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能源区块链:摸索中前行

放大字体  缩小字体 时间:2018-04-08  来源:分析师  
世纪储能网讯:能源区块链是一个复合概念,顾名思义,将区块链技术运用到能源相关领域。目前,对于能源区块链的研究大多处于初级阶段,其目标是...
能源区块链是一个复合概念,顾名思义,将区块链技术运用到能源相关领域。目前,对于能源区块链的研究大多处于初级阶段,其目标是借助区块链“去中心化”、“去信任”的禀赋优势,实现对能源相关系统的效率提升和优化运营。作为能源领域的一个发展分支,能源区块链研究应用的源动力来自于区块链技术。因此,为了帮助理解,我们从区块链本身的技术特点和禀赋优势开始,介绍能源区块链这一趋势创新。

1、区块链结构及关键技术解析

区块链的概念最早是2008年由“中本聪”在论文《比特币:一种点对点的电子现金系统》中明确提出。其工作原理简要来说就是:若干个数据节点在自由拓扑的网络中进行数据交互,每次数据交互的记录都公布到全网,每隔一段时间将所有该时间段内的数据交互记录打包成“区块”,由全网所有节点共同记录。“区块”一经形成不可修改。每次数据交互时将对节点保存区块信息进行核证,如发现篡改行为则该节点所记录的区块数据作废,需要从其他节点拷贝一份正确的区块链记录作为公平交互的基础。因此,区块链从本质上来说是一种人类大规模协作的工具,可以帮助人们在去信任的环境中进行合作交互。区块链组网模式如图77所示。

在中本聪的论文中,区块链被表述为“Block-Chain”,也即“区块-链”。这一表述形象地描述了区块链的内部形态:由“区块”按时间序列自然形成的链式数据结构。在该结构中,“区块”作为共享数据存储的主要载体,记录了一段时间内全网数据交互的所有要素信息。“区块”内部的存储空间主要分为“区块头”和“区块主体”。“区块主体”记载了一段规定时间内(比特币中为10分钟)全网所有的数据交互记录,而“区块头”则记录了代表本区块所有特征的信息要素。区块链数据结构及区块存储信息组成如图78所示。


作为区块链“去中心化”、“去信任”机制形成的关键之一,区块存储信息中包含如下几项关键要素。

1) Merkle根:由“区块主体”中所有数据交互记录进行逐级两两哈希计算得出,如果数据交互记录发生任意变化,则该区块的Merkle根值也将随之改变;每个区块的Merkle根值包含在“区块头”存储信息中。

2) 本区块哈希值:综合本“区块头”所有信息,并通过哈希算法映射得出的值。同样的,如果区块头存储的信息发生任意变化,该哈希值同样将完全变化。

3) 前区块哈希值:每个区块的哈希值都会被“继承”至下一个区块,由此环环相扣,单个区块的信息改变将会使得后续所有区块的信息内容都发生变化,产生类似于“蝴蝶效应”的影响。

通过上述情况我们可以发现,一个区块的“头哈希值”包含了其自身以及所有前序区块所存储信息的证明。

在这里我们多处提到了“哈希算法”。哈希算法(Hash算法)一般指“安全散列算法”(Secure Hash Algorithm,缩写为SHA),是一类起到固定作用算法的集合,其作用是能够将任意长度的二进制值映射为一个固定长度的二进制值(后者数据长度通常较短),作为结果得出的二进制值被称为哈希值。在区块内部,所有的区块特征信息和数据交互记录都以二进制的形式存储,运用哈希算法相当于为所有这些信息拍摄了一个“缩影”。在这里我们之所以称之为“缩影”,是因为哈希值对所映射的信息内容是完全敏感的,任何细微的改变都会导致对应哈希值的显著变化,这一点由哈希算法的高度散列性特点保证。另外值得一提的是,哈希值“缩影”无法被还原成输入信息,也即在区块链中不用担心因哈希值公示而导致的信息泄露,这也是哈希算法的特点之一。

在区块链机制中,哈希算法主要起到“简化确认”的作用。上文中我们提到,在区块链中进行数据交互时会进行区块信息的核证,指的就是对区块的哈希值ID进行比对。哈希算法作用机制的示意图如图79所示。如果某个节点的区块信息被修改,则其对应的哈希值映射ID必然产生显著变化,从而与其他节点产生不同,以此进行失效判定。因此,除非能够同时控制系统中超过51%的节点或算力,否则在单个节点上对区块数据进行修改是无效的。比特币当前采用的哈希算法为SHA256,随着未来密码学的不断衍进,该算法也存在被升级替代的可能性。


区块链的另一大机制特色就是“智能合约”。智能合约并不是新生事物,举个例子,“信用卡自动还款服务”就属于一种智能合约:在设定的日期,当还款条件被满足时(如:账户余额大于等于信用卡还款额的情况下),系统会自动完成这笔交易。因此我们可以看到智能合约并非区块链的专利。我们认为,只要一种合约符合“数字化描述”、“数字化签约”、“数字化监测”、“数字化触发执行”的特点,就都可以称作智能合约。

但为什么现在人们一提到智能合约就会不由自主地打上“区块链”的标签呢?原因就是区块链解决了智能合约中的一个重要问题:合约信任。在计算机世界中,合约记录在代码里,被黑客攻击和被恶意篡改的风险很大,除非是像银行或是支付宝这样既受大家信任又具备抵御入侵能力的主体,其他情况下一旦发生纠纷而合约又保存在对方的服务器中,作为用户的权益很难得到保障。而在区块链系统中,由于其信息不可篡改和信息对称,如果合约的一方单独篡改条款,则会立即被系统机制检测到并追溯其改动行为,最终会按照初始合约保障执行,从而防止了可能发生的风险。在这样一个“去信任化”的环境下,智能合约才具备了广泛适用的可能性。区块链智能合约的运行模式如图80所示。


区块链的四大优势特性

基于上述技术和机制,区块链体现出如下几大优势特性:

不可篡改性:如上文所述机制,信息一经验证并添加至区块链,即永久封存,除非能够同时控制系统中超过51%的节点或算力,否则在单个节点上对区块数据进行修改是无效的,反而会导致该节点记录的失效,由此保障区块链数据的不可篡改性。

开放性与匿名性:区块链中的所有行为是公开透明的,区块记录每个节点都有完整的存储,同时任何节点都可以通过公开的接口查询区块链数据与合约;同时由于上文所述的“不可篡改性”作为保障,区块数据记录实际上提供了一套非常良好的溯源机制。基于上述“信息对称性”和“不可篡改性”,区块链中的数据交互实际上并不依赖公开身份信息建立信任,而仅需要通过智能合约进行条件验证。因此在交互过程中,节点的私有信息如:身份、资产等,是无需公开的。一些区块链技术中甚至采用了“零知识证明”(指证明者在不向验证者提供任何有用信息的情况下,使验证者相信其真实性)等相关技术来实现隐私条件下的信任,具体方法在此不多作赘述。

自治性(去信任):如上所述,区块链中的数据交互可以完全通过本身机制和智能合约来进行信用安全保障,不必依赖于中间机构的数据备份和信用背书。这样一来,将对“人、组织”的信任变为对“机器、规则”的信任,节点之间的数据交互均可“自发、自助”地完成,排除了人为干预的影响,同时也提升了自由度和过程效率。

去中心化:所有上述特点赋予了区块链技术在节点组网时能够“自由拓扑”的禀赋,去中心化更像是一种水到渠成。与传统中心化数据交互中必须依赖和通过某个中心媒介进行操作的模式不同,区块链采用分布式核算和存储的模式,任意节点的信息基础、权利、义务都是均等的。这样一来既消除了数据孤岛、避免了中心数据的安全问题,也使整个组网结构更具扩展潜力。

2、能源区块链的研究及应用方向

随着能源系统的不断发展,能源品类的丰富化、能源系统的分布化、能源交易的市场化以及电网智能化成为越来越清晰的发展趋势。而“区块链”与能源系统的结合恰好可以助推这一趋势的发展:通过“去中心化”的自由组网,有利于加速实现“分布式能源”发展中的各种多能互补、计量结算场景;通过“去信任”的智能合约机制,有利于加速实现电网智能调度、市场自由交易的系统形态。

目前在“能源区块链”发展领域,主要有以下几个研究方向:

1) 分布式能源调度管理

据数字货币资讯报道,欧洲输电系统营运商Tennet与IBM、能源储存公司Sonnen、可再生能源公司Vandebron共同合作进行基于区块链能源技术的“智慧电网先导计划”。该计划在德国和荷兰利用区块链技术网络管理分布式能源(DER),以提升分布式能源电网供电的平衡性与稳定性。

2) 能源交易和结算

用区块链技术实现能源交易和结算目前还处于研究与小范围测试阶段。

根据报道,在2016年11月阿姆斯特丹举行的EMART能源交易会上,共有23家能源交易公司参与结盟,共同开发使用能源区块链交易系统,其中PONTON开发基于区块链机制的交易工具Enerchain,Yuso和PriogenTrading等能源公司参与测试应用。该联盟旨在探寻:采用运用区块链机制是否能够支持现有能源市场的交易体量和交易速率,实现提升过程效率、降低交易成本的效果。该交易过程中将不包含中心化的运营机构,通过加密技术使交易机构进行匿名交易,其他机构能够查询订单信息。

另据搜狐网报道,纽约初创公司LO3Energy和ConsenSys合作,在纽约布鲁克林区实现了一个点对点交易、自动化执行、无第三方中介的能源交易平台,初步在10个住户之间构成了一个区块链网络以实现能源交易和共享。

3) 绿证核发和追踪

绿色电力证书是证明绿色能源发电量的凭证,电力消费者通过购买绿色电力证书来代表自身使用的电力来自于绿色能源发电。2017年1月18日,我国国家发改委、财政部和能源局共同发布了《试行可再生能源绿色电力证书核发及自愿认购交易制度的通知》,在全国范围内试行可再生能源绿证核发及认购交易制度,自7月1日起开展认购。然而目前的绿色证书大多基于发电量的估值,在通过发证机构发证机构向能源企业核发,实际发出的电量与绿证核算的电量不一定相等。根据报道,为了减少电量误差并简化绿证核算流程,IDEOCoLab、Nazdaq和物联网设备公司Filament三家公司已经开始合作开发“自动创建可再生能源证书(REC)系统”,通过在光伏电池板和储能系统上安装计量单元,采集光伏电力产生和存储的数据,实时上传到系统,系统将基于数据向能源商核发RECs(自动创建的可再生能源发电证明)。目前该系统仍处于研究阶段。

4) 电动汽车共享充电

电动汽车共享快速充电桩是目前区块链技术在能源领域操作性较强、应用范围较广的领域。根据报道,2016年德国电力公司莱茵集团(RWE)与汽车技术公司采埃孚(ZF)、瑞士银行合作,为电动汽车创造基于区块链技术的电子钱包,车主在进行充电收费、停车甚至高速公路收费时,其全过程包括身份验证和费用支付都能够实现自动完成,不需要第三方人工确认。该方案已于2017年被美国加利福尼亚的初创公司Oxygen Initiative引入,并致力于在该州进行推广。

其他能源区块链应用诸如:基于区块链技术的可再生能源货币、引入比特币用于能源支付结算等,由于篇幅所限,不作详细陈述。

能源区块链在中国的产业化推进

国内在能源区块链方面的研究和开发,目前已起步。

北京能链众合科技有限责任公司在中国能源区块链领域享有较高知名度,其主要产品包括:“碳链”也即一种基于区块链的碳资产开发和管理平台;“绿色资产证券化云平台”也即一种基于区块链的资产证券化全流程开发和管理平台。能链众合于2016年5月发布设立全国首家能源区块链实验室,该实验室目前是国际区块链联盟Hyperledger唯一的能源行业会员。该公司2016年11月获得由北京金科君创和上海古莲资本领投的千万元级天使轮融资,2017年8月完成Pre A+融资。

泰豪科技于2018年1月23日在上证e互动平台中提到,公司已经推出了能源互联网2.0的定义,其中不仅包含能源互联网和碳的结合,也包括对区块链技术的应用,公司在中国贵州和德国的团队正在开展该领域的研发和应用。

爱康科技近年来在能源区块链领域动作频繁。2016年6月6日,公司控股股东爱康实业集团向湖南大学捐款设立“湖大-爱康区块链金融研究中心”和“湖大-爱康区块链能源研究中心”,开展关于区块链的理论技术、政策市场、应用场景等研究。2017年7月9日,公司公告收购子公司爱康能源研究院100%股权,标的核心业务为区块链能源互联网研究及区块链供应链金融研究,包括:1)区块链商业票据系统原型开发,实现通过“智能合约”进行开票、贴现、兑付;2)基于区块链及物联网的新能源租赁业务系统设计研究;3)基于碳资产的爱康积分系统研究:以碳排放权为定价依据的区块链跟踪评估及结算、交易体系;4)区块链理论。公司原控股子公司“新疆爱康慧诚”曾在新疆、青海等地开展比特币挖矿机运维业务,后由于响应政府“有序退出”挖矿业务的引导,以6,000万元出售“新疆爱康慧诚”100%股权,收益约4,163万元,但仍保留部分区块链业务,由子公司“上海慧喆”继续开展,主要包括:1)研究基于区块链、大数据的交易体系,特别是能源消费体系;2)研究区块链数据确权、隐私保护、智能合约等技术;3)研究构建基于区块链技术的多种能源交易体系;4)基于区块链技术的能源交易与结算等。2018年1月11日,爱康科技公告设立“爱康能源研究院上海分公司”,负责未来区块链理论及前沿的研究工作。

H股上市公司熊猫绿能2018年1月9日披露,携手华为、新能源交易所,在深圳正式启动区块链计划。公司委托新能源交易所打造智能电站区块链管理系统,并启动熊猫币的开发。据悉,熊猫币是以中国政府和联合国共同打造的熊猫电站为资产载体的数字货币,未来计划在全球范围内令投资者可以通过熊猫币对太阳能、风能及水电等新能源资产进行认购和交易。合作方之一的新能源交易所,是一家能源互联网新生态服务供应商,提供基于区块链技术的能源互联网整体解决方案。新能源交易所成立于2012年,并于2017年中建立专家团队开展区块链相关的技术研发与应用业务。

后据报道,由招商局慈善基金会与TÜV NORD、新能源交易所、熊猫绿能、华为共同发起的能源区块链项目签约仪式于2018年2月28日在深圳蛇口举行,该项目旨在建立区域能源区块链平台以进行自愿绿色能源交易。据报道,该项目由熊猫绿能提供其位于蛇口南海意库的新能源分布式电站,并接入能源互联网平台;由华为提供电站的数据接入技术支持;项目将从蛇口地区挑选首批自愿报名的用户参与清洁能源虚拟交易。用户可以在能源区块链平台上选择使用传统能源或清洁能源,如选择使用清洁能源,能源区块链平台将自动生成智能合约,直接将用户与新能源分布式电站配对以进行点对点虚拟交易,同时由TÜV为用户即使出具具有权威效力的电子证书以证明其所使用的是清洁能源电力。我们认为,该项目充分发挥了区块链技术智能合约的优势,形成了一个典型的能源区块链应用场景,是一次具有创造性的实践。

3、区块链应用尚需解决的问题

区块链技术并非“万灵药”。就目前而言,区块链结合应用仍然存在继续研究解决的问题,归纳如下:

1)操作不可撤销:在区块链交易中,如果由于用户因没有充分了解交易对方、交易内容和交易合约导致错误交易,该交易将不可撤销。因此,在区块链交易中应谨防信息忽略或考虑不周导致的交易失误。

2)信息内容安全:由于区块链网络中每个节点都保存有完整的区块信息交互记录,理论上讲存在从单个节点破译并获取区块信息的可能性。因此,目前结合区块链应用宜首先考虑交互内容可公开的领域方向。

3)存储与算力需求较大:中心化的数据交互信息仅在中心存储单元保存,而区块链信息在每个节点均进行备份,如交互信息量较大,则会对通信速率和存储能力有较高的要求。因此,目前进行区块链结合应用应首先考虑交互数据量较小,数据交互频次较低的领域。

我们认为,能源区块链仍处于发展初期,如推进顺利,将为碳交易、智能微电网等新兴产业的发展注入新鲜活力。 
 
关键词: 区块链

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