Pourquoi le marché de l'énergie a besoin d'architectures décentralisées

L'une des raisons de la grande popularité des crypto-monnaies est qu'elles permettent un système économique décentralisé. Ce point est unanimement considéré comme central dans le monde des crypto-monnaies, où la pire insulte pour un projet est de le qualifier de "centralisé". Or, la définition de la décentralisation est souvent peu comprise. Pire encore, une étude récente montre que les crypto-monnaies ne sont pas aussi décentralisées qu'on pourrait le croire, si l'on considère que les quatre premiers mineurs du Bitcoin et les trois premiers mineurs d'Ethereum contrôlent plus de 50% du taux de hachage.La décentralisation est souvent expliquée en termes d'architecture de communication d'un réseau, et une distinction est généralement faite entre les réseaux décentralisés et les réseaux distribués. Cette image très célèbre explique les différences de manière éloquente :

L'image est en quelque sorte explicite, mais nous pouvons essayer de donner une définition provisoire des trois architectures :

• architecture centralisée : l'information passe par un seul nœud
• architectures décentralisées : toutes les informationsne passentpas par un seul nœud
• architectures distribuées : les nœuds ne communiquent qu'avec leurs voisins

Cette définition (très personnelle) fait des architectures distribuées une sous-classe des architectures décentralisées.Cette image a été publiée pour la première fois en 1964 par Paul Baran, un pionnier dans le domaine des réseaux informatiques. Lorsque Baran a publié ses travaux, il envisageait des réseaux distribués pour accroître la résilience de la structure de communication nationale dans le contexte d'une éventuelle guerre atomique :

...il peut être démontré que des structures de systèmes à haute capacité de survie peuvent être construites, même à l'ère thermonucléaire.

- Baran, Paul. "On distributed communications networks". IEEE transactions on Communications Systems 12.1 (1964) : 1-9.De ce point de vue, dans lequel le réseau de communication est exploité par une entité de confiance (le gouvernement) et l'architecture a pour seul but de garantir la communication, il n'est plus nécessaire de considérer la décentralisation sous d'autres aspects. Dans ce billet sur la signification de la décentralisation, Vitalik Buterin explique pourquoi, pour les crypto-monnaies et les technologies de registres distribués, il est nécessaire d'élargir la définition du degré de décentralisation d'un système.Brièvement, trois aspects clés peuvent être considérés :

• ladécentralisation architecturale: elle coïncide avec la définition donnée par Baran. Le système doit être géographiquement disloqué afin d'être robuste contre les attaques malveillantes. L'hypothèse implicite est que les coûts de l'attaquant sont sub-linéaires : détruire une très grosse unité centrale est moins cher que de détruire des milliers de petites unités de communication disloquées.
• ladécentralisation politique : les décisions concernant les protocoles qui font fonctionner le réseau doivent être prises par plusieurs individus/organisations n'ayant pas d'intérêts concurrents à manipuler le réseau. Cet aspect est important dès lors que l'on sort d'une logique de "nous" contre "eux", dans laquelle on fait confiance à l'opérateur du réseau et le système doit être protégé contre les attaques extérieures. Notez que dans le cas des crypto-monnaies, la formation de cartels est tout à fait attendue -Vlad Zamfir. L'histoire de Casper - Chapitre 4.
• ladécentralisation logique: elle concerne l'"état" du système, où l'"état" désigne l'ensemble des données disponibles sur le réseau. La plateforme bittorrent est logiquement décentralisée, puisque les données du réseau sont stockées par les pairs, chacun d'entre eux ne stockant qu'une partie de l'ensemble des données disponibles. Le réseau Ethereum, et les DLT en général, sont logiquement centralisés, car il est souhaitable que tous les pairs voient un état cohérent (le même) du réseau à tout moment. Cette cohérence se fait au prix de structures de données hautement redondantes et au cours du théorème CAP: si le système est partitionné, une seule propriété parmi la cohérence et la disponibilité peut être garantie.

Maintenant que nous avons une bonne compréhension de la signification et des problèmes liés aux réseaux (dé)centralisés, nous pouvons commencer à discuter des architectures décentralisées pour les marchés de l'énergie.De plus en plus d'énergies renouvelables sont installées dans le réseau de distribution, en particulier les panneaux photovoltaïques. Les panneaux solaires sont des sources d'énergie hautement stochastiques avec une profonde volatilité. Cette volatilité exige une plus grande flexibilité de la demande et crée un terrain propice à la création de communautés énergétiques mettant en œuvre des marchés énergétiques locaux. Ces marchés auront 3 types de participants :

• lesproducteurs locaux, qui peuvent vendre leur excédent d'énergie à des prix plus élevés
• Lesconsommateurs ayant des charges flexibles (par exemple, chauffe-eau, pompes à chaleur, chargeurs de véhicules électriques), qui peuvent bénéficier d'une réduction pour le transfert de charge.
• lespropriétaires de batteries, qui peuvent vendre leur capacité de stockage

Ces trois acteurs pourraient avoir des motivations différentes pour participer à une telle communauté énergétique, parmi lesquelles :

• Une réduction de leurs factures d'électricité grâce à l'autoconsommation accrue de la communauté. Les communautés énergétiques pourront également vendre leur flexibilité aux gestionnaires de réseaux de distribution, générant ainsi des bénéfices supplémentaires pour leurs membres.
• Une augmentation de la part d'énergie propre produite localement qu'ils consomment.

Concentrons-nous sur le problème spécifique du choix de l'architecture pour une telle conception du marché.Tout d'abord, nous ne devons pas partir de zéro, le réseau électrique est aussi un réseau avec sa propre architecture. L'infrastructure existante est massive. Elle a été développée à coups de milliards de dollars et peut être divisée essentiellement en :

• Réseau de transmission et de distribution électrique (câbles, transformateurs, batteries de condensateurs, FACTS, etc...)
• Infrastructure de communication pour le comptage et le contrôle (PLC, fibres optiques, etc.)

L'architecture de réseau du réseau électrique est également particulière. En particulier, il est divisé en différents niveaux de tension. Le choix du niveau de tension est fonction de :

• La distance à parcourir
• La quantité d'énergie qui doit être transportée

Par unité de longueur, les lignes à haute tension sont plus chères que celles à moyenne et basse tension, mais la quantité d'énergie qu'elles peuvent transporter et la distance qu'elles peuvent couvrir sont beaucoup plus élevées, grâce à des pertes plus faibles. En effet, l'augmentation de la tension d'un facteur 10 réduit le courant d'un facteur 10 correspondant et donc les pertes RI² d'un facteur 100. Dans les systèmes de distribution, une fois que l'électricité approche du point de consommation, la tension est progressivement réduite, ce qui diminue le coût des lignes et réduit les dangers possibles en cas de court-circuit.

Dans la figure ci-dessus, nous pouvons voir les lignes à haute tension (HV) et à moyenne tension (MV) dans la région autour du siège de Hive Power, allant de 380 kV (lignes rouges) à 50 kV (lignes bleues).

Le réseau basse tension (BT), qui est beaucoup plus omniprésent, comme celui représenté sur la figure ci-dessus. Dans le cas le plus courant, la topologie du réseau basse tension est radiale, c'est-à-dire qu'elle présente une structure arborescente simple, qui divise naturellement le système. D'un point de vue physique, les effets d'un réseau BT sur le niveau MT supérieur, ne peuvent être pris en compte qu'au moyen de la puissance totale au transformateur. En d'autres termes, il n'est pas nécessaire de connaître la consommation d'énergie de tous les bâtiments du réseau BT à un moment donné pour contrôler efficacement le niveau MT, ni qu'un prosommateur situé dans le réseau BT A connaisse toute l'énergie produite ou consommée par tous les consommateurs du réseau BT pour échanger efficacement de l'énergie. B Et maintenant un point très important :"La conception du mécanisme des nouveaux marchés de l'énergie doit tenir compte explicitement de l'effet de l'énergie échangée sur le réseau électrique. Lesprix de l'énergie doivent refléter l'état du réseau"Ce point est essentiel pour comprendre comment nous envisageons le marché et son infrastructure de communication. En présence d'une production distribuée d'énergie renouvelable, par exemple le photovoltaïque, la production d'électricité devient hautement synchronisée. Cette synchronisation est un danger potentiel pour le réseau électrique, car elle peut surcharger les lignes électriques. Les nouveaux marchés de l'énergie sont chargés d'atténuer l'effet d'une pénétration croissante des générateurs renouvelables dans le réseau électrique. Les nouveaux marchés de l'énergie sont chargés d'atténuer l'effet de la pénétration croissante des générateurs renouvelables dans le réseau électrique. L'opinion commune au sein de la communauté scientifique est que cela pourrait être fait au moyen de programmes de réponse à la demande, dans lesquels le prix de l'énergie est modifié dynamiquement, en fonction de l'état du réseau.Ces considérations nous amènent à analyser une autre sous-classe d'architectures décentralisées, qui est un très bon candidat pour les marchés décentralisés de l'énergie : les structures hiérarchiques. Les structures hiérarchiques sont essentiellement des structures arborescentes, dans lesquelles chaque nœud peut être un nœud terminal ou un nœud de ramification. Les nœuds terminaux sont les "feuilles" de l'arbre et n'ont aucune connexion vers le bas. Sur nos marchés de l'énergie, les nœuds terminaux sont des prosommateurs individuels.

L'image ci-dessus illustre un exemple de structure hiérarchique, dans laquelle les nœuds terminaux bleus ayant un même nœud parent sont rassemblés en un groupe. Notez que cette structure est en quelque sorte fractale, c'est-à-dire qu'un groupe peut être considéré comme un seul nœud terminal lorsqu'il est vu du niveau supérieur.Retour aux marchés de l'énergie et aux systèmes décentralisés ! Comment cette architecture s'inscrit-elle dans la classification susmentionnée, et pourquoi a-t-elle un sens pour les marchés de l'énergie décentralisés ? Reconsidérons chaque point un par un :

• architecture : l'architecture est géographiquement décentralisée, mais pas entièrement distribuée. C'est-à-dire que tous les nœuds n'ont pas la même importance, du point de vue d'un attaquant qui voudrait rendre l'ensemble du système indisponible. Considérez de toute façon que c'est également vrai pour le système électrique. En outre, et surtout, rappelez-vous que les groupes sont découplés, physiquement et logiquement. Cela signifie que si, pour une raison quelconque, la communication avec le nœud racine (celui situé au niveau supérieur) est perdue, les prosommateurs des communautés des niveaux inférieurs peuvent toujours échanger efficacement de l'énergie entre pairs de la même communauté.
• politique : l'architecture hiérarchique rend les nœuds de ramification essentiels au fonctionnement du marché de l'énergie. Cela donne du pouvoir aux propriétaires des nœuds de ramification, par rapport aux simples prosommateurs. Afin d'éliminer ce problème, nous pouvons introduire un système de gouvernance régulé par des contrats intelligents.
• logique : l'architecture hiérarchique n'influence pas la (dé)centralisation logique en soi. Quoi qu'il en soit, n'oubliez pas que le système que nous voulons exploiter est découplé et que les effets physiques peuvent être pris en compte au moyen d'une puissance agrégée aux niveaux supérieurs. Autrement dit, tant le commerce de l'énergie que le contrôle du réseau sont possibles si l'information est agrégée à chaque branche de la structure. Cette agrégation permettrait à la fois d'éviter les flux d'informations inutiles et de préserver la vie privée des prosommateurs : seules des informations agrégées sur la consommation d'énergie sont disponibles aux niveaux supérieurs de la structure ; en outre, même les prosommateurs appartenant aux mêmes groupes ne disposent que d'informations agrégées les uns sur les autres.

Les structures hiérarchiques ont également un autre aspect particulier qui est strictement lié à la conception de mécanismes, un domaine de l'économie et de la théorie des jeux qui vise à construire des règles de marché qui induisent un effet souhaité sur les équilibres du marché. Par exemple, le protocole CASPER d'Ethereum est considéré par ses créateurs comme le résultat de l' application de la conception de mécanismes à la cryptoéconomie.

Concevoir un marché qui transforme la concurrence en coopération

L'un des résultats les plus célèbres de la conception de mécanismes est le principe de révélation, qui stipule que: "Si le marché est compatible avec les incitations, nous pouvons limiter l'étude à la situation dans laquelle chaque participant est prêt à divulguer ses informations privées.Cela signifie qu'aucun agent n'aurait d'incitation à mentir sur ses prévisions de puissance ni sur l'utilité attendue de l'utilisation d'une certaine quantité d'énergie. Considérons que chaque acteur du marché adopte une stratégie optimale (en termes de résultats) compte tenu de ses informations privées. Un acteur pourrait mentir en communiquant ses informations privées s'il constate qu'il a des avantages à le faire. Par exemple, imaginons que nous ayons conçu un marché dans lequel les prosommateurs paient un prix proportionnel à leur consommation et, s'ils consomment plus que la moyenne, ils paient un supplément. Si le prosommateur A déclare qu'il va consommer beaucoup d'énergie au cours de la prochaine période de marché, les autres prosommateurs pourraient augmenter leurs plans de consommation, puisqu'ils pensent être des consommateurs inférieurs à la moyenne. Dans l'étape suivante, le prosommateur A consomme beaucoup moins que ce qu'il avait déclaré précédemment, mais les autres prosommateurs n'ont pas le temps de se synchroniser à nouveau avec des informations actualisées. Par conséquent, A est maintenant un consommateur inférieur à la moyenne. Ce qui se passe, c'est que A, en mentant sur ses informations privées, a évité le risque de payer le supplément, au détriment des autres.Comment éviter cela ? Dans la forme la plus simple, les prosommateurs (nœuds feuilles) peuvent convenir de communiquer leurs informations privées à une entité super-partenaire (leur nœud parent), qui jouera la stratégie optimale pour eux. La recherche de la stratégie optimale implique généralement la résolution d'un problème d'optimisation prédéfini. L'important est que chaque prosommateur se soit préalablement mis d'accord sur la manière de trouver cette stratégie optimale, et que tous considèrent l'entité super-partenaire comme digne de confiance. Dans ce cas, les prosommateurs n'ont aucun intérêt à mentir, puisque cela entraînerait une réduction de leur gain, par définition ! Compte tenu des avantages mentionnés ci-dessus, Hive Power a décidé de concevoir sa plateforme de marché d'énergie distribuée en utilisant des agrégateurs. Bien sûr, ces agrégateurs doivent être fiables ou, mieux encore, vérifiables. Dans mes prochains articles, je vais discuter de la façon dont nous allons procéder :

• modéliser le marché dans un cadre dynamique et stochastique
• tenir compte des contraintes du réseau
• préserver la vie privée des utilisateurs

J'aborderai également des solutions alternatives pour la communication intra-groupe. Restez à l'écoute !Sur Le pouvoir de la ruche nous permettons la création de communautés de partage de l'énergie où tous les participants sont assurés de bénéficier de leur participation, en atteignant en même temps un optimum technique et financier pour l'ensemble de la communauté.Liens clés :

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