Waarom de energiemarkt gedecentraliseerde architecturen nodig heeft

Een van de redenen voor de grote populariteit van cryptocurrencies is dat ze een gedecentraliseerd economisch systeem mogelijk maken. Dit punt wordt unaniem beschouwd als cruciaal in de cryptowereld, waar de ergste belediging voor een project is om het 'gecentraliseerd' te noemen. De definitie van decentralisatie wordt echter vaak nauwelijks begrepen. Erger nog, een recente studie toont aan dat cryptocurrencies niet zo gedecentraliseerd zijn als men zou denken, gezien het feit dat de top vier miners in Bitcoin en de top drie miners in Ethereum meer dan 50% van de hash rate controleren.Decentralisatie wordt vaak uitgelegd in termen van de communicatiearchitectuur van een netwerk, en er wordt meestal een onderscheid gemaakt tussen gedecentraliseerde en gedistribueerde netwerken. Dit zeer bekende plaatje legt de verschillen welsprekend uit:

Het beeld spreekt enigszins voor zich, maar we kunnen proberen een voorlopige definitie te geven van de drie architecturen:

• gecentraliseerde architectuur: informatie gaat van één knooppunt
• gedecentraliseerde architecturen: niet alle informatie gaat van één knooppunt
• gedistribueerde architecturen: knooppunten communiceren alleen met hun buren

Deze (zeer persoonlijke) definitie maakt gedistribueerde architecturen tot een subklasse van gedecentraliseerde architecturen.Dit beeld werd voor het eerst in 1964 gepubliceerd door Paul Baran, een pionier op het gebied van computernetwerken. Toen Baran zijn werk publiceerde, overwoog hij gedistribueerde netwerken om de veerkracht van de nationale communicatiestructuur te vergroten in de context van een mogelijke atoomoorlog:

...kan worden aangetoond dat zeer overleefbare systeemstructuren kunnen worden gebouwd, zelfs in het thermonucleaire tijdperk.

- Baran, Paul. "On distributed communications networks." IEEE transactions on Communications Systems 12.1 (1964): 1-9.Vanuit dit gezichtspunt, waarin het communicatienetwerk wordt beheerd door een vertrouwde entiteit (de overheid) en de architectuur als enige doel heeft om de communicatie te waarborgen, is het verder niet nodig om decentralisatie onder andere aspecten te beschouwen. In deze post over de betekenis van decentralisatie legt Vitalik Buterin uit waarom het voor cryptocurrencies en gedistribueerde grootboektechnologieën nodig is om de definitie van de decentralisatiegraad van een systeem uit te breiden.Kort samengevat kunnen drie belangrijke aspecten in aanmerking worden genomen:

• architectonische decentralisatie: dit valt samen met de definitie van Baran. Het systeem moet geografisch gespreid zijn om bestand te zijn tegen kwaadwillige aanvallen. De impliciete aanname is dat de kosten voor de aanvaller sublineair zijn: het vernietigen van een zeer grote centrale eenheid is goedkoper dan het vernietigen van duizenden kleinere verspreide communicatie-eenheden.
• politieke decentralisatie: beslissingen over de protocollen die het netwerk besturen, moeten worden genomen door verschillende personen/organisaties zonder gelijktijdige belangen om het netwerk te manipuleren. Dit aspect is belangrijk zodra we uit een 'wij' tegen 'zij' denkraam stappen, waarin de netwerkbeheerder wordt vertrouwd en het systeem moet worden beschermd tegen aanvallen van buitenstaanders. Merk op dat in het geval van cryptocurrencies kartelvorming volledig te verwachten is -Vlad Zamfir. De geschiedenis van Casper - Hoofdstuk 4.
• logische decentralisatie: dit betreft de "toestand" van het systeem, waarbij onder "toestand" alle gegevens worden verstaan die via het netwerk beschikbaar zijn. Het bittorrent platform is logisch gedecentraliseerd, aangezien de gegevens van het netwerk worden opgeslagen door de peers, waarbij elk van hen slechts een deel van het geheel van de beschikbare gegevens opslaat. Het Ethereum netwerk, en DLT's in het algemeen, zijn logisch gecentraliseerd, omdat het wenselijk is dat alle peers op elk moment een coherente (dezelfde) netwerktoestand zien. Deze coherentie gaat ten koste van sterk redundante datastructuren en van de CAP stelling: als het systeem gepartitioneerd raakt, kan slechts één eigenschap tussen consistentie en beschikbaarheid worden gegarandeerd.

Nu wij een goed inzicht hebben in de betekenis van en de problemen in verband met (de)gecentraliseerde netwerken, kunnen wij beginnen te discussiëren over gedecentraliseerde architecturen voor energiemarkten.Steeds meer duurzame energiebronnen worden in het distributienet geïnstalleerd, vooral fotovoltaïsche energie. Zonnepanelen zijn zeer stochastische energiebronnen met een grote volatiliteit. Deze volatiliteit vereist een grotere flexibiliteit van de vraag en creëert een gunstige situatie voor de oprichting van energiegemeenschappen die lokale energiemarkten implementeren. Deze markten zullen drie soorten deelnemers hebben:

• lokale producenten, die hun overtollige energie tegen hogere prijzen kunnen verkopen
• Consumenten met flexibele lasten (bv. waterverwarmers, warmtepompen, EV-laders), die een korting kunnen krijgen voor het verschuiven van lasten
• Eigenaars van batterijen, die hun opslagcapaciteit kunnen verkopen

Deze drie actoren kunnen verschillende beweegredenen hebben om aan een dergelijke energiegemeenschap deel te nemen, waaronder:

• Een verlaging van hun elektriciteitsfactuur dankzij het toegenomen zelfverbruik van de gemeenschap. De energiegemeenschappen zullen ook hun flexibiliteit kunnen verkopen aan distributienetbeheerders, wat extra winst oplevert voor hun leden.
• Een toename van het aandeel lokaal geproduceerde schone energie dat zij verbruiken.

Laten we ons concentreren op het specifieke probleem van de keuze van de architectuur voor een dergelijk marktontwerp.Ten eerste hoeven we niet vanaf nul te beginnen, het elektriciteitsnet is ook een netwerk met een eigen architectuur. De bestaande infrastructuur is enorm. Het werd ontwikkeld met miljarden dollars en kan in essentie verdeeld worden in:

• Elektrisch transmissie- en distributienetwerk (kabels, transformatoren, condensatorbanken, FACTS, enz...)
• Communicatie-infrastructuur voor meting en regeling (PLC, optische vezels, enz.)

De netwerkarchitectuur van het elektriciteitsnet is ook eigenaardig. Het is met name verdeeld in verschillende spanningsniveaus. De keuze van het spanningsniveau is een functie van:

• De af te leggen afstand
• De hoeveelheid stroom die getransporteerd moet worden

Per lengte-eenheid zijn hoogspanningslijnen duurder dan midden- en laagspanningslijnen, maar de hoeveelheid stroom die zij kunnen transporteren en de afstand die zij kunnen afleggen is veel groter, dankzij de lagere verliezen. Een verhoging van de spanning met een factor 10 vermindert immers de stroomsterkte met een overeenkomstige factor 10 en bijgevolg de RI²-verliezen met een factor 100. In distributiesystemen wordt de spanning geleidelijk verlaagd zodra de elektriciteit het verbruikspunt nadert, waardoor de kosten van de leidingen dalen en de mogelijke gevaren in geval van kortsluiting worden beperkt.

In de bovenstaande figuur zien we de hoogspannings- (HV) en middenspannings (MV) lijnen in de regio rond het hoofdkantoor van Hive Power, variërend van 380 kV (rode lijnen) tot 50 kV (blauwe lijnen).

Het laagspanningsnet (LV), dat veel algemener is, zoals het in de bovenstaande figuur is weergegeven. In het meest voorkomende geval is de topologie van het laagspanningsnet radiaal, d.w.z. dat het een eenvoudige boomachtige structuur heeft. Deze structuur deelt het systeem op natuurlijke wijze in. Vanuit fysisch oogpunt kunnen de effecten van een LV-net op het hogere MV-niveau alleen in aanmerking worden genomen aan de hand van het totale vermogen aan de transformator. Met andere woorden, het is niet nodig het stroomverbruik van alle gebouwen in het LV-netwerk op een bepaald ogenblik te kennen om het MV-niveau doeltreffend te regelen, noch is het vereist dat een prosumer in het LV A op de hoogte is van alle energie die wordt geproduceerd of verbruikt door alle prosumenten in de LV B En nu een zeer belangrijk punt:"Bij het mechanismeontwerp van nieuwe energiemarkten moet expliciet rekening worden gehouden met het effect van verhandelde energie op het elektriciteitsnet. De energieprijzen moeten de toestand van het net weerspiegelen. "Dit punt is essentieel om te begrijpen hoe we de markt en de communicatie-infrastructuur ervan zien. In de aanwezigheid van gedistribueerde opwekking van hernieuwbare energie, bv. PV, raakt de stroomproductie sterk gesynchroniseerd. Deze synchronisatie is een mogelijk gevaar voor het elektriciteitsnet, aangezien ze de elektrische leidingen kan overbelasten. Nieuwe energiemarkten moeten het effect van een toenemende penetratie van hernieuwbare opwekkers in het elektriciteitsnet afzwakken. Deze overwegingen brengen ons ertoe een andere subklasse van gedecentraliseerde architecturen te analyseren, die een zeer goede kandidaat is voor gedecentraliseerde energiemarkten: hiërarchische structuren. Hiërarchische structuren zijn in wezen boomachtige structuren, waarin elk knooppunt een eindpunt of een vertakkend knooppunt kan zijn. Terminale knooppunten zijn de "bladeren" van de boom, en hebben geen verbindingen naar beneden. In onze energiemarkten zijn de eindknooppunten individuele prosumenten.

De afbeelding hierboven toont een voorbeeld van een hiërarchische structuur, waarin de blauwe eindknooppunten met eenzelfde ouderknooppunt, zijn samengebracht in een groep. Merk op dat deze structuur een soort fractal is, d.w.z. dat een groep kan worden gezien als een enkel eindknooppunt vanaf het bovenste niveau. Terug naar de energiemarkten en gedecentraliseerde systemen! Hoe past deze architectuur in de eerder genoemde classificatie en waarom is zij zinvol voor gedecentraliseerde energiemarkten? Laten we elk punt een voor een opnieuw bekijken:

• architectuur: de architectuur is geografisch gedecentraliseerd, maar niet volledig gedistribueerd. Dat wil zeggen dat niet alle knooppunten even belangrijk zijn, vanuit het oogpunt van een aanvaller die het hele systeem onbeschikbaar zou willen maken. Bedenk in ieder geval dat dit ook geldt voor het elektrische systeem. Bovendien, en dit is nog belangrijker, mag niet uit het oog worden verloren dat de groepen zowel fysisch als logisch ontkoppeld zijn. Dit betekent dat, als om een of andere reden de communicatie met het hoofdknooppunt (het knooppunt op het hoogste niveau) wegvalt, prosumenten in de gemeenschappen op de lagere niveaus nog steeds effectief energie kunnen verhandelen tussen peers in dezelfde gemeenschap.
• politiek: door de hiërarchische architectuur zijn de vertakkende knooppunten van cruciaal belang voor de werking van de energiemarkt. Dit geeft de eigenaars van de vertakkingsknooppunten meer macht dan de eenvoudige prosumenten. Om dit probleem op te lossen, kunnen we een bestuurssysteem invoeren dat door slimme contracten wordt geregeld.
• logisch: de hiërarchische architectuur heeft geen invloed op de logische (de)centralisatie op zich. Hoe dan ook, vergeet niet dat het systeem dat wij willen bedienen ontkoppeld is, en dat fysieke effecten in aanmerking kunnen worden genomen door middel van geaggregeerd vermogen op hogere niveaus. Dat wil zeggen dat zowel energiehandel als netcontrole mogelijk zijn als de informatie op elke tak van de structuur wordt samengevoegd. Deze aggregatie zou zowel onnodige informatiestromen voorkomen als de privacy van de prosumenten beschermen: alleen geaggregeerde informatie over het energieverbruik is beschikbaar op hogere niveaus van de structuur; bovendien hebben zelfs prosumenten die tot dezelfde groepen behoren alleen geaggregeerde informatie over elkaar.

Hiërarchische structuren hebben ook een ander eigenaardig aspect dat nauw verwant is met mechanismeontwerp, een gebied van de economie en speltheorie dat gericht is op het opstellen van marktregels die een gewenst effect op de marktevenwichten teweegbrengen. Zo wordt het CASPER protocol van Ethereum door de makers ervan gezien als het resultaat van de toepassing van mechanismeontwerp op de crypto-economie.

Een markt ontwerpen die concurrentie in samenwerking verandert

Een van de meest gevierde uitkomsten van het mechanismeontwerp is het openbaringsprincipe, datalsvolgt luidt: "Als de markt verenigbaar is met prikkels, kunnen we het onderzoek beperken tot de situatie waarin elke deelnemer bereid is zijn privé-informatie openbaar te maken.Dit betekent dat geen enkele agent er belang bij zou hebben te liegen over zijn energievoorspellingen of over het verwachte nut van een bepaalde hoeveelheid energie. Laten we een voorbeeld geven om de implicaties te verduidelijken. Ga ervan uit dat elke marktdeelnemer een optimale strategie (in termen van resultaten) zou volgen, gegeven zijn privé-informatie. Een speler zou kunnen liegen bij het rapporteren van zijn privé-informatie als hij vindt dat hij daarbij bepaalde voordelen heeft. Stel bijvoorbeeld dat wij een markt hebben ontworpen waarop prosumenten een prijs betalen die evenredig is met hun verbruik, en dat zij, als zij meer verbruiken dan het gemiddelde, een extra vergoeding betalen. Als prosumer A verklaart dat hij in de volgende marktperiode veel energie gaat verbruiken, kunnen de andere prosumers hun verbruiksplannen verhogen, omdat zij menen onder het gemiddelde te zitten. In de volgende stap verbruikt prosumer A veel minder dan hij eerder had verklaard, maar er is geen tijd voor de andere prosumers om zich opnieuw te synchroniseren met bijgewerkte informatie. Het resultaat is dat A nu een ondergemiddelde consument is. Wat er is gebeurd, is dat A, door over zijn privé-informatie te liegen, het risico van het betalen van de extra vergoeding heeft voorkomen, ten nadele van de anderen.Hoe kan dit worden vermeden? In de eenvoudigste vorm kunnen prosumers (bladknooppunten) afspreken hun privé-informatie mee te delen aan een bovenliggende entiteit (hun moederknooppunt), die voor hen de optimale strategie zou spelen. Het vinden van de optimale strategie houdt over het algemeen het oplossen van een vooraf gedefinieerd optimalisatieprobleem in. Het belangrijkste is dat elke prosumers van te voren is overeengekomen hoe deze optimale strategie wordt gevonden, en dat ze allemaal de super-partij entiteit als betrouwbaar beschouwen. In dit geval hebben de prosumenten er geen belang bij om te liegen, aangezien dit per definitie zou leiden tot een vermindering van de betaling! Met het oog op de hierboven vermelde voordelen, hebben we bij Hive Power beslist om ons gedistribueerd energiemarktplatform te ontwerpen door gebruik te maken van aggregators. Natuurlijk moeten deze aggregators te vertrouwen zijn of, nog beter, controleerbaar. In mijn volgende posts zal ik bespreken hoe we dat zullen doen:

• de markt in een dynamische en stochastische omgeving te modelleren
• rekening houden met de netbeperkingen
• de privacy van de gebruiker beschermen

Ik zal ook alternatieve oplossingen bespreken voor de communicatie binnen de groep. Blijf op de hoogte!Op Hive Macht maken we het mogelijk om gemeenschappen te creëren die energie delen, waar alle deelnemers gegarandeerd voordeel halen uit hun deelname, en tegelijk een technisch en financieel optimum bereiken voor de hele gemeenschap.Belangrijkste links:

• Hive Power homepage: https://hivepower.tech
• Whitepaper: http://whitepaper.hivepower.tech
• Twitter: https://twitter.com/hive_power
• Telegram: https://t.me/hivepower

[maxbutton id="1"]