Warum der Energiemarkt dezentralisierte Architekturen braucht

Einer der Gründe für die große Beliebtheit von Kryptowährungen ist, dass sie ein dezentrales Wirtschaftssystem ermöglichen. Dieser Punkt wird in der Kryptowelt einhellig als zentral angesehen, denn die schlimmste Beleidigung für ein Projekt ist, es als "zentralisiert" zu bezeichnen. Allerdings wird die Definition von Dezentralisierung oft kaum verstanden. Noch schlimmer ist, dass eine aktuelle Studie zeigt, dass Kryptowährungen nicht so dezentralisiert sind, wie man meinen könnte, wenn man bedenkt, dass die vier Top-Miner in Bitcoin und die drei Top-Miner in Ethereum mehr als 50 % der Hash-Rate kontrollieren.Dezentralisierung wird oft in Bezug auf die Kommunikationsarchitektur eines Netzwerks erklärt, und es wird gewöhnlich zwischen dezentralen und verteilten Netzwerken unterschieden. Dieses sehr berühmte Bild erklärt die Unterschiede sehr anschaulich:

Das Bild ist eigentlich selbsterklärend, aber wir können versuchen, eine vorläufige Definition der drei Architekturen zu geben:

• zentralisierte Architektur: Informationen werden von einem einzigen Knotenpunkt weitergeleitet
• dezentrale Architekturen: nicht alle Informationen gehen von einem einzigen Knoten aus
• verteilte Architekturen: Knoten kommunizieren nur mit ihren Nachbarn

Diese (sehr persönliche) Definition macht verteilte Architekturen zu einer Unterklasse der dezentralen Architekturen. 1964 wurde dieses Bild erstmals von Paul Baran, einem Pionier auf dem Gebiet der Computernetzwerke, veröffentlicht. Als Baran seine Arbeit veröffentlichte, dachte er über verteilte Netze nach, um die Widerstandsfähigkeit der nationalen Kommunikationsstruktur im Zusammenhang mit einem möglichen Atomkrieg zu erhöhen:

...es kann gezeigt werden, dass auch im thermonuklearen Zeitalter hochgradig überlebensfähige Systemstrukturen gebaut werden können

- Baran, Paul. "On distributed communications networks". IEEE transactions on Communications Systems 12.1 (1964): 1-9.Unter diesem Gesichtspunkt, bei dem das Kommunikationsnetz von einer vertrauenswürdigen Instanz (der Regierung) betrieben wird und die Architektur nur den Zweck hat, die Kommunikation zu gewährleisten, besteht keine weitere Notwendigkeit, Dezentralisierung unter anderen Aspekten zu betrachten. In diesem Beitrag über die Bedeutung der Dezentralisierung erklärt Vitalik Buterin, warum es für Kryptowährungen und Distributed-Ledger-Technologien notwendig ist, die Definition des Dezentralisierungsgrades eines Systems zu erweitern:

• architektonische Dezentralisierung: Dies deckt sich mit der Definition von Baran. Das System sollte geografisch disloziert sein, um gegen böswillige Angriffe gewappnet zu sein. Die implizite Annahme ist, dass die Kosten des Angreifers sublinear sind: Die Zerstörung einer sehr großen zentralen Einheit ist billiger als die Zerstörung Tausender kleinerer dislozierter Kommunikationseinheiten.
• politische Dezentralisierung: Entscheidungen über die Protokolle, die das Netz betreiben, sollten von mehreren Personen/Organisationen getroffen werden, die keine gleichzeitigen Interessen an der Manipulation des Netzes haben. Dieser Aspekt ist wichtig, wenn wir von einer "Wir"-gegen-"Sie"-Denkweise wegkommen, in der dem Netzwerkbetreiber vertraut wird und das System vor Angriffen von außen geschützt werden muss. Beachten Sie, dass im Fall von Kryptowährungen die Bildung von Kartellen durchaus zu erwarten ist -Vlad Zamfir. Die Geschichte von Casper - Kapitel 4.
• Logische Dezentralisierung: Dies betrifft den "Zustand" des Systems, wobei "Zustand" die Gesamtheit der über das Netz verfügbaren Daten bedeutet. Die Bittorrent-Plattform ist logisch dezentralisiert, da die Daten des Netzwerks von den Peers gespeichert werden, wobei jeder von ihnen nur einen Teil der gesamten verfügbaren Daten speichert. Das Ethereum-Netzwerk und DLTs im Allgemeinen sind logisch zentralisiert, da es wünschenswert ist, dass alle Peers zu jeder Zeit einen kohärenten (denselben) Netzwerkstatus sehen. Diese Kohärenz geht auf Kosten hochredundanter Datenstrukturen und im Zuge des CAP-Theorems: Wenn das System partitioniert wird, kann nur eine der Eigenschaften Konsistenz und Verfügbarkeit garantiert werden.

Nachdem wir nun die Bedeutung von (de)zentralen Netzen und die damit verbundenen Probleme verstanden haben, können wir über dezentrale Architekturen für Energiemärkte diskutieren. Solarmodule sind hochgradig stochastische Energiequellen mit starker Volatilität. Diese Volatilität erfordert eine erhöhte Flexibilität der Nachfrage und schafft einen Sweet Spot für die Schaffung von Energiegemeinschaften, die lokale Energiemärkte implementieren. Diese Märkte werden drei Arten von Teilnehmern haben:

• Lokale Erzeuger, die ihren Energieüberschuss zu höheren Preisen verkaufen können
• Verbraucher mit flexiblen Lasten (z. B. Warmwasserbereiter, Wärmepumpen, EV-Ladegeräte), die einen Rabatt für Lastverschiebung erhalten können
• Batteriebesitzer, die ihre Speicherkapazität verkaufen können

Diese drei Akteure könnten unterschiedliche Beweggründe haben, sich an einer solchen Energiegemeinschaft zu beteiligen, darunter:

• Senkung ihrer Stromrechnungen dank des erhöhten Eigenverbrauchs der Gemeinschaft. Die Energiegemeinschaften werden auch in der Lage sein, ihre Flexibilität an Verteilernetzbetreiber zu verkaufen und so zusätzliche Gewinne für ihre Mitglieder zu erzielen.
• Erhöhung des Anteils der lokal erzeugten sauberen Energie, die sie verbrauchen.

Zunächst einmal müssen wir nicht bei Null anfangen, denn auch das Stromnetz ist ein Netz mit einer eigenen Architektur. Die bestehende Infrastruktur ist gewaltig. Sie wurde mit Milliarden von Dollar entwickelt und kann im Wesentlichen in folgende Bereiche unterteilt werden:

• Elektrizitätsübertragungs- und -verteilungsnetz (Kabel, Transformatoren, Kondensatorbatterien, FACTS, etc...)
• Kommunikationsinfrastruktur für Messung und Steuerung (PLC, optische Fasern usw.)

Auch die Netzarchitektur des Stromnetzes ist eine Besonderheit. Insbesondere ist es in verschiedene Spannungsebenen unterteilt. Die Wahl der Spannungsebene hängt von folgenden Faktoren ab:

• Die zurückzulegende Strecke
• die Menge der zu transportierenden Energie

Pro Längeneinheit sind Hochspannungsleitungen teurer als Mittel- und Niederspannungsleitungen, aber die Strommenge, die sie transportieren können, und die Entfernung, die sie zurücklegen können, sind dank geringerer Verluste viel größer. Wenn die Spannung um den Faktor 10 erhöht wird, verringert sich der Strom um den entsprechenden Faktor 10 und damit die RI²-Verluste um den Faktor 100. In den Verteilungssystemen wird die Spannung schrittweise gesenkt, sobald sich der Strom dem Verbrauchsort nähert, wodurch die Kosten für die Leitungen gesenkt und die möglichen Gefahren im Falle eines Kurzschlusses verringert werden.

In der obigen Abbildung sind die Hochspannungs- und Mittelspannungsleitungen in der Region um den Hauptsitz von Hive Powerzu sehen, die von 380 kV (rote Linien) bis 50 kV (blaue Linien) reichen.

Das Niederspannungsnetz (NS), das viel weiter verbreitet ist, wie in der obigen Abbildung dargestellt. In den meisten Fällen ist die Topologie des Niederspannungsnetzes radial, d. h. es hat eine einfache baumartige Struktur, die das System natürlich unterteilt. Aus physikalischer Sicht können die Auswirkungen eines Niederspannungsnetzes auf die obere Mittelspannungsebene nur durch die Gesamtleistung am Transformator berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, es ist nicht erforderlich, den Stromverbrauch aller Gebäude im Niederspannungsnetz zu einem bestimmten Zeitpunkt zu kennen, um die Mittelspannungsebene wirksam zu steuern, und es ist auch nicht erforderlich, dass ein Prosumer, der sich im Niederspannungsnetz befindet A über die gesamte von allen Prosumern im Niederspannungsnetz erzeugte oder verbrauchte Energie Bescheid weiß, um einen effektiven Energieaustausch zu ermöglichen. B Und nun ein sehr wichtiger Punkt:"Die Ausgestaltung der Mechanismen der neuen Energiemärkte muss ausdrücklich die Auswirkungen der gehandelten Energie auf das elektrische Netz berücksichtigen. Die Energiepreise müssen den Zustand des Netzes widerspiegeln. "Dieser Punkt ist wesentlich für das Verständnis, wie wir den Markt und seine Kommunikationsinfrastruktur betrachten. Bei dezentraler Erzeugung aus erneuerbaren Energien, z. B. PV, wird die Stromerzeugung stark synchronisiert. Diese Synchronisierung stellt eine mögliche Gefahr für das Stromnetz dar, da sie zu einer Überlastung der Stromleitungen führen kann. Darüber hinaus ist die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien sehr unbeständig, was sich auf die lokale Stromqualität auswirkt. Die neuen Energiemärkte haben die Aufgabe, die Auswirkungen einer zunehmenden Durchdringung des Stromnetzes mit erneuerbaren Erzeugern abzumildern. Diese Überlegungen veranlassen uns, eine weitere Unterklasse dezentraler Architekturen zu analysieren, die sich sehr gut für dezentrale Energiemärkte eignet: hierarchische Strukturen. Hierarchische Strukturen sind im Wesentlichen baumartige Strukturen, bei denen jeder Knoten ein Endknoten oder ein Verzweigungsknoten sein kann. Endknoten sind die "Blätter" des Baumes, die keine Verbindungen nach unten haben. In unseren Energiemärkten sind die Endknoten einzelne Prosumer.

Die obige Abbildung zeigt ein Beispiel für eine hierarchische Struktur, bei der die blauen Endknoten mit demselben übergeordneten Knoten in einer Gruppe zusammengefasst sind. Zurück zu den Energiemärkten und dezentralen Systemen: Wie passt diese Architektur in die oben genannte Klassifizierung, und warum ist sie für dezentrale Energiemärkte sinnvoll? Lassen Sie uns jeden Punkt einzeln betrachten:

• Architektur: Die Architektur ist geographisch dezentralisiert, aber nicht vollständig verteilt. Das heißt, nicht alle Knoten sind aus der Sicht eines Angreifers, der das gesamte System unzugänglich machen möchte, gleich wichtig. Bedenken Sie jedoch, dass dies auch für das elektrische System gilt. Außerdem, und das ist noch wichtiger, ist zu bedenken, dass die Gruppen physisch und logisch entkoppelt sind. Das bedeutet, dass, wenn aus irgendeinem Grund die Kommunikation mit dem Wurzelknoten (der sich auf der obersten Ebene befindet) verloren geht, die Prosumenten in den Gemeinschaften auf den unteren Ebenen immer noch effektiv Energie unter Gleichgesinnten in derselben Gemeinschaft handeln können.
• politisch: Die hierarchische Architektur macht die Verzweigungsknoten zum Dreh- und Angelpunkt für das Funktionieren des Energiemarktes. Dadurch werden die Eigentümer der Verzweigungsknoten gegenüber den einfachen Prosumenten gestärkt. Um dieses Problem zu beseitigen, können wir ein Governance-System einführen, das durch intelligente Verträge geregelt wird.
• logisch: Die hierarchische Architektur hat keinen Einfluss auf die logische (De-)Zentralisierung an sich. In jedem Fall ist zu bedenken, dass das System, das wir betreiben wollen, entkoppelt ist und dass physikalische Effekte durch aggregierte Leistung auf höheren Ebenen berücksichtigt werden können. Das heißt, sowohl der Energiehandel als auch die Netzsteuerung sind möglich, wenn die Informationen auf jeder Ebene der Struktur aggregiert werden. Diese Aggregation würde sowohl unnötige Informationsflüsse vermeiden als auch die Privatsphäre der Prosumenten wahren: Auf höheren Ebenen der Struktur sind nur aggregierte Informationen über den Energieverbrauch verfügbar; außerdem verfügen selbst Prosumenten, die denselben Gruppen angehören, nur über aggregierte Informationen übereinander.

Hierarchische Strukturen haben noch einen weiteren besonderen Aspekt, der eng mit dem Mechanismusdesign zusammenhängt, einem Bereich der Wirtschaftswissenschaften und der Spieltheorie, der darauf abzielt, Marktregeln zu entwickeln, die eine gewünschte Wirkung auf die Marktgleichgewichte haben. Das CASPER-Protokoll von Ethereum beispielsweise wird von seinen Schöpfern als Ergebnis der Anwendung von Mechanismusdesign auf die Kryptowirtschaft angesehen.

Einen Markt gestalten, der Wettbewerb in Kooperation verwandelt

Eines der bekanntesten Ergebnisse bei der Gestaltung von Mechanismen ist das Offenbarungsprinzip, das besagt: Wenn der Markt anreizkompatibel ist, können wir die Untersuchung auf die Situation beschränken, in der jeder Teilnehmer bereit ist, seine privaten Informationen offenzulegen.Das bedeutet, dass kein Akteur einen Anreiz hätte, über seine Energieprognosen oder den erwarteten Nutzen des Verbrauchs einer bestimmten Energiemenge zu lügen. Nehmen wir an, jeder Marktteilnehmer würde angesichts seiner privaten Informationen eine optimale Strategie (in Bezug auf die Ergebnisse) verfolgen. Ein Spieler könnte bei der Angabe seiner privaten Informationen lügen, wenn er feststellt, dass er dadurch Vorteile hat. Stellen Sie sich beispielsweise einen Markt vor, auf dem Prosumenten einen Preis zahlen, der proportional zu ihrem Verbrauch ist, und wenn sie mehr als der Durchschnitt verbrauchen, zahlen sie eine zusätzliche Gebühr. Wenn Prosumer A erklärt, dass er in der nächsten Marktperiode viel Energie verbrauchen wird, könnten die anderen Prosumer ihre Verbrauchspläne erhöhen, da sie glauben, dass sie unter dem Durchschnitt liegen. Im nächsten Schritt verbraucht Prosumer A viel weniger als er zuvor angegeben hatte, aber die anderen Prosumer haben keine Zeit, sich erneut mit den aktualisierten Informationen zu synchronisieren. Infolgedessen ist A nun ein unterdurchschnittlicher Verbraucher. A hat durch die Lüge über seine privaten Informationen das Risiko vermieden, die zusätzliche Gebühr zum Nachteil der anderen zu zahlen.Wie lässt sich dies vermeiden? In der einfachsten Form können Prosumenten (Blattknoten) vereinbaren, ihre privaten Informationen einer übergeordneten Instanz (ihrem Mutterknoten) mitzuteilen, die die optimale Strategie für sie spielen würde. Um die optimale Strategie zu finden, muss im Allgemeinen ein vordefiniertes Optimierungsproblem gelöst werden. Wichtig ist, dass sich die Prosumenten zuvor darauf geeinigt haben, wie diese optimale Strategie gefunden wird, und dass sie alle die Superpartes-Einheit als vertrauenswürdig ansehen. In diesem Fall haben die Prosumenten kein Interesse daran zu lügen, da dies per Definition zu einer Verringerung der Auszahlung führen würde!In Anbetracht der oben genannten Vorteile haben wir uns bei Hive Power entschieden, unsere verteilte Energiemarktplattform unter Verwendung von Aggregatoren zu entwickeln. Natürlich sollten diese Aggregatoren entweder vertrauenswürdig oder, noch besser, überprüfbar sein, und in meinen nächsten Beiträgen werde ich erörtern, wie wir das machen:

• Modellierung des Marktes in einem dynamischen und stochastischen Umfeld
• Berücksichtigung von Netzbeschränkungen
• die Privatsphäre der Nutzer zu schützen

Ich werde auch alternative Lösungen für die gruppeninterne Kommunikation diskutieren. Bleiben Sie dran!Auf Bienenstock Macht ermöglichen wir die Schaffung von Energiegemeinschaften, bei denen alle Teilnehmer garantiert von der Teilnahme profitieren und gleichzeitig ein technisches und finanzielles Optimum für die gesamte Gemeinschaft erreicht wird.Wichtige Links:

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