Blockchain privacy and scalability in a decentralized validated energy trading context with Hyperledger Fabric

Abstract

O uso de energia renovável vem aumentando devido à preocupação com preservação do ambiente ameaçada por fontes energéticas como carvão e petróleo. Apersar do alto custo de fontes renováveis em relação às fontes sujas, essa diferença tem diminuido. Com preços mais baixos, pessoas instalam painéis solares para reduzir o custo da conta de eletricidade ou até vender o excesso produzido à empresa transmissora. Quando pessoas vendem energia à rede elétrica, elas são classificadas como prosumers. Geralmente, prosumers podem vender a energia gerada exclusivamente à companhia de eletricidade, que determina o preço de compra. Mercados de energia decentralizados podem aumentar tanto a competitividade quanto a adoção de fontes energéticas limpas. Ao mesmo tempo, mercados centralizados apresentam vulnerabildades de segurança e carecem de resiliência. Neste contexto, blockchain é estudada como uma tecnologia para possiblitar a decentralização de mercados de energia, principalmente por ser um banco de dados resiliente, imutável, transparente e seguro. A literatura apresenta diversas soluções envolvendo blockchain e mercados energéticos, todavia mais pesquisa é fundamental para tal implantação. Escalabilidade, privacidade, arquitetura de mercado e segurança do usuário são alguns dos problemas ainda não resolvidos neste tipo de aplicação. Hyperledger Fabric predomina na literatura acerca de mercados de energia e também é usado na implementação do modelo deste trabalho. Este trabalho revisa a literatura a respeito de blockchain em mercados de energia, propõe um modelo, implementa-o, realiza experimentos e analisa a escalabilidade da rede junto com a proporção da sua geração de dados. O modelo permite que energia limpa e validada seja comercializada por compradores anônimos, evitando a exposição dos seus padrões de consumo. O contrato inteligente do Hyperledger Fabric recebe dados proveninentes de sensores e julga se as alegações de geração energética são válidas. Por exemplo, sensores capturadores da velocidade do vento podem evitar que vendedores de energia eólica comercializem quantidades de energia acima da sua capacidade de geração. Depois de validada, a energia é comercializada entre participantes da rede. Modificações no Hyperledger Fabric foram necessárias para implementar o modelo definido. O desenvolvimento da proposta é dividido em três partes: desenvolvimento da rede, desenvolvimento do contrato e desenvolvimento da aplicação. Este trabalho adaptou a implementação do Fabric para realizar os experimentos planejados. Os experimentos foram executados em três fases com configurações distintas para testar a capacidade da rede. A capacidade máxima de transferência foi atingida em uma configuração com 5000 sensores, 5000 compradores e 5000 vendedores. Tanto o ritmo de geração de dados quanto o custo de implantação foram analisados para julgar a viabildade da rede. Este trabalho complementa com resultados empíricos a literatura, a qual carece destes resultados. Além disso, a estrutura do experimento serve como base para pesquisas futuras com Hyperledger Fabric. Ademais, a participação de pesquisadores com formação em engenharia de energia é necessária para o aprimoramento do processo de validação de energia. Este trabalho explorou um conjunto limitado de configurações e trabalhos futuros podem realizar diversos aperfeiçoamentos neste modelo.

Abstract: Renewable energy use has increased with environmental concerns due to the pollution generated by energy sources like coal and oil. Even though the cost of renewable energy was initially much higher than power from dirty sources, the gap in cost has been decreasing. With lower prices, people install solar panels to reduce their electricity bill or, in some cases, even sell the surplus generated energy to the grid and earn credits from the grid operator. When people sell power to the grid, they are named prosumers. Generally, prosumers are limited to trade the energy they generate with the grid company, dominant in price determination. Decentralized energy markets might increase both market competitiveness and incentive to further people?s adoption of renewable energy. Also, a centralized energy market presents security vulnerabilities and a lack of resiliency. In this context, blockchain is a widely studied technology to provide decentralization for energy markets, mainly because of blockchain?s capabilities of being a cyber-resilient, immutable, transparent, and secure distributed database. The literature shows many solutions to coupling blockchain and energy markets, but much research is still needed to enable it. Scalability, privacy, market design, and user security are some of the open research topics of this kind of application. Hyperledger Fabric predominantly appears in literature proposals of blockchain solutions in the energy markets context, and it is the tool used for the model implementation. This work analyzes the literature related to blockchain and energy markets, proposes a model, implements it, performs experiments, and analyzes network scalability and data generation. The model enables validated clean energy trading with anonymized buyers to prevent consumption pattern exposure. The Hyperledger Fabric chaincode constantly receives sensors data and judges sellers? energy generation claims to be valid or not. For example, sensors capturing wind speed might help prevent dishonest wind power sellers from selling more than they could generate. Once the energy is validated, it can be exchanged among participants. Modifications on Hyperledger Fabric were necessary to implement the defined model. The proposal development is sectioned into three parts: network deployment, chaincode development, and applications development. This work adapted Fabric?s implementation to perform scalability experiments with an increasing number of buyers, sellers, and sensors. The experiments consist of three phases with configurations changes aiming to increase the network capacity. The maximum transaction throughput was achieved with 5000 sensors, 5000 buyers, and 5000 sellers. The data generation rate by the network and the baseline deploy costs were also analyzed to judge the network viability. This work brings empirical results on a topic which the literature lacks. Furthermore, the experiment structure serves as a guideline for new research with Hyperledger Fabric, regardless of the application field. Energy engineering researchers? participation is required for enhancing the proposed models? energy validation process. This work explored a limited set of configuration variables, and future works have countless different settings to analyze.