere každých 10 minút a „dosiahne konečnosť“ približne za hodinu (všimnite si, že štatisticky stále existuje malá šanca na obrátenie bloku, buď pre rozdelenie celého systému, alebo útok). Iné systémy ako Ethereum alebo Tobalaba majú oveľa kratší čas (niekoľko sekúnd), a preto sú bližšie k dosiahnutiu uzavretia dohody približne v reálnom čase.

Ktorý algoritmus je pre energetické spoločnosti najlepší? Líši sa to aj podľa toho, či ide o distribučnú spoločnosť alebo spoločnosť poskytujúcu služby koncovým zákazníkom?

Podľa nášho názoru by energetické spoločnosti uprednostnili väčšiu kontrolu nad platformou blockchain a boli by prirodzene priťahované k riešeniam súkromných/povolených blockchainov, ktoré môžu byť flexibilnejšie, energeticky účinnejšie a nevyžadujú fungovanie algoritmov typu proof of work. Z rovnakých dôvodov by prevádzkovatelia distribučných sietí tiež prirodzene uprednostňovali povolené blockchainy. Systémy blockchainu sa môžu líšiť, ale môžu byť aj rovnaké, založené na obchodných dohodách medzi rôznymi zúčastnenými stranami. Jeden z príkladov platformy blockchain, ktorý je určený najmä pre aplikácie energetického systému a zainteresované strany energetického systému, vyvíja združenie Energy Web Foundation.

Odporúčali by ste blockchain aj vtedy, ak by účastníci obchodu nemali problém so vzájomnou dôverou?

Odpoveď na túto zaujímavú otázku závisí od toho, čo sa myslí dôverou, ale aj od konkrétnej uvažovanej aplikácie. Pri niektorých aplikáciách decentralizovanej povahy môže dôjsť k tomu, že dôveryhodní sprostredkovatelia nemusia byť schopní nájsť alebo zvyšovať náklady a že viaceré subjekty musia mať prístup a možnosť zapisovať do zdieľanej knihy transakcií/databázy. Okrem dôvery môžu mať blockchainové systémy aj ďalšie výhodné vlastnosti, ako sú transparentnosť, bezpečnosť a ochrana pred neoprávneným zásahom, ktoré treba zohľadniť pri hodnotení potenciálu technológie. No ak pre niekoho nie je dôvera témou dňa a obchodným partnerom a transakciám dôveruje, v súčasnosti by mohli byť nákladovo efektívnejšie a ľahšie implementovateľné iné (zavedené) riešenia, ako napríklad relačné databázy a iné technológie.

Myslíte si, že v lokálnej energetickej aplikácii môže byť blockchain nápomocný, ak nemáme podrobnú prognózu dopytu, povedzme až na úroveň spotrebiča? Poznáte nejaký obchodný model takejto aplikácie?

Otázka podrobnosti údajov a presného predpovedania (pre dopyt aj pre miestnu výrobu) je rozhodujúca pre úspešné uplatňovanie technológií blockchainu na miestnych trhoch s energiou a pre dosiahnutie sľúbených výhod. Podrobnosť údajov je tiež rozhodujúca pre určenie správnych technických vlastností systému blockchain, pokiaľ ide o vhodný čas generovania bloku, konečnosť atď. Málo podrobné údaje by potenciálne vyžadovali väčšiu požiadavku na ukladanie údajov a transakcií do blockchainov, čo by mohlo spôsobiť problémy so škálovateľnosťou. Údaje o spotrebičoch by sa bezpochyby vyžadovali napríklad v aplikáciách internetu vecí alebo pri obchodovaní medzi inteligentnými zariadeniami v inteligentných systémoch riadenia spotreby energie v domácnosti. Väčšina projektov na obchodovanie s energiou P2P, ktoré sme preskúmali, sa doteraz zameriavala na obchodovanie medzi domácnosťami, a preto sa zaoberala súhrnnými údajmi o dopyte a výrobe domácností.

Pokiaľ ide o riadenie strát, či už technických alebo netechnických, aký je váš názor na túto oblasť? Je podľa vás užitočné zaoberať sa tým? Vedeli by ste uviesť nejaké príklady z projektov?

V odbornej literatúre, ktorú sme sledovali aj v rámci prípravy nášho webinára, sme našli prípady použitia, ktoré by potenciálne mohli viesť k efektívnejšiemu hospodáreniu so stratami, technickými aj netechnickými. Ak strata znamená stratu energie, technológia blockchain má potenciál ich minimalizovať tým, že umožňuje obchodovanie na P2P na miestnych trhoch, ktoré dokážu lepšie prispôsobiť ponuku dopytu na miestnej úrovni z lokálnych zdrojov, čo nevyžaduje prenos elektrickej energie na veľké vzdialenosti, pri ktorých dochádza k stratám energie vo vedeniach. Okrem toho v súčasnosti veľká časť ceny za energiu predstavuje poplatky za prenosové/sieťové náklady. Lepšie riadenie na miestnej úrovni by preto mohlo viesť k nižším účtom za energiu. Ďalšie straty v systéme sa môžu týkať neefektívnej výroby elektrickej energie či fungovania samotných trhov s energiou, nedostatku transparentnosti a spoliehania sa na tretie strany, ktoré spôsobujú zbytočné náklady.

Kto v súkromnom blockchaine dáva oprávnenie používateľom, ktorí sa chcú pripojiť k sieti súkromných blockchainov, a ako si v tomto prípade navzájom dôverujeme? Zdá sa, že v súkromnom blockchaine by mal byť centralizovaný operátor.

V prípade súkromného blockchainu musí byť prístup (na čítanie a zápis) schválený na rozdiel od verejného blockchainu, kde sa ktorýkoľvek používateľ internetu môže pripojiť k sieti blockchain ako členský alebo overovací uzol. Prístup sa môže udeliť automaticky podľa protokolových pravidiel systému, ktoré by teoreticky mohol určiť centrálny operátor alebo viacero uzlov, ktoré systém spoločne spravujú. Súkromný blockchain preto nie je nevyhnutne spravovaný ústredným operátorom, ale skôr by ho spravovalo konzorcium uzlov.

Blockchain môže pomôcť znížiť spotrebu energie a vyrábať elektrinu inteligentnejším spôsobom, ale koľko energie sa spotrebuje na prevádzkovanie blockchainu (počítačové servery + telekomunikačná sieť + zariadenia koncového používateľa)?

Realizácia vízie „inteligentnej siete“ a efektívnejšia správa energetických systémov budú pravdepodobne vyžadovať zavádzanie nástrojov na analýzu údajov a výpočtových, komunikačných a riadiacich zariadení. Takéto inteligentné zariadenia a systémy nevyhnutne zavádzajú nové energetické požiadavky na svoju prevádzku. Podobne by, vďaka svojmu decentralizovanému charakteru, aj blockchainové systémy skutočne zvýšili spotrebu energie z inteligentných zariadení a nových funkcií. V súčasnosti však nemožno poskytnúť presnú predpoveď toho, koľko energie by bolo potrebnej na prevádzkovanie takýchto systémov. Závisí to od aktuálnej architektúry systému, technických vlastností, algoritmu konsenzu a vývoja samotnej technológie. Technológia blockchain pritiahla negatívnu mediálnu publicitu z hľadiska spotreby energie potrebnej na zachovanie bezpečnej prevádzky systému. Je však dôležité poznamenať, že takéto správy sa týkajú energeticky náročných mechanizmov proof of work, ktoré používa bitcoin. Ako uvádza dostupná literatúra, blockchainová komunita trvale vyvíja ďalšie riešenia, ktorých cieľom je zabrániť zbytočnému plytvaniu energiou.

Znamená to, že v malej komunite, ktorá využíva blockchain na vyrovnanie výroby/spotreby energie, musia byť aj ťažiari? V opačnom prípade, keď dôjde k poklesu napájania či výpadku internetu, ako udržia blockchain aktívny?

V zásade nie je potrebné, aby sa ťažiari/validátori nachádzali v komunite. Transakcie môžu byť napríklad overované uzlami vo verejnom Ethereu alebo v inom systéme. Bolo by však rozumnejšie, ak by validátori predstavovali skutočné fyzické uzly v systéme, najmä v prípade, keď sa systémy blockchain vyvíjajú pre miestnu aplikáciu. Ako už bolo uvedené v predchádzajúcich otázkach, mnoho protokolov blockchainu by tiež mohlo umožniť iné spôsoby dosiahnutia konsenzu o informáciách uložených v nových blokoch namiesto toho, aby sa vyžadovala energeticky náročná ťažba.

Ako možno získať trhovú zúčtovaciu cenu v prostredí blockchainu, ktorá sa zvyčajne získa riešením problému optimálneho toku energie centralizovaným operátorom?

Blockchainy síce umožňujú uzatvárať decentralizované peer-to-peer inteligentné zmluvy, ale neodstraňujú potrebu vyriešiť problém s optimálnym tokom energie (OPF), nekontrolujú obmedzenia siete, ktoré transakcie sú uskutočniteľné, a neriešia ani obmedzenia kapacity vlastnej energetickej siete, napäťové hranice atď. Podľa nášho názoru je spojenie tohto fyzického aspektu s transakčnou/zmluvnou vrstvou kľúčovou výzvou pre implementáciu blockchainov v energetických systémoch, pričom mnoho projektov o tom začalo premýšľať. Po druhé, otázka zúčtovacích cien na trhu implicitne predpokladá existenciu mechanizmu centralizovaného zúčtovania trhu, kde sa zúčtujú všetky ponuky na výrobu a dopytu. Mohol by to byť obchodný formát (a mohol by sa implementovať na blockchaine, aj keď to vyžaduje subjekt zúčtovania medzi centrami/trhmi) alebo obchodovanie by sa mohlo zakladať výlučne na inteligentných zmluvách typu peer-to-peer, teda na dvojstranných dohodách. To je veľmi zaujímavý problém a je to rozhodujúca voľba, ktorú musia urobiť vývojári špecifického projektu v oblasti prenosu energie využívajúcej blockchainy.

Vráťme sa ešte k už spomínanému algoritmu PBFT. Ktoré krajiny pracujú na tejto iniciatíve?

PBFT je skratka pre Practical Byzantine Fault Tolerance a predstavuje distribuovaný konsenzuálny algoritmus, ktorý funguje lepšie v dôveryhodnejšom prostredí a je založený na hlasovaní na overenie platnosti blokov. Pri PBFT sú transakcie jednotlivo overované a podpísané známymi uzlami validátora. Pri dosiahnutí vopred stanoveného počtu hlasov je blok akceptovaný a dosiahol sa konsenzus. Aby PBFT fungoval, musia sa správať čestne aspoň 2/3 uzlov validátora. PBFT dokáže byť energeticky efektívny, má však problémy so škálovateľnosťou, pretože je založený na zasielaní správ medzi uzlami, čo môže znamenať veľké zaťaženie pre veľký počet uzlov. V blockchainových systémoch už dnes pracuje niekoľko krajín, pričom väčšina projektov je zrealizovaná v Európe. Naša štúdia Technológia blockchainu v energetickom sektore: systematické preskúmanie výziev a príležitostí obsahuje veľké množstvo takýchto projektov. Ďalšie informácie o stave blockchainových projektov možno nájsť aj v štúdiách Medzinárodnej agentúry pre obnoviteľné zdroje (IRENA) alebo SolarPlaza.

Zdroj: IEEE Smart Grid. [online]. Dostupné na: http://smartgrid.ieee.org, https://resourcecenter.smartgrid.ieee.org/interviews/SGINT0138.html