[技术前沿]区块链技术与能源行业结合的前景与挑战

随着全球对能源可持续发展的需求不断增加和低碳环保意识的不断增强，中国在“碳达峰碳中和”国家重大战略指引下，正在加速发展新能源技术和产业应用，特别是可再生能源、新型储能、电力数字化等创新技术，推进分布式能源资源的建立和融合。这一能源结构转型过程中，区块链技术的兴起可以为能源行业带来新的革命性变化，通过赋能新能源生产活动、优化分布式能源交易机制、促进能源资产梯次利用，解决新能源快速推广带来的时空维度的供需错配和能源波动等问题，并减少能源资产废弃带来的环境污染问题。

1、能源产业发展的现状与挑战

新能源是指可再生能源，如太阳能、风能、水力能等，它们具有低碳排放、可持续性和环保等特点，逐渐替代传统化石能源成为全球能源结构的重要组成部分。根据国际能源署《可再生能源2023》的数据，新能源在全球电力生产中的占比逐年上升，预计未来几十年将持续增长。《2023年可再生能源容量统计》数据表明，全球可再生能源发电容量从2017年的2186 GW持续上升至2022年的3381GW；同时期全球可再生能源发电容量占比从24.3%增长至29.5%，新能源在电力行业的重要性持续提升。

在全球超过130个国家持续的政策支持下，预计2023年可再生能源发电新增装机容量将达到507GW，比2022年增长近50%。《可再生能源2023》指出，2023年全球范围内的加速增长主要是由中国大力发展的光伏发电（+116%）和风力发电（+66%）市场的共同扩张推动的。预计未来五年可再生能源新增装机容量将继续增加，其中太阳能光伏和风能占创纪录的96%。从上述数据与报告中可以发现，可再生能源将在未来能源结构中占据主导位置。

1.1 空间维度上的能源供需错配问题

中国在发展新能源电力产业时不可避免的面临资源分布不均匀、资源分布供需错配等问题。根据中国国家能源局的数据，中国的新能源并网电量不断增加。根据中国电力企业联合会发布的《中国电力行业年度发展报告2023》，截至2022年底，中国全口径发电装机容量256733万千瓦，比上年增长8.0%，其中，并网风电36564万千瓦，比上年增长11.2%；并网太阳能发电39268万千瓦，比上年增长28.1%。

然而，新能源电力供需错配带来了能源分配效率的问题也日益突出。中国西部地区风光资源较为丰富，新能源发电占比较高，根据国家电网有限公司西北分部数据显示，国家西北电网新能源装机规模达1.57亿千瓦，占全国新能源装机容量的22%，但由于西北地区规模以上工业企业较少、经济活动欠发达等原因，新能源本地消纳难度较大，反观华东和东南沿海地区新能源资源不够丰富，但经济生产活动所需的能源消纳需求较大，综合形成了新能源资源在空间上的供需错配问题。

1.2 时间维度上的能源稳定性挑战

新能源在时间维度的不稳定性是新能源应用的另一重要挑战。太阳能和风能等新能源发电设施高度依赖天气和季节等自然条件，这将导致电力供应的波动并对电力系统的稳定性产生挑战。从电力平衡的角度来看，新能源的产能与电力负荷曲线的匹配度相对较低，甚至在某些时间段可能出现完全相反的情况，电力波动幅度将导致新能源日内调峰需求持续提升。在电量平衡方面，新能源的发电效率受天气和季节影响较大，因此不稳定的新能源发电量难以满足稳定增长的用电需求。

2. 区块链技术赋能能源产业发展

2.1 区块链技术为能源生产活动提供溯源记录

新能源生产活动通常涉及多个参与方，包括项目投资方、能源生产商、技术服务商等。区块链技术作为一种安全、透明、不可篡改的分布式账本技术，提供了一种创新性的方式来记录和管理新能源的生产和调度数据，使各方能够实时查看和共享数据，并自动化执行收益分配，增强了协作和合作的可能性，这有助于解决新能源生产活动中的信息不对称和利益冲突问题。

举例来看，将区块链用于工商业储能领域，建设基于区块链的工商业储能能源调度策略可信存证系统，用于记录和验证储能系统的能源调度策略过程，有助于解决项目投资方、运营方、技术服务商关心的“运维手段是否规范”“策略执行是否正确”“系统状态是否正常”等问题。此类策略包括应对风光发电设施瞬时功率波动的安全调度策略、控制基础电费的需量控制策略和提升绿电自发自用比例的绿电消纳策略等。

当储能系统执行能源调度策略时，人工介入决策通常是无法满足能源响应的高时效性的，系统需要自动化的完成调度策略发现和执行，因此系统将触发策略的情景和策略执行过程记录在区块链上，包括环境数、智能分析结果、策略参数和执行情况。这些记录为用户提供随时回溯策略的触发和执行历史的能力，满足各方对系统运行情况查询和审计需求。

北京电力交易中心、国网数科控股公司基于“国网链”打造了可再生能源电力消纳凭证交易系统，该项目运用了相似的设计理念，通过发挥区块链分布式记账、可追溯等技术特性，就可再生能源电力消纳生成数字化消纳凭证，通过消纳量分配、记账、交易全过程链上运行，以区块链技术保障可再生能源超额消纳量的精准核算及可信溯源，最终借助智能合约技术开展消纳凭证“挂牌”交易。

2.3 区块链促进多类型能源资源交易活动

在能源交易领域，去中心化和自动化的交易机制是至关重要的。区块链技术为多元能源资源交易提供了创新的解决方案。能源市场的可交易资源不仅有电能量，还包括了弹性负荷容量、储能容量等多种资源。区块链技术通过提供去中心化和自动化的交易平台，将不同类型的能源资源纳入交易范围，使用智能合约自动化完成交易挂牌、摘牌、监测、执行的全过程，从而实现多种能源资源自动化交易，有助于提升电力系统灵活性。

举例来看，将区块链应用于实时需求响应交易活动，具有多重优势，包括降低交易成本、自动化公开撮合需求响应订单、上链存证响应执行情况和信用评价记录。这一解决方案包含一套去中心化需求响应交易平台，支持供需双方的智能化挂牌、摘牌、监测和执行活动。在这个系统中，各方参与者，如负荷聚合商、售电公司和电网公司，可以根据用户侧预填报的响应时点和容量，通过区块链智能合约进行需求响应任务的下达，同时可以公开挂牌实时需求响应订单，以满足临时电力调度需求。

这种需求响应模式具有高时效性，因此无法依赖人工操作来确认每一次需求挂牌后的交易。相反，系统采用智能分析技术，根据办公用能、生产用能和储能状态等因素，寻找最优化策略，以确定是否满足经济补偿与电力调度成本之间的关系。如果经济补偿大于成本，智能合约将执行摘牌操作，并触发物联网控制设备进行调度执行。

由于每一次需求响应都具有高度时效性，系统会定期轮询确认需求响应的执行情况。未能及时执行的交易将被撤销，并可能面临一定程度的信用惩罚。这种方式确保了交易的公平性和透明性，同时提高了整个需求响应过程的效率和交易的透明度。

2022年第10期《工程杂志》（The Journal of Engineering）刊文介绍了一个位于迪拜的虚拟电厂（VPP）试点项目应用了类似的方案。该项目汇聚了总容量为1.8MW的分布式能源资源（DERs）。VPP运营商自动为每个分布式能源资源生成设定点作为每个DER在需求响应事件中的调度策略。在项目运营期间，系统参与了两次控制事件。在某一需求响应事件期间，VPP为DER分配了放电800kW的调度策略，DER将自动完成这一调度策略，并将电能量注入电网。随后，通过智能合约监测DER的响应结果并将其同需求响应预期进行对比，若需求响应得到满足，则在需求响应事件结束时由智能合约自动支付需求响应的报酬。

2.3 区块链助力能源资产可信评估和梯次利用

区块链技术在能源领域的应用不仅仅限于新能源产业和电力交易领域，它还在能源资产可信评估和梯次利用方面发挥了关键作用。通过区块链，能源资产的全生命周期数据可以被长期存储，并且保持着高度可信性，这将有助于能源资产的价值评估更为准确和评估成本更为低廉，最终可促进梯次利用模式的发展。

基于区块链的技术特性，能源资产，如太阳能电池板、风力涡轮机、锂离子电池等，在其整个生命周期内产生大量数据，包括出厂检测、日常运行、维护保养和故障告警等数据。这些数据被记录在区块链上，保证了其长期的可信性和完整性。

拥有可信的全生命周期数据意味着任何关联方可以随时利用大数据评估模型对能源资产的价值进行评估。这些模型可以基于历史性能数据、设备状态、能源产出等多个因素来进行评估。由于区块链中的数据是可信的，因此基于科学评估模型的评估结果也具备高度的可信性，这对于能源资产的所有权者、维保人员和潜在买家来说是至关重要的，因为他们可以依靠这些评估结果做出相应的决策，例如是否购买或出售以及确定维保策略等。

基于可信的评估结果，可延伸出的一项关键的能源资产管理策略是梯次利用，即将资产在其生命周期内多次应用于不同使用场景，以最大程度地发挥其全生命周期的价值和性能。在传统模式下，许多设备在达到其最初设计寿命后被废弃，这导致了大量的废弃物和资源浪费。可信的历史数据和低廉的评估成本使得梯次利用模式更加容易推广，因为投资者和运营商可以准确评估资产的状态和剩余价值，这降低了资产筛选的成本，鼓励更多的能源资产被重新投入使用，延长了其服务寿命，不仅有助于提高资产的经济效益，还有助于提升绿色环保程度，符合可持续发展的原则。

在全球移动通信系统协会（GSMA）物联网计划下，中国联通网络技术研究院联合万向研究院、上海万向区块链公司、GSMA，共同发起了一个概念验证项目（PoC项目），以评估分布式账本在物联网场景中的应用。该PoC具体应用的场景是分布式账本应用于新能源电池价值评估。动力电池回收的主要成本是对电池模组性能测试。电池回收企业需要大量的人力、物力、财力对电池模组的剩余价值进行评估。由于没有权威和自动化的系统来记录电池充电/放电数据，电池回收公司对电池健康状态的相关记录都缺乏信任。分布式账本技术被选中来增加相关记录的可信性，以利用电池充电/放电的记录来评估电池的剩余价值，而不需要通过复杂的电池模组性能测试，从而降低电池回收的成本。

4、未来展望

随着区块链技术的不断成熟以及中国电力市场化改革的不断推进，未来区块链与能源行业的结合将不断朝着多元化发展，区块链去中心化与不可篡改的技术特性也将持续助力能源行业挖掘应用创新机会和维持可持续发展动能。

4.1 去中心化的能源交易市场

区块链技术有望推动能源市场向更去中心化方向发展，通过建立分布式的能源交易平台，提升可再生能源的源网荷储各参与方直接进行点对点能源交易的便利性，进一步提升可再生能源系统的灵活性，这不仅有助于提高市场竞争性、透明度和降低交易成本，同时也提升可再生能源系统的安全性、灵活性和稳定性。

4.2 能源数据的安全性

随着能源数字化的普及，能源行业源网荷储各节点将产生大量能源数据，这些能源数据可以用于行业分析和规划指导，进一步促进能源行业可持续发展。然而，能源数据是一把双刃剑，其数据的安全性和隐私性关乎国家能源系统安全，当前有限维度的能源数据也难以授权商用，因此如何平衡大规模能源数据的产业应用价值和安全管理需求是无法避免的关键问题。区块链的不可篡改性和分布式存储特性同隐私计算的分布式加密计算能力相结合有助于达成上述目标，这对于确保数据流向的准确性、可追溯性和数据的安全使用具有明显价值。

4.3 绿色能源溯源和认证

区块链可以用于跟踪能源的产生、运输和使用，引导负荷方科学规划用能安排，提升可再生能源的消纳比例。由于可再生能源，特别是光伏发电和风力发电，具有随机波动性，引导负荷方配合电源侧绿色电力并网情况进行电力消纳，有助于降低电力系统碳排放水平。区块链结合大数据技术根据电力潮流数据完成分时级碳排放因子计算和追溯，可为绿色能源创建可再生能源证书，实现绿色能源溯源和电力碳排放追溯，赋能源网荷储碳排放责任主体认证和引导策略制定。

区块链助力能源行业发展的方向不止于上述这些，总体而言，区块链技术与新能源产业的结合将推动能源行业向更加智能、可持续和分布式的方向发展。当然，实现这些展望还需要持续进行技术、法规、标准化等方面的升级和完善。