Wie flexQgrid die Blockchain-Technologie für den quotenbasierten Sekundärmarkt nutzt

In flexQgrid wird zur optimalen Ausnutzung lokaler Flexibilität zwischen Haushalten und kleinen Industrieanlagen ein lokales Marktkonzept entwickelt. BlockInfinity nutzt ein dezentrales, selbstentwickeltes Blockchain-basiertes Protokoll, um zu gewährleisten, dass alle Gebote sicher und unverändert im Markt ankommen und der Markt „fair gematched“ wird. Über den Marktmechanismus können die Marktteilnehmer ihre positive und negative Flexibilität handeln. So wird die Quote, die der Netzbetreiber in der gelben Ampelphase ausruft, in einem Marktgebiet jederzeit eingehalten, obwohl einzelne Teilnehmer bei Bedarf doch über der Quote liegen können, da sie flexibel Leistung am Markt handeln.

Ein Marktgebiet ist typischerweise durch einen oder mehrere Niederspannungsstränge spezifiziert. Marktteilnehmer können alle Haushalte, erneuerbare Anlagen oder andere Verbraucher, Produzenten und Prosumer sein, die an das Marktgebiet angeschlossen sind.

Das Blockchain-basierte Protokoll wird für das Forschungsprojekt von BlockInfinity selbst entwickelt. Eine Blockchain stellt das Herzstück der zu entwickelnden Anwendung. Mit einer Blockchain können Datensätze (häufig Transaktionen) zwischen mehreren Parteien transparent erfasst und langfristig dezentral und unveränderlich gespeichert werden. Das Blockchain-basierte Protokoll liegt somit nicht auf einem einzigen Server, sondern ist über die verschiedenen Parteien (im Speziellen die Clients/Nodes der Parteien) verteilt. So ist keine zentrale Instanz notwendig, um Entscheidungen treffen zu können. Stattdessen werden Entscheidungen anhand des Marktmechanismus von allen Nodes gemeinsam getroffen.

Wofür nutzt BlockInfinity die Blockchain in flexQgrid?

In flexQgrid gibt es verschiedene sensible Daten, z.B. die Gebote der Marktteilnehmer, die besonderem Schutzbedarf unterliegen. Manipulationen an diesen Daten können schwerwiegende Folgen für die einzelnen Marktteilnehmer nach sich ziehen. Daher nutzt BlockInfinity das Blockchain-basierte Protokoll, um:

  • die Quote nachvollziehbar und unveränderbar zu dokumentieren,
  • die Gebote vertraulich und unveränderbar zu dokumentieren,
  • die Stromverbräuche (Smart Meter Daten) der Marktteilnehmer vertraulich und unverändert zu dokumentieren, und
  • das Marktergebnis nachvollziehbar und unveränderlich zu dokumentieren.

Sofern ein Marktteilnehmer sich nicht an das veröffentlichte Marktergebnis hält, fallen Sanktionen (“Penalties”) an. Alternativ erhält der Marktteilnehmer für die Einhaltung der Quote „Rewards“. Bei Bedarf werden diese Penalties/Rewards ebenso auf der Blockchain gespeichert.

Als Marktmechanismus ist ein an die Merit-Order angelehnter Mechanismus implementiert, der über mehrere Perioden die Maximierung der Wohlfahrt im Markt anstrebt. Ein Periodenblock ist 6 Stunden lang und umfasst insgesamt 24×15 minütige Quotenperioden. Innerhalb eines Periodenblocks können Marktteilnehmer für alle 15 minütigen Quotenperioden in dem Block bieten. Ein Gebot entspricht einer Zeitreihe über 24 Quotenperioden bzw. 1 Periodenblock. Das Matching der Gebote folgt einem NP-harten Optimierungsproblem mit einer Merit-Order Optimierung über 24 Quotenperioden hinweg, welches sehr rechenintensiv ist. Das Matching des Marktes, d.h. die Ausführung des Marktmechanismus, wird daher außerhalb der Blockchain (“off-chain”) vorgenommen und nur das Ergebnis auf der Blockchain unter Berücksichtigung des Datenschutzes „veröffentlicht“.

Das Blockchain-basierte Protokoll

Es gibt viele in der Literatur beschriebene Protokolle, die für (Energie-) Märkte oder sogar lokale Strommärkte genutzt werden können. Die bekannten Protokolle weisen jedoch in der Regel mindestens eine der folgenden Schwächen auf:

  • Das Protokoll ist nicht wirklich eine dezentralisierte Auktion, weil es eine vertrauenswürdige dritte Partei erfordert.
  • Das Protokoll verlangt, dass sich alle bietenden Parteien ehrlich verhalten. Dies manifestiert sich häufig darin, dass das Protokoll nicht in der Lage ist, mit Parteien umzugehen, die nicht mehr antworten.
  • Das Protokoll verlangt, dass sich der Auktionator ehrlich verhält. Dies manifestiert sich häufig darin, dass die dezentralisierte Auktion nicht zensur resistent ist, wenn der Auktionator Gebote ablehnt.
  • Das Protokoll generiert (sehr) viel Rechen- und Kommunikationsaufwand.
  • Das Protokoll erfordert einen nicht spezifizierten Schaltkreis für eine Mehrparteien-Berechnung.

BlockInfinity entwirft daher ein Blockchain-basiertes Protokoll, welches auf bekannten kryptographischen Methoden beruht, welche die bekannten Schwächen eliminieren und für den (technisch-versierten) Nutzer verständlich und nachvollziehbar ist. Der Ansatz setzt auf dem Ethereum Protokoll mit einem Proof-of-Authority Konsensmechanismus auf.

Gewährleistung des Datenschutzes

Das Blockchain-basierte Protokoll lässt keine anderen Marktteilnehmer die Gebote mitlesen, die ein einzelner Marktteilnehmer abgibt. So wird eine hohe Vertraulichkeit der Gebote garantiert. Die einzigen Gebote, die öffentlich gemacht werden, sind die “Gewinner” am Markt. Da diese Gewinner im Anschluss an den Markt ihre Transaktionen durchführen müssen, sollten diese Gebote öffentlich sein, damit der Smart Contract die Richtigkeit prüfen kann und sich auch jeder Teilnehmer sicher sein kann, dass sein Geld wirklich am richtigen Ort ankommt. So ermöglicht das Protokoll, das Transaktionen ohne gegenseitiges Vertrauen zwischen den Partnern durchgeführt werden können. Damit wird Vertrauen als Voraussetzung für eine Transaktion weitestgehend eliminiert, während die Gebote weiterhin vertraulich behandelt werden. Durch diese „win-win“-Situation kann jeder Marktteilnehmer seine wahren Präferenzen über die Gebote veröffentlichen, ohne dass diese Informationen gegen ihn verwendet werden können. Die genaue Beschreibung des Blockchain-basierten Protokolls wird im Verlauf des Projektes veröffentlicht.

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