Enerji sektöründe blockchain: literatür ve uygulamalar

Merhaba, bu yazımda INTERNATIONAL ENGINEERING AND TECHNOLOGY MANAGEMENT SUMMIT 2021'de yayınlamış olduğum Blockchain in Energy Supply Chains : A Review of The Literature and Applications başlıklı makalemden notlar paylaştım. İyi okumalar.

Enerji İhtiyacı
Dünyanın hızla artan nüfusu, enerji ihtiyacını artırmaktadır. Hızla büyüyen ekonomik faaliyetler nedeniyle, elektrik üretimi ve çevresel etkisi, enerji politikası yapımında iki önemli faktör haline gelmiştir. Bu nedenle yeterli enerji kaynaklarının bulunması, çözülmesi gereken önemli bir sorun haline gelmektedir.

Enerjide Blockchain

Kritik özellikleri ve karakteristiği sayesinde blockchain teknolojisi, enerji sektörünün temel sorunlarının çözümüne katkı sağlamaya yardımcı olabilir.

Blockchain’in Tanımı

Blockchain, dijital bir veri yapısıdır. Paylaşılan, dağıtılan, sürekli genişleyen bir işlem günlüğü ve bu işlemlerin kronolojik sırasını içeren bir veritabanıdır [1]. Blok zinciri veri modeli, elektronik işlemleri, bilgi kayıtlarını ve yönetilebilir öğeleri içerir.

Blockchain’in Yapısı

Blockchain, bilgiyi tutan organize bloklardan kuruludur. Hiçbir blok değiştirilemez veya silinemez. Blockchain sistemindeki tüm düğümler, veritabanı kayıtlarının tek bir kopyasına sahiptir. Blockchain’in durumunun doğrulanması için bir fikir birliği vardır. Buna consensus denir. Çerçevenin tek bir birleşik kontrolü üzerinde consensus sağlanmıştır.

Blockchain’deki ilk bloğa Genesis denir ve kendisi network’ün referans bloğudur. Üretilen herhangi bir yeni blok, kendisinden önce oluşturulan son bloğa bağlanır. Nihayetinde, herhangi bir blok son olarak defterdeki Genesis ile bağlantılıdır.

Her blok 3 ana bölümden oluşur:

• bu bloğa ait veriler,
• bu verilerin hash (özet) değeri
• önceki bloğa ait verilerin hash (özet) değeri.

Bu yapıya Merkle Tree denir.

Blockchain Yapısı

Blockchain’in Güvenliği

• Hash fonksiyonu sayesinde mesaj bütünlüğü doğrulanmaktadır.
• Public key cryptography sayesinde sistem içerisindeki mesajlara ait gönderici ve alıcı kimliği doğrulanmaktadır.

Akıllı Sözleşmeler (Smart Contracts)

Blok zincirinin nasıl çalıştığının algoritmasını içeren akıllı sözleşmeler zincir üzerinde tutulur ve kullanıcı veya blok zincirinin kendisi tarafından değişiklik yapılması gerekiyorsa değiştirilebilir [2]. Akıllı sözleşmeler sayesinde eşler arası (P2P) işlemler gerçekleştirilebilmektedir [3].

Blockchain’in Özellikleri

1. Dağıtık (Distributed): Sistemin yönetimi ve kontrolü dağıtılmıştır. Tek bir noktadan yönetilemez.
2. Transparan (Transparent): Veriler tüm üyeler arasında paylaşılır. Herhangi bir kullanıcı, şeffaflıktan dolayı kayıtları kontrol etmek için bir işlem kaydına erişebilir [3].
3. Güvenli (Secure): Bilgilerin güvenli bir şekilde saklamabilmesidir [1].
4. Güvenilir (Reliable): Zincire eklenen veriler değiştirilemezdir. Bu sebeple de blockchain güvenilirdir [4].
5. Birlikte Çalışabilir (Interoperable): Farklı blok zinciri teknolojileri ve donanım cihazları ile çalışabilmektedir [5].
6. Ölçeklenebilir (Scalable): Sistem içi işlem yoğunluğu ölçeklenebilmektedir [5].

Blockchain Yönetim Tipleri

1.public/private ayrımı: Kim blockchain’e kayıt yazabilir.

public: Her isteyen blockchain’e yeni kayıt yazabilir.

private: Sadece belli sistem üyeleri blockchain’e kayıt yazabilir.

2.open/closed ayrımı: Kim blockchain’den kayıt okuyabilir.

open: Her isteyen blockchain’den kayıt okuyabilir.

closed: Sadece belli sistem üyeleri blockchain’den kayıt okuyabilir.

5 Farklı Yönetim Tipi ve Örnek Kullanım Alanları

• public-open: Para birimi, bahis ve video oyunu
• public-closed: Seçim
• private-open: Tedarik zinciri, devlet mali kayıtları ve kurumsal kazanç tabloları
• private-closed: İnşaat, ulusal savunma, kolluk kuvvetleri, askeri ve vergi beyannameleri [6]
• hybrid

Consensus Algoritmaları

1.Proof of Work (PoW)

• En ünlüsüdür. Örn: Bitcoin ve Ethereum.
• Tüm katılımcıların amacı, diğer katılımcılardan biri oluşturmadan önce, önceden tanımlanmış hash değerinden daha küçük bir hash çıktısı üretmektir.
• Onaylanan bloğun sahibi olan düğüme teşvikler verilir.
• Sistemi ele geçirmek için düğümlerin %51 ’inin ele geçirilmesi gerekmektedir.
• Yüksek eletrik tüketimine neden olmaktadır.

2.Proof of Stake (PoS)

• Block doğrulayıcıları yüksek pay sahiplerinden seçilmektedir.
• Çok fazla paya sahip olmak, doğrulayıcı olma olasılığını ve yeni oluşturulan blok sahipliği şansını artırır [7].
• PoW ’a göre, elektrik tüketimini, zaman tüketimini ve ayrıca saldırı riskini azaltır [8] [9].
• Örn: Peercoin ve Cardano. İlerde Ethereum.

3.Delegated Proof of Stake (DPoS)

• DPoS, hızlı olmayı, yüksek işlem oranını ve enerji tüketimini azaltmayı hedefler [10].
• Ağa katılan delegeler (delegates) ve tanıklar (witnesses) bulunmaktadır, dağıtık anket yöntemiyle seçim yapmaktadırlar.
• Tanıklar, yeni bir blok oluşturmak için tüm kullanıcılar tarafından seçilirler.
• Tanık, blok olarak adlandırılan zincire yeni işlem verileri eklemek için sabit bir zaman çizelgesine sahiptir.
• Örn: BitShares.

4.Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)

• Bizans Generalleri Problemi’nin çözümüdür
• Düşük maliyetli gelişmiş BFT formu türüdür.
• Sistemdeki zararlı düğümlerin sayısı, toplam düğümlerin sayısının 1/3 ünden fazla olmadığı sürece sistem güvenli sayılmaktadır [11].
• Örn: Zilliqa, Hyperledger ve Tendermint.

Blockchain’in Enerji Sektörü İçin Yararları

• Sorumluluğun dağıtılması — Decentralization [12] [13]
• Karbonsuzlaştırma — Decarbonization [12] [13]
• Dijitalleşme — Digitization [12] [13]
• Giderlerin azaltılması
• Çevresel sürdürülebilirlik
• Gizlilikten ödün vermeden paydaşlar için artan şeffaflık

Blockchain’in Enerji Sektöründeki Kullanım Alanları

1.Toptan Elektrik Dağıtımı

• Blockchain teknolojisini toptan elektrik dağıtımına uygulamak isteyen şirketler, son kullanıcıları şebekeye bağlamaya odaklanmaktadır.
• IoT cihazlarıyla birleştirilen blockchain teknolojileri, tüketicilerin perakendecilerden ziyade doğrudan şebekeden enerji alıp satmalarını sağlamaktadır.
• Grit+, perakendecileri tüketici elektrik piyasasındaki verimsizliğin itici kaynağı olarak tanımlamaktadır [14].
• Perakendecileri blok zinciri tabanlı bir platformla desteklemek, tüketici faturalarını yaklaşık %40 oranında azaltma potansiyeline sahiptir.
• Sonuç, daha düşük elektrik maliyetleri ile daha adil ve istikrarlı bir enerji piyasasıdır.

2.Yenilenebilir Enerji Microgrid Mimarisinde Peer-to-Peer Elektrik Dağıtımı

• Bu yapıda tüketiciler elektriği üretip kullanır ve enerji tasarrufu sağlamak için fazla elektriği şebekeye satarlar [15].
• Hem üretici hem de tüketici konumundaki sistem abonelerine prosumer denmektedir [16].
• Sistem içerinde enerji ticareti eşler arasında (peer-to-peer) doğrudan yapılmaktadır.
• Peer-to-peer enerji ticareti, hem alışveriş maliyetlerini azaltır hem de koruma ve güvenilirliği de garanti eder [17].
• Böyle bir mimarinin yönetiminin merkezi olması maliyetleri arttıracağından dağıtık yönetim modeli seçilmiştir [18].
• Örn: the Brooklyn MicroGrid [1].

Yenilenebilir Enerji Microgrid Mimarisi

3.Elektrikte Veri Yönetimi

• Blockchain, tüketicilere enerji kaynakları üzerinde daha fazla verimlilik ve kontrol sağlayabilir.
• Blockchain, enerji kullanım verilerinin güvenli ve gerçek zamanlı güncellenmesini sağlar.
• Blochchain’in şeffaflığı, parasal veya veri istismarı şansını daha da azaltır.

4.Elektrikli Araçlar

• Blockchain’li çözümler sayesinde, araç şarj ücretlerinde daha fazla şeffaflık sağlanabilir ve enerji kaynakları seçilirken potansiyel olarak daha fazla seçeneğe sahip olunabilir.
• Blockchain, elektrikli araçlar için sınır ötesi seyahat de dahil olmak üzere farklı yerlerde çalışacak benzersiz bir doğrulama ve iletişim platformudur.
• Innogy Motionwerk ve Slock.it tarafından geliştirilen bir platform olan Share&Charge, EA sürücüleri ve EA şarj altyapıları arasında P2P işlem yapmalarına olanak sağlar [1].

5.Enerji Tedarik Zincirleri

5.1 Enerji Tedarik Zinciri Platformları

• Energy Web Foundation, açık kaynaklı, merkezi olmayan teknolojilerin potansiyelini açığa çıkararak düşük karbonlu, müşteri merkezli elektrik sistemlerini hızlandıran küresel ve kar amacı gütmeyen bir kuruluştur [19].
• 2019'da EW, dünyanın enerji sektörüne uyarlanmış ilk açık kaynaklı, kurumsal blockchain platformu olan Energy Web Chain’i başlattı [19].
• Energy Web Chain, Ethereum, Truffle geliştirici araçları ve Gnosis çoklu imza cüzdanlarını kullanmaktadır [19].
• Türkiye’de Enery Web ağı üzerinde çalışan Foton I-REC Platformu üzerinden birbirini tanımayan alıcı ve satıcı arasında ilk enerji alımı gerçekleşti. Platformun amacı yenilenebilir enerjinin kaynağını doğrulama [20].

5.2 Petrol ve Gaz Kaynaklarının Araştırılması, Depolanması ve Taşınması

• Kaynak arama ve çıkarma, tümü diğer firmalar tarafından sağlanan verilere dayanan düzinelerce paydaşın katılımını gerektirir.
• Kaynakları depolamak ve taşımak, geniş ulaşım ağlarının yönetimini, önemli düzenlemeleri, kazaların önlenmesini, altyapının sürdürülebilirliğini ve riskin azaltılmasını içerir.
• Blockchain teknolojisi, geniş ölçekli, çok taraflı veri koordinasyonunu optimize edebilir.
• Petrol ve gaz arama şirketi Petroteq Energy, tedarik zinciri yönetim platformu kurdu [21].

5.3 Yeşil Hidrojen Dağıtımı

• İspanyol yenilenebilir enerji şirketi Acciona, yeşil hidrojenin yenilenebilir kökenini garanti etmek için GreenH2chain adlı bir blockchain platformu geliştirdiğini duyurdu [22].
• Bu sayede tüketiciler hem kendi enerji tedariklerinin karbondan arındırma sürecini izleyebilecek hem de GreenH2chain hidrojen tüketimi hakkında bilgi edineceklerdir.

6. Emtia Ticareti

• Gaz ve enerji emtia ticareti endüstrisi, blok zinciri teknolojisinin kullanılabileceği bir başka alandır.
• Şirketler, enerji ticareti endüstrisine uyarlanmış tescilli ticaret platformları oluşturmak için milyonlarca yatırım yapmaktadır.
• Emtia ticaretinde ihtiyaç duyulan değişmezlik, güvenlik ve aciliyet, büyük ölçekli tescilli sistemlerin yavaş uyarlanabilirliğini ortadan kaldırarak blok zincirinde programlanabilmektedir.

7. Hizmet Sağlayıcılar

Hizmet sağlayıcıların blockchain’den faydalanabilecekleri 3 yol:

• Ethereum, verileri blok zincirine sabitlemeden önce microgrid içerisindeki birçok cihazdan gelen verileri işleyebilir ve doğrulayabilir.
• Enerji sağlayıcıları, dağıtım için kritik olan veri işlemleri için bir sistem oluşturmak için blok zinciri kullanabilirler.
• Blockchain, çeşitli aktörler arasında enerjiyi işlemek için bir sistem geliştirmek amacıyla kullanılabilir.

8.Yasal Raporlama ve Uyumluluk

• Düzenleyiciler, giderek artan bir şekilde enerji şirketlerinden uyumsuzluğu ve diğer düzenleyici sorunları tespit etmek için analiz edilebilecek büyük miktarda veri sağlamasını talep etmektedir [23].
• Paylaşılacak bu verilerin yanlış ellere geçmesi ve kötüye kullanılması durumunda hassas kurumsal bilgilerin ifşa edilmesi ve bir şirketi rekabette dezavantajlı duruma getirme riski bulunmaktadır [23].
• Blockchain, düzenleyicilerin kaynağında temiz, kurcalamaya karşı korumalı verilere güvenli bir şekilde erişmesine izin vererek ve şeffaflığı sağlayarak bu sorunların çoğunu potansiyel olarak ortadan kaldırabilir [23].

Referanslar

[1] Andoni, Merlinda et al. 2019. “Blockchain Technology in the Energy Sector: A Systematic Review of Challenges and Opportunities.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 100(October 2018): 143–74. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.10.014.

[2] Massessi, D. 2019. “Blockchain Governance In A Nutshell.” https://medium.com/coinmonks/blockchain-governance-in-a-nutshell-67903c0d2ea8 (January 25, 2019).

[3] Swan, Melanie. 2015. 293 Nation Blueprints for a New Economy.

[4] Musleh, Ahmed S, Gang Yao, and S M Muyeen. 2019. “Blockchain Applications in Smart Grid-Review and Frameworks.” IEEE Access 7: 86746–57.

[5] Dong, Zhaoyang, Fengji Luo, and Gaoqi Liang. 2018. “Blockchain: A Secure, Decentralized, Trusted Cyber Infrastructure Solution for Future Energy Systems.” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy 6(5): 958–67. https://doi.org/10.1007/s40565-018-0418-0.

[6] Massessi, D. 2018.“Public Vs Private Blockchain In A Nutshell.” https://medium.com/coinmonks/public-vs-private-blockchain-in-a-nutshell-c9fe284fa39f (December 12, 2018).

[7] Pilkington, Marc. 2016. “Blockchain Technology: Principles and Applications.” Research Handbooks on Digital Transformations: 225–53.

[8] EthereumWiki. 2017. “Proof of Stake FAQ.” https://github.com/ethereum/wiki/wiki/ Proof-of-Stake-FAQ (October 24, 2017).

[9] King, Sunny, and Scott Nadal. 2012. “PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake.” http://peerco.in/assets/paper/peercoin-paper.pdf%0Ahttp://fc17.ifca.ai/preproceedings/paper_73.pdf%0Ahttp://arxiv.org/abs/1606.06530%0Ahttps://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=2977811%0Ahttp://dl.acm.org/citation.cfm?doid=2976749.2978389%0Ahttp.

[10] Castor, A. 2017. “A (Short) Guide to Block Chain Consensus Protocols.” https://www.coindesk.com/short-guide-blockchain-consensus-protocols/ (November 11, 2017).

[11] Lamport, Leslie, Robert Shostak, and Marshall Pease. 1982. “The Byzantine Generals Problem.” ACM Transactions on Programming Languages and Systems (TOPLAS) 4(3): 382–401.

[12] Hartnett, Sam et al. 2018. “The Energy Web Chain.” Accelerating the Energy Transition with an Open-Source, Decentralized Blockchain Platform (October). http://www.energyweb.org/papers/the-energy-web-chain.

[13] INATBA’s Energy Working Group — https://inatba.org/energy-working-group/

[14] Grit+ — https://gridplus.io/

[15] Aldaouab, Ibrahim, Malcolm Daniels, and Raúl Ordóñez. 2019. “MPC for Optimized Energy Exchange between Two Renewable-Energy Prosumers.” Applied Sciences (Switzerland) 9(18).

[16] Gensollen, Nicolas, Vincent Gauthier, Monique Becker, and Michel Marot. 2018. “Stability and Performance of Coalitions of Prosumers through Diversification in the Smart Grid.” IEEE Transactions on Smart Grid 9(2): 963–70.

[17] Li, Zhetao et al. 2018. “Consortium Blockchain for Secure Energy Trading in Industrial Internet of Things.” IEEE Transactions on Industrial Informatics 14(8): 3690–3700.

[18] Lo, Chun Hao, and Nirwan Ansari. 2013. “Decentralized Controls and Communications for Autonomous Distribution Networks in Smart Grid.” IEEE Transactions on Smart Grid 4(1): 66–77.

[19] energyweb.org — https://www.energyweb.org/

[20] Enerji Günlüğü — https://www.enerjigunlugu.net/blockchainden-ilk-yesil-elektrik-sertifikasi-ck-enerjinin-42012h.htm

[21] Supply Chain — https://supplychaindigital.com/technology-4/could-blockchain-revolutionise-energy-supply-chain

[22] Ledger Insights — https://www.ledgerinsights.com/acciona-blockchain-to-trace-green-hydrogen-energy/

[23] Deloitte — https://www2.deloitte.com/us/en/pages/energy-and-resources/articles/blockchain-use-cases-energy-resources-industry-disruptor.html