Cryptovaluta zoals Bitcoin zijn regelmatig in het nieuws door de financiële volatiliteit. Het achterliggende mechanisme, de blockchain, heeft veel meer mogelijke toepassingen dan alleen virtuele aandelen. Een van deze gebieden is duurzame energie. In dit kennisdossier behandelen we de zin of onzin van blockchain: kan het de energietransitie helpen versnellen of is het niet meer dan een buzzword?
De energietransitie heeft een tendens om te bewegen naar een meer decentraal energiesysteem. Lokaal opgewekte energie moet zoveel mogelijk lokaal worden gebruikt om netverzwaring te voorkomen (zie ook het kennisdossier over de handel in flexibiliteit). Energieprijzen worden verwacht meer fluctuaties te vertonen door grotere pieken in zowel vraag als aanbod. Ook het opladen van elektrisch vervoer kent een decentraal karakter. Denk aan het opladen van elektrische auto’s dat thuis of in de publieke ruimte gebeurt in plaats van bij tankstations. Het nieuwe systeem heeft de karakteristieken van een deeleconomie. Blockchain is een technologie die dit kan ondersteunen. Het biedt een platform om grote groepen mensen met elkaar te verbinden om gemakkelijk onderling te handelen in producten of diensten. Maar wat is de blockchain precies en hoe werkt het?
Wat is blockchain?
Blockchaintechnologie wordt gebruikt om in een peer-to-peer computernetwerk onderling betalingen te verrichten. Betalingen geschieden niet met euro’s maar met een virtuele munteenheid, een cryptovaluta. Alle betalingen worden opgeslagen in een kasboek, de blockchain. Een block kan worden gezien als een bladzijde uit het kasboek: het bevat een aantal voltooide transacties. Daarnaast bevat het een unieke code die wordt bepaald aan de hand van de transacties op de bladzijde ervoor. Hierdoor is de inhoud van elke pagina afhankelijk van de inhoud van de pagina ervoor. Verander op een willekeurige pagina één getal of letter en de code van de daaropvolgende pagina verandert direct, en daarmee ook die van alle bladzijden erna. Hierdoor is het onmogelijk om ongezien wijzigingen in het kasboek aan te brengen. Elke computer in het netwerk heeft een kopie van het kasboek in zijn bezit, en nieuwe transacties worden met het netwerk gedeeld zodat iedereen zijn kasboek kan updaten. Lees meer over dit mechanisme in het kader “Hoe werkt het?”.
Het betaalsysteem is transparant, want de gehele transactiegeschiedenis is voor iedereen in te zien omdat iedereen het kasboek bezit. Tegelijkertijd is het ook erg robuust tegen fraude (zie kader “Hoe werkt het?”). Het complete eigenaarschap van alle tokens is volledig te herleiden, daarmee is onomstotelijk aan te tonen wie de rechtmatige eigenaar is van een coin, of het product dat daarmee is gekocht. Blockchain zorgt voor aanzienlijk lagere proceskosten voor betaalverkeer: betalingen geschieden peer-to-peer in plaats van via een centrale instantie, en er is een gemeenschappelijk register in plaats van verschillende registers, al dan niet geschreven in verschillende formats, die met elkaar gesynchroniseerd moeten worden. Veel administratieve processen worden dus enorm versimpeld of overbodig. Hiermee gaat ook de snelheid van zakendoen omhoog. Steeds meer bedrijven verkennen de mogelijkheden van blockchain, waaronder een internationaal consortium bestaande uit onder andere ING, ABN Amro en Shell, voor de handel in grondstoffen voor energie.
Blockchain biedt meer toepassingen dan alleen directe betalingen, namelijk smart-contracts: software die wordt opgeslagen in de blockchain met de mogelijkheid om taken/instructies vastgelegd in een overeenkomst uit te voeren als één of meerdere voorwaarden vervuld zijn. Een voorwaarde kan zijn de betaling van een aantal tokens, een instructie kan zijn het leveren van een product of dienst. Met smart-contracts is wederzijds vertrouwen tussen partijen niet langer noodzakelijk: software vastgelegd in de blockchain is traceerbaar, niet veranderbaar en voert zichzelf gegarandeerd uit. Hiermee zijn neutrale vertrouwde derde partijen (trusted third parties) overbodig. Smart contracts zijn inzetbaar voor elk denkbaar product of dienst, mits de voorwaarden sluitend in de software kunnen worden geprogrammeerd.
Toepassingen in de energietransitie
De meest voor de hand liggende toepassing van blockchain, namelijk het versimpelen of vergemakkelijken van data-uitwisseling of administratieve processen, wordt inmiddels voor vele partijen toegepast. Voorbeelden zijn het sneller regelen van de administratie van warmtelevering (door CGI en Eneco, bij de Warmterotonde Zuid-Holland), het gemakkelijker delen van prijsrelevante informatie op de markt voor windenergie (door BigchainDB en Spherity) en het veiliger maken van data-uitwisseling tussen slimme energiemeters (door Intrinsic ID en Guardtime). Deze drie voorbeelden zijn tot stand gekomen met steun en onder regie van Blocklab, een fieldlab voor blockchaintechnologie in de Haven van Rotterdam.
Zoals gezegd kan blockchain de deeleconomie faciliteren door grote groepen mensen via een platform aan elkaar te verbinden. Er zijn vele vormen van lokale energiehandel denkbaar die op deze manier ondersteund kunnen worden. PowerLedger is een platform dat de handel in elektriciteit uit PV-panelen mogelijk maakt. De tokens die gebruikt worden op het platform heten Sparkz. Prosumenten verkopen hun elektriciteit voor Sparkz en kunnen deze inwisselen voor geld. De Sparkz worden gekocht door mensen die duurzame elektriciteit willen afnemen. Ook mensen zonder PV-panelen kunnen deelnemen. Zo kunnen consumenten hun eigen duurzame energiebron selecteren en wordt voor prosumenten de terugverdientijd van PV-panelen aanzienlijk verkort, zeker als er sprake is van geen of een beperkte terugleververgoeding. Zo wordt het investeren in duurzame energie gestimuleerd. Andere, soortgelijke platforms zijn SolarCoin en WePower.
Ook in Nederland wordt er geëxperimenteerd in dit veld. De Ceuvel in Amsterdam is een voormalige scheepswerf die is omgebouwd tot duurzaam kantoorpark met een eigen café-restaurant en oude woonboten die zijn verbouwd tot werkplekken. Het park heeft een eigen smart-grid en veel van de woonboten hebben PV-panelen op het dak. Opgewekte elektriciteit werd binnen het netwerk verhandeld met tokens die Jouliettes heten. Deze tokens werden bijvoorbeeld ingezet worden om producten te kopen bij het café-restaurant. Alle energiestromen in De Ceuvel waren real-time online te volgen, zoals weergegeven in onderstaande figuur. Dit gaf deelnemers meer inzicht in hun energieverbruik, en de verzamelde data kon gebruikt worden om verbruiksprofielen te voorspellen. Joulliette at De Ceuvel was een project van Spectral en Alliander.
Een andere applicatie aangeboden door PowerLedger is het gedeeld eigenaarschap van PV-panelen of thuisbatterijen. Via het platform worden de tokens van meerdere gebruikers bij elkaar gelegd om één apparaat te kopen. In het bijbehorende smart contract wordt vastgelegd op welke manier de opbrengsten dienen te worden verdeeld (bijvoorbeeld evenredig met ieders investering), en het contract zorgt ervoor dat dit ook daadwerkelijk gebeurt. Deze afspraken worden vastgelegd in de blockchain en kunnen daarna niet meer worden gewijzigd. Het is dus een even veilige investering als het bezitten van eigen PV-panelen, maar door de gedeelde investering kunnen ook mensen met een kleinere portemonnee profiteren.
Een veel gehoord bezwaar bij de aanschaf van elektrische auto’s is range-anxiety: de zorg dat de autobatterij leeg is voordat een nieuw laadpunt bereikt kan worden. Share&Charge, een initiatief van het Duitse Motionwerk, is opgericht om dit probleem te verhelpen. Via dit platform kunnen mensen hun thuislaadpunt ter beschikking stellen aan anderen tegen een bepaald tarief. Zo wordt de investering in een elektrische auto en laadpunt aantrekkelijker gemaakt, en heeft de beperkte actieradius van elektrische auto’s minder impact.
2tokens is een organisatie die zich bezighoudt met het stimuleren van de adoptie van tokens in verschillende sectoren. Hun ambitie is om Nederland een koploper te maken in de ontwikkeling van kennis op dit gebied. Eén van de use cases waar men kennis op verzameld is het gebruik van tokens (en daarmee blockchain) in de energiewereld. Het doel is de infrastructuur voor een energie token te ontwikkelen en deze te implementeren in de huidige infrastructuur. Daarvoor werken ze samen met verschillende partijen op het gebied van software, data en zonnepanelen.
Ook de non-profit organisatie EnergyCoin Foundation zet zich in om de waarde van duurzaam handelen vast te leggen. Hiervoor ontwikkelde ze de EnergyCoin blockchaintechniek als instrument. Daarnaast stellen ze een platform ter beschikking waarmee de waarden uitwisselbaar zijn. Deze tools kunnen worden ingezet voor energie-uitwisseling maar ook voor het stimuleren van het gebruik van de fiets.
Projecten in het TKI Urban Energy domein
Blockchain speelt in een aantal projecten van TKI Urban Energy een rol. In het ECISS-project wordt het Open Charge Point Interface (OCPI) op een aantal punten uitgebreid, waaronder het compatibel maken met blockchaintoepassingen. OurEnergy heeft als doel blockchain te gebruiken voor de ontwikkeling van een peer-to-peer handelsplatform voor energie. Verder wordt in OROSL gewerkt aan de mogelijkheid om flexibiliteit van bijvoorbeeld elektrische auto’s via blockchain aan te bieden op de biedladder van TenneT. In het project B-DER werd een platform voor het peer-to-peer uitwisselen van energie ontwikkeld op basis van blockchain. Tot slot is er in het project SEPHA ook gebruikt gemaakt van Blockchain om huishoudelijke assets via een app aan te kunnen bieden op de aFFR-markten van Tennet.
Onduidelijkheden in wet- en regelgeving en andere knelpunten
Door het transparante karakter en het ontbreken van een centrale instantie is het nog onduidelijk hoe blockchaintechnologie dezelfde mate van privacy en veiligheid kan bieden als het huidige systeem. In een peer-to-peer netwerk voert niemand de regie, dus wie is verantwoordelijk voor het beheer van de persoonlijke gegevens van gebruikers? Denk bijvoorbeeld aan energieconsumptie, locatie en transacties. Kan iedereen in het netwerk de informatie inzien en gebruiken wanneer die gepubliceerd is in de blockchain? Zelfs al handelt men onder een pseudoniem, dan nog zouden patronen in transacties herleid kunnen worden tot de bijbehorende fysieke persoon. Powerpeers is een Nederlands bedrijf dat de koop en verkoop van lokaal opgewekte energie mogelijk maakt. Juist vanwege deze privacygevoeligheid heeft Powerpeers ervoor gekozen geen blockchainplatform hiervoor in te zetten. Verder hebben smart-contracts niet vanzelfsprekend dezelfde rechtsgeldigheid als klassieke contracten, anders dan de naam doet vermoeden. Een contract vereist dat voor de betrokken partijen duidelijk is wat er precies wordt afgesproken. Smart-contracts worden in computertaal in de blockchain geprogrammeerd, een taal die niet iedereen begrijpt. Ook moeten de betrokken partijen aansprakelijk kunnen worden gehouden als hetgeen in het contract is overeengekomen niet of verkeerd wordt uitgevoerd. Dit betekent dat de identiteit van de betrokken partijen met voldoende zekerheid moet kunnen worden vastgesteld. Hoe weten we zeker dat de persoon die online zijn handtekening zet ook is wie hij zegt dat hij is? Er is een wisselwerking tussen privacy (kunnen handelen onder een pseudoniem) en het kunnen vaststellen welke fysieke persoon handelingen uitvoert. Deze en andere vragen rondom wet- en regelgeving zijn uitgebreid behandeld in het rapport van de Dutch Blockchain Coalition (DBC): Smart contracts als specifieke toepassing van de blockchain-technologie.
Behalve juridische vraagstukken zijn er ook obstakels direct gerelateerd aan de onderlinge handel in elektriciteit. Ten eerste haalt de salderingsregeling de stimulans om elektriciteit aan derden te verkopen grotendeels weg omdat opwekkers al een goede prijs krijgen voor hun elektriciteit. Door Powerpeers wordt dit opgelost door opwekkers een extra bedrag per kWh bovenop de vaste prijs toe te kennen. In het nieuwe regeerakkoord was aangekondigd dat de salderingsregeling in 2020 vervangen zal worden door een terugleversubsidie. Deze zou lager uitvallen dan de kWh-prijs, waardoor verkoop aan derden relatief voordeliger wordt. Echter is deze regeling in 2021 controverisieel verklaard, waardoor het onzeker is in welke mate de afbouw ervan nog doorgaat. Ten tweede is het verboden om zonder vergunning elektriciteit te leveren aan (andere) consumenten, iets wat bij een werkelijk peer-to-peer netwerk strikt genomen wel het geval is. Hierdoor is het niet vanzelfsprekend dat onderlinge handel zonder tussenkomst van een vergunninghoudende partij is toegestaan. Hetzelfde geldt voor het heffen van energiebelasting: hoe wordt dit berekend als je stroom direct van de buurman koopt?
Voorbij blockchain: de tangle
Hoewel de potentie van blockchain groot is, zijn er ook nadelen. Het oplossen van de cryptografische puzzel (zie kader “Hoe werkt het?”) kost een enorme hoeveelheid computerkracht en dus ook energie. Geschat wordt dat het minen van cryptovaluta in het huidige tempo 59 TWh elektriciteit zal verbruiken in 2018. Andere schattingen komen uit op de helft hiervan, maar het blijft een enorme energie-investering. Hierdoor wordt een groot voordeel van het gebruik van het systeem, namelijk het verminderen van de CO2-uitstoot, deels tenietgedaan. Een energiezuiniger alternatief voor proof-of-work is proof-of-stake, maar hiervan moet nog blijken of het dezelfde betrouwbaarheid biedt.
Een andere bedreiging voor grootschalige toepassing is de schaalbaarheid van de blockchaintechnologie. Ten eerste is dit omdat blocks een vaste grootte hebben, en de cryptografische puzzel dus met een vaste frequentie moet worden opgelost. Hierdoor is de snelheid waarmee transacties kunnen worden goedgekeurd gelimiteerd. Ten tweede worden nieuwe transacties doorgegeven van computer naar computer totdat het hele netwerk up-to-date is, iets wat langer duurt naarmate er meer deelnemers zijn. Een derde schaalbaarheidsprobleem is het feit dat voor elke transactie een kleine vergoeding moet worden betaald door degene die de transactie uitvoert, als beloning voor de persoon die transacties bundelt in een block. Hierdoor is blockchain minder aantrekkelijk voor betalingen van kleinere bedragen. Naarmate we meer richting een Internet of Things (IoT) omgeving bewegen waarin alle elektronische apparaten autonoom hun voorraden (bijvoorbeeld een koelkast) of energieverbruik beheren middels kleine betalingen kan dit een obstakel zijn. De tangle is een technologie met vergelijkbare mogelijkheden als blockchain, maar met een fundamenteel ander consensus-mechanisme waardoor het niet dezelfde nadelen kent. Bij de tangle moeten gebruikers die een transactie willen uitvoeren, eerst zelf twee voorgaande transacties verifiëren. Hier zijn dus geen miners voor nodig. Er worden dus ook geen nieuwe tokens gegenereerd door het goedkeuren van transacties. Elke transactie is gekoppeld aan twee andere die eraan voorafgingen. Dit leidt tot een Directed Acyclic Graph (DAG) zoals weergegeven in onderstaande figuur, in plaats van een lineaire ketting van blocks.
Schematische weergave van een DAG. Via IOTA.
De nieuwste transactie is grijs gekleurd. De allereerste transactie heet de genesis en bevat alle tokens die in het netwerk aanwezig zullen zijn. Omdat elke gebruiker een bijdrage moet leveren voordat hij een transactie mag doen neemt bij de tangle de transactiesnelheid toe naarmate het aantal gebruikers toeneemt. Om dezelfde reden hanteert het systeem geen vergoeding voor transacties, waardoor ook kleine betalingen rendabel zijn. Het energieverbruik van de tangle is ordegroottes lager dan bij blockchain door de afwezigheid van de cryptografische puzzel. Maar ook de tangle ontmoedigt oneerlijke handelingen. Een gebruiker die ten onrechte frauduleuze transacties goedkeurt, loopt het risico dat andere gebruikers zijn nieuwe transactie niet goedkeuren, die daardoor door het netwerk zal worden vergeten. Naarmate transacties vaker door gebruikers worden goedgekeurd, worden deze door het systeem als betrouwbaarder beschouwd. Er wordt al geëxperimenteerd met de toepassing van de tangle in de energietransitie, bijvoorbeeld door ElaadNL en Enexis voor het opladen van elektrische auto’s. Hiervoor wordt het platform IOTA gebruikt. Een gedetailleerde beschrijving van het mechanisme van de tangle is te vinden in de tangle whitepaper.
Hoe werkt het?Stel, persoon A wil een aantal cryptomunten (tokens) betalen aan persoon B en stelt deze transactie voor aan het netwerk. Nadat het netwerk heeft verifieerd dat A genoeg tokens bezit voor deze betaling wordt de transactie door een hash functie gehaald: een cryptografische versleutelingsmethode die de gegevens van de transactie (hoeveel tokens, van wie, aan wie en op welk tijdstip) omzet in een hash, een code van vaste lengte bestaande uit cijfers en letters. De hash functie werkt maar in één richting, dat wil zeggen dat een hash niet door de hash functie kan worden gehaald om de gegevens van de transactie te reproduceren. De hash is uniek voor elke transactie: het veranderen van één getal of letter van de transactie resulteert in een andere hash. De hashes van meerdere transacties worden gebundeld in een block, samen met een hash van het vorige block, een tijdsaanduiding en een 32-bits getal, de nonce. De nonce is op dat moment nog bij geen van de deelnemers van het netwerk bekend, de rest van het block wel. Het nieuwe block wordt door de hash functie gehaald, en de resulterende hash wordt openbaar gemaakt in het netwerk. Voordat de transacties in het nieuwe block definitief zijn goedgekeurd moet er een cryptografische puzzel worden opgelost: computers in het netwerk moeten achterhalen welke nonce er aan het nieuwe block was toegevoegd om te resulteren in de bijbehorende hash. Iets preciezer verwoord: de waarde van de nonce was zo gekozen dat de hash van het block begint met een bepaald aantal nullen. Het doel van de puzzel is de nonce te vinden die resulteert in een hash met het juiste aantal nullen. Dit proces geschiedt via trial & error: computers in het netwerk (miners) proberen willekeurige nonces uit totdat een juiste hash resulteert. Dit mechanisme heet proof-of-work en vereist een enorme hoeveelheid rekenkracht. Zodra een mogelijke oplossing is gevonden wordt deze openbaar gemaakt in het netwerk, en computers die deze nonce verifiëren keuren het nieuwe block goed en voegen deze toe aan de ketting van blocks: de blockchain. Hierna begint het proces opnieuw. Degene die de juiste nonce gevonden heeft wordt beloond met een aantal tokens. Zo wordt deelname aan het netwerk aangemoedigd. Er wordt veel over geschreven over blockchaintechnologie, het is een 'hot topic'. Voor meer informatie vanuit de wereld van cryptocurrencies, blockchain en tokens kunt u bijvoorbeeld terecht op deze blogpost of deze blog. |
Conclusies
Blockchain is een disruptieve technologie omdat het centrale instanties zoals banken, die in het huidige financiële systeem onmisbaar zijn, overbodig maakt. Er zijn vele manieren denkbaar waarop blockchain mensen aan elkaar kan koppelen voor de handel in energiegerelateerde producten of diensten, wat goed aansluit op de manier waarop met duurzame energie moet worden omgegaan. Echter, door het hoge energieverbruik en de beperkte schaalbaarheid lijkt blockchain in zijn pure vorm (gebruikmakend van proof-of-work) verre van perfect. Veelbelovend in dat opzicht is de tangle, een technologie die een vergelijkbare functie kan vervullen als blockchain zonder de grootste nadelen ervan. Of blockchain of de tangle daadwerkelijk een significante rol in de energietransitie en het IoT gaat spelen is nu nog niet duidelijk.
Over TKI Urban Energy
TKI Urban Energy is aanjager van energie-innovaties in de gebouwde omgeving en de infrastructuur. TKI Urban Energy vormt een netwerk van bedrijven, kennisinstellingen en (overheids)organisaties en faciliteert hen bij investeringen in en onderzoek naar energie-innovaties in woningen, gebouwen en woonwijken. TKI Urban Energy biedt deze partijen financiering, praktische begeleiding en een platform voor samenwerking en kennisuitwisseling. De focus ligt op thema’s uit het innovatieprogramma als zonnetechnologie, warmtepompen, smart grids en maatregelen die leiden tot vermindering van energieverbruik. Een snelle transitie naar een duurzaam, betrouwbaar en betaalbaar energiesysteem in de gebouwde omgeving en de infrastructuur is de inzet.