De (on)zin van blockchain

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 wordt binnen het netwerk verhandeld met tokens die Jouliettes heten. Deze tokens zullen bijvoorbeeld ingezet worden om producten te kopen bij het café-restaurant. Alle energiestromen in De Ceuvel zijn real-time online te volgen, zoals weergegeven in onderstaande figuur. Dit geeft deelnemers meer inzicht in hun energieverbruik, en de verzamelde data kan gebruikt worden om verbruiksprofielen te voorspellen. Joulliette at De Ceuvel is een project van Spectral en Alliander.

De Ceuvel

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.

Projecten in het TKI Urban Energy domein

Blockchain speelt in een aantal projecten van het 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. Ten slotte wordt in OROSL gewerkt aan de mogelijkheid om flexibiliteit van bijvoorbeeld elektrische auto’s via blockchain aan te bieden op de biedladder 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 is aangekondigd dat de salderingsregeling in 2020 vervangen zal worden door een terugleversubsidie. Deze zal lager uitvallen dan de kWh-prijs, waardoor verkoop aan derden relatief voordeliger wordt. 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.

 

Directed Acyclic Graph

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.

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. De lopende experimenten zullen hierin meer inzicht verschaffen.

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.