在到 2050 年实现碳净零排放的压力下，能源系统正在持续转型去中心化和数字化。可再生能源（生物质能、水电、地热能、风能和太阳能）为能源安全、社会和经济发展、能源获取、减缓气候变化以及减少环境和健康影响提供了机会。

然而，能源系统中的信息正变得越来越复杂和分散，集中式结构效率低下，所以将可再生能源添加到现有的能源系统需要新的工具来保持运行稳定性和安全性。在此背景下，在可再生能源中集成区块链技术是实现能源可持续性的关键。

集成了区块链的能源系统（分布式能源系统）是一种旨在使能源更接近用户的新方法：区块链技术可以为分散的可再生能源系统提供一种主导电力市场的新方法。区块链可以促进分布式点对点交易，降低交易成本，通过密码学提高安全性，以及提高消费者的可选择选项。

区块链的特点

区块链技术的出现和 2008 年比特币的诞生让研究人员能够探索区块链在金融、医疗保健、农业、能源等各个领域的好处。区块链作为一种分布式和数字交易技术，可以安全地存储数据，以及在 P2P 系统中执行智能合约。

区块链具有以下特点：去中心化、永久性和匿名性。用户对数字系统的信任不是由中央机构建立的，而是由协议、密码学和计算机代码建立的。所以，区块链极大地提高了组织和个人在这些网络内进行协作和交互的可能性。

区块链因其独特的特性而具有彻底改变能源领域的潜力。区块链在能源领域的应用非常广泛，并且在流程和平台方面都可以产生巨大的影响。仅仅在电力供应链流程中就有很多用例：网络、交易和营销平台；批发和 P2P 贸易。

能源行业的区块链：优势与局限

区块链技术为能源行业提供了机遇，可以带来深远的变化，但同时也为能源行业的现有模式带来风险。

支持在能源市场使用区块链技术的最重要论据包括流程的简化和自动化、更高的透明度以及通过消除中介来降低交易成本。然而，也有一些反对在能源市场使用区块链技术的论据，其中特别包括交易速度慢、非法活动以及能源和资源的消耗。此外，还有一些基本的法律问题，例如数据保护。

在能源市场中集成区块链的潜在优势：

• 降低天然气或电力市场的交易成本，从而减少对营运资金的需求。降低成本还与为公用事业和电网运营商提供更多信息有关，以将可再生能源整合到电网中。区块链不需要中介，交易可以直接进行，从而降低了流程的复杂性和与之相关的成本。
• 热水器、电动汽车、电池、太阳能光伏装置等能源设备与电网运营商（智能电网）之间通信的新机会。
• 通过分散的可再生能源电网为服务不足的社区提供负担得起的能源。
• 节能加密：加密可以将任何数据或任何信息转换为代码以防止未经授权的访问。对节能数据进行加密并通过区块链共享可以使市场更安全。
• 节能交换：区块链技术似乎有一定的潜力（如果将节能换成可以购买的新节能产品），因为加密的节能数据可以存储在区块链平台上，以抵消电费或购买额外的能源服务。
• 正确评估节能：能源效率的评估非常困难，因为在许多情况下，能源效率的好处无法从技术上衡量或评估。将区块链与信息通信技术以及流程自动化相结合，可以在一定程度上帮助评估节能和相关收益。
• 增加透明度：由于区块链是一种分布式账本技术，数据可以在安全、防篡改、透明地传输。篡改区块链平台上共享的数据是一个非常昂贵且技术上不可行的过程。
• 提高可靠性：如果数据存储在一个传统能源系统中，由于收集信息需要时间，因此很难对其进行跟踪和验证。由于区块链是一种去信任的分布式账本技术，数据存储在不同的区块中，这可以大大提高整个系统的可靠性。
• 提高安全性和客户信任度：集成区块链，意味着客户的节能数据、来自金融机构的信息或与能源市场中任何利益相关者有关的数据都将被加密。借助智能合约功能，区块链还可以使流程自动化而不是手动，这有助于增加客户对系统的信任。

区块链对能源公司运营的潜在积极影响：

• 计费：区块链、智能合约和智能电表可以为消费者和分散的小型发电机实现自动计费。公用事业可以从能源小额支付、预付费电表支付平台的潜力中受益。
• 销售和营销：销售实践可能会根据消费者的能源使用状况、个人偏好和环境问题而改变。区块链与机器学习等人工智能技术相结合，可以确定能源消耗模式，从而提供增值能源产品。
• 智能电网应用和数据通信：区块链可以用于连接智能设备、传输或存储数据。智能电网上的智能设备包括智能电表、先进传感器、网络监控设备、能源监控和管理系统，以及智能家居能源控制器和楼宇监控系统。除了确保安全的数据传输，智能电网应用还可以进一步受益于区块链技术支持的数据标准化。

（智能电网是一种自动化的电力网络，可实现电网与其客户之间的双向通信交易。）

• 网格治理：区块链可以提供集成的交易平台并优化灵活的资源，否则会导致昂贵的网络升级。
• 安全和身份管理：交易的安全性可以从区块链技术中受益。区块链可以保护隐私、数据机密性和身份管理。
• 资源共享：区块链可以为多个用户之间共享资源提供充电解决方案，例如共享电动汽车充电基础设施、数据或共享的集中式社区存储。
• 竞争：智能合约有可能让更换能源供应商变得更容易、更快捷。增加市场流动性可能会增加竞争并可能降低能源关税。
• 透明度：不可变的记录和透明的流程可以大大提高审计和合规性。

大规模采区块链的限制/挑战：

• 可扩展性和功耗：由于其设计，公共区块链上的每笔交易通常需要高功耗，并且在确认交易之前可能会有很长时间的延迟。
• 缺乏明确和一致的监管：虽然日本和欧洲等不同国家/地区已经开始制定有关区块链的法规，但缺乏全球统一的法规是区块链在能源领域采用的主要障碍。需要制定明确和一致的法规来管理未来的分布式能源系统，规范电价并解决可能的纠纷。
• 有限的电网基础设施：优化区块链在能源领域的使用需要更加互联的智能电网。
• 数据保护：控制大部分网络的攻击者可以中断新区块的记录并阻止交易完成。这种类型的攻击对较小的网络构成了更高的风险，因为接管 51% 以上的网络在大型区块链中所需的处理能力将是巨大的。

因此，区块链有可能改变能源效率市场，并有可能破坏现有能源公司已建立的商业模式和传统角色。

能源领域的区块链用例

就能源领域而言，区块链技术已被证明是近期的重大技术突破之一。区块链用例可以根据其目的和活动领域分为八组：

• 计量/计费和安全；
• 加密货币、代币和投资；
• 去中心化能源交易；
• 绿色证书和碳交易；
• 网格管理；
• 物联网、智能设备、自动化和资产管理；
• 电动汽车；
• 通用举措。

最近发表在 ScienceDirect 的一项研究表明，大约三分之一的用例与去中心化能源交易相关，其中包括批发、零售和 P2P 能源交易计划。第二个最受欢迎的类别是加密货币、代币和投资，占五分之一的用例。其次是物联网、智能设备、自动化和资产管理，以及会计、计费和安全，分别占总用例的 11% 和 9%。其他项目占总数的 6-7%：

区块链活动也可以根据使用的平台和共识算法进行分类。60% 正在开发基于以太坊的解决方案作为起点，而 55% 使用过 PoW 算法。

此外，大多数开发人员都面向对企业最具吸引力的私有区块链平台。Energy Web（专为能源行业设计的基于以太坊的区块链）吸引了 10% 的已公开披露的项目，也是能源公用事业公司的首选解决方案。其他流行的平台包括 Hyperledger 和 Tendermint。未来的新项目可能会转向更可扩展、更快、更节能的区块链，探索 PoS 或 BFT 等区块链解决方案。

计量/计费和安全：

一些开发人员正在探索在计量和计费过程中使用区块链技术。当与计量基础设施集成时，区块链可以为消费者使用的能源服务自动计费，并有可能降低管理成本。区块链可以提供能源生产和消耗跟踪，告知消费者能源供应的来源和成本，使能源支付更加透明。此外，区块链安全功能可用于保护数据隐私、身份管理。

能源领域的首批区块链应用之一是接受加密货币来支付能源和电力。事实上，越来越多的公司正在接受加密支付，包括能源行业的几家公司。例如，BAS Nederland 成为第一家接受比特币作为电费支付新形式的能源公司。其他公用事业公司如 Enercity和 Elegant 也紧随其后。借助 Enercity，住宅客户可以通过互联网进行支付，并使比特币自动兑换欧元。Elegant 引入了加密支付，用于提供能源服务，包括天然气和电力。

区块链技术可以以一种更加分散的方式管理智能电表数据，避免对单一数据权限的需求，从而避免单点故障。但新的挑战也出现了，将区块链技术应用于智能电表的一个关键先决条件是拥有一个有效的智能电表基础设施，智能电表和区块链的集成将产生巨大的开发成本，特别是因为智能电表基础设施已经在几个没有区块链功能的国家部署。此外，还需要制定新的标准以确保互操作性。

加密货币、代币和投资

加密货币是迄今为止最受欢迎和理解最广泛的区块链应用之一，市场上出现了越来越多的新加密货币和能源代币。

专门为能源应用发行加密货币可能具有一些优势，因为这种加密货币的分配和使用可以留给那些在系统中拥有最大利益或提供最多公共利益服务的人（例如，在可再生能源应用中，如果发电机产生碳密集度最低的能源，他们可以获得更多的加密货币奖励）。

越来越多的企业正在使用加密货币作为吸引投资和资金的工具（也称为初始代币发行）。新的加密货币也可用于奖励期望的行为并促进对可再生能源的投资。

为鼓励使用可再生能源而发行的加密货币包括：

• SolarCoins： SolarCoin 向人们支付用于生态太阳能的替代数字货币。它为 1 兆瓦的太阳能支付一枚 SolarCoin。
• M-PAYG：M-PAYG 旨在通过将能源获取数字化，显著改善发展中国家底层人民获得可再生能源的机会。M-PAYG 基础设施包括一个预付费太阳能解决方案，该解决方案为个人和家庭提供通过小型移动支付获得太阳能的机会。
• Coinfy：Coinfy 提供基于区块链的支付处理和交易平台，促进跨国交易。由于区块链跨国支付的交易费用最低，所以离网太阳能公司和无法获得能源的人们之间的能源交易在发展中国家成为可能。

具体例子包括一家英国初创公司 4New，它提供一种名为 KWATT 的能源代币。1 KWATT 代币代表与加密货币采矿场位于同一地点的垃圾发电厂中每年 1 千瓦时的电力。代币持有者可以决定出售英国国家电网的能源，也可以用它来开采其他加密货币，例如比特币和以太坊。与 4New 类似，总部位于美国的初创公司 PRTI 打算建造一个垃圾发电工厂，用于开采加密货币。

一般来说，在推出新的加密货币时，需要解决一些关键问题。主要问题之一是实施加密货币系统的开销，以及用户对其长期价值的信任问题。例如，如果可再生能源生产商认为加密货币的价值不足以支付他们在实践中的投资，他们可能更喜欢法定货币。

去中心化能源交易

迄今为止，去中心化能源交易在能源领域产生了最多的区块链交易。

一些应用正在开发中，例如：

（1）批发能源交易

区块链可以降低交易成本，同时提供透明的数据供多方访问。区块链可以消除中介，降低交易成本和可能的交易量，从而允许小型消费者参与能源市场。这方面的限制与区块链系统可以支持的可扩展性和交易速度有关。此外，一个关键问题是商业敏感数据能否对所有消费者开放？

批发能源市场的区块链计划：

• PONTON 旨在利用区块链技术为区域市场开发智能能源产品交易解决方案。PONTON 与 40 多家欧洲能源贸易公司和公用事业公司合作开发了一个 P2P 批发能源交易平台，该平台支持广泛的实物交割交易产品。
• 奥地利最大的公用事业公司 Wien Energie 在区块链开发公司 BTL 的支持下启动了天然气交易区块链试验。BTL 完成了为期 12 周的欧洲能源交易区块链试点，该公司使用公共以太坊和私人开发软件的组合 Interbit，提高了可扩展性并可以支持每秒数千笔交易。
• BP、Shell、挪威国家石油公司与 VAKT 合作开发能源商品的数字交易平台。交易涉及纸质合同和容易出错的后端流程。
• 在新加坡，白金能源回收公司正在开发能源商品交易平台。
• 加拿大的 PetroBloq 正在为石油和天然气行业开发一个基于以太坊的交易平台。

（2）为最终消费者提供能源市场准入的平台

为最终消费者提供能源市场准入的平台可以为电网解锁新的灵活性服务。此外，此类举措可以提高消费者对能源供应的认识和选择，并可以加快转换速度并增加竞争。

旨在让消费者直接进入能源市场的区块链项目：

• Grid+ 旨在开发一个区块链平台，让消费者可以直接进入批发电力市场。Grid+ 就像一个能源零售供应商，为消费者节省能源费用。
• Drift 是一家能源供应公司，旨在为客户提供更便宜的电价和更透明的能源账单。Drift 结合了基于人工智能和机器学习、高频交易和区块链的智能算法，并应用于零售电力市场。消费者可以在 P2P 市场上从当地可再生或传统来源购买电力。P2P 交易由区块链记录和处理。
• 罗马尼亚能源供应商公司 Restart Energy 开发了一个区块链平台，可实现消费者和可再生能源生产商之间的双边交易。
• SunContract 为斯洛文尼亚的发电机提供商和消费者之间的能源交易推出了一个分散的平台。 消费者可以自由选择他们的能源供应商。

（3）本地 P2P 能源市场

本地 P2P 能源市场可以为本地能源系统优化提供解决方案，可以减少电网负载和延迟。此外，P2P 市场可以为可再生能源生产商提供额外的收入来源，并有可能降低最终消费者的能源成本。但供需平衡是区块链系统无法单独解决的关键问题，需要结合人工智能、机器学习和预测分析。

旨在为所有能源系统利益相关者提供平台的项目包括：

• Bittwatt 旨在开发一个基于以太坊的数字平台，向配电和输电系统运营商、监管机构、能源供应商、生产商和消费者开放。区块链协议用于在利益相关者之间共享和同步近乎实时的运营信息，从而为能源输送、平衡、计量和计费提供分散的服务。该平台使用人工智能来实现需求响应服务和市场预测。在 P2P 结算的情况下，Bittwatt 使用其加密货币 BWT。
• Clearwatts 正在开发一个分布式平台，不同的利益相关者（可再生能源发电商、公用事业、电网运营商、监管机构）可以在该平台上实时共享可靠信息，用于能源交易和电力购买协议的结算，例如价格信息。他们与区块链开发商 BigchainDB 和 Spherity 合作，开发了一种区块链数据库解决方案，可以同时实现所需的区块链功能（去中心化、不变性等），同时具有低延迟和高交易率。

社区项目和微电网的 P2P 交易

P2P 交易涉及多个参与者根据商定的合同买卖能源。此类别中的潜在用例包括微电网中的交易、生产者者与消费者之间的双边交易以及企业对企业 (B2B) 能源交易。这通常涉及太阳能，因为它是最常生产的可再生能源。

P2P 能源交易市场允许参与者节省能源成本，减少参与者支付给分销商（中间商）的费用，而且也使得生产、消费和销售过剩电力成为可能，就像商品市场。

可再生能源中的创新 P2P 解决方案：

• Vandebron 是一家位于荷兰阿姆斯特丹的绿色能源供应商，为住宅和商业用户提供绿色电力和常规天然气。公司不生产能源；相反，它出售其他公司生产的能源。Vandebron 允许参与者直接与独立的能源生产商进行交易。
• SunContract 是一个基于区块链的 P2P 能源交易平台，提供了许多购买和出售可再生能源的功能。在欧盟——斯洛文尼亚，SunContract 平台现在拥有超过 5000 名客户。该公司的使命是创建全球性的能源交易市场，以方便客户在没有中介的情况下直接相互交易，并让他们变得更加“自给自足”。
• PowerLedger 使用区块链技术创建市场交易和清算机制。在微电网和配电网络中，可再生能源生产商可以以预定价格出售多余的能源。
• Electron 是一家在英国成立的初创公司，它创建了与现有能源系统集成的基于以太坊的能源解决方案。

绿色证书和碳交易

区块链技术可以成为管理证书的工具。与当今复杂且昂贵的外包管理系统相比，它提供了信任、高级别的安全性、速度和较低的交易成本以及简单性。

一些开发商正在研究将区块链技术用于自动发行和可交易的可再生能源（绿色）和碳证书。当前可再生证书、碳信用和市场结构分散且复杂。由于与此程序相关的高成本，小型能源生产商实际上被排除在申请碳信用额之外。此外，审计过程通常由中央机构手动执行，容易出错。

区块链可以自动发行绿色证书，降低交易成本，并为此类资产创建全球市场，提高市场透明度。区块链在这方面的局限性在于所提供服务的认证和验证。例如，与区块链解决方案集成的智能电表可以自动验证能源生产，但尚未探索干扰此类系统的可能性。

这方面的举措：

• 全球首家探索区块链技术的证券交易所纳斯达克成功开展了绿色证书交易试点。太阳能生产商可以获得由 Filament 发行的证书，然后通过纳斯达克的 Linq 平台在线交易。
• Veridium 推出了一个基于以太坊的平台，用于通过其代币 TRG 交易碳信用。
• DAO IPCI 是一家俄罗斯初创公司，旨在为基于区块链的碳信用资产提供综合服务。
• Evoluton Enerige 正在尝试使用区块链来跟踪和认证可再生能源。

区块链技术可以成为新的激励证书的推动者，如果没有人愿意管理它们，或者没有更地方级别的机构（例如城市）正在考虑发布它们，那么区块链技术可以做到。

网格管理

一些区块链开发人员正在努力寻找基于自动化和网格管理的创新解决方案。该领域的潜在好处是有可能改善供需平衡、更好的协调配电、自动验证电网资产以及提高资源的可见性。

区块链在这里面临许多挑战。首先，需要显著改进区块链系统以提供更高的吞吐量和交易速度，从而实现实时验证；已经部署在电网中的计量系统、电网基础设施、控制和通信系统需要连接到区块链。这将导致创建大量新数据集，需要对其进行仔细管理并保护其免受潜在的网络攻击。

这方面的举措：

• Gridchain（由 PONTON 开发），一种基于区块链技术的创新软件，可模拟实时网格管理。旨在加强 TSO（传输系统运营商）、DSO（配电系统运营商）、聚合器（汇集大量小型单元的发电能力）之间的协调，并为电网管理提供解决方案。

物联网、智能设备、自动化和资产管理

区块链技术最重要的应用之一与广泛应用于智能电网的物联网技术相关。

基于物联网的区块链基础设施需要大量的设备、存储、服务器，以及将所有物联网组件集成到智能电网中的本地网络。同时，服务器用于接收来自各种传感器的数据，管理物联网设备的运行，并控制区块链中的不同组件。此外，大量数据可以存储在硬件或软件存储中。另一方面，消费者可以通过他们的计算机与区块链进行交互，以了解数据交易的任何变化。

已经有了几个项目、初创公司和试验，包括：

• ElectriCChain 是为 SolarCoin 加密货币（第二个用例提到过）提供动力的区块链解决方案。ElectriCChain 是一家非营利组织，积极参与太阳能区块链项目，合作伙伴包括 Bitseed、Chain of Things、Ethereum、Grid Singularity、IOTA。
• Slock.it 旨在开发物联网应用程序和共享经济平台，称为通用共享网络。

电动汽车

电动汽车的去中心化性质，涉及多方（车辆、司机、充电站、使用按需移动服务的乘客），自然适合区块链的实施。去中心化的好处包括：消除对集中管理的电动汽车充电基础设施的需求，以及消除充电站或运输提供商之间的定价。

区块链解决方案旨在为私人开发的电动汽车充电基础设施提供激励。借助该解决方案，电动汽车车主可以实现更高的电费透明度，并在选择能源时可能有更多选项。

许多公司已经探索了区块链技术在电动汽车中的应用：

• Share& Charge 平台允许电动汽车司机和私人电动汽车充电基础设施所有者之间的 P2P 交易。电动汽车充电站网络在以太坊公共区块链上运行。用户拥有一个电子钱包，可以访问电力价格和交易的实时信息。网络的任何参与者都可以监控和跟踪所有交易。该平台实现了自动计费，并可以激励建设电动汽车充电基础设施，因为私有充电站可以通过让其他司机在他们的充电点为电动汽车充电来产生收入流。

在电动汽车的用例中，区块链的机会是巨大的，但需要解决一些挑战。区块链本质上是分布式账本，因此电动汽车用户需要匿名化以保护他们的隐私（例如位置、移动的行程）。此外，电动汽车系统中的区块链必须是防篡改的，以防止攻击者破坏电动汽车的安全性。最后，鉴于电动汽车可以与电网交互并在多个地点充电，因此互操作性标准的开发对于实现区块链在该领域可以提供的好处至关重要。

开发基础技术的通用计划

除了专注于特定应用领域外，一些组织还建立了协作平台，旨在探索区块链在各种用例中的潜力。其中包括欧洲电力工业协会 Eurelectric 推出了一个平台，旨在探索区块链技术在电力价值链中的潜力，包括发电、贸易、供应。

能源领域的主要区块链参与者

按收入划分的能源市场上在区块链上运营的顶级公司：

1. SAP（317 亿美元）： “绿色能源跟踪和分配系统”是 SAP 云平台区块链 WIPRO-SAP 开发计划的一部分。该系统满足了快速发展的绿色能源行业的需求，也鼓励客户成为“生产者+消费者”，同时满足从当地绿色能源消费的监管要求。
2. Acciona（74.81 亿美元）：这是一家西班牙跨国公司，与 FlexiDAO 一起创建了能源区块链平台 GreenH2chain，以确保绿色氢能来自可再生能源，也允许用户从世界任何地方实时验证绿色氢能价值链。
3. WePower（2300 万美元）：一家总部位于澳大利亚的区块链公司，将能源购买者（投资者和最终用户）直接与绿色能源供应商联系起来，让他们能够以低于市场的价格提前购买能源。该公司发行了基于以太坊的能源合约代币，通过电子商务平台向客户销售。
4. PowerLedger（500 万美元）：这是一家澳大利亚区块链、软件和技术初创公司，致力于让可再生能源更容易获得。2021 年，公司将其平台从以太坊迁移到更节能的 Solana。
5. Greeneum（500 万美元）：一家使用先进技术促进清洁和可持续能源的生产和分配的区块链公司。位于以色列的人们每产生一瓦时的可再生能源，就会以加密货币的形式颁发绿色证书和碳信用，奖励用户节约能源和采取环保生活。Greeneum Network 致力于将区块链和机器学习等人工智能技术相结合，以加速全球向清洁能源的过渡。

总结

区块链技术为可再生能源面临的挑战提供了可行的解决方案。

增加能源交易的参与度可以通过降低成本和提高效率来产生重大影响；在区块链的帮助下，电网可以减少不平等，因为普通人也有能力生产和销售能源，“生产者即消费者”的作用正在加强。最终，这将导致共享经济的发展。

区块链技术可以加速电网去中心化，显然具有使能源系统运营、市场和消费者受益的潜力。区块链技术提供了去中介化、透明度和交易安全性，但最重要的是，它提供了新的解决方案，使消费者和小型可再生能源生产商能够在能源市场中发挥更积极的作用并将其资产货币化。

因此，区块链可以优化可再生能源市场。区块链与高速通信、智能电网相结合，将帮助我们更接近分布式可再生能源发电的数字化未来。

不过，区块链的应用也将需要重大的政策和行为改变。