Il potenziale del Blockchain nel settore energetico

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Una visione comune per il futuro della rete energetica della nazione prevede che i proprietari di case vendano energia inutilizzata generata da pannelli solari sul tetto ad altri nelle loro comunità e collaborino per garantire l’affidabilità, la resilienza e la sicurezza della rete elettrica utilizzata da tutti.

Sembra fantastico in teoria. Ma come può la rete gestire così complesse transazioni energetiche su larga scala?

Diverse soluzioni emergenti per questa opportunità si basano sulla  tecnologia blockchain  . 

I ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) stanno valutando l’uso della blockchain per l’energia transattiva utilizzando hardware nell’Energy Systems Integration Facility (ESIF) del laboratorio e potrebbe rimodellare il mondo del funzionamento dei sistemi elettrici.

“La distribuzione del processo decisionale operativo della rete è rivoluzionaria”, ha affermato Dane Christensen, ingegnere meccanico del gruppo di ricerca sugli edifici residenziali della NREL e ricercatore principale in un progetto pilota blockchain.

“È davvero come qualcuno negli anni ’80 che espone l’opportunità economica di Internet. Tutti avrebbero riso di te.

È un po ‘quello che sta succedendo in questo momento con le applicazioni blockchain : stanno emergendo gli strumenti di base per un’altra rivoluzione tecnologica, e questo potrebbe essere uno di questi. ”

Il potenziale per Blockchain nel settore energetico

Per i non iniziati, la blockchain funge da record digitale distribuito delle azioni concordate ed eseguite da più parti.

Il valore primario di Blockchain è fornire prove matematiche sullo stato dei dati, in modo che parti diverse di una transazione possano concordare il risultato anche se non si conoscono o si fidano reciprocamente.

Sebbene comunemente associata a criptovalute come Bitcoin, la tecnologia blockchain può essere utilizzata praticamente con qualsiasi tipo di transazione che coinvolge la proprietà digitale in tempo reale.

Queste tecnologie si basano su crittografia consolidata e meccanismi di consenso per garantire che le transazioni rimangano sicure e un intero settore è emerso per applicare la tecnologia blockchain per risolvere le sfide del mondo reale.

Le potenziali opportunità abbondano per l’uso della blockchain nel settore energetico. Lo scorso anno il Congressional Research Service ha rilevato un crescente interesse tra i produttori di risorse energetiche distribuite (DERs), come il tetto solare, a vendere elettricità ai vicini. 

Il settore di ricerca di politica pubblica del Congresso ha previsto che se questo approccio dimostrasse “pratica ed economica, la tecnologia blockchain potrebbe alterare il modo in cui i clienti e i produttori di elettricità interagiscono”.

Oggi le utility utilizzano piattaforme software complesse chiamate EMS (Energy Management System) e Advanced Distribution Management System (ADMS) per gestire la domanda, l’offerta e la fornitura affidabile di elettricità sulla rete elettrica.

Ma è difficile ridimensionare EMS e ADMS per interoperare le transazioni tra migliaia di case, per non parlare dei milioni di dispositivi connessi in uso in quelle case.

“Quando hai centinaia di migliaia o milioni di dispositivi là fuori che vogliono interagire, devi affrontare una sfida di fiducia significativa”, ha dichiarato Tony Markel, ingegnere senior del gruppo di ricerca sulla sicurezza cibernetica dei sistemi energetici presso NREL.

“La fiducia tra i dispositivi può essere raggiunta solo attraverso metodi che verificano e abilitano la prova che ogni sistema fa quello che ha detto che avrebbe fatto. Con Blockchain, potremmo avere un percorso per ottenere comunicazioni sicure e affidabili tra i giocatori senza la necessità di un controllo centrale. “

I ricercatori NREL valutano una blockchain peer-to-peer

I ricercatori di NREL hanno  condotto esperimenti  per scoprire cosa potrebbe accadere quando due case fossero collegate tramite una blockchain con la capacità di una di vendere energia solare in eccesso a un’altra.

Ciò ha richiesto due transazioni blockchain: una trasmissione sicura dei dati sulla quantità di energia generata e un pagamento al venditore.

Credito: National Renewable Energy Laboratory

Al centro di questa ricerca è una soluzione software sviluppata da NREL chiamata  prevede . Il software utilizza le preferenze energetiche dei proprietari di casa – come la temperatura della loro casa o il loro budget energetico – per controllare gli elettrodomestici collegati all’interno della casa.

Nell’esperimento  blockchain , prevedere avvisato la seconda casa quando sarebbe più economico acquistare energia rinnovabile dal suo vicino piuttosto che pagare le spese dell’utilità, quindi utilizzare una valuta digitale per completare la transazione.

La dimostrazione ha mostrato la capacità di abbinare automaticamente la generazione e la domanda di energia tra queste due case.

“Ci sono molti discorsi e ronzii sulla blockchain ma pochissima documentazione”, ha dichiarato Dylan Cutler, investigatore principale del progetto.

“Questo progetto è stato un primo passo necessario in questo campo – almeno per me e penso al laboratorio in generale – per avere un po ‘di conforto con la tecnologia.”

I risultati hanno evidenziato il percorso per la ricerca futura. In particolare, ha sottolineato Cutler, l’uso della blockchain nei mercati dell’energia richiederà un esame dell’affidabilità della rete, della resilienza e dei problemi di sicurezza informatica.

Un’area che la ricerca iniziale di Cutler non ha preso in considerazione era il ruolo che un’utilità avrebbe svolto nelle transazioni energetiche peer-to-peer, e questo è qualcosa che ha detto che uno studio futuro deve considerare.

“Penso che dobbiamo solo riconoscere che le utility sono proprietarie della nostra infrastruttura di rete e sono in procinto di fornire e mantenere una ragionevole qualità dell’energia”, ha affermato. “Se dovessi vendere energia al tuo vicino, userebbe le risorse dell’utilità. In qualche modo, l’utilità deve essere consapevole e forse compensata per questo. “

Cutler, ricercatore senior nell’Integrated Applications Centre di NREL, ha affermato che l’emergere della tecnologia blockchain richiede un mercato di nuova concezione. Mentre il presupposto comune della blockchain è che l’utente finale domina il controllo distribuito dell’energia, in realtà è probabile che le utility di energia elettrica saranno almeno responsabili del coordinamento di queste transazioni vicine. 

“Questa è l’entità logica che potrebbe intervenire e operare”, ha detto, “ma la natura della blockchain consente di non essere una sola parte. Non deve essere un’utilità. “

Collaborazione energetica su scala comunitaria

NREL si sta basando su questo lavoro precedente per studiare i vantaggi per i proprietari di edifici e le utility. Utilizzando una tecnologia di mercato basata su blockchain, i centri di ricerca sul funzionamento della rete elettrica mentre case e aziende continuano ad adottare la generazione solare sul tetto, lo stoccaggio della batteria, i veicoli elettrici e gli elettrodomestici intelligenti.

I partner del laboratorio sono Exelon Corporation, un’utility con sede a Chicago, e Energy Web Foundation, che sviluppa soluzioni software blockchain open source.

Christensen e Sivasathya Pradha Balamurugan, co-principali investigatori del progetto NREL, hanno affermato che l’uso della blockchain consentirebbe un maggiore coordinamento tra utility e clienti per ottenere vantaggi reciproci.

L’elettricità generata da risorse rinnovabili come il solare e l’eolico che i clienti non possono utilizzare può essere deviata alla rete, ma ci sono dei limiti. Gli alimentatori – che trasportano tensione da una sottostazione ai trasformatori – non sono stati progettati per il flusso bidirezionale di elettricità.

“Presto ci saranno alimentatori negli Stati Uniti dove se si collega un’altra auto elettrica, si potrebbero danneggiare i trasformatori o attivare interruzioni di sicurezza perché stiamo raggiungendo i limiti della capacità della rete di distribuzione”, ha detto Christensen.

“Le utility sono molto interessate a come gestire il servizio elettrico senza dover potenziare tutte le apparecchiature di rete. Il coordinamento del consumo energetico degli edifici è un modo per contenere i costi, sfruttare meglio la generazione distribuita e migliorare l’affidabilità della rete elettrica. “

Utilizzando i sistemi ESIF di NREL, il team di ricerca sta esaminando in che modo i mercati dell’energia basati su blockchain possono consentire agli edifici di coordinarsi all’interno di un alimentatore di distribuzione, in base a vincoli appropriati definiti dall’utilità.

In particolare, il team esplorerà come un approccio all’identità digitale basato su blockchain può aiutare le utility a verificare gli attributi e le operazioni delle risorse energetiche distribuite sul loro territorio.

L’obiettivo del progetto è consentire l’installazione di elevati livelli di carichi solari e flessibili negli edifici, eliminando al contempo la presenza di backfeed di energia nella rete di alimentazione di massa. 

In caso di successo, ciò consentirà ai proprietari di edifici e ai servizi di pubblica utilità di collaborare per accelerare l’adozione di tecnologie energetiche avanzate. Potrebbe anche sbloccare nuove opportunità per i clienti con risorse solari o di stoccaggio per guadagnare denaro o ridurre le bollette fornendo servizi di rete.

I ricercatori di NREL dimostrano la fattibilità di transazioni energetiche collaborative tramite blockchain
Ted Kwasnik, Dylan Cutler, Sivasathya Pradha Balamurugan e Bethany Sparn lavorano al progetto dimostrativo blockchain nell’Energy Systems Integration Facility di NREL. Credito: Dennis Schroeder, NREL

Facendo affidamento sulla blockchain, ha affermato Christensen, le utility potrebbero integrare molti diversi tipi di DER con strumenti operativi di base (come il software EMS e ADMS) in modo sicuro ed efficiente. 

“Tradizionalmente, l’integrazione di nuove risorse nella rete ha un costo sostanziale per un’utility. Gran parte di tale costo è guidato da processi personalizzati e manuali per diversi tipi di DER. Ogni alimentatore è diverso. Ogni casa è diversa. Man mano che vengono adottate più energie rinnovabili, man mano che vengono adottati più veicoli elettrici, è necessario eseguire la progettazione continua di esperti.

L’ingegneria per garantire che un alimentatore funzioni in modo efficiente ed efficace nel bilanciare la domanda e l’offerta non si traduce necessariamente in un altro alimentatore. “Ciò che la blockchain consente”, ha affermato Christensen, “è una soluzione scalabile che puoi facilmente installare su un altro alimentatore perché può essere auto-personalizzante”.

NREL ed Exelon hanno affermato che un’utilità può utilizzare i risultati della nuova ricerca blockchain per fare un caso per consentire un progetto pilota. “Il pilota virtuale che si verifica in NREL è il più vicino possibile all’installazione su una griglia live. Il progetto stabilirà i vantaggi per i clienti, i costi / i benefici delle utility e contribuirà a ridurre il rischio della soluzione di mercato blockchain prima di una distribuzione. “

Altri laboratori nazionali collaborano con NREL

NREL ha anche intrapreso uno sforzo di due anni con altri laboratori nazionali per accelerare l’uso della blockchain nel settore energetico.

Un nuovo sforzo di collaborazione chiamato  Blockchain for Optimized Security and Energy Management (BLOSEM)  intende sviluppare l’architettura e l’infrastruttura in modo che le utility possano esplorare in sicurezza la tecnologia.

“L’interesse specifico per la blockchain è sapere che le utility devono essere in grado di muoversi più velocemente sul lato dell’integrazione delle cose”, ha affermato Markel. “Ci si aspetta che ciò possa fornire loro una certa coerenza nei risultati e nelle conoscenze che acceleri il processo di adozione.

Ci sono ancora alcune incognite: come si fa a far funzionare tutto ciò e quali insiemi di informazioni dovranno condividere le parti interessate?

I sistemi blockchain aiuterebbero a evidenziare un dispositivo non attendibile che è stato compromesso da un attacco informatico?

È un buon spazio per il laboratorio per spendere davvero il tempo e gli sforzi per chiarire quelle incognite in modo da poter guidare gli sviluppi futuri necessari. “

Il ruolo iniziale di NREL in BLOSEM si espande sui precedenti risultati del laboratorio, con ulteriori simulazioni pianificate per espandere l’uso della blockchain. Il National Energy Technology Laboratory è l’organizzazione principale del progetto, con Ames Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory e Pacific Northwest National Laboratory facenti parte del team di ricerca. 

Il consorzio del laboratorio di modernizzazione della rete finanzia BLOSEM. Gli uffici del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti che finanziano questo progetto includono l’Office of Fossil Energy, Office of Nuclear Energy e Office of Electricity Delivery and Energy Reliability.

“Dal punto di vista del laboratorio nazionale”, ha affermato Markel, “siamo in una buona posizione per guidare l’applicazione delle tecnologie blockchain legate all’energia e alla sicurezza. Il nostro lavoro dovrebbe offrire metriche coerenti pertinenti alle utility per sfruttare la blockchain per consentire a milioni di sistemi di comportarsi in modo affidabile. Questo è un grosso pezzo di ciò che dobbiamo dimostrare insieme a risolvere alcune incognite chiave. “

La tecnologia Blockchain ci collega al futuro

Juan Torres, direttore di laboratorio associato di NREL per l’integrazione dei sistemi energetici, stima che ci vorranno 5-10 anni prima che la tecnologia blockchain consolidi il suo posto nel settore energetico. I meccanismi che consentono ai vicini di acquistare elettricità gli uni dagli altri non sono operativi oggi.

“C’è una quantità significativa di comunicazione che è richiesta tra gli utenti, le persone che vogliono acquistare l’energia”, ha detto Torres. “C’è comunicazione e negoziazione tra i vari dispositivi.

E da qualche parte lungo la strada, dobbiamo assicurarci che quelle micro transazioni non causino instabilità sulla griglia più grande. Le utility devono essere in grado di ottenere informazioni su queste transazioni. È un sistema con molti elettroni in movimento è il modo in cui lo descriverei. “


Le smart grid stanno attualmente avanzando tecnologicamente a un ritmo molto rapido sfruttando i vantaggi offerti dalle reti di sensori wireless (WSN) e dall’Internet of Things (IoT).

Offrono l’ottimizzazione della produzione e del consumo di energia mediante l’adozione di sistemi intelligenti in grado di monitorare e comunicare tra loro [1,2,3].

L’automazione del sistema di misurazione intelligente basato su sensori utilizzando Advanced Metering Devices (AMI) porta a un minore fabbisogno di manodopera e maggiore precisione. Pertanto, rendendo la rete più intelligente, si ottiene un utilizzo efficiente dell’energia [4,5].

Le reti intelligenti promettono inoltre di sfruttare più efficacemente le fonti energetiche rinnovabili offrendo supporto tecnologico per il trasferimento di energia tra produttori e consumatori di energia locali.

I consumatori che possono raccogliere fonti di energia rinnovabili come la luce solare usando i pannelli solari sul tetto possono diventare produttori-consumatori (prosumatori) vendendo l’energia in eccesso ai consumatori vicini o alla rete.

Ciò promuove i consumatori a utilizzare fonti di energia rinnovabili [6]. Poiché la domanda di energia è in continua crescita e vi sono molteplici fonti di energia, è emersa la necessità di un sistema di gestione dell’energia decentralizzato [7].

Il sistema dovrebbe essere in grado di gestire le singole transazioni tra gli utenti, nonché tra l’utente e la griglia senza manomissione dei dati o perdita di informazioni. L’integrazione di risorse distribuite di energia rinnovabile la cui generazione di energia è altamente fluttuante rende molto difficile per le utility valutare lo stato del sistema.

Alcuni lavori [8,9,10] hanno proposto nuovi approcci basati sul filtro Kalman per una stima e un controllo accurati dello stato della microgrid per le smart grid. I loro modelli incoraggiano i consumatori a utilizzare fonti di energia rinnovabile rispettose dell’ambiente che porteranno a molti vantaggi come la riduzione della perdita di linea, l’affidabilità, l’efficienza energetica, ecc.

Gli autori di [11] hanno discusso della riduzione della domanda di energia delle utenze e dei consumatori e della gestione intelligente dell’energia considerando la sempre crescente integrazione delle energie rinnovabili.

Un altro problema che ostacola un efficiente sistema di gestione della rete è il requisito di terzi per la fornitura e la distribuzione di energia. Il coinvolgimento di terzi aumenta sempre drasticamente i costi operativi e apre la strada a transazioni errate, intenzionalmente o meno. È qui che Blockchain offre una soluzione promettente a questi problemi esistenti della smart grid [12,13].

L’adozione della tecnologia blockchain consente alla rete di griglia di decentralizzare le sue operazioni. Ciò significa che il processo decisionale e i flussi delle transazioni non devono essere convogliati attraverso un sistema centralizzato comprendente terze parti, ad esempio mediatori, banche, ecc.

Il registro delle transazioni viene archiviato in tutti o in nodi selezionati coinvolti nel funzionamento della rete a seconda del tipo di blockchain utilizzato [14,15]. Le transazioni di acquisto e vendita di energia tra gli utenti non devono più passare attraverso le procedure di una banca, ma piuttosto possono essere eseguite tramite un programma per computer convalidando le clausole predeterminate richieste della transazione [16].

La tecnologia blockchain, tra i vari altri vantaggi, aiuta a creare mercati dell’energia in tempo reale e preservare l’identità delle transazioni a costi molto più bassi grazie a un quadro commerciale semplificato [17,18].

Il calcolo e il consumo energetico dei dispositivi IoT sono sfide importanti che limitano l’applicazione della blockchain in IoT e smart grid. Gli autori di [19] hanno proposto un’architettura decentralizzata di approvvigionamento energetico on demand per i minatori nella rete IoT, usando microgriglie per fornire energia rinnovabile per il mining nei dispositivi IoT.

Questo documento identifica alcuni dei vari scenari in cui la blockchain può essere incorporata nella smart grid e discute i vari aspetti tecnologici su ogni scenario.

I principali contributi di questo documento sono:

  • Discutiamo delle principali applicazioni della blockchain nelle smart grid, fornendo dettagli come l’architettura blockchain, la struttura del blocco di esempio e le tecnologie relative alla blockchain impiegate in ogni area di applicazione.
  • Una tabella che riassume queste aree di applicazione con importanti dettagli tecnici è presentata anche dopo una discussione delle aree di applicazione.
  • Discutiamo quindi delle implementazioni commerciali della blockchain nella smart grid.
  • Discutiamo anche le sfide esistenti per l’integrazione della blockchain nella griglia intelligente e presentiamo alcune direzioni di ricerca future.

Il resto del lavoro è organizzato come segue. La sezione 2 offre una breve panoramica della tecnologia blockchain. Nella sezione 3, vengono discusse importanti aree di applicazione della blockchain nella smart grid. La sezione 4 sintetizza diverse implementazioni commerciali della blockchain nel settore energetico. Nella sezione 5, vengono discusse le sfide pratiche nell’incorporazione della blockchain nella smart grid. La sezione 6 suggerisce alcune direzioni di ricerca future. Infine, l’articolo è concluso nella sezione 7.

Panoramica di Blockchain

Blockchain è un libro mastro decentralizzato pensato per tenere un registro delle varie transazioni effettuate nella rete fin dall’inizio della catena. Il libro mastro è condiviso tra diversi nodi (detti anche peer) che partecipano alla rete, con ogni peer che ha la sua copia del libro mastro.

Ogni blocco nella catena è collegato al precedente mediante tecniche crittografiche, il che rende il sistema sicuro e resistivo ad attacchi e pratiche scorrette, come illustrato nella Figura 1. Ogni nodo può verificare la validità delle transazioni e raggiungere un consenso prima di aggiungere il blocco alla blockchain, fornendo così un alto livello di trasparenza e affidabilità.

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Figura 1 – Struttura Blockchain.

Composizione di Blockchain

Ogni transazione in una blockchain viene verificata dai nodi partecipanti utilizzando un algoritmo di consenso e, se viene raggiunto un consenso sulla sua validità dai nodi, i dati della transazione vengono archiviati in strutture chiamate blocchi.

Il mining è l’aggiunta dei blocchi nella blockchain mentre i Miner o i Mining Nodes sono i nodi coinvolti in questo processo. Una funzione hash crittografica [20] collega due blocchi adiacenti nella blockchain, con l’hash del blocco precedente memorizzato nel blocco corrente.

Per eseguire un attacco riuscito, l’attaccante che tenta di modificare un determinato blocco nella blockchain deve assicurarsi che vengano modificati anche tutti i blocchi seguenti. Poiché l’hash del blocco corrente è memorizzato nel blocco successivo, la modifica di qualsiasi campo del blocco corrente modificherà anche il suo hash.

Pertanto, più vecchio è il blocco target, più è difficile per un attaccante modificare e aggiornare il blocco e tutti i blocchi successivi fino al blocco più recente nella blockchain.

Inoltre, l’attaccante deve anche assicurarsi che nessun nuovo blocco sia stato aggiunto alla blockchain quando le sue modifiche si riflettono nella blockchain. Ciò richiede una capacità di elaborazione e hashing molto più elevata da parte dell’attaccante rispetto alla capacità combinata di tutti i minatori.

Pertanto, un tale attacco alla rete blockchain rimane economicamente abbastanza fattibile. Inoltre, poiché una copia della blockchain completa è disponibile con ciascun nodo partecipante della rete, è possibile rilevare facilmente qualsiasi negligenza come la modifica di un blocco della blockchain.

Queste tecniche di sicurezza crittografica forniscono quindi l’immutabilità dei dati alla blockchain. Ciascun blocco comprende essenzialmente un’intestazione del blocco e un corpo del blocco. L’intestazione del blocco contiene vari campi come l’hash precedente, il timestamp, ecc. Il timestamp indica l’ora della creazione di un blocco.

Versione indica il tipo e il formato dei dati contenuti nel blocco, mentre l’hash radice di Merkle è l’hash combinato di tutte le transazioni che sono state aggiunte in quel blocco. Gli alberi Merkle sono generati da coppie di transazioni con hashing in modo iterativo fino a quando rimane solo un valore di hash.

Il singolo valore di hash è chiamato radice di Merkle. La radice di Merkle è l’impronta digitale di tutte le transazioni memorizzate in un determinato blocco. Utilizzando una radice Merkle, un utente può verificare in modo sicuro ed efficiente la presenza di una particolare transazione in un blocco.

Un nonce è un numero arbitrario utilizzato dai nodi di mining per modificare il valore di hash del blocco per soddisfare il criterio di consenso di una blockchain. Il corpo del blocco comprendente le informazioni sulla transazione relative al blocco può essere diviso in due parti.

La prima parte del blocco memorizza informazioni sulle transazioni (importo, data, ora, ecc.), Mentre l’altra parte memorizza informazioni sui partecipanti alle transazioni. Tutti i blocchi sono collegati per formare una catena contenente informazioni sulla cronologia delle transazioni dell’intera rete e sono condivisi con l’intera rete [21,22,23,24].

Classificazione di Blockchains

Le blockchain sono generalmente classificate in tre tipi, ovvero blockchain pubblico, consorzio e privato. Un confronto di questi tre tipi basato su parametri diversi è riassunto nella Tabella 1.

Tabella 1

Classificazione delle blockchain [25,26,27,28,29,30,31].

ParametroBlockchain pubblicaConsorzio BlockchainBlockchain privato
RicettivitàCompletamente apertoAperto ad alcuni nodiAperto a una persona / entità
Accedi a ScriviChiunqueNodi specificiControllato internamente
Accedi a LeggiChiunqueChiunqueAperto al pubblico
OscuritàDi PiùDi menoDi meno
Velocità di transazioneBassoaltoEstremamente alto
DecentramentoCompletamente decentralizzatoMeno decentralizzatoMeno decentralizzato

Applicazioni di Blockchain in Smart Grid

La Figura 2 elenca importanti applicazioni della blockchain nello scenario della smart grid. Sulla base dei sondaggi e delle recensioni esistenti sull’applicabilità della blockchain nell’IoT [32,33,34,35], in questo documento, ci concentriamo su queste cinque importanti aree di applicazione nelle smart grid in cui la tecnologia blockchain è stata ampiamente studiata.

Ciascuna di queste aree di applicazione è discussa di seguito fornendo dettagli sull’architettura blockchain impiegata, sulla struttura di un blocco campione e sulle diverse tecnologie blockchain utilizzate.

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Figura 2 – Applicazioni della blockchain in smart grid.

Infrastruttura di trading peer-to-peer

Un grave svantaggio delle reti esistenti è la mancanza di sicurezza per quanto riguarda le transazioni causate dal coinvolgimento di mediatori e altre terze parti. Questa struttura gerarchica di trading organizzativo della rete comporta costi operativi elevati con bassa efficienza operativa [36,37].

D’altra parte, un’infrastruttura di trading basata su blockchain offre una piattaforma decentralizzata che consente il commercio di energia peer-to-peer (P2P) tra consumatori e prosumatori in modo sicuro.

La privacy dell’identità e la sicurezza delle transazioni sono più elevate nella piattaforma decentralizzata rispetto al sistema tradizionale. Il commercio di energia P2P trova uno scopo in molte applicazioni tra cui l’Internet of Things industriale (IIoT) e migliora la possibilità di sviluppare micro-griglie che conducano all’utilizzo sostenibile dell’energia [38,39].

La Energy Networks Association, con sede nel Regno Unito, ha dichiarato il piano di investire 17 miliardi di euro nei mercati energetici locali utilizzando la rete intelligente [40]. Di seguito vengono discussi vari aspetti del commercio di energia P2P mediante blockchain.

Architettura Blockchain

Sulla base dei vari lavori di ricerca all’avanguardia rilevati sull’infrastruttura di scambio di energia P2P usando la blockchain, l’architettura blockchain per un tipico sistema di scambio di energia P2P può essere mostrata come in Figura 3.

Questa architettura si basa sul modello di riferimento utilizzato in [38], in cui gli autori hanno utilizzato un sistema di scambio di energia P2P sicuro basato su blockchain del consorzio. Un confronto tra alcuni di questi lavori di ricerca è mostrato nella Tabella 2.

A seconda dello scenario di mercato, della potenza computazionale richiesta e della velocità delle transazioni, la decisione relativa alla scelta del tipo di blockchain da utilizzare può variare.

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Figura 3
Architettura per il trading di energia P2P.

Tabella 2 – Confronto di articoli di ricerca all’avanguardia sul commercio di energia P2P mediante blockchain.

Ref.Costi ed energia ottimizzatiOttimizzazione applicataSicuro contro gli attacchiAnalisi della sicurezzaScalabileAnalisi di performance
[41]
[42]
[43]
[44]
[38]

Una blockchain pubblica offre un alto livello di trasparenza fornendo una copia del libro mastro distribuito a ciascun nodo e la capacità di eseguire il consenso e la convalida dei dati. Tuttavia, lo svantaggio si presenta sotto forma di consumo di energia e prestazioni.

Una blockchain del consorzio, d’altra parte, consente solo a una serie di nodi pre-autorizzati di gestire il libro mastro distribuito o il database delle transazioni. Solo a questi nodi autorizzati sono assegnate elevate capacità computazionali necessarie per risolvere l’algoritmo di consenso, riducendo così il consumo energetico complessivo e facilitando transazioni più veloci.

Gli autori di [38] hanno proposto una piattaforma blockchain del consorzio per facilitare un sistema P2P sicuro per il commercio di energia in IIoT, chiamato blockchain energetico.

I diversi nodi energetici che comprendono consumatori su piccola scala, consumatori industriali, veicoli elettrici, ecc. Hanno la flessibilità di scegliere i loro ruoli in quanto acquirenti / venditori o nodi inattivi possono avviare transazioni in base alle loro esigenze.

Un registro di queste transazioni è archiviato e gestito da un insieme speciale autorizzato di entità denominate Energy Aggregators (EAG).

Struttura a blocchi

Nel caso del trasferimento di energia P2P, un tipico blocco nella rete blockchain, come mostrato nella Figura 4, è costituito da strutture di dati che includono informazioni sulla quantità di energia utilizzata e il timestamp che indica l’utilizzo di energia che di solito si occupa di una particolare transazione [ 45]. Il numero di strutture e i dati inclusi dipende dall’architettura adottata.

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Figura 4 – Struttura a blocchi per il trading di energia P2P.

In una blockchain del consorzio con nodi di elaborazione e consenso predefiniti, la struttura del blocco è costituita dall’ID blocco per l’identificazione univoca; Header, che è hash con un algoritmo di hash sicuro (SHA); Lock Time, che indica il tempo di aggiunta di quel particolare blocco nella rete; e le transazioni.

Ogni transazione viene generata quando l’acquirente richiede energia dai server di transazione dei nodi di supervisione. La parte della transazione della struttura a blocchi è costituita da dati specifici per ciascuna transazione come ID transazione (TID), ID contatore (MID), quantità di energia richiesta (AER), quantità di energia concessa (AEG) per l’acquirente richiedente da parte del supervisore nodi basati sull’energia disponibile dai venditori, monete energetiche trasferite (ET) dall’acquirente per la transazione, firma digitale del venditore (DSS) che indica una transazione riuscita e firma digitale del nodo di elaborazione (DSP) che indica la convalida del transazione. Include anche i timestamp che indicano il tempo di richiesta (TR) e il tempo impiegato per la transazione (TT).

Tecnologie utilizzate

  • Valuta virtuale: utilizzando la blockchain, è possibile creare una valuta virtuale per rappresentare ogni unità di elettricità. Questo sistema è molto utile in situazioni in cui l’energia rinnovabile viene generata alla fine del pubblico. L’energia in eccesso disponibile per il prosumer può essere venduta impegnandosi in transazioni con altri peer all’interno della rete blockchain e trasferendo questa energia elettrica nella rete. Il prosumer può guadagnare valuta virtuale per la vendita di energia a un prezzo specificato mentre i consumatori con deficit possono acquistare energia per le loro esigenze con la valuta virtuale. La vera identità sia dell’acquirente che del venditore non deve essere divulgata in tali transazioni utilizzando monete virtuali [39,46]. Inoltre, possono essere introdotti sistemi di incentivazione per la promozione delle energie rinnovabili.
  • Transazioni basate sul credito: poiché esiste una certa latenza nella convalida e nell’aggiunta di transazioni nella blockchain, che a sua volta ritarda il rilascio di valuta virtuale per il rispettivo utente, gli utenti potrebbero dover affrontare temporaneamente una carenza di valuta virtuale. Un sistema di transazione basato sul credito aiuta tali utenti ad acquistare l’energia richiesta senza l’effettivo possesso di valute virtuali in quel momento. Li et al. [38] ha utilizzato uno schema di pagamento basato sul credito in cui a ciascun nodo è assegnata un’identità, una serie di chiavi pubbliche e private, un certificato per l’identificazione univoca e una serie di indirizzi di portafoglio su una registrazione legittima sulla blockchain. Al momento dell’inizializzazione, l’integrità del portafoglio viene verificata e i suoi dati di credito vengono scaricati dal pool di memoria dei nodi di supervisione (che memorizzano i record sui pagamenti basati sul credito). La richiesta da ciascun nodo per il rilascio di token basati sul credito viene convalidata dalla banca di credito gestita dai nodi di supervisione e rilasciata se il nodo richiedente soddisfa i criteri specificati. Questi token che vengono quindi trasferiti nel portafoglio del nodo possono essere utilizzati per acquistare l’energia richiesta da altri nodi di vendita [39,47].
  • Contratti intelligenti: si tratta di codici informatici costituiti da termini di accordi in base ai quali le parti interessate dovrebbero interagire tra loro. Sono macchine a stati finiti che implementano alcune istruzioni predefinite quando soddisfano un determinato insieme di condizioni o determinate azioni specificate. I contratti intelligenti associati ai contatori intelligenti nella griglia vengono implementati nella blockchain. Garantiscono transazioni sicure consentendo solo trasferimenti di dati autentici tra i contatori intelligenti e i nodi di supervisione e segnalano se si è verificata una manomissione non autorizzata e dannosa dei dati [47,48].

Generazione e distribuzione di energia

Numerosi attacchi informatici su reti intelligenti sono stati intrapresi in passato in cui gli aggressori malintenzionati hanno utilizzato vari metodi come Denial of Service (DoS), Data Injection Attacks (DIA), ecc. Per manipolare i dati e ottenere il controllo in rete [68,69 ].

Ciò ha comportato complicazioni come interruzioni di corrente regionali e persino blackout completi [70]. L’integrazione della blockchain nei sistemi di generazione e distribuzione dell’energia aiuta a prevenire la manipolazione dei dati poiché una delle caratteristiche principali offerte dal sistema blockchain è la sua capacità di garantire l’immutabilità dei dati.

Architettura Blockchain

La Figura 9 mostra come un sistema blockchain può essere incorporato in una stazione di generazione di energia con un sistema SMIB (Single Machine Infinite Bus) e le sue reti di distribuzione. Questo framework è creato sulla base delle architetture discusse in altri lavori sulla generazione e distribuzione di energia usando blockchain [66,71].

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Figura 9 – Architettura per la generazione e la distribuzione di energia.

Un SMIB è costituito da un generatore sincrono G, che è collegato al bus infinito attraverso una reattanza Z; un carico, che viene alimentato attraverso un interruttore di carico SL; uno stabilizzatore del sistema di alimentazione (PSS) utilizzato per smorzare le oscillazioni elettromeccaniche del generatore per proteggere la linea dell’albero e fornire stabilizzazione della griglia; e un interruttore di controllo SC per il PSS, che riceve il suo ingresso dall’interruttore di carico.

Un cyber attaccante può utilizzare uno schema di attacco adeguato per modificare le condizioni degli interruttori con conseguente rimozione del carico dal generatore e portando a una transizione improvvisa delle tensioni terminali a valori molto alti.

Poiché l’interruttore di controllo, da SC a PSS, viene manomesso, la regolazione automatica della tensione non risponde e non si verifica lo smorzamento delle oscillazioni. Ciò comporta danni all’albero e perdita di sincronizzazione nel generatore target.

Ciò può essere evitato incorporando la blockchain nel sistema di generazione di energia [71]. I valori timestamp di ciascuno stato dello switch e del generatore target possono essere memorizzati come dati nei blocchi.

Nodi specifici possono avere il privilegio di convalidare e estrarre i dati nei blocchi. In caso di attacco, la violazione nello stato corrente di ogni switch dovrebbe essere segnalata alla blockchain.

Un contratto intelligente nel dispositivo di misurazione quindi identificherebbe la violazione e manterrebbe il precedente valore terminale del generatore target imponendo PSS per smorzare le oscillazioni.

Struttura a blocchi

Il corpo del blocco, come mostrato nella Figura 10, include misure, stati di commutazione, violazioni e data / ora. La parte relativa alle misurazioni del blocco include la frequenza, la tensione e la corrente generate dal sistema.

Gli stati degli interruttori memorizzano gli stati degli interruttori SL, SC e PSS e il valore misurato del generatore target G. Lo stato guasto degli interruttori, come riportato dai rispettivi dispositivi di misurazione, è memorizzato nella parte delle violazioni del blocco. Il timestamp indica l’istante temporale della misurazione. Questi dati vengono ulteriormente utilizzati dal contratto intelligente per intraprendere le azioni necessarie.

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Figura 10 – Struttura a blocchi per generazione e distribuzione di energia.

Implementazioni commerciali di Blockchain nella Smart Grid

Una delle principali applicazioni della blockchain nella smart grid è incorporare valute virtuali per i pagamenti. La prima compagnia ad accettare Bitcoin per il pagamento di bollette energetiche fu BASNederland [76].

Ciò ha ispirato diverse altre società a proporre soluzioni basate sulla criptovaluta per la fatturazione e la misurazione, e molte di esse offrono incentivi agli utenti che effettuano pagamenti utilizzando la criptovaluta anziché quelli che utilizzano valute legali [77,78].

Nel frattempo, alcune altre aziende come la startup Bankymoon con sede in Sudafrica stanno sviluppando contatori intelligenti con pagamenti integrati utilizzando Bitcoin [79]. Le società olandesi Spectral e Alliander hanno sviluppato un token basato su blockchain per la condivisione dell’energia chiamato Jouliette [80].

Questo token consente la transazione P2P di energia elettrica spendendo i token di energia dai loro portafogli elettronici. Un’altra società, PowerLedger, una startup australiana, ha sviluppato una piattaforma basata su blockchain per il trasferimento di energia rinnovabile P2P tra consumatori e consumatori residenziali [81].

La piattaforma si avvale di un sistema basato su contratto intelligente chiamato POWR per consentire il trasferimento di token chiamato Sparkz. La società ha dimostrato la sua capacità di risparmiare entrate significative per gli utenti e di fornire incentivi aggiuntivi ai produttori di energia rinnovabile.

L’implementazione più significativa della blockchain nel commercio decentralizzato di energia P2P e nella creazione di un mercato locale è la microgriglia di Brooklyn. È stato lanciato dalla società energetica statunitense LO3Energy insieme a ConsenSys, una società Blockchain [82].

Il primo processo del progetto, che è stato condotto con cinque prosumatori e cinque consumatori, ha segnato la prima registrazione in assoluto delle transazioni energetiche utilizzando la blockchain. Contratti intelligenti basati su Ethereum sono stati utilizzati per progettare la piattaforma, il che ha facilitato i consumatori ad acquistare energia rinnovabile in eccesso dai prosumatori attraverso un sistema di transazione basato su token.

L’energia in eccesso sfruttata dai prosumatori attraverso i pannelli fotovoltaici sul tetto viene convertita in token dai contatori intelligenti installati nelle loro case, che possono essere direttamente utilizzati per gli scambi nel mercato dell’energia.

Questa piattaforma registra la modalità di transazione in unità di energia o token secondo il requisito dell’utente. Il libro mastro memorizza, in ordine cronologico, i dettagli di ciascuna transazione, come le parti interessate, la quantità di energia consumata / venduta e le relative condizioni contrattuali.

I futuri sviluppi del sistema di microgrid di Brooklyn includono l’assegnazione agli utenti della possibilità di scegliere tra i potenziali acquirenti / venditori l’energia richiesta, tra gli altri privilegi come la capacità di decidere la percentuale di quota di energia necessaria per acquistare dai prosumatori e dalla rete principale . Verrà utilizzato un sistema di offerta in cui le energie rinnovabili verranno vendute al miglior offerente.

È stata inoltre sviluppata un’applicazione mobile per fornire agli utenti semplici mezzi di interazione con la piattaforma. Tali progetti cambieranno il volto delle transazioni energetiche nel prossimo futuro [83].

ShareandCharge è una piattaforma basata su blockchain sviluppata congiuntamente da InnogyMotionwerk, una consociata del conglomerato energetico tedesco RWE e una società blockchain Slock. Questa piattaforma consente il commercio di energia P2P tra veicoli elettrici e stazioni di ricarica private [84].

Gli utenti possono utilizzare i loro portafogli elettronici per conoscere i prezzi in tempo reale ed eseguire transazioni su questa piattaforma pubblica basata su Ethereum, che gestisce automaticamente certificati e fatturazione. JuiceNet è l’ennesima piattaforma basata su blockchain implementata da una società chiamata eMotorwerks in California per il noleggio di pile per i driver EV da tempo [85].

La piattaforma mantiene un registro delle transazioni e consente al proprietario del contenitore di addebito il pagamento richiesto. Inoltre, JuiceNet fornisce un’applicazione mobile per i proprietari dei veicoli elettrici per individuare una pila di ricarica tra le pile di ricarica arruolate nel quartiere.

Sfide per l’integrazione della Blockchain nella Smart Grid

Problemi di scalabilità

Le transazioni in una blockchain aumentano di giorno in giorno, il che richiede pesanti capacità di archiviazione per soddisfare il numero sempre crescente di transazioni. Attualmente, lo spazio di archiviazione per Bitcoin ha superato i 200 GB mentre quello per Ethereum ha raggiunto circa 1 TB.

Anche se un numero considerevolmente elevato di transazioni viene eseguito utilizzando Bitcoin, la velocità di elaborazione dei dati in blocchi in una blockchain è stimata in circa sette al secondo.

Nel frattempo, il numero medio di transazioni in Ethereum è fino a 15 al secondo. Tali basse percentuali di elaborazione sono attribuite principalmente al meccanismo di consenso, PoW, che viene utilizzato nella tecnologia Bitcoin.

Alta potenza di elaborazione e tempo sono richiesti dai nodi per calcolare l’algoritmo PoW per aggiungere il blocco nella rete blockchain. Secondo il rapporto [86], per elaborare 30 milioni di transazioni, sono stati spesi 30 miliardi di kWh di elettricità, che rappresentavano circa lo 0,13 percento del consumo globale di elettricità.

Nel settore dell’energia, per operazioni su larga scala, il numero di transazioni al secondo è molto elevato poiché migliaia di utenti sono contemporaneamente coinvolti nel processo di acquisto e vendita di energia. Ciò crea un grande sovraccarico sui nodi coinvolti nel processo di consenso e convalida. Questo problema può essere risolto sostituendo l’algoritmo di consenso PoW con l’algoritmo Proof-of-Stake (PoS) o Proof-of-Authority (PoA). Questi algoritmi richiedono una capacità di elaborazione molto inferiore e supportano tassi di transazioni molto più elevati. Una nuova piattaforma blockchain denominata blockchain EnergyWeb è rivolta specificamente al settore energetico con tassi di transazione fino a poche migliaia al secondo. Utilizza il meccanismo di consenso PoA, che gli dà tassi di elaborazione così elevati.

Ulteriori ricerche e innovazioni devono essere condotte per trovare soluzioni per scalare adeguatamente la piattaforma in modo da soddisfare i requisiti del sistema di reti intelligenti senza compromettere gli aspetti della sicurezza [13].

Altre cosiddette soluzioni di “secondo livello” sono oggetto di ricerche approfondite da parte della comunità per affrontare i problemi di scalabilità [32,87]. Sono state proposte tecniche off-chain [88] e side-chain [89] per ridurre rispettivamente il numero di transazioni e per parallelizzare la validazione delle transazioni. La ricerca sta inoltre portando avanti progressi nelle tecnologie abilitanti come Distributed Hash Table (DHT) [62], InterPlanetary File System (IPFS) [90] e organizzazioni a blocchi non lineari come Directed Acyclic Graph-based-chain (DAGchains) [91] per affrontare potenzialmente le sfide di scalabilità e throughput.

Possibilità di centralizzazione

Attualmente, l’applicazione blockchain nel settore energetico è ancora una tecnologia in erba ed è soggetta agli attacchi dei conglomerati energetici che potrebbero sfruttarla per vantaggi finanziari. Uno dei motivi della centralizzazione è il raggruppamento dei nodi di mining in pool di mining per una migliore capacità computazionale.

L’unica possibilità di modificare i dati transazionali in un blocco è attraverso l’attacco del 51%, in cui l’attaccante controlla il 51% della capacità computazionale nella rete. Raggruppando i nodi di mining in pool, esiste il rischio che i pool di mining acquisiscano risorse sufficienti per tracciare un attacco dannoso. Un altro motivo di centralizzazione è il fatto che gran parte dell’architettura nel settore energetico si basa su consorzi o blockchain privati.

Il motivo della loro popolarità è il problema dello spreco di energia e della latenza associati alle architetture blockchain pubbliche. Poiché un set predefinito di nodi è responsabile della convalida e del consenso nelle blockchain pubbliche, esistono possibilità di negligenza. Pertanto, una rigorosa supervisione ai sensi delle leggi governative dovrebbe essere applicata soprattutto nelle fasi iniziali per garantire la sicurezza.

Costi di sviluppo e infrastruttura

L’implementazione della blockchain nella smart grid richiede elevati costi infrastrutturali per la riprogettazione delle attuali reti della griglia, l’aggiornamento dei contatori intelligenti per facilitare le transazioni tramite contratti intelligenti, l’infrastruttura per le tecnologie dell’informazione e della comunicazione (TIC) specifica per le operazioni Blockchain, altre interfacce di misurazione avanzate correlate ( AMI) e software per lo sviluppo dell’intera piattaforma.

Tali costi di infrastruttura così elevati possono dissuadere gli operatori di rete dall’incorporazione della blockchain nella struttura della griglia. L’attuale infrastruttura della rete è stata adottata dopo anni di ricerca e sviluppo e produce risultati ottimali con spese complessive molto inferiori. Ad esempio, il sistema di comunicazione di rete attualmente utilizza tecnologie come la telemetria che è più matura e molto meno costosa rispetto alla blockchain.

Supporto legale e normativo

Gli organismi di regolamentazione supportano la partecipazione attiva degli utenti al mercato dell’energia e la formazione di strutture energetiche comunitarie. Tuttavia, quando si tratta di cambiamenti radicali nel quadro principale della rete elettrica, l’attuale sistema giuridico della rete non supporta il commercio di energia dai prosumatori ai consumatori e non approva l’adozione del registro distribuito nel quadro. Nuovi tipi di contratti devono essere sviluppati in particolare per il sistema di negoziazione P2P e per sostenere tali servizi è necessario apportare modifiche alle tariffe energetiche.

Tali questioni sono fortemente regolate nell’attuale sistema di reti. Per questi motivi, anche se la tecnologia blockchain ha dimostrato il suo valore nella formazione di microgriglie, senza strutture giuridiche modificate, è molto difficile adottare la tecnologia nel quadro della griglia principale.


References

1. Bayindir R., Colak I., Fulli G., Demirtas K. Smart grid technologies and applications. Renew. Sustain. Energy Rev. 2016;66:499–516. doi: 10.1016/j.rser.2016.08.002. [CrossRef] [Google Scholar]

2. Kumari A., Tanwar S., Tyagi S., Kumar N., Obaidat M.S., Rodrigues J.J. Fog Computing for Smart Grid Systems in the 5G Environment: Challenges and Solutions. IEEE Wirel. Commun. 2019;26:47–53. doi: 10.1109/MWC.2019.1800356. [CrossRef] [Google Scholar]

3. Chaudhary R., Aujla G.S., Garg S., Kumar N., Rodrigues J.J. SDN-enabled multi-attribute-based secure communication for smart grid in IIoT environment. IEEE Trans. Ind. Inform. 2018;14:2629–2640. doi: 10.1109/TII.2018.2789442. [CrossRef] [Google Scholar]

4. Ahsan U., Bais A. Distributed big data management in smart grid; Proceedings of the 26th Wireless and Optical Communication Conference (WOCC); Newark, NJ, USA. 7–8 April 2017; pp. 1–6. [Google Scholar]

5. Falvo M.C., Martirano L., Sbordone D., Bocci E. Technologies for Smart Grids: A brief review; Proceedings of the 2013 12th International Conference on Environment and Electrical Engineering; Wroclaw, Poland. 5–8 May 2013; pp. 369–375. [Google Scholar]

6. Zhu J., Xie P., Xuan P., Zou J., Yu P. Renewable energy consumption technology under energy internet environment; Proceedings of the 2017 IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration (EI2); Beijing, China. 26–28 November 2017; pp. 1–5. [Google Scholar]

7. Cheng L., Qi N., Zhang F., Kong H., Huang X. Energy Internet: Concept and practice exploration; Proceedings of the 2017 IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration (EI2); Beijing, China. 26–28 November 2017; pp. 1–5. [Google Scholar]

8. Rana M., Li L. An overview of distributed microgrid state estimation and control for smart grids. Sensors. 2015;15:4302–4325. doi: 10.3390/s150204302. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

9. Rana M., Li L. Microgrid state estimation and control for smart grid and Internet of Things communication network. Electron. Lett. 2015;51:149–151. doi: 10.1049/el.2014.3635. [CrossRef] [Google Scholar]

10. Rana M.M., Li L., Su S.W. An adaptive-then-combine dynamic state estimation considering renewable generations in smart grids. IEEE J. Sel. Areas Commun. 2016;34:3954–3961. doi: 10.1109/JSAC.2016.2611963. [CrossRef] [Google Scholar]

11. Tom R.J., Sankaranarayanan S., Rodrigues J.J. Smart Energy Management and Demand Reduction by Consumers and Utilities in an IoT-Fog based Power Distribution System. IEEE Internet Things J. 2019;6:7386–7394. doi: 10.1109/JIOT.2019.2894326. [CrossRef] [Google Scholar]

12. The Promise of the Blockchain: The Trust Machine. [(accessed on 31 May 2019)];2015 Available online: https://www.economist.com/leaders/2015/10/31/the-trust-machine.

13. Andoni M., Robu V., Flynn D., Abram S., Geach D., Jenkins D., McCallum P., Peacock A. Blockchain technology in the energy sector: A systematic review of challenges and opportunities. Renew. Sustain. Energy Rev. 2019;100:143–174. doi: 10.1016/j.rser.2018.10.014. [CrossRef] [Google Scholar]

14. Wang K., Hu X., Li H., Li P., Zeng D., Guo S. A survey on energy internet communications for sustainability. IEEE Trans. Sustain. Comput. 2017;2:231–254. doi: 10.1109/TSUSC.2017.2707122. [CrossRef] [Google Scholar]

15. Distributed Ledger Technology: Beyond Block Chain. [(accessed on 31 May 2019)];2015 Available online: https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/492972/gs-16-1-distributed-ledger-technology.pdf.

16. Tapscott D., Tapscott A. How Blockchain Is Changing Finance. [(accessed on 31 May 2019)]; Available online: https://hbr.org/2017/03/how-blockchain-is-changing-finance.

17. Hassija V., Bansal G., Chamola V., Saxena V., Sikdar B. BlockCom: A Blockchain Based Commerce Model for Smart Communities using Auction Mechanism; Proceedings of the 2019 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops); Shanghai, China. 20–24 May 2019; pp. 1–6. [Google Scholar]

18. Bansal G., Hassija V., Chamola V., Kumar N., Guizani M. Smart Stock Exchange Market: A Secure Predictive Decentralised Model; Proceedings of the 2019 IEEE Globecom; Big Island, HI, USA. 9–13 December 2019; pp. 1–6. [Google Scholar]

19. Li J., Zhou Z., Wu J., Li J., Mumtaz S., Lin X., Gacanin H., Alotaibi S. Decentralized On-Demand Energy Supply for Blockchain in Internet of Things: A Microgrids Approach. IEEE Trans. Comput. Soc. Syst. 2019 doi: 10.1109/TCSS.2019.2917335. [CrossRef] [Google Scholar]

20. Nakamoto S. Bitcoin: A Peer-To-Peer Electronic Cash System. [(accessed on 31 May 2019)]; Available online: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf.

21. Swan M. Blockchain: Blueprint for a New Economy. [(accessed on 31 May 2019)]; Available online: https://lib.hpu.edu.vn/handle/123456789/28101.

22. Vranken H. Sustainability of bitcoin and blockchains. Curr. Opin. Environ. Sustain. 2017;28:1–9. doi: 10.1016/j.cosust.2017.04.011. [CrossRef] [Google Scholar]

23. Hassija V., Saxena V., Chamola V. Scheduling drone charging for multi-drone network based on consensus time-stamp and game theory. Comput. Commun. 2019;149:51–61. doi: 10.1016/j.comcom.2019.09.021. [CrossRef] [Google Scholar]24. Li X., Jiang P., Chen T., Luo X., Wen Q. A survey on the security of blockchain systems. Future Gener. Comput. Syst. arXiv. 2017 doi: 10.1016/j.future.2017.08.020.1802.06993 [CrossRef] [Google Scholar]

25. Casino F., Dasaklis T.K., Patsakis C. A systematic literature review of blockchain-based applications: Current status, classification and open issues. Telemat. Inform. 2018;36:55–81. doi: 10.1016/j.tele.2018.11.006. [CrossRef] [Google Scholar]

26. Puthal D., Malik N., Mohanty S.P., Kougianos E., Das G. Everything you wanted to know about the blockchain: Its promise, components, processes, and problems. IEEE Consum. Electron. Mag. 2018;7:6–14. doi: 10.1109/MCE.2018.2816299. [CrossRef] [Google Scholar]

27. Okada H., Yamasaki S., Bracamonte V. Proposed classification of blockchains based on authority and incentive dimensions; Proceedings of the 2017 19th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT); Bongpyeong, Korea. 19–22 February 2017; pp. 593–597. [Google Scholar]

28. Zheng Z., Xie S., Dai H., Chen X., Wang H. An overview of blockchain technology: Architecture, consensus, and future trends; Proceedings of the 2017 IEEE International Congress on Big Data (BigData Congress); Honolulu, HI, USA. 25–30 June 2017; pp. 557–564. [Google Scholar]

29. Ouyang X., Zhu X., Ye L., Yao J. Preliminary applications of blockchain technique in large consumers direct power trading. Proc. CSEE. 2017;37:3737–3745. [Google Scholar]

30. Yuan Y., Wang F. Development status and prospect of blockchain technology. J. Autom. 2016;42:481–494. [Google Scholar]

31. Zheng Z., Xie S., Dai H.N., Chen X., Wang H. Blockchain challenges and opportunities: A survey. Int. J. Web Grid Serv. 2018;14:352–375. doi: 10.1504/IJWGS.2018.095647. [CrossRef] [Google Scholar]

32. Xie J., Yu F.R., Huang T., Xie R., Liu J., Liu Y. A Survey on the Scalability of Blockchain Systems. IEEE Netw. 2019;33:166–173. doi: 10.1109/MNET.001.1800290. [CrossRef] [Google Scholar]

33. Ali M.S., Vecchio M., Pincheira M., Dolui K., Antonelli F., Rehmani M.H. Applications of blockchains in the Internet of Things: A comprehensive survey. IEEE Commun. Surv. Tutor. 2018;21:1676–1717. doi: 10.1109/COMST.2018.2886932. [CrossRef] [Google Scholar]

34. Ferrag M.A., Derdour M., Mukherjee M., Derhab A., Maglaras L., Janicke H. Blockchain technologies for the internet of things: Research issues and challenges. IEEE Internet Things J. 2018;6:2188–2204. doi: 10.1109/JIOT.2018.2882794. [CrossRef] [Google Scholar]

35. Dai H.N., Zheng Z., Zhang Y. Blockchain for internet of things: A survey. arXiv. 2019 doi: 10.1109/JIOT.2019.2920987.1906.00245 [CrossRef] [Google Scholar]

36. Gartner Identifies Three Megatrends that Will Drive Digital Business into the Next Decade. [(accessed on 31 May 2019)];2018 Available online: https://www.gartner.com/newsroom/id/3784363.

37. Abdella J., Shuaib K. Peer to peer distributed energy trading in smart grids: A survey. Energies. 2018;11:1560. doi: 10.3390/en11061560. [CrossRef] [Google Scholar]

38. Li Z., Kang J., Yu R., Ye D., Deng Q., Zhang Y. Consortium blockchain for secure energy trading in industrial internet of things. IEEE Trans. Ind. Inform. 2017;14:3690–3700. doi: 10.1109/TII.2017.2786307. [CrossRef] [Google Scholar]

39. Mengelkamp E., Notheisen B., Beer C., Dauer D., Weinhardt C. A blockchain-based smart grid: Towards sustainable local energy markets. Comput. Sci. Res. Dev. 2018;33:207–214. doi: 10.1007/s00450-017-0360-9. [CrossRef] [Google Scholar]

40. Energy Networks to Unveil Plan for £17 Billion Smart Grid Boom. [(accessed on 31 May 2019)];2018 Available online: https://www.telegraph.co.uk/business/2017/12/04/energy-networks-unveil-plan-17bn-smart-grid-boom/

41. Dang C., Zhang J., Kwong C.P., Li L. Demand Side Load Management for Big Industrial Energy Users under Blockchain-Based Peer-to-Peer Electricity Market. IEEE Trans. Smart Grid. 2019;10:6426–6435. doi: 10.1109/TSG.2019.2904629. [CrossRef] [Google Scholar]

42. Guerrero J., Chapman A.C., Verbič G. Decentralized p2p energy trading under network constraints in a low-voltage network. IEEE Trans. Smart Grid. 2018;10:5163–5173. doi: 10.1109/TSG.2018.2878445. [CrossRef] [Google Scholar]

43. Ferrag M.A., Maglaras L. DeepCoin: A Novel Deep Learning and Blockchain-Based Energy Exchange Framework for Smart Grids. IEEE Trans. Eng. Manag. 2019 doi: 10.1109/TEM.2019.2922936. [CrossRef] [Google Scholar]

44. Wang S., Taha A.F., Wang J., Kvaternik K., Hahn A. Energy Crowdsourcing and Peer-to-Peer Energy Trading in Blockchain-Enabled Smart Grids. arXiv. 2019 doi: 10.1109/TSMC.2019.2916565.1901.02390 [CrossRef] [Google Scholar]

45. Gao J., Asamoah K.O., Sifah E.B., Smahi A., Xia Q., Xia H., Zhang X., Dong G. Gridmonitoring: Secured sovereign blockchain based monitoring on smart grid. IEEE Access. 2018;6:9917–9925. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2806303. [CrossRef] [Google Scholar]

46. Leonhard R. Developing Renewable Energy Credits as Cryptocurrency on Ethereum’s Blockchain. [(accessed on 31 May 2019)]; Available online: https://ssrn.com/abstract=2885335.

47. Buterin V. A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. [(accessed on 31 May 2019)]; Available online: https://www.ethereum.org/pdfs/EthereumWhitePaper.pdf/

48. Delmolino K., Arnett M., Kosba A., Miller A., Shi E. Step by step towards creating a safe smart contract: Lessons and insights from a cryptocurrency lab; Proceedings of the International Conference on Financial Cryptography and Data Security; Christ Church, Barbados. 22–26 February 2016; pp. 79–94. [Google Scholar]

49. Münsing E., Mather J., Moura S. Blockchains for decentralized optimization of energy resources in microgrid networks; Proceedings of the 2017 IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA); Mauna Lani, HI, USA. 27–30 August 2017; pp. 2164–2171. [Google Scholar]

50. Ipakchi A., Albuyeh F. Grid of the future. IEEE Power Energy Mag. 2009;7:52–62. doi: 10.1109/MPE.2008.931384. [CrossRef] [Google Scholar]

51. Mwasilu F., Justo J.J., Kim E.K., Do T.D., Jung J.W. Electric vehicles and smart grid interaction: A review on vehicle to grid and renewable energy sources integration. Renew. Sustain. Energy Rev. 2014;34:501–516. doi: 10.1016/j.rser.2014.03.031. [CrossRef] [Google Scholar]

52. Kang J., Yu R., Huang X., Maharjan S., Zhang Y., Hossain E. Enabling localized peer-to-peer electricity trading among plug-in hybrid electric vehicles using consortium blockchains. IEEE Trans. Ind. Inform. 2017;13:3154–3164. doi: 10.1109/TII.2017.2709784. [CrossRef] [Google Scholar]

53. Jiang T., Fang H., Wang H. Blockchain-based internet of vehicles: Distributed network architecture and performance analysis. IEEE Internet Things J. 2018;6:4640–4649. doi: 10.1109/JIOT.2018.2874398. [CrossRef] [Google Scholar]

54. Zhou Z., Wang B., Guo Y., Zhang Y. Blockchain and Computational Intelligence Inspired Incentive-Compatible Demand Response in Internet of Electric Vehicles. IEEE Trans. Emerg. Top. Comput. Intell. 2019;3:205–216. doi: 10.1109/TETCI.2018.2880693. [CrossRef] [Google Scholar]

55. Zhou Z., Wang B., Dong M., Ota K. Secure and Efficient Vehicle-to-Grid Energy Trading in Cyber Physical Systems: Integration of Blockchain and Edge Computing. IEEE Trans. Syst. Man Cybern. Syst. 2019 doi: 10.1109/TSMC.2019.2896323. [CrossRef] [Google Scholar]

56. Kiayias A., Russell A., David B., Oliynykov R. Annual International Cryptology Conference. Springer; Santa Barbara, CA, USA: 2017. Ouroboros: A provably secure proof-of-stake blockchain protocol; pp. 357–388. [Google Scholar]

57. Slimcoin: A Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Burn. [(accessed on 31 May 2019)];2019 Available online: https://github.com/slimcoin-project/slimcoin-project.github.io/blob/master/whitepaperSLM.pdf.

58. Chen L., Xu L., Shah N., Gao Z., Lu Y., Shi W. On security analysis of proof-of-elapsed-time (poet); Proceedings of the International Symposium on Stabilization, Safety, and Security of Distributed Systems (SSS 2017); Boston, MA, USA. 5–8 November 2017; Berlin/Heidelberg, Germany: Springer; 2017. pp. 282–297. [Google Scholar]

59. Junior W.L.R., Borges F.A., Veloso A.F.D.S., de AL Rabêlo R., Rodrigues J.J. Low voltage smart meter for monitoring of power quality disturbances applied in smart grid. Measurement. 2019;147:106890. doi: 10.1016/j.measurement.2019.106890. [CrossRef] [Google Scholar]

60. Avancini D.B., Rodrigues J.J., Martins S.G., Rabêlo R.A., Al-Muhtadi J., Solic P. Energy meters evolution in smart grids: A review. J. Clean. Prod. 2019;217:702–715. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.01.229. [CrossRef] [Google Scholar]

61. Kosba A., Miller A., Shi E., Wen Z., Papamanthou C. Hawk: The blockchain model of cryptography and privacy-preserving smart contracts; Proceedings of the 2016 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP); San Jose, CA, USA. 22–26 May 2016; pp. 839–858. [Google Scholar]

62. Zyskind G., Nathan O. Decentralizing privacy: Using blockchain to protect personal data; Proceedings of the 2015 IEEE Security and Privacy Workshops; San Jose, CA, USA. 21–22 May 2015; pp. 180–184. [Google Scholar]

63. Alladi T., Chamola V., Sikdar B., Choo K.K.R. Consumer IoT: Security Vulnerability Case Studies and Solutions. IEEE Consum. Electron. Mag. 2019;9:6–14. [Google Scholar]

64. Guan Z., Si G., Zhang X., Wu L., Guizani N., Du X., Ma Y. Privacy-preserving and efficient aggregation based on blockchain for power grid communications in smart communities. IEEE Commun. Mag. 2018;56:82–88. doi: 10.1109/MCOM.2018.1700401. [CrossRef] [Google Scholar]

65. Wang Y., Luo F., Dong Z., Tong Z., Qiao Y. Distributed meter data aggregation framework based on Blockchain and homomorphic encryption. IET Cyber-Phys. Syst. Theory Appl. 2019;4:30–37. doi: 10.1049/iet-cps.2018.5054. [CrossRef] [Google Scholar]

66. Kamal M., Tariq M. Light-Weight Security and Blockchain Based Provenance for Advanced Metering Infrastructure. IEEE Access. 2019;7:87345–87356. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2925787. [CrossRef] [Google Scholar]

67. Fan M., Zhang X. Consortium Blockchain Based Data Aggregation and Regulation Mechanism for Smart Grid. IEEE Access. 2019;7:35929–35940. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2905298. [CrossRef] [Google Scholar]

68. Hassija V., Chamola V., Saxena V., Jain D., Goyal P., Sikdar B. A Survey on IoT Security: Application Areas, Security Threats, and Solution Architectures. IEEE Access. 2019;7:82721–82743. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2924045. [CrossRef] [Google Scholar]

69. Mahmood K., Li X., Chaudhry S.A., Naqvi H., Kumari S., Sangaiah A.K., Rodrigues J.J. Pairing based anonymous and secure key agreement protocol for smart grid edge computing infrastructure. Future Gener. Comput. Syst. 2018;88:491–500. doi: 10.1016/j.future.2018.06.004. [CrossRef] [Google Scholar]

70. Mo Y., Kim T.H.J., Brancik K., Dickinson D., Lee H., Perrig A., Sinopoli B. Cyber–physical security of a smart grid infrastructure. Proc. IEEE. 2011;100:195–209. [Google Scholar]

71. Singh K., Choube S. Using blockchain against cyber attacks on smart grids; Proceedings of the 2018 IEEE International Students’ Conference on Electrical, Electronics and Computer Science (SCEECS); Bhopal, India. 24–25 February 2018; pp. 1–4. [Google Scholar]

72. What Is a dApp? Decentralized Application on the Blockchain. [(accessed on 31 May 2019)];2018 Available online: https://blockchainhub.net/decentralized-applications-dapps/

73. Miller D. Blockchain and the Internet of Things in the Industrial Sector. IT Prof. 2018;20:15–18. doi: 10.1109/MITP.2018.032501742. [CrossRef] [Google Scholar]

74. Huh S., Cho S., Kim S. Managing IoT devices using blockchain platform; Proceedings of the 2017 19th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT); Bongpyeong, Korea. 19–22 February 2017; pp. 464–467. [Google Scholar]

75. Zhang X., Fan M. Blockchain-Based Secure Equipment Diagnosis Mechanism of Smart Grid. IEEE Access. 2018;6:66165–66177. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2856807. [CrossRef] [Google Scholar]

76. Dutch Energy Supplier BAS to Accept BITCOIN. [(accessed on 31 May 2019)];2018 Available online: https://www.ccn.com/dutch-energy-supplier-bas-to-accept-bitcoin/

77. Enercity, Payment with Bitcoin. [(accessed on 31 May 2019)];2018 Available online: https://www.enercity.de/privatkunden/service/bitcoin/index.html.

78. Elegant, Wat Zijn Bitcoins? [(accessed on 31 May 2019)];2018 Available online: https://www.elegant.be/be/nl/bitcoins/

79. Blockchain Powered Solutions and Services Leveraging Blockchain Based Infrastructure to Create and Streamline Existing Processes. [(accessed on 31 May 2019)];2018 Available online: http://bankymoon.co.za/

80. Spectral and Alliander Launch Blockchain-Based Renewable Energy Sharing Token. [(accessed on 31 May 2019)];2018 Available online: https://www.metabolic.nl/news/spectral-and-alliander-launch-blockchain-based-renewable-energy-sharing-token/

81. Power Ledger White Paper. [(accessed on 31 May 2019)];2018 Available online: https://cdn2.hubspot.net/hubfs/4519667/Documents%20/Power%20Ledger%20Whitepaper.pdf.

82. Bruno D. Brooklyn’s Latest Craze: Making Your Own Electric Grid. [(accessed on 31 May 2019)];2019 Available online: https://www.politico.com/magazine/story/2017/06/15/how-a-street-in-brooklyn-is-changing-the-energy-grid-215268.

83. Mengelkamp E., Gärttner J., Rock K., Kessler S., Orsini L., Weinhardt C. Designing microgrid energy markets: A case study: The Brooklyn Microgrid. Appl. Energy. 2018;210:870–880. doi: 10.1016/j.apenergy.2017.06.054. [CrossRef] [Google Scholar]

84. Share and Charge. [(accessed on 31 May 2019)];2019 Available online: https://shareandcharge.com/

85. JuiceNet: Vehicle-to-Grid Integration Platform. [(accessed on 31 May 2019)];2019 Available online: https://emotorwerks.com/products/juicenet-software/juicenet.

86. Bitcoin Energy Consumption Index. [(accessed on 31 May 2019)];2019 Available online: https://digiconomist.net/bitcoin-energy-consumption.

87. Wang W., Hoang D.T., Hu P., Xiong Z., Niyato D., Wang P., Wen Y., Kim D.I. A survey on consensus mechanisms and mining strategy management in blockchain networks. IEEE Access. 2019;7:22328–22370. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2896108. [CrossRef] [Google Scholar]

88. Poon J., Dryja T. The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments. [(accessed on 31 May 2019)]; Available online: http://lightning.network/lightning-network-paper.pdf.

89. Back A., Corallo M., Dashjr L., Friedenbach M., Maxwell G., Miller A., Poelstra A., Timón J., Wuille P. Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains. [(accessed on 31 May 2019)]; Available online: http://www.opensciencereview. com/papers/123/enablingblockchain-innovations-with-pegged-sidechains.

90. Klems M., Eberhardt J., Tai S., Härtlein S., Buchholz S., Tidjani A. Trustless intermediation in blockchain-based decentralized service marketplaces; Proceedings of the International Conference on Service-Oriented Computing; Malaga, Spain. 13–16 November 2017; Berlin/Heidelberg, Germany: Springer; 2017. pp. 731–739. [Google Scholar]

91. Lewenberg Y., Sompolinsky Y., Zohar A. Inclusive block chain protocols; Proceedings of the International Conference on Financial Cryptography and Data Security; San Juan, Puerto Rico. 26–30 January 2015; Berlin/Heidelberg, Germany: Springer; 2015. pp. 528–547. [Google Scholar]


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