Comunicación presentada al VII Congreso Smart Grids
Autor
- Jesús Rodríguez-Molina, Profesor Ayudante Doctor, Universidad Politécnica de Madrid
Resumen
Se propone la utilización de un sistema basado en blockchain para la transferencia de electricidad por medio de contratos inteligentes que son ejecutados sobre una cadena de bloques entre dos partes de cualquier tipo de tamaño en la que no es necesario un bróker o ningún otro intermediario, al tener los participantes del sistema toda la información del coste de las anteriores transacciones. De esta forma se puede contar con un registro de intercambios complemente reproducible, irreversible y escalable. El sistema propuesto abre además una vía para comerciar con energía mediante la tokenización de las instalaciones basadas en energías renovables en caso de que no sea posible poseer dichas instalaciones de forma local.
Palabras clave
Blockchain, contrato inteligente, tokenización
Antecedentes
La red eléctrica ha experimentado cambios significativos durante los últimos treinta años en términos de liberalización, fuentes de energía y facturación. El auge de nuevos servicios como el flujo óptimo de energía u Optimal Power Flow (Lin et.al, 2017), respuesta a la demanda o Demand Response (Yang et. Al, 2018) y la gestión del lado de la demanda o Demand Side Management (Corbett et. Al, 2018) junto con las tecnologías para la generación y almacenamiento de energía (específicamente, Recursos Energéticos Distribuidos) hacen posible contar con más y más barata energía, si bien a costa de obtener esa energía adicional bajo circunstancias variables e inciertas.
La red eléctrica podría convertirse así en una Red Eléctrica Inteligente de pleno derecho, la cual podría ser utilizada como herramienta para posibilitar el acceso generalizado a la energía de forma descentralizada y bidireccional que incluya a los pequeños productores. De hecho, haría posible para los usuarios finales no sólo obtener energía de una manera más barata y respetuosa con el medio ambiente, sino también intercambiar su energía entre los miembros de una comunidad en la que todos puedan participar con sus propios recursos. Por tanto, los usuarios finales pueden convertirse en prosumers, capaces de producir, almacenar y consumir electricidad (Graber et. Al, 2017, Nazari et. al, 2014) y, si es necesario, añadir energía a la red o utilizarla bajo un modelo peer-to-peer (Paudel et. al, 2019).
Sin embargo, las mejoras que han tenido lugar hasta ahora no implican un auténtico cambio de paradigma en la estructura general de producción y distribución de energía. En general, la electricidad se sigue transmitiendo, en su mayor parte de forma unidireccional desde las instalaciones donde se produce hasta los hogares, fábricas y edificios donde se consume. La generación de electricidad bajo este paradigma también se caracteriza por ser muy centralizada, ya que se basa en un conjunto relativamente pequeño de empresas que se ocupan de la generación y distribución, y una gran cantidad de usuarios finales comparativamente pequeños que consumen la energía producida.
Esto deja a los usuarios finales fuera del proceso de toma de decisiones sobre cómo mejorar sus hábitos de almacenamiento y consumo de energía. Además, la infraestructura utilizada para transmitir electricidad (generalmente proporcionada por la red de distribución comandada por los Operadores del Sistema de Distribución (DSO) y por uno o varios Operadores de Sistemas de Transmisión (TSO) si la transmisión se va a realizar a través de un área grande que incluso abarcara diferentes países), no está preparada para el comercio de electricidad entre pares con la capacidad de establecer reglas entre ellos al estilo de contratos tradicionales.
Esto se debe a que las conexiones basadas en datos requieren que cualquier información sobre intercambios de energía que tengan lugar entre las partes involucradas se conozca con bastante anticipación y en un patrón predecible, en caso de que la red tenga dificultades para transferir la energía o el precio tenga que ser ajustado para reflejar el equilibrio entre oferta y demanda. Por tanto, desde el punto de vista técnico, hay dos grandes retos a resolver:
- Integración de prosumers en la red eléctrica. Tener un conjunto de recursos energéticos distribuidos integrados en el sistema eléctrico es un añadido deseable a la red eléctrica debido a los beneficios que puede ofrecer: a) la energía proporcionada se puede utilizar para alimentar un número adicional de cargas, lo que ayuda a incluir dispositivos y maquinaria empleable para mejoras en actividades económicas. Además, esta integración b) haría responsables a los prosumers de la parte de la electricidad utilizada por las cargas, lo que permitiría que otras partes involucradas en el sistema ahorren sus propios recursos y evitaría tener que utilizar una autoridad centralizada. Otro beneficio añadido es que c) la energía se puede almacenar y vender cuando sea más adecuado para los pequeños productores. Finalmente, d) los Recursos Energéticos Distribuidos instalados en las ubicaciones de los prosumers hacen comúnmente uso de energías renovables, ya que tienden a basarse en infraestructura solar y eólica, en lugar de carbón o petróleo como combustible, lo que contribuye de manera significativa a contener el cambio climático y la reducir la liberación de dióxido de carbono a la atmósfera.
- Integración de flujos de datos a través de infraestructuras de gran escala. Otro problema importante al que se enfrenta la red eléctrica es cómo hacer posible la transferencia de información sobre transacciones de energía entre redes siempre que estas transacciones se acuerden más allá de las fronteras nacionales de un país. Como menciona la Comisión Europea respecto a una posible unión energética en la Unión Europea, “La estrategia de la unión de la energía […] se centra en impulsar la seguridad energética, crear un mercado energético interno completamente integrado, mejorar la eficiencia energética, descarbonizar la economía, sobre todo mediante el uso de más energías renovables, y apoyar la investigación, innovación y competitividad”. Además, la Comisión Europea también describe que la construcción de una unión energética es un aspecto clave para la propia UE, citando “un mercado energético interior totalmente integrado, que permita el libre flujo de energía a través de la UE a través de una infraestructura adecuada y sin barreras técnicas o reglamentarias”. El principal desafío en este caso es construir una metodología de comunicación de datos que posibilite la coordinación en este sistema.
Afortunadamente, existen herramientas relacionadas con los sistemas distribuidos y ciberfíscios que pueden ser utilizadas para conseguir los objetivos de integración e prosumers y los flujos de datos a gran escala. Por un lado, la utilización de blockchain supone una manera de incluir datos de transacciones en un sistema estilo peer-to-peer sin una autoridad superior centralizada. Los principios tecnológicos utilizados por blockchain son soluciones basadas en criptografía: una cadena de verificaciones y firmas digitales que une bloques con cada transacción de datos que se realiza dentro de un sistema distribuido.
Estos procedimientos permiten almacenar de forma extremadamente segura datos sobre las transacciones energéticas, ya que la blockchain utilizada en el proyecto brindará seguridad y redundancia. También se utilizará para realizar cualquier tipo de evaluación del sistema, ya que es posible realizar una auditoría transparente de las transferencias de energía realizadas en la red eléctrica. La existencia de blockchain hace posible una mayor integración de las partes involucradas en la red eléctrica, ya que aquellos nodos dentro de la red comparten la información sobre qué transacciones han tenido lugar antes y qué entidades han producido o consumido cantidades específicas de recursos.
Por otra parte, la utilización de blockchain también hace posible la elaboración y publicación de contratos inteligentes. Un contrato inteligente permite validar transacciones utilizando los mismos parámetros que se usarían en un contrato convencional, pero con los detalles formando parte del código a ejecutar, de tal forma que se elimina cualquier tipo de ambigüedad. Las reglas más adecuadas para el uso de la electricidad se integrarán como parte del sistema implementado, y los usuarios finales o los prosumers no tendrán que considerar ningún proceso de configuración, ya que estará incluido en los contratos.
También pueden estar presentes otros parámetros que muestran el grado de tolerancia que los prosumers están dispuestos a aceptar para hacer frente a imprevistos (por ejemplo, carga inesperada o uso de electrodomésticos) que pueden requerir el uso de energía de forma inesperada y hagan necesario la ejecución de sanciones.
Descripción de la solución
La solución que se plantea en este caso es la de utilizar un sistema distribuido basado en contratos inteligentes que son ejecutados por encima de una blockchain de la que participan todos los nodos del sistema. Por “sistema” debe entenderse el sistema distribuido formado por todos los prosumers que están conectados a la red eléctrica y que están dispuestos a implicarse en operaciones de compraventa de electricidad en base a la que son capaces de producir mediante el uso de sus propias fuentes de energía.
Tradicionalmente, dichas fuentes de energía se han planteado como instalaciones de reducido tamaño cuya localización estaba cerca de donde se encuentra el prosumer (por ejemplo, paneles fotovoltaicos en una casa). Por desgracia, a menudo sucede que las personas interesadas en participar en la compraventa de electricidad no tienen la capacidad de hacerlo porque el lugar en el que residen o el negocio que poseen no es el más adecuado para tener instalaciones propias de fuentes de energía renovables. Sin embargo, es posible resolver este problema mediante la tokenización de instalaciones para producir energía renovable (Belmoubarik et. al, 2012).
Lo que se plantea con esta solución es que los usuarios finales sean capaces de tener la propiedad de las instalaciones que produzcan energías renovables divididas de acuerdo con el esfuerzo presupuestario que haga cada uno de ellos. Cada cantidad de tokens que un prosumer posea indicará un porcentaje de la instalación correspondiente que se encuentra en su posesión, de tal manera que los beneficios que se produzcan derivados de su explotación serán asignados de manera proporcional a los usuarios finales (que una vez que poseen una parte de las instalaciones para producir energías renovables se habrán convertido en prosumers) cuyas aportaciones de capital sean mayores.
De esta forma, un prosumer puede disponer de instalaciones para inyectar a la red electricidad de origen renovable, aunque no se encuentren físicamente en el mismo lugar en el que dicho prosumer reside (de hecho, se podrían encontrar en cualquier parte del mundo, siempre y cuando se establezca con claridad dentro del sistema que posee una parte de la propiedad de las mismas). Se debe resaltar que, en este contexto, un token es una unidad abstracta que indica una cantidad porcentual de la propiedad de un bien; no hay nada que impide que esos tokens sean la divisa en la que cada país opera (euros, libras, coronas, dólares).
La proporción en la que un determinado prosumer es dueño de una parte de los recursos utilizados para producir energías renovables puede determinar otras características del sistema, tales como qué nodos van a realizar la validación de cada una de las transacciones. Por ello, a la hora de validar las transacciones que suceden en la red montada en el sistema se utilizaría un algoritmo basado en Proof-of-Stake (prueba de participación).
En un algoritmo de este tipo, la validación de los bloques que contienen transacciones es realizada por aquellos nodos que han puesto una cierta cantidad de tokens en depósito dentro de un contrato inteligente desplegado en la red, la cual es inferior a los beneficios que se obtendrán por validar dicho bloque. Cuando un bloque (con sus consiguientes transacciones) es validado, el validador que ha acuñado el nuevo bloque recibirá como recompensa los costes asociados a las transacciones.
De intentar hacer una validación fraudulenta, el validador sería detectado por la red, su depósito de tokens reducido o eliminado y perdería el derecho a ser un validador en el futuro. Así, el algoritmo Proof-of-Stake es de gran utilidad para este sistema porque es consistente con la idea de que el prosumer que tenga más tokens (de manera efectiva, unidades de propiedad del sistema o divisas) sea el que más se beneficios reciba de las operaciones de compraventa de electricidad. La información que puede ser introducida en los contratos inteligentes es muy variada e implica no sólo precios y cantidades de energía, sino características que pueden estar asociadas al origen de la electricidad, tales como a) su origen renovable, b) el tipo de tecnología que ha sido utilizada para obtenerla o c) los costes asociados a su obtención y transporte.
Finalmente, se debe tener en cuenta que un sistema basado en el intercambio de electricidad entre pares que utilice blockchain para la información relacionada con las transacciones puede ser fácilmente escalado a un ámbito que vaya más allá del puramente nacional. Una cadena de bloques únicamente necesita como infraestructura una red de comunicaciones basada en el protocolo de Internet a fin de transmitir los datos necesarios por todo el sistema distribuido que es desplegado. En consecuencia, es posible que redes de pares puedan intercambiar electricidad por toda Europa o incluso en áreas mayores, siempre y cuando el marco regulatorio lo permita. Un caso de uso del sistema en todas sus capacidades (representado en la Figura 1) se puede describir de la siguiente manera:
- Cada uno de los prosumers del lado de la oferta que desee participar en el comercio de electricidad generará un contrato inteligente que contiene los detalles y parámetros sobre el comercio que el prosumer está dispuesto a realizar. Este contrato inteligente también incluirá a) información sobre el grado de demanda y oferta de energía que el prosumer puede aceptar y b) información sobre sus propias características y necesidades de demanda potencial, en caso de que se produzca una operación futura en la que la oferta se convierta en la demanda. Se incluirán los diferentes niveles de potencia, precios y horarios del día, o incluso quién recibirá la energía transferida en el sistema. Puede suceder que para ejecutar el contrato se necesite una cantidad extra de energía, o que se produzca un exceso de electricidad; ese tipo de desequilibrio se resolverá a nivel de TSO.
- Alternativamente, los prosumers pueden poseer fuentes de energía renovable que se encuentran lejos de donde viven, o también podría suceder que poseen tokens pertenecientes a dichas instalaciones (por ejemplo, parte de la producción de energía en una granja solar ubicada en una zona desierta donde no existen viviendas), mientras que al mismo tiempo quieren participar en el comercio de energía para obtener ganancias. En este caso, también es posible su participación en los intercambios, siempre que suscriban contratos inteligentes con las entidades intermedias que se extenderán desde la ubicación de las fuentes de energía renovables del prosumer hasta el agregador presente en el sistema, que enviará los datos al DSO o al TSO, dependiendo del tamaño de los recursos disponibles o la cantidad de energía que se planea comercializar. Esto es posible debido a que el extremo de la demanda recibirá la electricidad comercializada de la misma manera, independientemente de que tenga un origen local o remoto.
- Los contratos inteligentes redactados por los prosumers serán transferidos al agregador ubicado en el lado de la oferta, que recopila todos los datos de cada uno de ellos y redacta un nuevo contrato inteligente que contiene toda la información. Etapa se ha contemplado como parte del caso de uso que está siendo descrito podría suprimirse en caso de que no existiera un agregador; si bien su presencia hace más cómodo para los usuarios finales el intercambio de electricidad, el intercambio puede realizarse sin su participación siempre y cuando se hayan introducido en los contratos inteligentes las características necesarias para el envío de información directamente desde el prosumer.
- El agregador o el prosumer enviará la información sobre la operación comercial al siguiente nivel, la cual se transferirá al Operador del Sistema de Distribución o al TSO si el conjunto de recursos es lo suficientemente grande como para evitar cualquier DSO. Se debe tener en cuenta que el número de prosumers o la ubicación de sus fuentes de energía asociadas es desconocida e irrelevante para las entidades que estarán involucradas a partir de ahora. Esto es debido a que mediante la tokenización de las fuentes de energía renovables es posible que un prosumer sea propietario de manera remota de lo necesario para comerciar con electricidad.
- La información contenida en el contrato inteligente acerca de la transferencia de electricidad será finalmente recibida por el TSO, ya sea a través del agregador o del DSO. Dado que el sistema debería ser capaz de transferir electricidad a regiones que pertenezcan a diferentes países y, por tanto, es muy probable que dependan de diferentes TSOs, habría que habilitar la comunicación entre ellos. Para ello, una Capa de Integración de Mercados (CIM) contendrá toda la información necesaria para que los TSOs estén al tanto de las operaciones que se supone deben tener lugar. Dependerá de la CIM determinar si el contrato puede ejecutarse tal como está, o si debe ajustarse a las condiciones físicas y de mercado actuales del sistema en general.
- Una vez que los TSOs conozcan los términos que se han establecido para hacer posible el comercio de energía, se enviará el acuse de recibo al agregador o al prosumer que envió la información por el lado de la oferta, yendo hacia atrás en todos los pasos que se tomaron cuando se envió el contrato inteligente. Hasta este punto sólo se ha producido un intercambio de información; ni la electricidad ni los fondos correspondientes han sido transferidos.
- Tan pronto como se reciba el acuse de recibo de la operación en el agregador o en el prosumer, enviará la aceptación y los términos a los prosumers, quienes recibirán los datos de todo el proceso. Por lo tanto, la transferencia de electricidad se activará en el lado de la oferta y se enviará al lado de la demanda, o se pospondrá hasta el momento adecuado si el acuerdo incluye el envío de electricidad en otro momento específico en el futuro.
- La información de la transferencia realizada (cantidad de electricidad, productor y consumidor, precio, momento en el que se ha realizado) será almacenada en la cadena de bloques de la que participan todos los nodos. Durante este proceso no será necesaria la intervención de ninguna entidad central en la que haya que depositar confianza para que las partes implicadas se aseguren de que la información acerca de los tratos inmediatamente anteriores es verídica. Tampoco es necesaria la utilización de ningún bróker que se ocupe de hacer de intermediario para la ejecución de las operaciones, ya que el proceso de validación de transacciones es realizado por todo el sistema distribuido.
Metodología y datos obtenidos
Para comprobar la validez del sistema se ha hecho una prueba preliminar de su funcionamiento se ha decidido realizar pruebas de su validación en un entorno simulado. En aras de ofrecer el mayor realismo posible se ha construido un sistema que esté formado por los elementos representados en la Figura 2: a) dos Raspberry Pi que se utilizan como dispositivos para el envío y recepción de datos relacionados con el precio de la electricidad, b) la Application Programming Interface (API) basada en Representational State Transfer (REST) que proporciona Red Eléctrica Española (REE) para el acceso a precios recientes de la electricidad en los mercados y c) relés conectados a las Raspberry Pi y entre ellos, los cuales proporcionan o cortan la electricidad de acuerdo con la apertura o cierre del circuito eléctrico mediante la acción sobre los relés por parte del código que se ejecuta en los dispositivos Raspberry Pi, simulando así la ejecución de un contrato inteligente.
La secuencia utilizada en la simulación de dicho sistema sigue los siguientes pasos:
- El dispositivo que esté dispuesto a suministrar parte o la totalidad de la energía que tiene almacenada se comunicará con la entidad Operadora del Sistema de Transporte (es decir, Red Eléctrica de España a nivel nacional) para conocer los últimos precios de la electricidad. Al mismo tiempo, otro dispositivo también publicará en un repositorio (que imita lo que ocurriría en los mercados) la demanda de energía que tiene, junto con el precio que está dispuesto a pagar por ella. Esta información será proporcionada en forma de contrato inteligente, el cual será ejecutado cuando alguna otra parte muestre su acuerdo con los términos planteados. Nótese que la localización de la Raspberry Pi que se utiliza para obtener información de los precios de REE en el lado de la oferta es irrelevante; puede utilizarse para desplegar contratos inteligentes por parte de los prosumers con independencia del lugar.
- Considerando el precio que ha obtenido la Raspberry Pi que realizó la petición a la API de REE vía REST para obtener la información para el período de tiempo consultado, se presentará una oferta que le permita a la Raspberry Pi que controla el extremo de la oferta de electricidad batir los precios de mercado. Al mismo tiempo, la oferta debe ser tal que permita obtener una ganancia a la parte que ofrece la electricidad. Se publicará así información sobre precios y cantidades de electricidad en un contrato inteligente.
- Cuando los precios de oferta satisfagan la demanda, se enviará un mensaje desde el extremo de la oferta hacia el de la demanda diciendo que se ha aceptado el trato. Este paso es necesario para poner en contacto cada uno de los nodos que van a participar en el intercambio, para que las operaciones se puedan actualizar en la blockchain.
- Se crea y comparte una transacción para ser incluida en el blockchain a través de los nodos que forman parte del sistema basada en los términos de los contratos inteligentes. A los efectos de las pruebas que han sido realizadas, estos nodos son los dos dispositivos Raspberry Pi con los que se ha construido el sistema distribuido.
- La energía se transfiere a través de la red eléctrica. Nótese que para el sistema que ha sido desplegado habrá dos tipos de redes trabajando de forma paralela: la de datos, sorbe la cual se despliega el contrato inteligente, y la eléctrica, sobre la cual se hace la transferencia de electricidad. Las Raspberry Pi y el código que funciona dentro de ellas actúan como puentes entre ambos dominios.
- La transacción se publica a través de la red blockchain y se almacena como una actualización en los bloques que contienen las transacciones en todos los nodos que pertenecen al sistema.
Conclusiones
El sistema que se ha descrito en este manuscrito muestra cómo es posible el despliegue de dispositivos que se comunican entre ellos mediante una cadena de datos a fin de realizar intercambios de bienes y servicios. En el caso que nos ocupa, se trata de implementar y desplegar contratos inteligentes que contengan toda la información necesaria para realizar transferencias de electricidad entre productores-consumidores de pequeña capacidad (prosumers) en un ámbito tan extenso como los usuarios que cubran el despliegue de la cadena de bloques.
Mediante la tokenización de la propiedad de los medios de producción, es posible repartir de la forma más equitativa posible los beneficios de la producción y el comercio de la electricidad, así como elegir cuál de los nodos implicados es el más adecuado para validar las transacciones con las que se poblará la blockchain.
Además, se ha descrito en este manuscrito que en un sistema de estas características no es necesario establecer ni intermediarios que realicen las transacciones en nombre de otros participantes del sistema (esa es una responsabilidad que pasa a ser compartida mediante la validación de transacciones y la acuñación o emisión de nuevos bloques que contendrán las transacciones validadas).
Finalmente, la utilización de un algoritmo basado en Proof-of-Stake para la validación de las transacciones que suceden en el sistema es apropiado para este dominio de aplicación, que sigue estando basado en un sistema distribuido, y es más apropiado que Proof-of-Work en este ámbito, ya que el anterior permite validar transacciones y desplegar nuevos bloques de manera más rápida y menos costosa en energía, a costa de obligar a garantizar una relativa variedad en los nodos que se ocupan de validaciones y la creación de nuevos bloques.
En conclusión, puede afirmarse que el sistema propuesto es capaz de transferir electricidad entre las distintas entidades participantes en la compraventa de electricidad, con independencia de su tamaño, siempre y cuando contengan un nodo de la cadena de bloques, lo cual les convierte en pares a efectos de transferencia y almacenamiento de datos.
Referencias
- J. Lin et. Al (2017), «Optimal Power Flow With Power Flow Routers,» IEEE Transactions on Power Systems, vol. 32, no. 1, pp. 531-543.
- H. Yang et. al (2018), «A Practical Pricing Approach to Smart Grid Demand Response Based on Load Classification,» IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 9, no. 1, pp. 179-190.
- J. Corbett et. al (2018), «Toward a sustainable modern electricity grid: The effects of smart metering and program investments on demand-side management performance in the US electricity sector 2009-2012,» IEEE Transactions on Engineering Management, vol. 65, no. 2, pp. 252-263.
- T. Graber et. al (2017), «Intelligent prosumer coupling by two galvanically isolated battery storage systems,» CIRED – Open Access Proceedings Journal, vol. 2017, no. 1, pp. 1853-1857.
- M. Honarvar Nazari et. al (2014), «Distributed Frequency Control of Prosumer-Based Electric Energy Systems,» IEEE Transactions on Power Systems, vol. 29, no. 6, pp. 2934-2942.
- A. Paudel et. al (2019), «Peer-to-Peer Energy Trading in a Prosumer-Based Community Microgrid: A Game-Theoretic Model,» IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 8, pp. 6087-6097.
- Energy strategy and energy union, CE. (26 septiembre 2020)
- Energy strategy and energy union. Building energy union, CE (26 septiembre 2020)
- S. Belmoubarik et. al (2012), «Dynamic assignment of renewable energy tokens in a collaborative microgrids», Next Generation Networks and Services (NGNS), Faro, pp. 189-192, doi: 10.1109/NGNS.2012.6656092.