Comunicación presentada al VI Congreso Smart Grids
Autores
- Mikel Fernández, Digital Energy, Tecnalia
- Ricardo Alonso, Energía y Medio Ambiente, Tecnalia
- Urko Larranaga Piedra, Blockchain, Izertis
- Unai Urquiaga, Blockchain, Izertis
- Mikel Zamalloa, Tecnología, IBIL
- Javier Perea, Innovación, Petronor
- Miguel Palacio, Director de Proyecto, Petronor
- Txetxu Arzuaga, Tecnología & Sistemas, IBIL
Resumen
Las instalaciones de autoconsumo han recibido un impulso en España gracias a la aprobación del RDL 15/2018 y el posterior desarrollo reglamentario RD 244/2019. El autoconsumo compartido permite a consumidores que viven en edificios multivivienda instalar generación renovable y almacenamiento, convirtiéndose en prosumidores al autoconsumir en sus viviendas la energía generada con los recursos comunitarios. En este artículo se van a analizar las ventajas que proporciona un sistema Blockchain, construido por medio de una implementación privada, para la gestión y el registro de las transacciones que se generan en ese tipo de comunidades de energía.
Palabras clave
Autoconsumo Compartido, Blockchain, Generación Distribuida, Comunidad de Energía
Introducción
Las instalaciones de autoconsumo han recibido un impulso en España gracias a la aprobación del RDL 15/2018 y el posterior desarrollo reglamentario en el RD 244/2019, el cual, entre otros aspectos, comienza a regular las instalaciones de autoconsumo compartido, adecuándose, en cierta medida, la legislación española a la Directiva (UE) 2018/2001.
El autoconsumo compartido permite, entre otros, a consumidores que viven en edificios multivivienda – y que comparten el tejado y las partes comunes con el resto de los propietarios – instalar generación renovable y almacenamiento para convertirse en prosumidores al autoconsumir en sus viviendas la energía generada con los recursos comunitarios.
De esta manera, un sistema de gestión del autoconsumo compartido permite realizar el reparto de la generación compartida entre los miembros de la comunidad, a la vez que se puede optimizar la utilización de los sistemas de almacenamiento comunitarios con el objetivo de minimizar el coste final de la energía de cada prosumidor. A futuro, este tipo de infraestructura permitirá también la participación de los prosumidores de manera agregada en mecanismos de compra/venta de energía en el mercado mayorista, el intercambio de energía entre prosumidores en esquemas ‘peer-to-peer’ y la participación de manera agregada en nuevos mecanismos de mercado en los que los operadores de red (transporte y distribución) retribuyan la flexibilidad, en línea con las medidas propuestas por la Comisión Europea en el ‘Winter Package’. Un ejemplo de esto sería la posibilidad de participar agregando respuesta de múltiples prosumidores en los servicios de gestión de la demanda que actualmente opera Red Eléctrica de España.
En esta comunicación se van a analizar brevemente las principales tecnologías necesarias para hacer realidad un sistema de gestión de autoconsumo compartido.
Principalmente nos centraremos en describir un sistema Blockchain capaz de gestionar y registrar las transacciones que se generan en ese tipo de comunidades de energía. En este punto es importante resaltar que entendemos que una comunidad de energía está definida como una asociación de autoconsumidores que se conectan a la red localmente, por ejemplo, alimentados por un mismo centro de transformación, y cuyo autoconsumo es gestionado por un mismo agregador.
Aparte de introducir brevemente los principales conceptos y plataformas Blockchain actuales, en este artículo nos centraremos en describir una solución Blockchain, construida por medio de una implementación privada (permisionada o permissioned) de esta tecnología. Este tipo de implementaciones surgen inicialmente como respuesta a las necesidades de los mercados, que buscan disponer de soluciones Blockchain en entornos confiables y que permiten identificar a los usuarios y controlar la participación en estos sistemas, así como limitar el acceso a la información registrada. Al tratarse de entornos confiables, las soluciones construidas con este tipo de implementaciones permiten manejar un gran volumen de datos que requieren tiempos de respuesta menores que los que puede proporcionar las Blockchain públicas. Entendemos que esta plataforma tecnológica se adecúa mucho mejor a los retos que nos presentan las comunidades de energía.
Sistema Blockchain
Introducción a la tecnología
Desde que en 2008 Satoshi Nakamoto publicara Bitcoin [1], el ecosistema vinculado a la tecnología Blockchain no ha hecho más que crecer. A pesar de que su popularidad se debe mayormente al incremento de las criptomonedas, Blockchain también está siendo aplicada en otros contextos. Al fin y al cabo, sacar beneficio de las propiedades de esta tecnología es factible en cualquier sector.
Además del financiero, uno de los principales sectores en los que se está aplicando, es el logístico. Gracias a Blockchain, se puede llegar a dar respuesta al problema de la trazabilidad de los productos durante su cadena de valor [2] [3] [4]. Garantizar la calidad de los productos a lo largo de su ciclo de vida puede llegar a ser una realidad. Por otra parte, la posibilidad de implementar un sistema que permita compartir la información sanitaria de los pacientes con centros médicos y cuidadores [5] es otro de los contextos en los que se está estudiando su aplicación.
No obstante, para poder entender el auge de Blockchain, resulta necesario conocer los beneficios de esta tecnología. En comparación con el intercambio físico de bienes, el intercambio de información digital implica más desafíos. Es por ello que habitualmente, existe una autoridad que supervisa estos intercambios, garantizando así la validez de los mismos. Sin embargo, la propuesta de Nakamoto [1] plantea la construcción de un sistema en el que desaparece la necesidad de ese supervisor. Es decir, por medio de la aplicación de la tecnología Blockchain es posible garantizar la veracidad de cada intercambio de información digital sin la necesidad de una autoridad certificadora.
Esta tecnología abre un nuevo paradigma respecto al intercambio y almacenamiento de los registros, ya que, la información también se descentraliza. De esta manera, se evita que nadie tenga en propiedad los datos del sistema, generando confianza sobre los mismos. Es decir, no existe un único participante que custodie y gestione los datos, sino que estos se replican, consiguiendo que todos tengan la misma visibilidad sobre el mismo registro, sobre el cual confían. Es así como se consigue que los participantes intercambien información al mismo nivel, construyendo una red peer-to-peer.
Todo ello es posible gracias a la combinación de una serie de tecnologías. Desde un inicio Blockchain fue presentada como un conjunto de algoritmos y arquitecturas, entre las que destacan los algoritmos de consenso. Estos sistemas DLT (Distributed Ledger Technology) requieren garantizar la validez de la información registrada, lo cual se consigue mediante estos algoritmos. En esta comunicación, Blockchain se refiere a todo este tipo de sistemas.
En el caso de Bitcoin [1], el algoritmo utilizado es el PoW (Proof of Work). Este algoritmo se basa en la capacidad de cómputo para alcanzar el consenso. A partir de dicha capacidad de cómputo, el propio algoritmo propone un reto, el cual calcula que se superará en un tiempo estimado de diez minutos. Aquel participante de la red que resuelve el reto genera un nuevo bloque que comparte con el resto de los participantes. Cada bloque contiene la solución al reto planteado, las transacciones registradas y el identificador del bloque previo. Cuando los participantes de la red reciben un nuevo bloque, realizan las siguientes validaciones: (i) confirman que el bloque está vinculado al anterior, (ii) validan que la solución al reto es correcta y (iii) verifican que las transacciones del bloque son válidas.
Sin embargo, no todas las implementaciones DLT utilizan dicho algoritmo, sino que cada una tiene el suyo propio. En el caso de los sistemas Blockchain, el consenso se va construyendo por bloques, aplicando el correspondiente algoritmo de consenso en cada bloque. Además, cada bloque se vincula al anterior, generando así la cadena de bloques, lo cual forma también parte del propio consenso. Como alternativa, también existen los sistemas Blockless Distributed Ledger, como IOTA o Hashgraph, los cuales garantizan el consenso sobre la información registrada, pero sin requerir el almacenamiento de información por bloques.
No obstante, como se menciona anteriormente, además del mecanismo de consenso, Blockchain se compone de otra serie de tecnologías. Por una parte, existen los mecanismos criptográficos aplicados en Blockchain: los algoritmos de hash y la criptografía simétrica son algunos de ellos, los cuales se aplican para garantizar, por ejemplo, la consistencia del sistema, así como para firmar transacciones y verificar su autoría.
Por otra parte, en Blockchain también se encuentran los Smart Contracts. Estos, que están constituidos por código máquina registrado en el sistema, permiten definir la lógica de negocio a la que tiene que responder la correspondiente Blockchain. Por medio de los Smart Contracts, es posible automatizar mecanismos y acuerdos entre diferentes participantes del sistema.
Sistemas Blockchain privados
Blockchain originalmente fue diseñada para ser permissionless o pública: información pública (transacciones visibles por cualquiera), sin restricciones para acceder a la red, descentralizada y pseudo-anónima. Pero este diseño original ha ido evolucionando con la aparición de nuevos casos de uso, donde las restricciones del contexto hacen que no todas las características expuestas sean válidas o de interés para los actores que necesitan aplicar Blockchain. Por este motivo, Blockchain ha progresado como respuesta al cambio, para lo que ha necesitado variar su estado permissionless a un contexto regulado donde se limita la participación y los permisos de cada uno de los participantes según un interés común.
Y es en este contexto dónde encajan las Blockchain permissioned o privadas, es decir, redes Blockchain en las que los actores que participan en las mismas, por una parte, no quieren que la información que se registra en la Blockchain sea visible y de acceso público y, por otra parte, quieren controlar y gestionar el acceso a estas redes. Eso sí, todo ello con total garantía del cumplimiento de las propiedades de Blockchain.
En las Blockchain privadas, existe una entidad o consorcio que se encarga de gestionar el acceso al sistema, dando los correspondientes permisos a cada participante, el cual debe identificarse previamente. Además, los registros de este tipo de Blockchain no son accesibles o públicos, tan solo podrán consultar la información de los bloques aquellos usuarios que tengan permisos para ello. Al fin y al cabo, no se puede obviar que este tipo de implementaciones han sido desarrolladas con el objetivo de satisfacer los requerimientos de entornos industriales y los mercados, como son la privacidad y confidencialidad de los datos y los participantes, así como una mayor velocidad de las operaciones.
Aplicaciones en el ámbito de la energía
La tecnología Blockchain puede tener un gran impacto en el sector de la energía. Los analistas auguran grandes crecimientos. Así, por ejemplo, Global Market Insights, en un estudio reciente, prevé un mercado de 25 miles de millones de dólares para el año 2025. Ahora bien, ¿cuáles son las principales aplicaciones de estos sistemas Blockchain?
En primer lugar, estaría la comercialización de energía. Un informe de Wood Mackenzie muestra que alrededor del 59% de los proyectos Blockchain en el área de energía tienen como objetivo poner en marcha mercados digitales que faciliten el intercambio de energía entre pares ‘peer-to-peer’-. Esto es, un mercado compartido por prosumidores que venden sus excesos de generación a otros consumidores/prosumidores que participan en dicho mercado.
También Blockchain se está abriendo camino en el mercado minorista de la electricidad, facilitando la digitalización de la figura del comercializador de energía.
Finalmente, merece la pena resaltar el uso de la tecnología Blockchain para certificar tanto la calidad como la integridad de los datos proporcionados por los distintos agentes del sector. En este punto, por ejemplo, la Comisión Nacional de la Energía de Chile, tal y como señala su secretario ejecutivo, “ha querido sumarse a esta innovadora tecnología y hemos decidido utilizar Blockchain como un notario digital, lo que nos permitirá certificar que la información que brindamos en el portal de datos abiertos no ha sido alterada o modificada y dejar registro inalterable de su existencia”. De esta manera, gracias a Blockchain, se preserva la integridad de los datos publicados en el portal: www.energiaabierta.cl.
Comunidades de energía basadas en Blockchain
Un prosumidor se define de manera genérica como un actor que puede ser a la vez sujeto productor y consumidor de electricidad, y cuyos recursos de generación, consumo y/o almacenamiento están conectados a la red de distribución. Los prosumidores pueden organizarse en comunidades de prosumidores en las que pueden mercadear libremente con su energía producida, siendo este un escenario fuertemente promovido por las directrices de la Comisión Europea en materia de política energética. En este tipo de comunidades los prosumidores venden sus excesos de producción eléctrica a otros prosumidores sin la necesidad de la existencia de un intermediario que haga de garante de las transacciones.
La implementación típica de este tipo de mercados internos se basa en la publicación de ofertas de compra y de venta, las cuales son casadas por un sistema que implementa la funcionalidad de operador del mercado, a similitud de la funcionalidad de OMIE en el mercado de electricidad. Una oferta de venta se caracteriza por el volumen de energía ofertado, la definición del intervalo de tiempo comprometido para su producción y el precio mínimo demandado por el productor. Análogamente, en una oferta de compra, el precio ofertado es el máximo precio que el prosumidor está dispuesto a pagar por la energía consumida. La duración del intervalo de tiempo está marcada por la duración del intervalo de tiempo de casación en el mercado eléctrico (1h en España). Una vez que se casan oferta y demanda, las transacciones aceptadas suelen fijar su precio al de la oferta mas cara aceptada, aunque hay implementaciones concretas en las que el precio final es el incluido en cada oferta. Una vez que el contrato de cada microPPA (Power Purchase Agreement) se ha liquidado, no hay necesidad de monetizar el coste de la energía puesto que el ingreso/gasto económico asociado puede ser guardado en la cartera Blockchain del usuario, que podrá hacer uso de ese saldo energético más adelante.
En cuanto la regulación permita este escenario, el uso de Blockchain para gestionar la liquidación de contratos de compraventa de energía entre prosumidores, permitirá el empoderamiento de estos últimos, lo cual es un factor clave en la transición energética en un futuro próximo.
En la actualidad, hay varias experiencias piloto que demuestran la idoneidad de la aplicación de la tecnología Blockchain en este tipo de escenarios. LO3 (https://lo3energy.com/) anunció en noviembre de 2016 un piloto de microrred en Brooklyn basado en Blockchain que, aparte de registrar los acuerdos de compra/venta de energía entre prosumidores, cuando los sistemas detectan una interrupción, puede usar su propia generación de energía y almacenamiento para suministrar el servicio eléctrico local. Por otro lado, La Energy Web Foundation está desarrollando actualmente D3A (https://energyweb.org/d3a). El D3A es un modelo de mercado basado en Blockchain para redes eléctricas transactivas, que incluye enfoques de igual a igual. Utiliza agentes de software en dispositivos que producen o consumen energía conectados a la red para hacer una oferta en mercados abiertos y jerárquicos para transacciones de energía. Power Ledger (https://www.powerledger.io/) ha desarrollado sus propios algoritmos para casar mercados peer-to-peer que transaccionan la energía disponible de manera equitativa entre prosumidores, sin favorecer a ninguno de los participantes. El equipo de Klenergy ha anunciado el lanzamiento de la Pylon Network (https://pylon-network.org/es/), una plataforma para el intercambio directo de electricidad verde, desde productores hasta consumidores, sin necesidad de intermediarios. Klenergy está desarrollando también un smart meter, Klenergy Metron, con capacidades de proveer medidas a la Pylon Network.
El único escenario de este tipo de comunidades, tipificado actualmente por el marco regulatorio español, son las comunidades de autoconsumidores. Un autoconsumidor se define como un prosumidor bajo las restricciones impuestas por el RD 244 / 2019, de forma que además de consumir, produce energía para su propio consumo y cuya tecnología de producción es únicamente a partir de fuentes de energía renovables, cogeneración de alta eficiencia y residuos (estas son las tecnologías de generación sobre las cuales no se imputan peajes). El RD 244/2019, define que un sujeto consumidor participa en un autoconsumo colectivo cuando pertenece a un grupo de varios consumidores que se alimentan, de forma acordada, de energía eléctrica proveniente de instalaciones de producción próximas a las de consumo y asociadas a los mismos.
Como consecuencia de este acuerdo, resulta necesario desarrollar los mecanismos que determinen el reparto de la generación de las instalaciones de producción entre los diferentes consumidores que pueden existir en una comunidad de autoconsumo colectivo. Este reparto puede ser estático o dinámico, dependiendo de si los coeficientes de reparto son constantes o dependen en cada momento del consumo de los diferentes consumidores. El mecanismo de reparto tipificado por el RD 244 se basa en coeficientes estáticos, si bien deja la puerta abierta a la futura regulación de coeficientes dinámicos, con el fin de asegurar el aprovechamiento de la mayor cantidad de energía generada en la comunidad de autoconsumo.
Una plataforma basada en tecnología Blockchain garantiza que el reparto de la energía generada por las instalaciones de generación compartidas, en el intervalo de tiempo definido por los cierres de energía descargados por la empresa distribuidora, se realiza de manera automática, confiable y gobernada por las reglas de negocio acordada entre los miembros de la comunidad. Cabe destacar que en el cálculo de la regla de reparto implementado en el contrato inteligente implica disponer de las medidas de consumo de todos los consumidores de la comunidad, aunque cada consumidor solo tendría acceso a los datos de su consumo y cuota de autoconsumo asignada. En este caso es aún más evidente la necesidad de un sistema de información basado en tecnología Blockchain que ofrezca trazabilidad, confiabilidad, privacidad y seguridad. Adicionalmente, la aplicación de la tecnología Blockchain permite informar a todos los consumidores de la energía autoconsumida individualmente en intervalos de tiempo menores, de modo que puedan gestionar su consumo de la manera más adecuada.
En la actualidad, no hay plataformas basadas en tecnología Blockchain que implementen el caso de uso del sistema regulatorio español para el reparto de generación en comunidades de autoconsumo.
AIGECO, un demostrador de las posibilidades de Blockchain
El proyecto AIGECO (Agregador Inteligente de Generación y Consumo Eléctrico, con la participación activa del cliente) es un proyecto de I+D financiado por el programa Hazitek 2018 del Gobierno Vasco en el que un grupo de empresas han unido sus esfuerzos para, entre otros objetivos, investigar la aplicación de la tecnología Blockchain en un escenario de prosumidores que producen, consumen, almacenan e intercambian su energía eléctrica. En este escenario, la trazabilidad y transparencia de los intercambios de energía es un requisito fundamental. En el proyecto AIGECO se evalúa el papel a desempeñar por la figura del agregador, tanto para autoconsumidores individuales que cuentan con una instalación de generación renovable y almacenamiento, como para un grupo de varios consumidores que se alimentan, de forma acordada, de la energía eléctrica procedente de instalaciones de producción/almacenamiento próximas a las de su consumo.
En cualquiera de los dos casos anteriores, el agregador proporciona una plataforma Blockchain cuyo principal objetivo es el de registrar todas las operaciones de reparto de energía entre los distintos autoconsumidores. De esta manera, por ejemplo, en el caso del autoconsumo compartido, para cada hora, se determina el reparto de la generación entre los distintos autoconsumidores teniendo en cuenta tanto de la demanda horaria de cada autoconsumidor como la generación de los distintos recursos compartidos.
Es evidente que, además de la tecnología Blockchain, que permite registrar de forma segura los repartos entre los distintos autoconsumidores, en un sistema de optimización del autoconsumo es de vital importancia realizar predicciones correctas de la generación y la demanda prevista, teniendo en cuenta los requisitos que se deben cumplir atendiendo al tipo de comunidad de autoconsumo. Por ejemplo, en las comunidades de autoconsumidores no excedentarios se debe asegurar que el consumo neto es siempre positivo, esto es, la generación nunca supera a la demanda, con lo que es necesario contar con un mecanismo de antivertido -compartido solidariamente por todos los autoconsumidores asociados a dicha instalación de generación-.
La figura de la izquierda pone de relieve la necesaria coordinación que debe existir entre los distintos sistemas de control que conforman una comunidad de autoconsumidores. Estos sistemas de control deben estar debidamente coordinados con el sistema de control del agregador, que es el responsable tanto de planificar el reparto horario del día siguiente de todos los recursos de generación compartida por la comunidad de autoconsumidores, como de velar por la correcta ejecución de las consignas en los distintos sistemas de control. Y es en el registro de este reparto horario donde el sistema Blockchain juega un papel primordial, registrando de forma transparente y segura los repartos horarios en las distintas comunidades de autoconsumo y verificando que dichos repartos ocurren tal y como estaban codificados en la lógica de negocio de los Smart Contracts.
En esta plataforma Blockchain cada una de las comunidades tiene su propio nodo, por medio del cual opera en el sistema. Por otra parte, existe un Smart Contract que recoge los criterios de reparto definidos por cada comunidad. De manera periódica, cada una de las comunidades envía a la Blockchain sus medidas, tanto los consumos de cada autoconsumidor como los datos la generación. A partir de dichas medidas y de los criterios de reparto establecidos, el Smart Contract calcula de manera horaria el reparto de energía entre los distintos autoconsumidores de la comunidad. La información de cada comunidad es compartida con el agregador de manera confidencial.
A continuación, se representan los distintos nodos definidos en el proyecto AIGECO, resaltando el concepto de canal, por el que los datos relativos a una comunidad no son accesibles al resto de comunidades. En cada canal participan los autoconsumidores de una comunidad concreta cuyo reparto de la generación compartida es realizado por el sistema Blockchain proporcionado por un agregador, así como una entidad imparcial (Ente Vasco de la Energía – EVE) que es informada de la generación renovable en el ámbito de los sistemas de autoconsumo compartido.
Conclusión
La digitalización de los mercados de la energía está tomando cuerpo en multitud de iniciativas público-privadas. En este artículo se han mostrado algunas de las más relevantes asociadas a las comunidades de energía. También se ha presentado brevemente el proyecto AIGECO, en el que se está analizando como un sistema Blockchain privado puede servir de base para registrar de forma transparente tanto las medidas de generación y consumo como los intercambios reales de energía que se realicen entre los distintos autoconsumidores, asegurando la integridad, trazabilidad y confidencialidad de la información intercambiada entre todos los agentes.
La tecnología Blockchain es una de las tecnologías que pueden desempeñar un papel muy relevante en este proceso de digitalización de los mercados de energía eléctrica.
Referencias
- Nakamoto, Satoshi, 2018, Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system
- Abeyratne, Saveen A., and Radmehr P. Monfared., 2016, Blockchain ready manufacturing supply chain using distributed ledger
- Tian, Feng., 2016, An agri-food supply chain traceability system for China based on RFID & Blockchain technology, Service Systems and Service Management (ICSSSM), 2016 13th International Conference on. IEEE.
- Tian, F., 2017, A supply chain traceability system for food safety based on HACCP, Blockchain & Internet of things, In 2017 International Conference on Service Systems and Service Management. IEEE.
- Kuo, T. T., Kim, H. E., & Ohno-Machado, L., 2017, Blockchain distributed ledger technologies for biomedical and health care applications. Journal of the American Medical Informatics Association.