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能源领域中区块链技术的应用场景浅析与展望

日期:2021-05-07    来源:中国电力  作者:赖小垚、赖敏榕、傅建钢

能源财经

2021
05/07
11:47
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关键词: 碳交易 区块链技术 分布式能源

编者按

当前,能源与信息技术已进入深度融合的全新时代,特别是能源互联网概念的提出,使得能源发展与信息化技术、分布式能源等有机结合起来,实现各能源子系统之间互联互补。分布式能源,已成为未来全球能源的主要开发方式,是能源互联网的基本要素;区块链的去中心化恰恰契合了分布式能源的特点,能够大幅度降低分布式电力的交易成本,提升交易效率。两者在基本理念、框架设计、运行模式、开放高效等方面,具有不谋而合的相似之处。

目前,区块链技术迅速发展并引起广泛关注,且在金融、物流、公共服务等领域得到了大量应用。

2016年,国务院印发了《“十三五”国家信息化规划》提出,到2020年,“数字中国”建设取得显著成效,信息化能力跻身国际前列。其中,区块链技术首次被列入《国家信息化规划》。

人类能源利用史上主要经历了两次重大能源转型,并由此塑造了不同的国际能源权力结构和能源秩序。随着石油危机和气候环境变化问题的日益突出,第三次能源转型逐步成为现实需求,也是趋势所在。

2017年,国家发展和改革委员会发布了首个国家能源生产和消费革命战略,提出全面建设“互联网+”智慧能源,建设“源—网—荷—储”协调发展、集成互补的能源互联网,建设分布式能源网络,逐步实现能源网络的开放共享。

在此背景下,本文首先介绍区块链的定义和特点,概述当今能源发展趋势,并分析描述区块链与能源发展的共性特征及技术契合点,最后概述区块链技术在能源领域的应用现状,并对区块链技术在能源行业的应用前景进行展望。

一、何为区块链

2008年,比特币的开发者兼创始者——中本聪在其发表的一篇论文中,描述了1种被他称为“比特币”的电子货币及其算法,即为最早的区块链概念或原理的体现。

目前,对于区块链的定义,还没有公认的清晰的定义描述。维基百科将区块链定义为,一个可以用来管理以时间为记录顺序的数据并保证数据不可篡改的分布式数据库,其数据结构是以时间顺序排列的数据块组成,每个数据块都包含了一段时间内的交易信息,并加盖时间戳和指向下一个区块的指针。这个定义,主要强调区块链的数据库属性,其运行机制和规则较为模糊。

2016年10月,工业和信息化部发布的《中国区块链技术和应用发展白皮书(2016)》,将区块链定义为分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术在互联网时代的创新应用模式。该定义指出了区块链的关键技术,但各技术之间如何协同运作未说明。

狭义来讲,区块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合成特定数据结构,并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的去中心化共享总账,能够安全存储简单的、有先后关系的、能在系统内验证的数据;广义来讲,区块链技术是利用加密链式区块结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用自动化脚本代码(智能合约)来编程和操作数据的一种全新的去中心化基础架构与分布式计算范式。上述定义明确了区块链的核心技术以及相互关联机制,是一种去中心化的整体技术框架。

将区块链技术定义为,是基于时间戳的区块+链式数据结构、利用分布式节点共识算法来添加和更新数据、利用密码学方法保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新分布式基础架构与计算范式。

综上,本文认为,区块链在按照时间顺序并相互关联的链式结构数据库架构基础上,利用共识机制为不同节点之间建立信任、验证信息、获取权益、添加更新数据;利用密码学方法为数据传输和访问的安全性提供保障;利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据,是一种全新的解决价值交换的分布式基础架构与计算范式。因此,作为一种底层系统,开发者或应用者可以在其基础上开发各种软件、开拓不同领域的应用。

区块链采用密码学、区块链式结构、共识算法等一系列技术组合,具有去中心化、匿名性、自治性、开放新、安全性等显著特点。

二、能源发展趋势

随着我国能源转型升级的加速、全球气候环境和能源供需格局的变化,能源行业出现了新的挑战和机遇,出现了新的发展趋势。

清洁低碳多元

目前,我国能源结构正由煤炭为主向多元化转变,能源发展动力正由传统能源增长向新能源增长转变,清洁低碳化进程加快。近年来,风电、光伏、生物质能等可再生能源快速发展,天然气利用不断增加,核电加快推动能源结构转型。

2017年,我国能源消费总量达44.9亿吨标煤,同比增长2.9%。能源消费结构不断优化,清洁能源消费占能源消费总量的比重达到20.8%,同比上升1.3个百分点。其中,非化石能源消费占一次能源消费比重达到13.8%。电能占我国终端能源消费比重约24.9%,同比提高约1个百分点。新能源的广泛应用也促进了能源生产的加快转型。2017年,我国一次能源生产总量达到35.9亿吨标煤,同比增长3.6%。其中,化石能源生产占比82.3%,同比下降0.4个百分点,非化石能源生产占比17.3%。我国已成为世界上水电、风电、太阳能发电装机第一大国。

信息化

当前,全球能源紧张形势日益严峻,而生产和生活对能源的需求仍将不断增长。从全球范围来看,利用信息化的手段实现能源的节约、增效、安全保障等已经成为世界各主要国家的共识。

面对能源供给和需求的双重危机,我国也高度重视能源信息化发展。《“十三五”国家信息化规划》中提出,推动信息技术与能源技术融合渗透;利用新一代信息技术,促进能源消耗清洁化;支持采用可再生能源和节能减排技术建设绿色云计算数据中心;实施国家能源管理与监管信息化工程。规划到2020年,能源利用效率显著提升,生产生活方式绿色化水平大幅提升。

智能化

能源智能化是以电力系统为核心,应用先进信息技术实现多种能源融合和高效利用。发电、电网、用电设备和客户智能连接后,可以实时交换信息,通过整合运行、气象、电网、电力市场等数据,实现对整个系统的效率优化和安全调度。

2016年,国家发改委、能源局及工信部联合印发《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》,旨在推动智能化能源生产消费基础设施建设,加快形成开放共享的能源产业发展新形态,为我国未来电力系统智能化创新发展注入新活力。

分布式+互联互补

传统的大电源、大电网的单一运营模式在一定程度上已不能满足当前能源转型的需求。因此,具有利用效率高、环境负面影响小、提高能源供应可靠性、降低损耗、运行灵活和经济效益好等特点的分布式能源迅速发展。天然气分布式冷热电联供、分布式光伏、分散式风电、分布式储能、需求侧响应、分布式可再生能源供热等技术的发展,使得能源转型不断加速。

能源互联网是通过电子、电力、信息等技术,将大量分散的分布式能源连接起来,不仅实现分布式能源的能量采集、上网,以及局域内部的电能输送调配,同时建立了各分布式能源之间、分布式能源与集中式电网之间的互联互通,通过大数据技术及基于信息的智能调控,实现各种能源在整个网络的高效互联、相互补充,扩大清洁能源适用范围,提升整体环保水平。

《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》也提出,探索建设多能源互补、分布式协调、开放共享的能源互联网,构建清洁低碳、高效安全的现代能源体系。

三、区块链技术与能源发展趋势的契合分析

当前,能源与信息技术已进入深度融合的全新时代,特别是能源互联网概念的提出,使得能源发展与信息化技术、分布式能源等有机结合起来,实现各能源子系统之间互联互补。分布式能源,已成为未来全球能源的主要开发方式,是能源互联网的基本要素;区块链的去中心化恰恰契合了分布式能源的特点,能够大幅度降低分布式电力的交易成本,提升交易效率。两者在基本理念、框架设计、运行模式、开放高效等方面,具有不谋而合的相似之处。

区块链能够有效降低信任成本,提高交易效率,且安全可靠;而能源分布式发展趋势已成全球共识,并不断应用信息化手段不断实现互联互补。因此,区块链技术的去中心化、开放共享、自治安全等与能源发展趋势相吻合。区块链运用于能源领域,将有效支撑多类型能源系统的开放互联和多用户的广泛深度参与,通过共同维护可信任的分布式账本,能够实现未来能源交易中能量流、信息流和价值链的有效衔接。

此外,《“十三五”国家信息化规划》提出,推进绿色能源网络发展,构建能源消费生态体系,发展用户端智慧用能,促进能源共享经济发展和能源自由交易。表明顶层设计者已经看到能源与区块链的技术契合点,规划融合发展路线。

四、区块链技术在能源领域应用浅析与展望

应用现状浅析

随着区块链技术的不断升级,以及能源转型的内在需求日益紧迫,区块链技术在能源领域的应用成果或成功案例越来越多,简单整理如下。

(1)能源交易。LO3Energy(分布式能源解决方案供应商)与西门子公司合作成立了“布鲁克林微电网”,让客户能够通过区块链向邻居购买和销售能源,实现“隔墙售电”,构建居民之间安全、自动的P2P能源交易和支付网络。该微网结构系统中,没有中心节点,纯粹是用户和用户之间点对点的交易。微网中的客户,从单一的能源受入端,实现能源流和信息流的双向流动。该项目首次尝试了电力数据货币化的可行性,为区块链在电力交易中的应用起到了很好的示范作用,提供了改进的探寻方向。

2017年,PowerLedger公司在澳大利亚的珀斯市区推出覆盖80个家庭的正式版P2P的太阳能剩余电力交易系统,这是历史上首个交互式的使用区块链的P2P电力交易系统。欧盟Scanergy项目旨在基于区块链系统实现小用户绿色能源的直接交易。电能生产者向配电网输入、售出绿色电能时,配网运营商会进行确认,确认成功后智能合约将会生成相应的虚拟货币并将其提供给绿色电能生产方,以作为奖励。整个交易较为简单,且因为使用虚拟货币,信任度大大提高。

(2)新能源汽车。近年来,面对全球能源短缺和环境污染问题的日益严峻,以美国、日本、欧盟以及中国为代表的国家和地区纷纷开始转型,全球新能源汽车市场快速发展。

当前,区块链技术在新能源汽车行业主要应用于充电网络的管理和运行。日本中部电力有限公司、Nayuta有限公司和infoteria有限公司一起开展了采用区块链技术管理电动及混合动力车的充电履历的充电试验。Nayuta公司开发的对应区块链充电桩与infoteria公司开发的手机应用相结合,将充电数据通过网络记录在区块链上。用户通过手机应用支付代币并激活智能合约,从而开始进行充电,整个过程都被区块链记录。

德国莱茵公司和RWE公司利用巨链数据库推出了一个连接电动汽车车主与充电站的区块链交易平台Share&Charge。其原理是将区块链技术和大数据技术进行整合,建立分布式大容量数据库,在智能合约和分布式账本的技术基础上实现计费透明化和信任化。

(3)碳交易。当前,能源危机和减少碳排放的意识逐渐增强,区块链技术有助于为现有的碳市场提供更大的可信度和规模。

为响应“巴黎气候协定”,加拿大的气候区块链基金会孕育而生,致力于打造连接加拿大碳账户的区块链工具。该基金会致力于建立起一个智能合约协议,利用以太坊技术,实现适应全球各国使用的规模。该基金会开发了一种名为“唯一可调换代币”的新型代币草案规范。代币包含每个项目碳积分的唯一信息,比便于验证碳积分额的真实性,同时代币可用于交易,从而创造碳积分的市场流动性。

2018年4月,IBM公司与中国能源区块链实验室一起宣布要打造全球首个区块链“绿色资产管理平台”,来支持低碳排放技术。这个平台将使企业可以持续有效地产生碳资产,促进参与者的合作,并促进信息共享和透明化,缩短整个碳资产的开发时间周期。

应用前景展望

随着区块链技术的不断进步和能源转型的加速,未来区块链技术在能源领域的应用将不断深入和多元:

(1)能源规划。未来分布式能源将更加广泛的开发和接入到能源系统网络,节点呈数量级的增长,且交易和结算易发频繁,对能源系统规划提出了更高的要求。区块链技术的去中心化、可信任、公开透明、开放共享可以为未来能源规划提供基本理念和框架设计,以更好的适应未来能源发展形势。

(2)能源项目评估。区块链采用基于协商一致的规范和协议,任何人为的干预都不起作用。在可再生能源项目评估的繁杂工作中,区块链技术将有助于检验项目来源是否符合可再生能源相关法律法规,也可以根据平均市场价格对能源进行计价。

(3)智慧能源城市。智慧能源城市是应用互联网、物联网等新一代信息技术对能源的生产、存储、输送和使用状况进行实时监控、分析,并在大数据、云计算的基础上进行实时检测、报告和优化处理,以提升资源运用的效率,优化城市管理和服务。可利用区块链技术形成最佳状态的、开放的、透明的、去中心化和广泛自愿参与的综合管理系统,并利用这个综合管理系统获得的一种新的能源生产及利用形式。

五、结语

当今能源发展趋于分布开发、自由交易,与区块链的相关理念相吻合。本文首先介绍了区块链的概念和技术特点;其次总结能源发展趋势;之后分析区块链技术和能源发展趋势的契合点;最后总结区块链技术在能源领域的应用实例,提出相关方面的应用前景。

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