Perché il mercato dell'energia ha bisogno di architetture decentralizzate

Una delle ragioni dell'alta popolarità delle criptovalute è che permettono un sistema economico decentralizzato. Questo punto è unanimemente considerato fondamentale nel mondo delle criptovalute, dove il peggior insulto per un progetto è definirlo "centralizzato". Tuttavia, la definizione di decentralizzazione è spesso poco compresa. Ancora peggio, un recente studio dimostra che le criptovalute non sono così decentralizzate come si potrebbe pensare, considerando che i primi quattro minatori di Bitcoin e i primi tre minatori di Ethereum controllano più del 50% dell'hash rate.La decentralizzazione è spesso spiegata in termini di architettura di comunicazione di una rete, e di solito viene fatta una distinzione tra reti decentralizzate e distribuite. Questa immagine molto famosa spiega le differenze in modo eloquente:

L'immagine è in qualche modo autoesplicativa, ma possiamo provare a dare una definizione provvisoria delle tre architetture:

• architettura centralizzata: le informazioni passano da un unico nodo
• architetture decentralizzate: non tutte le informazioni passano da un singolo nodo
• architetture distribuite: i nodi comunicano solo con i loro vicini

Questa definizione (molto personale) fa delle architetture distribuite una sottoclasse delle architetture decentralizzate. Questa immagine fu pubblicata per la prima volta nel 1964 da Paul Baran, un pioniere nel campo delle reti di computer. Quando Baran pubblicò il suo lavoro, stava considerando le reti distribuite per aumentare la resilienza della struttura di comunicazione nazionale nel contesto di una possibile guerra atomica:

...si può dimostrare che strutture di sistema altamente sopravvissute possono essere costruite, anche nell'era termonucleare

- Baran, Paul. "Sulle reti di comunicazione distribuite". IEEE transactions on Communications Systems 12.1 (1964): 1-9.Da questo punto di vista, in cui la rete di comunicazione è gestita da un'entità fidata (il governo) e l'architettura ha il solo scopo di garantire la comunicazione, non c'è più bisogno di considerare la decentralizzazione sotto altri aspetti. In questo post sul significato della decentralizzazione, Vitalik Buterin spiega perché, per le criptovalute e le tecnologie ledger distribuite, c'è la necessità di espandere la definizione del grado di decentralizzazione di un sistema.In breve, si possono considerare tre aspetti chiave:

• decentralizzazione architettonica: questo coincide con la definizione data da Baran. Il sistema dovrebbe essere geograficamente dislocato per essere robusto contro gli attacchi malevoli. L'assunzione implicita è che i costi dell'attaccante sono sublineari: distruggere una grande unità centrale è più economico che distruggere migliaia di piccole unità di comunicazione dislocate.
• decentralizzazione politica: le decisioni riguardanti i protocolli che gestiscono la rete dovrebbero essere prese da diversi individui/organizzazioni senza interessi concorrenti a manipolare la rete. Questo aspetto è importante una volta che usciamo da un'impostazione mentale "noi" contro "loro", in cui l'operatore della rete è fidato e il sistema deve essere protetto da attacchi esterni. Si noti che nel caso delle criptovalute la formazione di cartelli è completamente prevista -Vlad Zamfir. La storia di Casper - Capitolo 4.
• decentralizzazione logica: riguarda lo "stato" del sistema, dove per "stato" si intende l'insieme dei dati disponibili attraverso la rete. La piattaforma bittorrent è logicamente decentralizzata, poiché i dati della rete sono memorizzati dai peer, ognuno dei quali memorizza solo una parte di tutti i dati disponibili. La rete Ethereum, e le DLT in generale, sono logicamente centralizzate, poiché è auspicabile che tutti i peer vedano uno stato di rete coerente (lo stesso) in qualsiasi momento. Questa coerenza arriva al costo di strutture di dati altamente ridondanti e al corso del teorema CAP: se il sistema viene partizionato, solo una proprietà tra coerenza e disponibilità può essere garantita.

Ora che abbiamo una buona conoscenza del significato e dei problemi connessi alle reti (de)centralizzate, possiamo iniziare a discutere delle architetture decentralizzate per i mercati dell'energia. I pannelli solari sono fonti di energia altamente stocastiche con una profonda volatilità. Questa volatilità richiede una maggiore flessibilità della domanda e crea uno sweet spot per la creazione di comunità energetiche che implementano mercati energetici locali. Questi mercati avranno 3 tipi di partecipanti:

• Iproduttori locali, che possono vendere la loro energia in eccesso a prezzi più alti
• Consumatori con carichi flessibili (ad esempio scaldabagni, pompe di calore, caricatori EV), che possono ottenere uno sconto per lo spostamento del carico
• Proprietari di batterie, che possono vendere la loro capacità di stoccaggio

Questi tre attori potrebbero avere diverse motivazioni nel partecipare a tale comunità energetica, tra cui:

• Una riduzione delle loro bollette elettriche grazie all'aumento dell'autoconsumo della comunità. Le comunità energetiche saranno anche in grado di vendere la loro flessibilità agli operatori del sistema di distribuzione, generando ulteriori profitti per i loro membri.
• Un aumento della quota di energia pulita prodotta localmente che consumano.

Concentriamoci sul problema specifico della scelta dell'architettura per un tale disegno di mercato.Prima di tutto, non dobbiamo partire da zero, anche la rete elettrica è una rete con una propria architettura. L'infrastruttura esistente è enorme. È stata sviluppata da miliardi di dollari e può essere divisa essenzialmente in:

• Rete di trasmissione e distribuzione elettrica (cavi, trasformatori, banchi di condensatori, FACTS, ecc...)
• Infrastruttura di comunicazione per la misurazione e il controllo (PLC, fibre ottiche, ecc.)

Anche l'architettura di rete della rete elettrica è particolare. In particolare, è divisa in diversi livelli di tensione. La scelta del livello di tensione è funzione di:

• La distanza da percorrere
• La quantità di energia che deve essere trasportata

Per unità di lunghezza le linee ad alta tensione sono più costose di quelle a media e bassa tensione, ma la quantità di energia che possono trasportare e la distanza che possono coprire è molto più alta, grazie alle minori perdite. Infatti, aumentando la tensione di un fattore 10 si riduce la corrente di un corrispondente fattore 10 e quindi le perdite RI² di un fattore 100. Nei sistemi di distribuzione, una volta che l'elettricità si avvicina al punto di consumo la tensione viene gradualmente diminuita diminuendo così il costo delle linee e riducendo i possibili pericoli in caso di corto circuito.

Nella figura qui sopra, possiamo vedere le linee ad alta tensione (HV) e media tensione (MV) nella regione intorno alla sede di Hive Power, che vanno da 380 kV (linee rosse) a 50 kV (linee blu).

La rete di bassa tensione (LV), che è molto più onnipresente, come quella mostrata nella figura precedente. Nel caso più comune, la topologia della rete di bassa tensione è radiale, cioè ha una semplice struttura ad albero, che divide naturalmente il sistema. Dal punto di vista fisico, gli effetti di una rete LV sul livello MV superiore, possono essere presi in considerazione solo attraverso la potenza totale al trasformatore. In altre parole, non è necessario conoscere il consumo di energia di tutti gli edifici della rete BT in un dato momento per controllare efficacemente il livello MT, né è necessario che un prosumer situato nella rete BT A conosca tutta l'energia prodotta o consumata da tutti i prosumer della BT B E ora un punto molto importante:"Il disegno dei meccanismi dei nuovi mercati dell'energia deve considerare esplicitamente l'effetto dell'energia scambiata sulla rete elettrica. I prezzi dell'energia devono riflettere lo stato della rete"Questo punto è essenziale per capire come vediamo il mercato e la sua infrastruttura di comunicazione. In presenza di generazione distribuita da energia rinnovabile, per esempio il fotovoltaico, la produzione di energia diventa altamente sincronizzata. Questa sincronizzazione è un possibile pericolo per la rete elettrica, poiché può sovraccaricare le linee elettriche. Inoltre, la produzione di energia da energie rinnovabili è altamente volatile, influenzando la qualità dell'energia locale. I nuovi mercati dell'energia hanno il compito di mitigare l'effetto di una crescente penetrazione dei generatori rinnovabili nella rete elettrica. L'opinione comune tra la comunità scientifica è che questo potrebbe essere fatto per mezzo di programmi di risposta alla domanda, in cui il prezzo dell'energia viene modificato dinamicamente, in base allo stato della rete.Queste considerazioni ci portano ad analizzare un'altra sottoclasse di architetture decentralizzate, che è un ottimo candidato per i mercati energetici decentralizzati: le strutture gerarchiche. Le strutture gerarchiche sono essenzialmente strutture ad albero, in cui ogni nodo può essere un nodo terminale o un nodo ramificato. I nodi terminali sono le "foglie" dell'albero e non hanno connessioni verso il basso. Nei nostri mercati dell'energia, i nodi terminali sono singoli prosumer.

L'immagine sopra mostra un esempio di struttura gerarchica, in cui i nodi terminali blu con uno stesso nodo genitore, sono riuniti in un gruppo. Si noti che questa struttura è una sorta di frattale, cioè un gruppo può essere visto come un singolo nodo terminale quando visto dal livello superiore.Torniamo ai mercati dell'energia e ai sistemi decentralizzati! Come si inserisce questa architettura nella classificazione di cui sopra, e perché ha senso per i mercati energetici decentralizzati? Riconsideriamo ogni punto uno per uno:

• architettura: l'architettura è geograficamente decentralizzata, ma non completamente distribuita. Cioè, non tutti i nodi sono ugualmente importanti, dal punto di vista di un attaccante che vorrebbe rendere indisponibile l'intero sistema. Considerate comunque che è vero anche per il sistema elettrico. Inoltre, e più importante, ricordate che i gruppi sono disaccoppiati, fisicamente e logicamente. Questo significa che, se per qualche motivo la comunicazione con il nodo radice (quello situato al livello superiore), viene persa, i prosumer nelle comunità dei livelli inferiori possono ancora effettivamente scambiare energia tra i pari della stessa comunità.
• politico: l'architettura gerarchica rende i nodi ramificati fondamentali per il funzionamento del mercato dell'energia. Questo dà potere ai proprietari dei nodi ramificati, rispetto ai semplici prosumer. Per eliminare questo problema, possiamo introdurre un sistema di governance regolato da contratti intelligenti.
• logico: l'architettura gerarchica non influenza la (de)centralizzazione logica di per sé. Comunque, ricordate che il sistema che vogliamo far funzionare è disaccoppiato, e gli effetti fisici possono essere presi in considerazione per mezzo della potenza aggregata ai livelli superiori. Cioè, sia il commercio di energia che il controllo della rete sono possibili se le informazioni sono aggregate ad ogni ramo della struttura. Questa aggregazione eviterebbe inutili flussi di informazioni e preserverebbe la privacy dei prosumer: solo le informazioni aggregate sul consumo di energia sono disponibili ai livelli superiori della struttura; inoltre, anche i prosumer che appartengono agli stessi gruppi hanno solo informazioni aggregate sugli altri.

Le strutture gerarchiche hanno anche un altro aspetto peculiare che è strettamente legato al mechanism design, un campo dell'economia e della teoria dei giochi che mira a costruire regole di mercato che inducono un effetto desiderato sugli equilibri di mercato. Per esempio, il protocollo CASPER di Ethereum è visto dai suoi creatori come il risultato dell' applicazione del mechanism design alla criptoeconomia.

Progettare un mercato che trasformi la competizione in cooperazione

Uno dei risultati più celebri della progettazione dei meccanismi è il principio di rivelazione, che afferma che:Se il mercato è compatibile con gli incentivi, possiamo limitare lo studio alla situazione in cui ogni partecipante è disposto a rivelare le sue informazioni private. Questo significa che nessun agente avrebbe incentivi a mentire sulle proprie previsioni di potenza o sull'utilità attesa di usare una certa quantità di energia. Consideriamo che ogni giocatore del mercato adotterebbe una strategia ottimale (in termini di risultati) date le sue informazioni private. Un giocatore potrebbe mentire nel riportare le sue informazioni private se scopre di avere dei vantaggi nel farlo. Per esempio, immaginiamo di aver progettato un mercato in cui i prosumer pagano un prezzo proporzionale al loro consumo e, se consumano più della media, pagano una quota aggiuntiva. Se il prosumer A dichiara che consumerà molta energia nel prossimo periodo di mercato, gli altri prosumer potrebbero aumentare i loro piani di consumo, poiché credono di essere consumatori inferiori alla media. Nella fase successiva, il prosumer A consuma molto meno di quello che aveva dichiarato in precedenza, ma non c'è tempo per gli altri prosumer di sincronizzarsi nuovamente con informazioni aggiornate. Di conseguenza, A è ora un consumatore sotto la media. Quello che è successo è che A, mentendo sulle sue informazioni private, ha evitato il rischio di pagare la quota aggiuntiva, a scapito degli altri.Come si può evitare questo? Nella forma più semplice, i prosumer (nodi foglia) possono accordarsi per comunicare le loro informazioni private a un'entità super-partes (il loro nodo padre), che giocherebbe la strategia ottimale per loro. Trovare la strategia ottimale implica generalmente la risoluzione di un problema di ottimizzazione predefinito. La cosa importante è che ogni prosumer si sia precedentemente accordato su come trovare questa strategia ottimale, e che tutti loro considerino l'entità super-partes come affidabile. In questo caso, i prosumer non hanno alcun interesse a mentire, poiché così facendo incorrerebbero in una riduzione del payoff, per definizione! Alla luce dei benefici sopra menzionati, in Hive Power abbiamo deciso di progettare la nostra piattaforma di mercato dell'energia distribuita facendo uso di aggregatori. Naturalmente questi aggregatori dovrebbero essere fidati o, ancora meglio, controllabili:

• modellare il mercato in un ambiente dinamico e stocastico
• prendere in considerazione i vincoli della griglia
• preservare la privacy dell'utente

Discuterò anche soluzioni alternative per la comunicazione all'interno del gruppo. Restate sintonizzati!In Potere dell'alveare stiamo permettendo la creazione di comunità di condivisione dell'energia in cui tutti i partecipanti sono garantiti per beneficiare della partecipazione, raggiungendo allo stesso tempo un optimum tecnico e finanziario per tutta la comunità.Link chiave:

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