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文/姚国章 南京邮电大学数字经济研究所，南京邮电大学学报
３ 国际能源区块链典型案例解析
如何真正使区块链技术能在能源行业中落地应用，目前在国际上相关的案例正陆续出现，其中纽约布鲁克林的微电网和澳大利亚的ＰｏｗｅｒＬｅｄｇｅｒ项目因发展时间早、应用成效好而受到更多关注。本文对这两个案例进行系统分析以期能为我国的发展和应用提供借鉴启示。
３．１ 纽约布鲁克林基于区块链的微电网智能系统
根据美国能源信息署（ＥＩＡ）的统计数据显示，２０１９年上半年太阳能发电占美国发电总量的２７％，虽比２０１８年上半年的２．４％有所上升，但太阳能在总体电力结构中的占比还相对较低。之所以占比不高，主要有两方面的原因，一是因为美国石油、页岩气等成本较低，比太阳能电力更具有成本优势；二是因为太阳能电力资源没能得到有效的开发和利用。为了更好地开发和利用美国十分丰富的太阳能资源，解决太阳能利用中的瓶颈问题，总部位于纽约的初创公司ＬＱ３Ｅｎｅｒｇｙ启动了基于区块链技术的微电网智能系统项目———ＴｒａｎｓＡｃｔｉｖｅＧｒｉｄ，并在纽约市布鲁克林区总统街进行了实践，已取得了十分明显的成效。
过去，在纽约，拥有太阳能光伏面板的居民可以将自身生产电力的多余部分出售给电力公司并入其电网，但因为售价过低无法保本，而且在当电力公司计划在该区域停电时，居民们无法直接使用自己生产的电力进行供电，对此居民颇有怨言。ＬＱ３Ｅｎｅｒｇｙ公司为了解决这一难题，通过与德国西门子公司合作，采用区块链技术创建了一个试验性微电网，使得拥有太阳能光伏的居民可以通过区块链技术实现点对点的交易，将多余的电力卖给邻居，既使得电能损耗最小，又能让社区居民最大程度受益，同时还能摆脱公共电网的依赖。
ＬＱ３Ｅｎｅｒｇｙ公司开发了一个基于区块链的平台———ＴｒａｎｓＡｃｔｉｖｅＧｒｉｄ（简称“ＴＡＧ”），允许本地居民使用现有的网格基础结构彼此进行去中心化的事务处理。参加试验的居民可以选择从本地光伏系统、区域性绿色能源或传统化石燃料提供的电力。
ＴＡＧ提供相应的服务，主要包括以下４种：一是提供不同类型的电力能源的实时价格，供用户选择；二是由于本地居民提供的太阳能光伏电力作为清洁能源可以得到相应的政府补贴，ＴＡＧ帮助居民进行准确核算并获得相应的补贴；三是在本地遭遇电网断电时能直接启用本地光伏供电，更好地满足当地居民的应急用电需求；四是在紧急状况下可以直接将太阳能光伏生产的电能直接导向医院、避难场所以及临时急用电的场所，以解燃眉之急。
ＴＡＧ项目是基于以太坊开发的区块链系统，通过用户节点和节点之间的交互，形成了具有智能合约功能的微电网智能系统。其运作原理如下：利用标准的电表和支持区块链的计算机设备来测量电能数据，并与微电网中的其他设备通信以激活能源交易，实际电流经正常的电力网络传输，经许可的区块链负责对交易信息的管理并运营相应的智能合约。
用户只要通过专用的移动应用程序即可设置首选项，以决定选用哪种类型的电能并愿意为太阳能电力能源支付多少费用。这一项目采用了运用区块链技术的特殊仪表，能准确显示太阳能光伏所生产的电能，而不再依靠传统的本地电力公司来计算电量，这种去中心化的计量方式是对传统计量方式的一种革命，对促进公开、公平和公正的交易作用重大。
作为基于区块链的能源创新项目，其示范意义表现如下：一是实现了微电网与区块链的结合，从而为太阳能电力能源的生产和消费创造了本地市场，既可降低能源损耗，又创新了电力服务的模式；二是微电网与传统电网既可融为一体又可保持相互独立，正常情况下可以并网运行，在紧急情况下，可以以“孤岛模式”利用当地的能源供应独立运营，确保了无论自然灾害还是其他突发事件，均能持续供电；三是允许拥有电力生产能力的居民可以直接向邻居出售电能，而无需通过中间人进行协调或提供财务支持，而且通过区块链支付，系统允许安全透明地记录在线交易，更好地保障了各方的利益，同时也降低了相应的管理和协调成本，达到了多方共赢的效果。
３．２ 澳大利亚ＰｏｗｅｒＬｅｄｇｅｒ项目
澳大利亚的光照资源排名世界第一，根据澳大利亚能源委员会的数据显示，２０２０年第一季度末全国已安装了近２４０万套太阳能系统，是世界上太阳能利用普及率最高的地区之一，２０１９年全年屋顶光伏发电量总计达１０．７ＧＷ，相当于人口１３倍多的美国光伏发电总量的６０％。过去很长时间以来，澳大利亚居民将自身未使用完的太阳能电力提供给公共电网是无法得到经济补偿的，主要原因是计量困难和缺乏切实可行的结算机制，这样的结果在挫伤居民提供自有电力积极性的同时，也造成了大量太阳能电力的浪费。
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有鉴于此，通过应用区块链技术构建一个分布式的电力交易网络，鼓励更多人进行太阳能等再生能源生产和交易并能获得公平回报的ＰｏｗｅｒＬｅｄｇｅｒ公司应运而生。这家公司成立于２０１６年５月，总部位于西澳大利亚，这家区块链初创公司开发了基于区块链的能实现点对点太阳能电力交易的系统，解决了长期存在的太阳能电力的结算难题，实现了电力生产者在无需信任的环境中向他人出售能源的功能，摆脱了传统的必须依赖中心化机构才能完成能源交易的束缚，大大促进了能源交易的便利性和广泛性。它不但得到了澳大利亚政府的支持，而且受到了诸多国际能源公司的青睐，目前项目已经在泰国、印度和日本等国得以落地，成为利用区块链解决光伏能源高效利用并降低成本的典范。
ＰｏｗｅｒＬｅｄｇｅｒ通过区块链技术将太阳能电力能源引入Ｐ２Ｐ市场，利用智能合约来让过去颇为棘手的能源交易买卖得以在一个无需信任的环境下顺畅进行，可以让参与的居民能即时收到款项，可自由选择不同来源的电力，可购买近邻所产生的电力，可售卖过剩的太阳能电力来取得收入等。在交易过程中，智能合约可以在没有任何第三方进行系统调控的情况下完成交易，包括控制参与人的数据、价格制定、费用支付担保等，完全通过区块链来做协议调控，实现即时的结算。这对于传统电力网络而言是不可想象的，而且在区块链上的所有交易都是透明、可追溯的，既显著降低了结算成本，又实现了交易的高效和透明。
为了建立起一个无需信任、透明和可互操作的能源交易平台，ＰｏｗｅｒＬｅｄｇｅｒ采用了双重代币体系，一个是被设计成通行证的ＰＯＷＲ币（全称为ＰｏｗｅｒＬｅｄｇｅｒＴｏｋｅｎ），可用于进入交易平台，犹如生态系统的燃料；一种是ＳｐａｒｋＺ币，用于消费者购买能源时进行结算，Ｓｐａｒｋｚ币会存在于用户的数字钱包当中，并可随时兑换为澳元。
ＰｏｗｅｒＬｅｄｇｅｒ生态系统可以支持多种能源交易应用，主要包括５个方面的应用场景：一是Ｐ２Ｐ交易，零售商授权消费者进行相互之间电力交易或消费者自行交易，实现电力交易自动化；二是微电网运营，可以进行电力计量、大数据获取、快速微交易等电网管理；三是电力批发结算，可以提供透明、高效、低成本的优化和管理，包括数据汇集、对账以及批发能源市场的结算；四是自主资产管理，能够购买和售出自有电力，实现自动把收入分配到特定的钱包地址；五是分布式市场管理，为资产拥有人提供随时优化配置网络资产的便利，包括提供优化的计量数据、大数据汇总、进入和调度资产的权限、快速交易结算、网络下载平衡以及需求测回应等。
经过几年的发展，Ｐｏｗｅｒ Ｌｅｄｇｅｒ平台已发展成为一个覆盖面广泛的生态系统，既可以让不同背景的参与者通过其独创的代币体系实现互操作，又提供了一个透明的管理框架，允许世界各地的能源供求方与ＰｏｗｅｒＬｅｄｇｅｒ生态无缝连接，让更多的能源生产者和消费者从中获益。总体来看，这个生态系统具有较强的包容性和可扩展性，应用的场景和覆盖的范围正在不断扩展之中，将会给太阳能等新能源的开发和利用带来新的机遇。
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４ 我国能源业当前所面临的挑战
我国能源业在新中国成立以来主要依靠自力更生、奋发图强一步一步发展起来的，所取得的成就举世瞩目，能源支撑国民经济与社会发展，所发挥的作用自然是毋庸置疑的。但在当前纷繁复杂的国际形势以及国内经济转型和产业升级需求的深度交织下，面临着多方面的挑战。
４．１ 我国的总体能源结构亟需进一步优化
从人类社会能源演进的基本规律来看，长期赖以生存的传统化石能源由于存在对自然的破坏、对环境的污染以及开采成本不断上升等原因，总体处于不断下降趋势，低碳甚至无碳的能源逐步替代高碳的能源是基本的发展方向。
作为世界最大发展中国家，我国在改善能源结构方面所做的努力和取得的成绩是十分显著的。数据显示，长期来作为第一能源的煤炭占我国能源消费总量由６０年前的９５％下降到目前的６０％以下，石油占比已接近２０％，一次电力、天然气、太阳能光伏等清洁能源占比上升较快。但还应看到，２０１９年我国总计为３９．７亿吨标准煤的一次能源生产总量中，原煤占比高达９７％；２０１９年全年全国发电总量７５０３４．３亿千瓦时，其中火电占比高达７０％。
从消费结构来看，２０１９年我国清洁能源消费量占能源消费总量的２３．４％，比上年提高１．３个百分点，总体我国清洁能源的消费占比正处在上升期，但占比还不足四分之一，能源结构优化还任重道远。
能源结构的优化是一个极为复杂的系统工程，绝非一朝一夕之功，区块链等数字技术的应用必然会起到推波助澜的作用，需要对此予以高度的关注和深入的探讨。
４．２ 电力网络运营模式有待重新设计
随着电力传输技术的不断进步，目前电力能源能实现远距离传输，电力消费的范围也变得越来越广泛，尤其是大量的电动汽车需要随时随地接入电力网络参与电力消费，这样势必给传统的电力网络运营带来新的挑战。目前，我国的电网运营基本还保持着二元结构的特点，电力生产、电力配送与电力消费各自独立，业务运营相互割裂，个性化消费需求和分布式能源供给均不能得到有效的支持，而且电力生产、电力配送主要依赖人为的预测，尚未建立起互联互通的信息系统以实现数据共享，能源利用率处于相对较低的水平。
为更好地适应电力资源新的发展需求，必须改变当前电力网络的运营模式，最大限度地将电力生产方、配送方、消费方、电力生产设备和电子消费设备融合到一起，建立起支持便捷能源双向流动和信息双向高效处理的能源互联网是必须解决的技术问题，其中区块链可以发挥不可或缺的作用。
４．３ 现有电力能源市场的格局有待激发活力
我国目前电力市场主体包括发电企业、交易机构、电网企业、售电主体和电力用户，其中国家电网和南方电网两大巨头共同负责我国电网的运营和电力配送；由中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司（已与神华合并重组为国家能源集团）和国家电力投资集团公司五大以发电为核心业务的央企共同构成了我国电力能源的生方，形成了总体的电力供应格局。目前这种中心化的电力市场供电模式虽在一定程度上保证了效率，形成较为稳固的市场格局，但也缺乏相应的活力，并且相互之间的数据共享和信息交互尚存在较大的障碍，同时还需要在上下游之间形成新的业务联系，促进互联互通和数据共享。
面对太阳能、风能等新能源的快速兴起，传统的中心化的能源管理模式需要进一步优化，通过区块链技术形成分布式、去中心化的新能源发展体系，必然能进一步激发活力，更好地适应电力能源发展新形势的需要。
４．４ 分布式能源生产模式有待逐步建立
当前我国的能源生产方式基本处在集中化生产方式，未来的发展方向是分布式生产，将会形成参与主体众多、分布地点广泛、能源生产方式多样的能源供应新格局。由此而带来的变化主要包括４个方面：第一，发电方式将会从现在单一的集中式供电方式过渡到集中式供电和分布式供电相互并存的状态，电力供给的规模也将得到大幅提升；第二，在输电方面因为有大量分布式再生能源的加入，将形成既包括巨型的覆盖全国甚至全球的特高压传输网络，又包含局部的、区域性的微型传输网，巨网和微网相互补充，共同构成分布式传输网络；第三，在用电方面，消费者不再是单纯的电力消费者，同样可以将自身通过光伏等方式生产的电力销售给电网，形成电能双向流动的新模式；第四，在储能方面，随着技术的进步和成本的下降，无论是主要的电力供应方还是普通的电力消费者，都将采用更多更有效的手段，促进电力能源更好的利用。
分布式能源的生产方式需要采用分布式管理的技术手段，区块链所具有的分布式数据存储等特性可以为分布式能源生产提供相应的技术支撑。
５ 国际能源区块链发展带给我国的启示
区块链技术正成为促进经济转型和社会进步的重要技术，随着应用的不断深入将会呈现出越来越强大的活力。在国内，区块链在能源发展中的应用只是刚刚起步，如何学习和借鉴国际发展的相关经验，切合中国实际，找到行之有效的发展道路，是我国能源业当前面临的一项重要任务，为此提出以下建议。
５．１ 把发展能源区块链作为推进能源改革的重要抓手
改革开放４０多年以来，随着我国经济持续快速发展，人民生活水平不断提高，我国能源需求快速增长，品种结构也得到了持续优化，我国已发展成为世界最大能源消费国和最大能源市场。在电力能源方面，发电装机、发电量、电网电压等级、电网运行安全技术水平、供电可靠性等多个指标均已位居世界前列。但我国能源发展中还存在着产能过剩、结构臃肿、能源供给适应性和灵活性不足等复杂问题。
总体来说，当前我国能源市场化改革的目标主要包括３个：一是确保持续稳定的能源供给；二是保持较为经济的能源价格；三是清洁能源比例不断提升。在当前疫情威胁尚未解除，中美紧张局势尚未缓解的背景下，我国能源业面临着更加复杂的形势，加快推动能源改革无疑是必然选择。
大力推动能源区块链的发展，无疑是促进能源改革的有力武器，这将在以下３个方面发挥作用：一是区块链有助于推进能源业的数字化发展进程，以数字化促进能源业的转型升级，进一步激活能源业的发展动力和增长潜力，对扩大能源业的产出、确保能源供给有重要的支撑作用；二是区块链对促进能源业的公开透明的业务运作有直接帮助，有助于降低能源成本，保障能源价格的经济性；三是区块链有助于各类清洁能源的开发和利用，为加快清洁能源的发展步伐带来直接帮助。可以肯定，将发展能源区块链作为推动能源改革的重要抓手，必定能起到积极而又重要的作用。
５．２ 以新基建为契机夯实能源区块链发展根基
长期以来，基础设施是指为社会生产、居民生活提供各类公共服务的工程设施，作为公共服务系统支撑着经济与社会的运转，是社会赖以生存发展的基本物质条件。新中国成立以来，大规模投资建设的基础设施是对促进我国经济快速发展、提高生产经营效率、提升人民生活品质起到了无可替代的独特作用。当前我国的传统基础设施建设已取得了让世人刮目相看的伟大成就，总体水平也越来越向发达国家靠拢。在疫情冲击下，以“创新驱动、数字赋能和信息网络”为基本特征的新基建建设正在成为激活经济动能、赢得新机遇的重要战略举措。新基建涵盖了信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施三大建设内容，能源区块链既是信息基础设施的基本建设内容，也是能源与区块链融合的基础设施，同时还是支撑能源产业技术创新的基础设施。
因此把握新基建发展机遇，发展能源区块链，对促进行业发展意义重大。能源区块链新基建主要围绕以下３个方面展开：一是建设基于区块链技术的能源综合交易平台，为简化交易程序、优化结算方式、降低交易成本提供支持；二是普及智能电表和物联网的应用，实现与能源相关的数据采集、数据接口和信息传输等功能；三是集中研发力量开发能源区块链地层支撑平台，为行业应用打下坚实基础。
５．３ 以联盟链为重点建立各类应用示范
从我国能源管理的基本特点来看，应用区块链中的联盟链进行能源区块链的建设和管理是理想的选择。联盟链是指有若干机构或组织共同参与管理的区块链，他们各自运行着一个或多个节点，共同记录交易数据，数据只允许系统内各参与方之间共享。
联盟链作为支持分布式业务运作的基础组件，更能满足多方对等合作与合规有序的发展要求。与具有完全去中心化特征的公有链不同，联盟链具有弱中心化的特征，只有经过许可的参与者才能加入联盟链，并获得记录数据、确认和验证等权限。
由于能源行业的上下游参与者十分广泛，每一个业务环节又有较多的参与者，以联盟链的形式构建包括各类参与企业、用户、监管者、系统开发和管理维护人员等在内的参与体系，形成多元化的数字生态，创新管理模式和运营机制。当前，能源联盟链的应用还不多，需要不断积累经验，并通过应用示范的方式能形成更多可以推广的案例，为行业推广应用提供更多的范例。
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５．４ 以能源区块链助力新能源发展壮大
国家发展改革委、国家能源局发布的《能源生产和消费革命战略（２０１６－２０３０）》明确提出到２０３０年，非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到５０％。为了实现这个目标，我国必须大力发展风能、太阳能，同时要提高发电效率，降低发电成本，促进新能源与常规电力展开同等竞争。新能源的发展必须克服发展过程中存在的各种障碍，能源区块链必将发挥十分重要的作用。
国网青海电力公司和深圳前海益链网络公司共同开发的“基于区块链的共享储能应用平台”，已成为我国新能源领域的开拓者，取得了很好的效果。青海是我国新能源装机占比最高的省份，建成了全国首条清洁能源特高压通道，但由于新能源发电的波动性强，使新能源电力的消纳成为制约因素，导致新能源的弃电率居高不下，２０１９年达到了５．８％。
由于储能系统建设的投资大，并且新能源储能的市场和价格机制不完善，于是合作双方将区块链技术引入新能源辅助服务交易，搭建了以青海省电力调控中心为盟主的共享储能调峰市场交易联盟链，有效地解决了储能调峰交易结果数据存证、智能合约清分结算和财务通证记账以及电费资产证券化等问题，提升了市场交易的公信力。基于区块链的新能源数据存证流程十分简单，交易执行合约和结果作为交易凭据存取在区块链平台，依托区块链的智能合约功能完成交易清分和结算，保证了交易从组织申报、出清、执行、清分和结算等各个环节的安全、透明和可信。
这一项目自２０１９年６月正式运营一年来，完成了基于区块链的共享储能交易累计成交１１７２笔，增发电量２６２４万千瓦时，创造直接经济效益２１００余万元，有效解决了现行的新能源和储能辅助服务交易模式缺少受限判据及交易撮合依据，无法有效计算充放电效率、电量损失及违约失信、交易清分结算量大等难题，大大提升了新能源消纳交易效率和透明度，加快新能源及储能产业质量、效益和动力变革。青海以通过应用联盟链技术构建能源区块链，切实有效地解决了新能源储能的难题，取得的成效十分明显，为我国有效推进能源区块链的发展提供了有益的借鉴。
５．５ 以能源区块链激活电动汽车发展市场
汽车行业正面临着电动化、智能化、共享化、网联化和环保化的“五化”革命，加快电动汽车的发展是汽车产业转型升级的一个重要方向。经过多年的快速发展，我国电动汽车保有量有了很大的进步，截至２０１９年底，我国纯电动汽车保有量达３１０万辆，与２０１４年不足８万辆相比，短短５年时间增长了近４０倍。但即使如此，在全国２．６亿辆的汽车保有量中还显得微不足道。与之相配套的充电桩的数量到２０２０年５月底总数为１２９．９万台，同比增长３３．１％，其中公共和私人的充电桩保有量分别为５５万和７４．９万个。可以看出，我国电动汽车产业的发展很大程度上取决于充电桩的建设进度和利用能力，其中应用区块链技术为充电桩的共享、共用提供一个信任机制，对激活存量的充电桩资源、缓解电动汽车充电难的问题，将提供行之有效的解决方案。
美国ＪｕｉｃｅＮｅｔ公司基于区块链技术构建起了Ｐ２Ｐ的充电网络，实现了充电桩的资源共享和系统的互联互通，大大提升了充电桩的利用效率，为我们提供了很好的借鉴。在国内，杭州趣链科技正在开展基于区块链的充电桩系统的研究，基本的思路是通过汽车车主对充电行为进行确权并记录在区块链上，建立以“人、车、桩”为一体的信用体系，以提高多方协作效率，并解决车主支付难的问题，同时构建起以充电、停车、消费为一体的信用体系，是现有信用体系建设的有效补充。与此同时，该公司还将建设基于区块链的充电桩运营管理系统，为充电桩的产权方、运营方、电动车主之间建立起基于区块链的信任关系，为电动汽车摆脱充电的桎梏提供了新的思路。
６ 结束语
广受关注的区块链技术正在加快与各行业的深度融合，能源业也正迎来与区块链融合发展的难得机遇。加快能源区块链更加健康、可持续的发展对我国能源业的转型升级，并贯彻落实习近平总书记“四个革命、一个合作”（指推动能源消费、供给、技术和体制革命，加强国际合作）重大能源战略思想都具有重大意义。当前，我国能源区块链的发展还仅仅处在初级阶段，面临着监管政策、技术成熟程度、物理条件限制、成本制约、用户认同以及系统安全等多方面的挑战，必须提升认识高度，同时要采取行之有效的措施予以积极的推进。
毋庸置疑，能源区块链的发展是一个重大而又复杂的系统工程，有很多认识需要突破，技术需要研发，实践需要探索，障碍需要克服，力争通过若干年卓有成效的探索，走出一条适合我国国情的发展道路。
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