Kan blockkedjeteknik bidra till energiomställningen?
Ylvali Busch Joakim Rydén
Kandidatexamensarbete
KTH – Skolan för Industriell Teknik och Management Energiteknik EGI-2018
TRITA-ITM-EX 2018:433
Bachelor of Science Thesis EGI-2018 TRITA-ITM-EX 2018:433
Kan Blockkedjeteknik bidra till energiomställningen?
Ylvali Busch Joakim Rydén
Approved
Date
Examiner
Peter Hagström
Supervisor
Peter Hagström
Commissioner Contact person
S AMMANFATTNING
Sverige står inför en rad utmaningar i och med omställningen till ett elsystem med helt förnybar elproduktion. År 2040 ska 100 % av Sveriges producerade el komma från förnybara källor vilket innebär en succesiv avveckling av kärnkraften som, enligt Svenska Kraftnäts
systemutvecklingsrapport från 2018, troligt kommer ersättas av vindkraft. En större andel väderberoende elproduktion kommer leda till att elsystemet blir mer volatilt och att svängmassan minskar, vilket resulterar i ökad risk för effektbrist och svårigheter med frekvensregleringen. Därtill råder det konsensus över att Sverige ska ha en fossilfri fordonsflotta år 2030. För att det ska kunna bli verklighet behöver antalet elbilar öka, men då måste en pålitlig samt utbyggd infrastruktur för
laddning komma till stånd. Dessutom måste de ökande utmaningarna för elsystemet som kommer med ökat andel eldrivna bilar tacklas.
Blockkedjeteknik är våren 2018 ett ord på mångas läppar. Tack vare att tekniken möjliggör
decentraliserad och distribuerad handel i en transparent, pålitlig och säker handelsmiljö undersöks i den här rapporten teknikens eventuella möjlighet att adressera de utmaningar som kommer med energiomställningen för Sveriges elsystem.
I kartläggningen av Sveriges rådande elsystem har följande fyra utmaningar, som möjligt kan tacklas med hjälp av en implementering av blockkedjeteknik, identifierats: För det första behöver Sverige en effektivare belöning av förnybar elproduktion. Ett blockkedjebaserat system som tillhandahåller och kartlägger utsläppsrätter, elcertifikat och ursprungsgarantier kan effektivisera de processer som idag är präglad av långa ledtider, osäkerhet och kostsam byråkrati. För det andra identifieras ökande antalet prosumenter och en mer decentraliserad struktur på elsystemet. En blockkedjelösning kan kapa mellanhänder och därmed göra det mer lönsamt för småskalig elproduktion, men affärsnyttan kan trots detta vara svårmotiverad då Sveriges solinstrålning är relativt låg och solcellsproduktionen från hushåll är en liten del av den totala elproduktionen. För det tredje innebär ett ökat antal elbilar att möjligheterna för laddning måste tillgängliggöras och underlättas. Om elbilar skulle kunna laddas via privatpersoners eluttag skulle detta bidra till att skapa tillgänglig laddning. En annan lösning är att implementera vägar som laddar bilar medan de kör. För att dessa två lösningar ska ske enkelt, säkert och med integritetskyddande betalningssystem är blockkedjeteknik att föredra. Slutligen är den fjärde identifierade utmaningen att använda efterfrågeflexibilitet som resurs för att tackla det rådande elsystemets minskade svängmassa. Efterfrågeflexibiliteten är idag begränsad till viss elintensiv industri, och är en outnyttjad resurs när planeringsmöjligheterna minskar på produktionssidan.
Blockkedjan kan ha en nyckelroll för kontroll av information och automatiserade beslut genom att smarta kontrakt sköter kommunikation mellan olika enheter, och på så sätt bidra till att göra Sveriges elsystem mer robust.
A BSTRACT
Sweden is facing numerous challenges as a result of the transition towards a renewable electricity system. In 2040, 100 % of Sweden’s produced electricity will come from renewable energy sources which means a successive decommission of the nuclear power and that, according to Svenska Kraftnät’s system development report from 2018, most likely will be replaced by wind power. A greater proportion of by wind power produced electricity, will lead to a more volatile electricity system and a lower inertia, which will result in increased risk of power shortage. Furthermore, there is consensus according Sweden’s determination to have a fossil free fleet of vehicles in 2030 which will mean an increase in number of electric vehicles and consequently a greater requirement for electric power and a reliable and expanded infrastructure for charging.
Blockchain technology has in the beginning of 2018 been a word on almost everyone’s lips. Due to the technology enabling decentralized and distributed trade in a transparent, reliable and safe trading environment this report investigates the possibility of addressing the challenges that comes with Sweden’s energy transition through blockchain.
In the mapping of Sweden’s current electricity system following four challenges, that possibly can be tackled with an implementation of blockchain technology, has been identified: Firstly, Sweden needs a more effective reward system for renewable electricity production. A blockchain based system that provides and records greenhouse gas emissions, certificates and guarantees of origin will streamline the current processes that are characterized by long lead times, uncertainty and expensive bureaucracy.
Secondly, a growing number of prosumers and the decentralized structures that they result in is identified. A solution with blockchain technology could cut out intermediaries, for example electricity trading companies, although it’s hard to motivate the business value due to Sweden’s relatively low insolation and due to that the current infrastructure for prosumers is well functioning. Thirdly, an increased number of electric vehicles means that the infrastructure around charging has to be developed and be more available. If electric vehicles could be charged at private households’ power outlets it would contribute to more available charging. Another solution is to implement roads that charge the vehicle as it drives. If these two solutions are to be realized efficiently, securely, simply and with an integrity safe payment system the blockchain is to prefer. Finally, the forth challenge is to use demand flexibility as a resource to address the current electricity systems decreasing inertia. Today demand flexibility is limited to certain electricity intensive industry, however it is a completely unexploited resource in Sweden’s households, thus clear incentives have to be created to enable this.
The blockchain could have a key position in control of information and automatization of decisions through smart contracts that runs the communication between various units, and in that way, contribute in making Sweden’s electricity system more solid.
I NNEHÅLLSFÖRTECKNING
1 Introduktion 11
1.1 Bakgrund 11
1.2 Syfte 11
1.3 Frågeställning 12
1.4 Rapportstruktur 12
2 Metod 12
2.1 Litteraturstudie 12
2.2. Modell 13
2.3 Avgränsningar 15
3 Litteraturstudie 15
3.1 Vad är blockkedjeteknik? 15
3.2 Implikationer av blockkedjeteknik 16
3.3 Teknisk Beskrivning 16
3.3.1 Hash-funktioner 17
3.3.2 Merkleträd 17
3.3.3 Distribuerad konsensus 18
3.3.4 Exempel på hur en transaktion fungerar 19
3.3.5 Smarta kontrakt 19
3.3.6 Tekniska begränsningar för blockkedjan 20
3.3.6.1 Trilemmat 20
3.3.6.2 Problem och lösningar för att uppnå skalbarhet 21
3.3.6.3 Flexibilitet 22
3.3.6.4 Energikonsumtion 22
3.4 Omställningen till förnybart i Sverige 23
3.4.2 Marknadens aktörer 23
3.4.3 Elhandelns uppbyggnad 24
3.4.4 Omställning till förnybar energi 25
3.4.5 Vindkraft 25
3.4.6 Solkraft 26
3.4.7 Utmaningar för Sveriges elkraftsystem i och med omställningen till förnybart 27
3.4.7.1 Minskad svängmässa 27
3.4.7.2 Försämrad effekttillräcklighet 27
3.4.6.3 Behov av förändrad marknadsmodell 29
3.4.7.4 Tydligare ansvarsfördelning 29
3.4.7.5 Ökat antal prosumenter 29
3.4.7.6 Fossilfri fordonsflotta och etablering av elbilar 30
3.4.8 Styrmedel för att öka produktion av förnybar el 31
3.4.8.1 Ursprungsgarantier 31
3.4.8.2 Utsläppsrätter 32
3.4.8.3 Elcertifikat 32
3.5 Blockkedjeteknik i elsystemet 34
3.6 Hur kan blockkedjor påverka energiomställningen? 36
3.7 Tillämpningar av blockkedjeteknik inom Sveriges elsystem 37
3.7.1 Blockkedjebaserade styrmedel 37
3.7.1.1 Handel av utsläppsrätter genom blockkedjan 37
3.7.1.2 Kryptovalutor som ursprungsgarantier 38
3.7.1.3 SolarCoin 39
3.7.1.4 En “grön blockkedja” för att anpassa ursprungsgarantierna till en decentraliserad
marknad 40
3.7.1.5 Elcertifikat 40
3.7.2 Blockkedjebaserad prosumtion 41
3.7.2.1 Power Ledger 41
3.7.2.2 Brooklyn Microgrid 42
3.7.3 Blockkedjebaserade lösningar för e-mobilitet 43
3.7.3.1 Oslo2Rome 43
3.7.3.2 Blockkedjebaserad betalningslösning för att upprätthålla integritet i dynamiska
priserbjudanden 43
3.7.3.3 Charg Coin 44
3.7.3.4 Betalningslösningar för elektrifierade vägar 44
3.7.4 Blockkedjeteknik som möjliggörare av efterfrågeflexibilitet 45
4 Utvärdering/Resultat 47
4.1 Blockkedjeteknik som möjliggörare av efterfrågeflexibilitet 47
4.1.1 Systembeskrivning 47
4.1.2 Systemutvärdering 48
4.2 Blockkedjebaserade lösningar för e-mobilitet 50
4.2.1 Systembeskrivning 50
4.2.2 Systemutvärdering 52
4.3 Blockkedjebaserad prosumtion 54
4.3.1 Systembeskrivning 54
4.3.2 Systemutvärdering 55
4.4 Blockkedjebaserade styrmedel 57
4.4.1 Systembeskrivning 57
4.4.2 Systemutvärdering 59
5 Slutsats 62
Referenser 64
T ABELLER
Tabell 1: Modellkriterier ... 13 Tabell 2:Solcellsanläggningar i Sverige ... 26 Tabell 3: Systemutvärdering, Blockkedjebaserad användarflexibilitet ... 48 Tabell 4: Systemutvärdering, Blockkedjebaserade betalningssystem elbilar ... Fel! Bokmärket är inte definierat.52
Tabell 5: Systemutvärdering, Blockkedjebaserad prosumtion ... 55 Tabell 6: Systemutvärdering, Blockkedjebaserade incitamentsprogram... 59
F IGURER
Figur 1: Merkleträd ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 2:Blockkedjans struktur ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 3: Transaktioner i blockkedjan ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 4: Exempel på smarta kontrakt ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 5: Sveriges elhandel ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 6: Eltillförsel vindkraft ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 7: Scenarier för Sveriges elanvändning ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 8: Sveriges energiblans fram till 2040 ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 9: Antal elbilar i Sverige ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 10: World Energy Issues Monitor map ... 34 Figur 11: Gartners Hype cykel ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 12: Innovationskurvan för blockkedjeteknik ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 13: Blockkedjeteknikens påverkan på energiomställningen . Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 14: Blockkedjeteknikens påverkan på energiomställningen . Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 15: Systembeskrivning, användarflexibilitet ... 47 Figur 16: Systembeskrivning, konventionell laddning av elbilar ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 17: Systembeskrivning, blockkedjebasera laddning av elbilar ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 18: Systembeskrivning, prosumtion med och utan blockkedjan ... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 19: Systembeskrivning, processer för incitamentsprogram .... Fel! Bokmärket är inte definierat.
Figur 20 Systembeskrivning, incitamentsprogram genom blockkedjan... Fel! Bokmärket är inte definierat.
N OMENKLATUR
AI Artificiell intelligens
B2B Business-to-business
B2C Business-to-customer
B2G Business-to-grid
DCA Distributed Consensus Algorithm
IoT Internet of Things
ITL FN:s internationella transaktionslogg
kWh Kilowattimme
MWh Megawattimme
PoS Proof of stake
PoW Proof of work
POWR Power ledger token
P2P Peer-to-peer
TWh Terawattimme
V2G Vehicle-to-grid
1 I NTRODUKTION
1.1 B AKGRUND
Precis som att blockkedjetekniken skulle kunna möjliggöra för ett decentraliserat finanssystem, medför tekniken möjligheter att förenkla och decentralisera Sveriges komplexa elsystem.
Decentraliserade lösningar för Sveriges elsystem genom blockkedjeteknik skulle kunna innebära en effektivisering av betalningar och registrering av levererad el, där åtminstone mellanhänder för
betalning och upphandling (såsom banker och elleverantörer) skulle kunna ersättas delvis eller helt och en rad beslut och informationsflöden skulle kunna automatiseras. Implementering av blockkedjeteknik skulle även kunna innebära att enskilda konsumenters position stärks gällande upphandling av el, beslut kring användarflexibilitet och egen produktion av el. Blockkedjetekniken skulle, draget till sin spets, kunna innebära att en direktlänk upprättas mellan producenter och konsumenter, där el
upphandlas och priset sätts genom smarta kontrakt, samtidigt som fler enskilda konsumenter skulle få möjlighet att producera och sälja egen el när transaktionskostnaderna blir lägre (Hasse et al., 2016).
Till skillnad från exempelvis finansmarknaden är transaktionerna på elmarknaden kopplade till en fysisk produkt, elektricitet. Att elkraftsystemet kräver balans i varje ögonblick och omfattas av tunga regelverk försvårar implementering av blockkedjeteknik och decentraliserade lösningar. Samtidigt står elkraftsystemet inför stora utmaningar när vi går mot 100% förnybar elproduktion där inneboende egenskaper i blockkedjan skulle kunna bidra till att stärka Sveriges elkraftsystem inför dessa utmaningar. Blockkedjetekniken anses vara en av de faktorer som kan ha störst påverkan på utvecklingen av energisystemet globalt. Samtidigt finns det en stor osäkerhet om blockkedjans potential kan omsättas till robusta system som kan sammanfogas med dagens energisystem. Det är således viktigt att inte stirra sig blind på de löften som blockkedjan för med sig. Varje löfte om ett säkrare, mer transparent och mer kostnadseffektivt sätt att hantera elkonsumtion och produktion behöver utvärderas i kontexten av Sveriges lagstiftning, infrastruktur och elmarknadsmodell (Energy Cities, 2018)
1.2 S YFTE
Blockkedjeteknik har proklamerats som det största genombrottet sedan internet och har fört med sig löften på flera håll om att kunna välta elmarknaden så som vi känner den idag (McKinsey &
Company, 2016). Samtidigt tycks myndigheter och företag famla i mörkret när det gäller att verkligen förstå och utnyttja blockkedjans fulla potential, både gällande var blockkedjan skulle kunna
implementeras med framgång och var tekniken inte alls passar. Syftet med studien är därför att försöka reda ut vad blockkedjetekniken skulle kunna innebära för Sveriges elsystem och hur den ska
implementeras för att stärka Sveriges elsystem inför de utmaningar som kommer med en omställning till förnybar energi. Studien är därför skriven med baktanken att fungera som en ”handbok” för aktörer inom Sveriges elsystem.
I den förstudie som genomfördes identifierades fyra intressanta områden att kartlägga och utvärdera blockkedjebaserade system i kontexten av Sveriges elsystem. Områdena har identifierats både utifrån en kartläggning av de utmaningar som Sveriges elsystem står inför i och med omställningen till förnybara energikällor, men också genom att titta på tekniska förutsättningar för blockkedjetekniken såväl som projekt där tekniken redan implementerats. De fyra områden som kartlagts och utvärderats är hämtade från olika delar av Sveriges elsystem och representerar produktion, distribution,
slutanvändning och frekvensreglering. Områdena är som följer:
1. Effektivisering av styrmedel och incitamentsprogram för förnybar elproduktion
2. Ökad lönsamhet för prosumenter1 i Sverige för att öka andelen förnybart i Sveriges energimix 3. Betal- och laddningslösningar för elbilar för att skapa möjligheter för utbredd etablering av
elbilar
4. Ökad efterfrågeflexibilitet för att möta utmaningarna med minskad svängmassa och ökad väderberoende produktion
1.3 F RÅGESTÄLLNING
Målet med studien är att kartlägga och utvärdera hur blockkedjeteknik kan tillämpas för att främja Sveriges omställning till förnybar energi. Studien ska därför försöka besvara på följande frågor:
Inom vilka av de fyra identifierade områdena inom Sveriges elsystem har blockkedjetekniken en verklig potential för att kunna bidra till att lösa utmaningarna som omställningen till förnybar energi för med sig?
A. Inom vilka av dessa områden i finns systemförutsättningarna för att implementera blockkedjeteknik?
B. Vilka tekniska, ekonomiska eller strukturella utmaningar finns för att genomföra dessa lösningar?
C. Hur förändras roller, dynamik och ekonomiska incitament i Sveriges elsystem?
1.4 R APPORTSTRUKTUR
Inledningsvis beskrivs rapportförfattarnas tillvägagångssätt i form av beskrivning av metod, avgränsningar och en redogörelse för modellens utformande. Därefter följer en litteraturstudie i tre avsnitt som utgörs av delarna 3.1 ”Vad är blockkedjeteknik” där bakgrund om blockkedjeteknik i sin helhet presenteras, 3.2 ”Omställningen till förnybart i Sverige” där delar av Sveriges nuvarande elsystems utmaningar kartläggs, samt 3.3 ”Tillämpningar av blockkedjeteknik inom Sveriges elsystem” där de i avsnittet före kartlagda utmaningarna adresseras med blockkedjan som eventuell lösning. Resultatet presenteras därefter i två delar där tillämpningarna som beskrivs i 3.3 illustreras med hjälp av schematiska systemskisser som också jämförs med hur systemet såg ut före en eventuell blockkedjeimplementering. I andra delen av resultatet appliceras rapportförfattarnas kriterier för att vidare utvärdera tillämpningarna. Avslutningsvis presenteras slutsatser som summerar rapporten i sin helhet med återkoppling till de mål som angivits ovan.
2 M ETOD
2.1 L ITTERATURSTUDIE
Vi har genomfört en kvalitativ studie genom att framförallt granska pågående projekt och forskning inom olika tillämpningar av blockkedjeteknik i elsystem. Vi har även genomfört intervjuer för att försöka sätta in koncepten i kontexten av det svenska systemet.
1 En prosument, eller engelskans prosumer, är i elproduktionsrelaterade sammanhang en aktör som både
2.2. M ODELL
Modellen som används består av två delar. Två systembeskrivningar presenteras först, där systemet jämförs innan och efter blockkedjetekniken implementerats. Hur blockkedjetekniken implementeras på systemet grundar sig i de projekt och den forskning som studerats i litteraturstudien. För att utvärdera hur blockkedjetekniken skulle kunna tillämpas för att främja omställningen till förnybart i Sverige analyseras sedan varje kartlagt fall enligt standardiserade kriterier. Som för alla tekniker finns det fall när blockkedjeteknik är lämpligt att använda, och fall när det inte är det. Kriterierna som utformas utgår från tidigare arbete av bland annat Greenspan (2015) och Khaqqi & Sikorski (2017) m.fl.
Kriterierna som konstrueras är uppdelade i två delar. Första delen av kriterierna ställs upp för att undersöka om förutsättningarna finns i systemet för att blockkedjetekniken ens kan vara lämplig att använda. Andra delen av kriterierna ställs upp för att utvärdera om blockkedjetekniken är möjlig att implementera inom ramen för Sveriges elsystem och vilken nytta den i så fall skulle tillföra.
Syftet med systembeskrivningarna är att försöka svara på frågeställningen 1c (Hur förändras roller, dynamik och ekonomiska incitament i Sveriges elsystem). Första delen av kriterierna är designade för att försöka besvara frågeställning 1a (Inom vilka av de fyra områdena i finns systemförutsättningarna för att implementera blockkedjeteknik?). Andra delen av kriterierna är designade för att med bas i analysen från frågeställning 1a och 1c svara på frågeställningen 1b (Vilka tekniska, ekonomiska eller strukturella utmaningar finns för att genomföra dessa lösningar?). Analysen mynnar sedan ut i att försöka besvara frågan inom vilka av de fyra identifierade områdena av Sveriges elsystem som blockkedjetekniken har en verklig potential för att kunna bidra till att lösa utmaningarna som omställningen till förnybar energi för med sig.
Kriterierna som designats beskrivs i Tabell 1:
Tabell 1 KRITERIER
Förutsättningar för att tillämpa blockkedjeteknik 1. Användande av delade databaser
2. Interaktion mellan transaktioner 3. Decentralisering
4. Avsaknad av tillit
Möjligheter att implementera blockkedjeteknik inom ramen för Sveriges elsystem
5.
Inverkan på energiomställningen6.
Politisk acceptans7.
Genomförbarhet1. Användande av delade databaser
Eftersom blockkedjans huvudfunktion är att utföra och lagra transaktioner i databaser är det självklart att tillämpningen bygger på just detta, oavsett om databasen handlar om lagring och handel med certifikat eller om att utföra finansiella transaktioner på elmarknaden. Eftersom blockkedjan är byggd
för att hantera distribuerade databaser behöver ett relevant användningsområde även involvera fler än en enhet som utför transaktioner och modifierar databasen. I vissa fall är användarna även de s.k.
noderna, dvs. utöver att delta i transaktioner så lagrar de även en lokal kopia av databasen (Greenspan, 2015; Chitchyan and Murkin, 2018).
2. Interaktion mellan transaktioner
Blockkedjetekniken erbjuder särskilt intressanta användningsområden när transaktionerna är beroende av varandra, exempelvis om transaktioner bygger på varandra genom att en kedja av samma tillgång flyttas från olika ägare eller ett lån som ges av A som B sedan ska betala ränta på. Det kan även röra sig om situationer när ett antal olika enheter tillsammans skapar en transaktion, vilket är vad som möjliggör avtal som bygger på leverans mot betalning (Delivery versus payment) utan att en betrodd mellanhand används (Greenspan, 2015; Chitchyan and Murkin, 2018).
3. Decentralisering
Om det inte finns någon drivkraft eller nytta i att ta bort mellanhänderna och/eller ett centralt styre ur en tillämpning finns en risk att blockkedjan inte fyller någon funktion. Nyttan kan handla om att en mellanhand inte passar alla ingående parter, exempelvis på grund av kostnader och ledtider
(Greenspan, 2015; Chitchyan and Murkin, 2018).
4. Avsaknad av tillit
Om aktörerna i systemet inte litar på varandra på grund av att motstridiga intressen, exempelvis att elleverantören vill ha betalt utan att leverera el, och konsumenten vill få el utan att betala, eller genom att aktörerna inte har tillräcklig information om varandra, så fyller blockkedjan ett syfte, då en
huvudfunktionerna i tekniken är att ”bygga bort behovet av tillit”. I ett nätverk där alla litar på varandra fyller blockkedjan ingen funktion (Greenspan, 2015; Chitchyan and Murkin, 2018).
5. Inverkan på energiomställningen
För att avgöra om blockkedjan kan skapa värde för omställningen till förnybart måste en
implementering av en blockkedja förändra incitament, roller på energimarknaden eller processer som i sin tur förändrar förutsättningarna för Sveriges energiomställning (Khaqqi et al., 2017).
6. Politisk acceptans
Acceptansen av ett blockkedjebaserat system är en förutsättning för en lyckad implementering.
Kriteriet syftar till att kartlägga vilka aktörer, såsom myndigheter, företag
och privatpersoner, som påverkas och vilken makt de har för att driva på eller hämma
utvecklingen av blockkedjebaserade lösningar. Acceptansen för olika lösningar beror på vilken potential lösningen medför för olika aktörer, dvs. bl.a. på kostnadseffektiviseringar, flexibilitet, omfördelning av vinster och ändringar av marknadsmekanismer såsom förutsättningar för konkurrens, valmöjligheter etc. (Khaqqi et al., 2017).
7. Genomförbarhet
Hur möjligt det är att implementera en blockkedjebaserad lösning utgår från befintlig lagstiftning, infrastruktur, tekniskaförutsättningar och utmaningar, vilken teknisk kompetens och villighet som finns hos olika aktörer samt kostnaden att implementera lösningen (förberedelser, administration etc.) (Khaqqi et al., 2017).
2.3 A VGRÄNSNINGAR
Studien är avgränsad till Sveriges elsystem. Studien fokuserar även på de utmaningar som
omställningen till förnybar energi för med sig i de områden där blockkedjetekniken kan tillämpas för att bidra till en lösning på dessa utmaningar, vilket i denna rapport identifieras till framförallt fyra områden:
1. Effektivisering av styrmedel och incitamentsprogram för förnybar elproduktion 2. Ökad lönsamhet för prosumenter i Sverige
3. Betal- och laddningslösningar för elbilar för att skapa möjligheter för utbredd etablering av elbilar
4. Ökad efterfrågeflexibilitet för att möta utmaningarna med minskad svängmassa och ökad väderberoende produktion
3 L ITTERATURSTUDIE
3.1 V AD ÄR BLOCKKEDJETEKNIK ?
En blockkedja är en distribuerad databas där transaktionsdata grupperas i block som lagras med en referens till ett tidigare block, vilket skapar en ständigt växande kedja av block. Blocken skapas av medlemmar i nätverket, s.k. miners, som verifierar transaktioner och belönas för detta. En blockkedja är således ett digitalt kontrakt som låter två parter utföra och registrera en transaktion mellan sig. Det som skiljer blockkedjor från ett vanligt digitalt transaktionssystem är att blockkedjor “bygger in säkerhet” i transaktioner mellan två individuella parter, och på så sätt kan blockkedjan fylla funktionen som diverse mellanhänder, exempelvis banker, tidigare haft (Bauman, Lindblom and Olsson, 2016).
Det som driver utvecklingen av tillämpning av blockkedjeteknik över en rad olika sektorer, och så även i elsystemet, är framförallt två grundläggande antaganden (Hasse et al., 2017);
1. Decentraliserad lagring av data ger säkrare system
När data i ett system samlas och lagras centralt blir systemet sårbart för angrepp, både från obehöriga hackers såväl som från internt missbruk, med konsekvenser för hela samhället om exempelvis ett banksystem kompromissas eller tvingas ner. Transaktionerna som utförs i en blockkedja lagras inte i ett centralt datasystem utan informationen är istället distribuerad över alla deltagande datorer. De deltagande datorerna av både “säljare” och “köpare” utgör således ett Peer-2-peer (P2P) nätverk där data från transaktionerna krypteras och distribueras ut till noderna i nätverket som lagrar denna lokalt.
(Bauman, Lindblom and Olsson, 2016)
P2P-nätverket innebär att det inte finns någon hierarkisk ordning mellan noderna i systemet, att en specifik nod inte tillskrivs en specifik uppgift eller att det finns privilegier i kommunikationen mellan noderna. Istället kan alla noder anta alla roller, vilket är skillnaden mot ett traditionellt roll-baserat kommunikationssystem, med servrar och klienter.
Då blockkedjetekniken bygger på att individuella transaktioner finns lagrade i tusentals noder i systemet, innebär detta att data i systemet är skyddad även om enskilda noder utsätts för attacker. Att det inte finns någon ”single point of failure” (ungf. enskild sårbar punkt), gör systemet robust och säkert mot attacker jämfört med system som bygger på central lagring av data (Chitchyan and Murkin, 2018).
2. Blockkedjeteknik “bygger in” säkerhet i systemet
För att utföra och dokumentera transaktioner på ett säkert sätt mellan två enskilda parter, utan att man ska vara utelämnad åt att lita på att motparten håller sitt ord, har det traditionellt sett krävts en
mellanhand. Blockkedjetekniken undanröjer det behovet, eftersom medlemmarna i systemet agerar vittnen och kontrollanter till att transaktionen utförs på rätt sätt. P2P-nätverket av datorer är alltså vad som skapar säkerheten i systemet, där transaktionerna automatiskt verifieras av medlemmarna i nätverket. Den ständiga verifieringen av blockkedjan möjliggör att alla i nätverket kan addera information i systemet, samtidigt som den nästintill omöjliggör att data kan ändras i efterhand.
Blockkedjeteknik har alltså byggt in den funktion som betrodda mellanhänder tidigare haft, alltså en försäkring för att motparten verkligen presterar det som utlovats (Hasse et al., 2016; Bauman, Lindblom and Olsson, 2016; Chitchyan and Murkin, 2018).
3.2 I MPLIKATIONER AV BLOCKKEDJETEKNIK
När behovet av en betrodd mellanhand plockas bort ur marknadsekvationen ställs roller, branscher och relationer på ända. Till viss del har redan den här typen av förskjutning från centraliserat till
decentraliserat påbörjats i och med att internet möjliggjort ökad tillit mellan okända främlingar, i form av möjligheter att exempelvis betygsätta säljare på försäljningssajter, eller genom att man kan ”lära känna” och spåra människor via deras profiler i sociala medier. Detta blir tydligt i framväxten av företag som AirBNB och Uber, som skapat gigantisk omsättning genom att ”bygga in tillit” mellan människor och transaktioner. Dessa företag agerar dock fortfarande som en kostsam mellanhand, och blockkedjeteknik har potentialen att bygga bort även deras funktion på marknaden (Chitchyan and Murkin, 2018).
Tekniken har även potential att förändra individens roll i samhället, där blockkedjetekniken skapar möjligheter att transformera samhället från ett samhälle där individer är konsumenter till att bli ett samhälle där individer tar rollen som prosument. Blockkedjetekniken suddar ut skiljelinjer mellan producent- och konsumentroller, och förenklar avtal mellan individer. Detta är redan en pågående utveckling på marknaden, där exempelvis mikroproduktion av el som säljs tillbaka till elnätet blir allt vanligare, men blockkedjetekniken har möjlighet att förändra sådana aktiviteter från nisch till att bli norm (Chitchyan and Murkin, 2018).
3.3 T EKNISK B ESKRIVNING
Det är framförallt två egenskaper som skapar blockkedjans unika egenskaper som transaktionssystem.
Den första anledningen är att blockkedjan inte går att modifiera i efterhand, vilket åstadkoms genom att kombinera två etablerade metoder inom programmering, hash-funktioner (hash functions) och Merkleträd (Merkle Tree). Den andra anledningen är att blockkedjor använder metoder för att låta distribuerad konsensus mellan medlemmarna överta rollen som betrodda mellanhänder tidigare haft.
Båda dessa egenskaper bidrar till att skapa säkerhet i varje transaktion, såväl som i hela systemet (Bauman, Lindblom and Olsson, 2016).
3.3.1 H
ASH-
FUNKTIONEREn hash-funktion är en algoritm som tar godtycklig data och skapar en sträng (string) av bokstäver och siffror av förutbestämd storlek. Hash-funktioner är envägsfunktioner, dvs. givet output är det omöjligt att återskapa orginaldata, men de är även deterministiska, så givet att vi har samma input, så
produceras identisk output, där små förändringar i input skapar drastiska förändringar i strängen som matas ut. I blockkedjan används hashfunktioner för att representera den data som finns lagrad i ett block med en serie av siffror och bokstäver. Serien skapas baserad på informationen som finns lagrad i blocket, alltså de olika transaktionerna. Hashen fungerar således som ett fingeravtryck för datablocket och genom att kontrollera hashsträngen kan således den ingående transaktionsdatan kontrolleras (Bauman, Lindblom and Olsson, 2016; Hasse et al., 2016; Chitchyan and Murkin, 2018).
3.3.2 M
ERKLETRÄDMerkleträd används för att strukturera transaktionsdata i block och för att skapa en effektiv
verifikationsprocess av all data som ingår i kedjan. Som illustrerat i figur 1 skapas en hashsträng för varje ny transaktion. Genom att kombinera hashsträngarna av de lägre nivåerna i trädet, och beräkna en ny hash för den övre nivån baserat på dessa, så kan all data för hela träden till slut lagras i den högsta nivån, den s.k. Merkleroten (Merkle root).
Figur 1 Ett enkelt merkleträd (Chitchyan and Murkin, 2018)
Varje block i blockkedjan innehåller således hashsträngen för Merkleroten, utöver alla transaktioner inuti blocket. Varje block innehåller även hashsträngen som beräknades i det föregående blocket.
Figur 2 visar att när en hash beräknas i ett nytt block sammanlänkas således blocket med de tidigare blocken. Om något block i kedjan ändras i efterhand, skulle hela kedjan framför det blocket skilja sig från tidigare versioner, och felaktiga hashsträngar skulle produceras. Merkleträdsstrukturen bidrar alltså till att förändringar i kedjan enkelt upptäcks. Merkleträdsstrukturen möjliggör också verifiering av att transaktionen integrerats korrekt i kedjan utan man behöver tillgång till information om varje individuell transaktion (Chitchyan and Murkin, 2018).
Figur 2 Skiss över blockens innehåll samt kedjans struktur (Khaqqi et al., 2017)
3.3.3 D
ISTRIBUERAD KONSENSUSDistribuerad konsensus är en process där anonyma medlemmar i ett nätverk kommer överens om det block, skapat av en enskild miner, som ska läggas till i kedjan. Eftersom miners belönas då deras block läggs till i kedjan kan en rad tävlande block från olika miners existera samtidigt. Vilket block som accepteras i kedjan bestäms genom en DCA, eller Distributed Consensus Algorithm, där olika blockkedjor kan använda olika regler för vilka block som väljs ut (Bauman, Lindblom and Olsson, 2016). Proof of work är en DCA som fungerar genom att sätta ett gränsvärde som inte får överstigas för hashsträngen för ett givet block, vilket skapar konkurrens bland olika miners att bli den första att hitta ett tillåtet hashvärde. Gränsvärdet justeras så att det i medelvärde ska ta en viss tid att hitta en accepterad hashsträng, så att blocket kan accepteras och läggas till i kedjan, exempelvis är denna tid ungefär 10 minuter i Bitcoin-nätverket. Proof of Stake är en alternativ DCA som fungerar genom att välja ut den nod som får forma nästa block slumpmässigt. Urvalet görs exempelvis bland de noder som har haft orörd valuta inom nätverket längst, eller bland de noder som har mest valuta sparat i nätverket. Utöver dessa två, som är de vanligaste DCA-metoderna, finns andra algoritmer som väljer ut blocken på andra sätt (Bauman, Lindblom and Olsson, 2016; Hasse et al., 2016; Chitchyan and Murkin, 2018).
Oavsett vilken typ av DCA som används är poängen alltid att det ska vara väldigt dyrt för en enskild nod att attackera nätverket och mer lönsamt att hjälpa till att upprätthålla nätverket. Detta sker genom att det finns en kostnad för att vara deltagande miner, där belöningen är beroende av att minern får sitt block accepterat till kedjan. Att blockkedjan upprätthålls av ett nätverk gör det nödvändigt att den lagrade kedjan är konsistent över alla noder, vilket också möjliggörs av DCAn, där noderna accepterar den längsta blockkedjan som den riktiga. För att ändra i en av transaktionerna i efterhand, måste samtliga block som tillkommit senare också ändras för att det inte ska uppstå brutna
hashvärden, vilket signalerar till nätverket att kedjan är felaktig. Kostnaden för att ändra alla framförliggande block från det block som önskas alterneras, samt kostnaden för att skapa det nyaste blocket, och på så sätt ha den längsta kedjan i nätverket som då accepteras av de övriga noderna, är oöverkomligt dyrt i form av processorkraft och kostnaderna i nätverkets valuta som är
inprogrammerade genom DCAn (Chitchyan and Murkin, 2018).
3.3.4 E
XEMPEL PÅ HUR EN TRANSAKTION FUNGERARFigur 3 Schematisk skiss över processen att verifiera en transaktion i blockkedjan
1. En säljare och köpare ingår ett avtal och enas om detaljerna kring avtalet, exempelvis storleken på transaktionen, vem mottagaren och sändaren är etc.
2. Transaktionen (i det här fallet avtalet) krypteras och distribueras ut till noderna i P2P nätverket 3. Transaktionen valideras av noderna
4. Information om den enskilda transaktionen kombineras med information om andra transaktioner som utförs under samma tidsperiod. Transaktioner som sker inom ett visst tidsintervall kombineras till ett block med data.
5. Det block som majoriteten av noderna anser vara korrekt blir verifierat och adderas till kedjan av block som tidigare verifierats. Blocken kombineras alltså i en lång kedja, en blockkedja, där varje blocks hash länkas ihop med tidigare blocks hash.
6. När informationen i blocket verifierats och lagrats in i ett tillräckligt stort antal noder i nätverket bekräftas transaktionen till de ingående parterna, i vårt fall köparen och säljaren.
Processen att verifiera transaktionerna sker genom hash-funktionen, som fungerar som ett
fingeravtryck för datablocket. Att varje block producerar en korrekt hash, utifrån den information som finns lagrad i blocket och den algoritm som tillämpas i blocket, kontrolleras kontinuerligt av noderna i nätverket, genom den process som kallas mining.
Om informationen i någon av de inlagrade transaktionerna ändras genom manipulation eller genom transmissionsfel produceras inte längre den rätta hashen av algoritmen som används i blocket.
Eftersom många olika noder verifierar transaktionen har den rätta hashen blivit inlagrad runt om i det decentraliserade nätverket. Genom att jämföra de siffer- och bokstavskombinationer som producerats och lagrats för samma block runt om i nätverket så kan block där transaktionerna ändrats upptäckas.
(Hasse et al., 2016)
3.3.5 S
MARTA KONTRAKTEn speciellt intressant tillämpning av blockkedjetekniken är smarta kontrakt, också kallade
självförverkligande kontrakt (self-executing contracts). Ett smart kontrakt är en bit kod som körs inuti en blockkedjeplatform och som representerar ett protokoll eller avtal med en rad godtyckliga regler och villkor. Exempelvis att försäljningen av en produkt endast kan ske vid ett visst pris eller efter ett visst datum. Transaktioner via ett smart kontrakt är helt automatiserade, vilket innebär att de är snabba
och billiga, säkra, eftersom de lagras i en blockkedja och utförs via DCAn och deterministiska, vilket innebär att de alltid levererar enligt villkoren och reglerna eftersom de inte kan ändras i och med att de tillhör blockkedjan. Smarta kontrakt har stor potential för att avveckla diverse mellanhänder i besluts- och transaktionskedjor. Exempelvis kan information om nya beställningar till leverantörer eller fakturering till kund skickas ut simultant enligt villkoren i det smarta kontraktet då ett företag får in en order (Bauman, Lindblom and Olsson, 2016; Hasse et al., 2016; Chitchyan and Murkin, 2018).
Exempel på funktionen för ett smart kontrakt
Om A får betalning av B vid leverans på ett visst datum och en viss plats, ska tillverkaren C, som finns många steg upp i supply-kedjan, producera en ny produkt, eftersom vi nu har en produkt mindre i vårt lager. Om B lägger beställningen i Sydafrika där A har en lokal återförsäljare som rapporterar till ett regionkontor som finns i Marocko, som i sin tur rapporterar till As huvudkontor i Sverige, där säljavdelningen kommunicerar med inköpsavdelningen som beslutar om att lägga en beställning till tillverkaren i Kina, så karaktäriseras supply-kedjan av just en lång kedja av beslut och pappersbaserade avtal som ska skrivas under och skickas. Denna långa kedja är inte bara kostsam och tidsödande, utan den utsätter även företaget för risker för bedrägeri och informationsförluster. Blockkedjan kringgår detta genom att skapa en direktlänk mellan producenter och konsumenter, där en säker och tillgänglig digital kopia av transaktionen distribueras till alla stakeholders i kedjan, och där betalning, fakturering, beställning av nya uppdrag etc. kan automatiseras (Hasse et al., 2016).
Figur 4, informationsflöde i en tillförselkedja med och utan smarta kontrakt. Den rosa ikonen symboliserar ett
“vanligt” kontrakt medan den gröna ikonen symboliserar ett smart kontrakt
3.3.6 T
EKNISKA BEGRÄNSNINGAR FÖR BLOCKKEDJAN 3.3.6.1TRILEMMATDen första blockkedjan var Bitcoin, där tanken bakom Bitcoin var att skapa en kryptovaluta som var helt decentraliserad och samtidigt säker. För åstadkomma detta krävdes att beräkningskraften för att skapa blockkedjan var tillräckligt stor för att ingen enskild nod skulle kunna övermanna nätverket och modifieras en transaktion i efterhand (Nakamoto, 2008). Valet att göra Bitcoin-blockkedjan helt decentraliserad och säker påverkade dock dess förmåga att skalas upp, då kostnaden i form av
processorkraft och tid för att bl.a. skapa hashsträngar och nå konsensus förhindrar skalbarhet. Detta illustrerar det s.k. trilemmat för blockkedjeteknik (The blockchain trilemma) (Hagström & Dahlquist, 2017).
Trilemmat innebär att det idag finns en motsättning mellan skalbarhet, säkerhet och
decentralisering, där endast två av de tre kan uppfyllas samtidigt i en blockkedja. Helt säkra och decentraliserade blockkedjor är fullt fungerande idag, men för att blockkedjetekniken ska kunna användas i verkligt storskaliga system, exempelvis inom elmarknaden, så behöver utmaningen med att skapa en volymmässigt skalbar blockkedja med tillräckligt snabb transaktionsbearbetning få en lösning, utan att säkerheten eller decentraliseringen kompromissas allt för mycket (Hagström &
Dahlquist, 2017; Chitchyan & Murkin, 2018).
3.3.6.2PROBLEM OCH LÖSNINGAR FÖR ATT UPPNÅ SKALBARHET
De två huvudsakliga problemen för att kunna skapa skalbarhet i blockkedjan är (Hagström &
Dahlquist, 2017):
1. Hög verifikationstid för en transaktion (Latency time)
Verifikationstiden beräknas som den tid det tar för en enskild transaktion att bli godkänd och inkorporerad i ett block, i Bitcoins fall rör det sig om 10 minuter, i Ethereums fall 10 sekunder (Bauman, Lindblom & Olsson, 2016)
2. Låg genomströmmning av transaktioner
Transaktionsgenomströmningen är de antal transaktioner som kan bearbetas i blockkedjan under varje sekund. Jämfört med Visa är exempelvis Bitcoin och Ethereum väldigt
långsamma. Betalningsföretaget Visa kan hantera ungefär 2000 transaktioner per sekund (och har blivit stresstestat för upp till 56 000 transaktioner per sekund), samtidigt som Bitcoin kan hantera sju transaktioner och Ethereum 14 (Clark et al., 2016). Ett test 2016 visade att blockkedjan Hyperledger kunde nå 400 transaktioner per sekund. (Hagström & Dahlquist, 2017)
Det finns en rad lösningar presenterade för att kunna skapa skalbara blockkedjor men varje lösning, som finns idag, har sina nackdelar och sker på bekostnad av antingen säkerheten eller nivån av decentralisering i systemet. Att lyfta en del av transaktionsbearbetningen (Off Chain Transactions) bort från själva blockkedjan är en lösning som presenterats. Detta görs genom att en del av
tillgångarna från de deltagande aktörerna i transaktionen lyfts som säkerhet för transaktionen under en bestämd tidsperiod, vilket kan möjliggöra att en del av transaktionen kan skötas utanför nätverket.
Detta skapar snabb transaktionsbearbetning och ger möjlighet att hantera större transaktionsvolymer utan att en mellanhand behövs. En nackdel är dock att en del av transparensen i transaktionen går förlorad, vilket påverkar tilliten och kontrollerbarheten i nätverket (Hagström & Dahlquist, 2017;
Chitchyan & Murkin, 2018).
En annan lösning är s.k. Sharding, där blockkedjan bryts ned i mindre sub-kedjor baserat på exempelvis geografisk position. Detta minskar på den mängd transaktioner som noderna behöver verifiera och lagra. Denna metod medför dock något minskad säkerhet i systemet, i och med att endast ett fåtal noder lagrar hela kedjan, och kan även innebära problem som att kommunikationen mellan olika sub-kedjor blir långsam (Chitchyan & Murkin, 2018).
Ett tredje sätt att tackla trilemmat är att införa användarbegränsningar i blockkedjan, s.k.
Permissioning, för att minimera konkurrensen mellan miners samt tiden det tar att nå konsensus i nätverket. Detta sker sker dock på bekostnad av säkerheten och nivån av decentralisering. Det finns
följande nivåer av permissioning (Bauman, Lindblom & Olsson, 2016; Hagström & Dahlquist, 2017;
Chitchyan & Murkin, 2018):
1. Publika blockkedjor
Publika blockkedjor är helt öppna för vem som helst att delta i som en miner och skapa eller granska transaktioner. Publika blockkedjor är helt decentraliserade och transparenta, de behöver ingen typ av mellanhand och är omöjliga att alternera i efterhand, men kräver samtidigt mycket resurser (Bauman, Lindblom & Olsson, 2016).
2. Konsortium-blockkedjor
Konsortium-blockkedjor (Consortium blockchains) är blockkedjor där endast utvalda organisationer är med och verifierar transaktioner, i vissa fall är även möjligheterna att granska transaktionerna begränsade. Dessa typer av blockkedjor används framförallt för att automatisera transaktioner mellan organisationer för att minska kostnader samt risken för informationsförluster och bedrägeri såväl som att förenkla revisorgranskningar. Att begränsa deltagarna i nätverket gör blockkedjan snabbare och enklare att skala upp, men på bekostnad av tilliten då de aktörer som verifierar transaktioner måste vara betrodda av användarna.
Denna typ av blockkedja skulle kunna ha många tillämpningar inom elsystemet, där det finns ett behov av att hantera stora transaktionsmängder och en fysisk produkt tillhör varje
transaktion. Energy Web Foundation håller exempelvis på och utvecklar en typ av konsortium-blockkedja vars mål är att accelerera användandet av blockkedjeteknik inom elsystemet (Chitchyan & Murkin, 2018).
3. Privata blockkedjor
Privata blockkedjor begränsar användarna i nätverket till endast en organisation (Bauman, Lindblom & Olsson, 2016).
3.3.6.3FLEXIBILITET
Även om smarta kontrakt utlovar billigare, snabbare och säkrare transaktioner är de också oflexibla då de inte kan ändras i efterhand. Problem kan uppstå då man vill fixa buggar i koden eller helt enkelt ändra kontrakten till nya villkor (Chitchyan & Murkin, 2018).
3.3.6.4ENERGIKONSUMTION
Blockkedjeteknik skulle kunna revolutionera hur vi producerar och köper energi genom att göra det enklare och mer lönsamt för enskilda hushåll såväl som för storföretag att producera förnybar energi.
Men processen att verifiera transaktionerna, mining, kräver också tusentals gånger mer energi än dagens transaktionssystem. Det är omöjligt att specificera exakt hur mycket energi som går åt för en enskild transaktion i en blockkedja, men uppskattningar har gjorts för den mest kända tillämpningen av blockkedjetekniken idag, bitcoin. Uppskattningarna varierar mellan att en enskild bitcoin-
transaktion kräver lika mycket el som 0.9 till 3.74 amerikanska hushåll kräver under en dag (Alex the Vries, 2018). En studie från 2014 visade också att elförbrukningen som behövs för att upprätthålla bitcoin är lika stor som hela Irlands elkonsumtion med deras 4.5 miljoner invånare (O ’dwyer &
Malone, 2014).
Sedan Bitcoin kom har konsensusalgoritmer utvecklats som kräver mindre energi än Proof of Work för att verifiera blockkedjan, exempelvis Proof of Stake. Genom att begränsa de deltagande noderna kan energikonsumtionen också minskas. Som en konsekvens av detta kräver nyare
blockkedjenätverk betydligt mindre energi för att upprätthålla nätverket och verifiera transaktioner.
Det råder delade meningar huruvida blockkedjetekniken kommer bidra till energibesparingar eller ökad energikonsumtion för samhället i stort. Ständig utveckling av tekniken, blockkedjans möjligheter att skapa större lönsamhet och effektivare styrmedel för förnybara energi samt potentialen i att
effektivisera många processer skulle kunna väga upp den ökade mängd energi som krävs för varje transaktion när blockkedjetekniken implementeras brett i samhällets olika sektorer (World Energy Council & PWC, 2018).
3.4 O MSTÄLLNINGEN TILL FÖRNYBART I S VERIGE
3.4.1 E
LMARKNADEN IS
VERIGEDen svenska elmarknaden avreglerades 1996 vilket medförde att priset konkurrensutsattes och konsumenterna fick friheten att välja elbolag. Idag sätts elpriset framförallt via handel på elbörser, där den dominerande handelsplattformen i Norden är Nord Pool (Brännlund, Karimu & Söderholm, 2012).
I Sverige har elnätet delats in i tre kategorier; stamnät, regionala nät och lokala nät, där stamnätet är ett transmissionsnät medan de regionala och lokala näten är distributionsnät. Ungefär 170 olika företag är ansvariga för säker drift av de regionala och lokala näten och drygt 130 av dessa företag ägs av kommuner. De tre största nätägande företagen, Vattenfall Eldistribution, E.ON Elnät Sverige och Ellevio, förser drygt hälften av Sveriges elkonsumenter med el. Svenska kraftnät äger stamnätet och har också det övergripande ansvaret för tillförlitligheten i Sveriges elsystem (Nordling, 2016).
Under ett normalår produceras någonstans mellan 140 och 160 TWh el, där majoriteten kommer från vattenkraft och kärnkraft. Elkonsumtionen har ökat de senaste åren, där hushållssektorn och offentlig förvaltning har varit de största drivkrafterna bakom ökningen (Enmalm, 2016).
3.4.2 M
ARKNADENS AKTÖRERElmarknaden för Sverige består av en rad olika aktörer med olika ansvarsfördelning:
Elkonsumenter: Privatpersoner eller företag som är användare av el. Dessa har frihet att välja vilket företag som ska leverera deras el och sköta deras balansansvar (Svenska Kraftnät, 2017b).
Elproducenter: Aktörer som ansvarar för att producera elektricitet och mata in den i elnäten, vilket kan vara allt från stora kärnkraftsanläggningar till mindre solcellsanläggningar. Oavsett anläggningens storlek måste den uppfylla vissa krav för att få vara ansluten till elkraftsystemet. Elen säljs framförallt till elhandelsbolag. Sveriges elproduktion är karaktäriserad av centraliserad produktion med långa avstånd till slutkonsumenten. De sex största elproducenterna producerade över 78 % av den totalt producerade elen i Sverige under 2016 (Energiföretagen, 2017).
Systemoperatör: Systemoperatören på den svenska elmarknaden är Svenska Kraftnät. I sin roll som systemoperatör ansvarar Svenska Kraftnät för elkraftsystemets långsiktiga och kortsiktiga stabilitet, där balansen i systemet måste upprätthållas mellan produktion och konsumtion i varje ögonblick.
Svenska kraftnät är gemensamt ansvarig systemoperatör med de övriga nordiska stamnätsoperatörerna där ansvarsfördelningen sker via överenskommelser om hur stor andel av de olika systemtjänsterna länderna är ansvariga för (Svenska Kraftnät, 2017b).
Transmissionsnätsägare: Transmissionsnätsägaren ansvarar för att stamnäten har tillräcklig stor överföringskapacitet och är tillräckligt robusta för att klara störningar. Svenska kraftnät är
stamnätsägare och ansvarar för balans, stabilitet och robusthet för att klara störningar. Svenska kraftnät
ansvarar även för att mäta och redovisa utbytet med andra länder (Svenska Kraftnät, 2017b).
Distributionsnätsägare: Ansvar för de regionala och lokala näten, där de lokala näten är de som kopplas in till slutanvändarna. Nätägarna ansvar för att mäta elproduktion och konsumtion för de aktörer som är anslutna till näten och de kan även, för att täcka nätförluster, behöva köpa in el.
Eftersom elledningar är ett naturligt monopol regleras och begränsas de nätavgifter som aktörerna kan ta ut (Svenska Kraftnät, 2017b).
Elhandelsbolag: Elhandelsbolagen köper in el från elproducenterna och säljer vidare till
slutkonsumenter, antingen direkt från producenter eller andra elhandelsbolag eller via elbörser, då det oftare är lättare för elkonsumenter att låta en återförsäljare upphandla elen åt dem. Elhandelsbolagen kan tyckas vara en fördyrande mellanhand, men de kan även fylla viktiga funktioner på elmarknaden.
Elhandelsbolag ökar exempelvis konkurrensen jämfört med om endast producenterna sköter
återförsäljningen av el till konsumenter kring exempelvis service och produktionssätt (förnybart eller fossilt). Elhandlarna kan också bära en del av risken för konsumenterna genom att erbjuda stabila priser under en tidshorisont utöver enskilda handelsperioder (Söder & Amelin, 2011).
Balansansvarig: Då volymerna under realtidshandeln kan skilja sig från det som avtalats under förtidshandeln, eftersom elkonsumtion och produktion inte går att förutsäga exakt, måste de balansansvariga se till att de fysiska justeringar som gjorts under realtidhandeln också justeras ekonomiskt. Om konsumtionen för ett elhandelsbolag varit högre under en handelsperiod än vad de avtalades för under förtidshandeln måste de betala för den ”extra-elen” de konsumerat på efterhandeln.
Alla aktörer som deltar i elhandeln behöver inte sköta sitt eget balansansvar, utan det kan överlåtas, exempelvis kan konsumenter överlåta balansansvaret till sitt elhandelsbolag (Söder & Amelin, 2011).
Handelsplatform: I Norden är det elbörsen Nord Pool som är den primära handelsplattformen för el och som organiserar ekonomiska transaktioner kring fysiska leveranser av el. Handelsperioden är en timme och prisbildningen sker genom priskryss. Sverige är indelat i fyra olika elområden där
elpriserna kan variera mellan områdena då norra Sverige normalt har produktionsöverskott, medan det i södra Sverige normalt konsumeras mer än det produceras. Samtidigt medför
transmissionsbegränsningar att elnätet inte alltid kan transportera tillräckligt med el från norra Sverige till södra. Indelningen i elområden syftar till att reglera konsumtionen i olika områden beroende på produktionsöverskottet eller underskottets storlek (Energimarknadsinspektionen, 2014).
Myndigheter: Energimarknadsinspektionen är en tillsynsmyndighet som sköter “spelreglerna” på bl.a.
elmarknaden. Energimyndigheten arbetar med att säkra hållbar tillförsel och konsumtion av energi (Regeringen, 2016; Energimyndigheten, 2017).
3.4.3 E
LHANDELNS UPPBYGGNAD Elhandeln består av 3 steg:1. Förhandshandeln, där aktörerna köper och säljer så mycket el som de tror att de kommer sälja eller köpa under själva drifttimmen. Detta sker genom att elproducenterna lämnar säljbud och elhandelsbolag lämnar köpbud till elbörsen. Handeln kan också ske direkt via bilaterala avtal.
2. Realtidshandeln, där systemoperatören kan reglera den fysiska balansen på marknaden under drifttimmen genom att aktivera olika upp- och nedregleringsbud.
3. Efterhandeln, där skillnaden mellan den planerade produktionen och konsumtionen justeras ekonomiskt mot den faktiska produktionen och konsumtionen under drifttimmen. Aktörer kan överlåta sitt balansansvar till någon annan, exempelvis kan hushållen överlåta balansansvaret till sin elleverantör.
Figur 5 Schematisk skiss av ingående processer i elhandeln
3.4.4 O
MSTÄLLNING TILL FÖRNYBAR ENERGIMålen för den svenska energipolitiken fram till 2020 är som följer (Regeringskansliet, 2014):
● 40 % minskning av klimatutsläppen (med utgångspunkt i 2008)
● 50 % förnybar energi
● 20 % effektivare energianvändning (med utgångspunkt i 2008)
● 10 % förnybar energi i transportsektorn
2015 meddelade regeringen i ett pressmeddelande att målen kommer uppnås och överträffas. 2016 slöts en överenskommelse mellan fem partierna i riksdagen, med det uttalade målet att Sverige ska ha 100% förnybar energi till 2040, vilket bl.a. betyder att kärnkraften behöver avvecklas tills dess (Socialdemokraterna et al., 2016).
Nedan berörs status och utveckling av vind- och solkraft i Sverige eftersom dessa produktionsslag är extra intressanta för de potentiella tillämpningarna av blockkedjeteknik som vi valt att utvärdera.
Vindkraft är intressant då det framförallt är vindkraften som kommer byggas ut när kärnkraften avvecklas, vilket medför att bl.a. svängmassan i kraftssystemet minskar. Solkraft är intressant då det är den primära produktionssättet för prosumenter (Christopher, 2017).
3.4.5 V
INDKRAFTVindkraften står för ungefär 10% av Sveriges elproduktion. Teknikutvecklingen har möjliggjort effektiv elproduktion också i kalla temperaturer och skog, vilket bidragit till utbyggnad av
vindkraftverk över hela Sverige. 2016 stod privatpersoner för drygt 1,1% av den installerade effekten (Energimyndigheten, 2016b). Minskningen av el producerad av vindkraftverk under de senaste åren har berott på mindre blåst vissa år, exempelvis under 2016, men en avmattning av utbyggnaden av vindkraft har även skett som en följd av osäkerhet kring elcertifikat efter 2020 kombinerat med lägre elpriser (Enmalm, 2016).
Figur 6, Eltillförsel från vindkraftproduktion i GWh, (SCB, 2018)
3.4.6 S
OLKRAFTDet har varit en uppåtgående trend de senaste åren gällande installation av nya solcellsanläggningar.
Mellan 2016 och 2017 ökade antalet nätanslutna installerade solcellsanläggningar med närmare 53%
(SBC, 2018). Den totala installerade effekten ökade med 65 %, från 140 MW år 2016 till 231 MW 2017. Från och med januari 2018 trädde dessutom regeringens förslag att höja bidraget för
nyinstallerade solcellsanläggningar för privatpersoner från 20 % till 30 % av kostnaderna i kraft, vilket medförde en stor ökning av antalet installationer – från årsskiftet 2017/2018 till slutet på mars har de utbetalda bidragen ökat med 400 % jämfört med samma period föregående år. Stödet gäller alla investeringar upp till 4 miljoner kronor per anläggning och kan därför inte överstiga 1,2 miljoner.
Energimyndigheten har dessutom en skattesubvention för all överskottsel som matas in i elnätet på 60 öre per kWh upp till 18 000 kronor per år (Stöd till solceller, 2018).
Tabell 2
Installerad effekt 2016 2017
< 20 kW 8543 12 863
20 - 1000 kW 1460 2407
> 1000 kW
3 6
Totalt 10 006 15 276
Tabell 2, antal solcellsanläggningar 2016 och 2017 (SCB, 2018)
Den installerade effekten är koncentrerad till Stockholms, Skåne och Götalands län vilka tillsammans utgör 40% av den installerade effekten. Anläggningar med en effekt upp till och med 20 kW utgör 46% av den installerade effekten, medan större anläggningar är de som har den snabbaste tillväxten, både till antal och installerad effekt (Energimyndigheten, 2018).
3.4.7 U
TMANINGAR FÖRS
VERIGES ELKRAFTSYSTEM I OCH MED OMSTÄLLNINGEN TILL FÖRNYBARTDen breda energiöverenskommelse som slöts 2016 mellan fem av partierna i riksdagen, där Sverige ska ha 100% förnybar energi till 2040, kommer få långtgående konsekvenser för vårt elkraftsystem (Svenska Kraftnät, 2017b). När kärnkraft och fossila bränslen byts mot sol, biobränslen, vind och vatten, introduceras en allt högre grad av osäkerhet kring tillförlitligheten i energiproduktionen.
Eftersom produktionen av solkraft och vindkraft, och till viss del vattenkraft, är beroende av väder, är denna produktion s.k. ” icke planerbar produktion”. En hög andel förnybara energikällor försvårar således krafssystemets förmåga att upprätthålla leveranssäkerheten, och en rad åtgärder och
förändringar i kraftsystemet måste ske för att upprätthålla leveranssäkerhet också med 100 % förnybar elproduktion (Svenska Kraftnät, 2017b).
3.4.7.1MINSKAD SVÄNGMÄSSA
En minskning, eller i vissa fall avveckling, av termiska kraftverk, exempelvis kärnkraftverk och kolkraftverk, kommer medföra att den tillgängliga svängmassan i elkraftsystemet minskar.
Svängmassan är den mekaniska trögheten i elkraftsystemets roterande delar, vars väsentliga funktion är att motta eller leverera energi mycket snabbt, för att balansen i elsystemet ska kunna upprätthållas.
När utvecklingen går mot en ökning av elproduktion i omriktarstyrda enheter som inte bidrar naturligt till systemets tröghet, vilket framförallt rör sig om vindkraft, och en minskning av elproduktion i tunga synkrona generatorer, minskar den totala trögheten i det nordiska kraftsystemet. Detta ställer högre krav på snabbheten i reglerfunktionerna, och medför en risk för att frekvensstabiliteten i systemet kompromissas (Svenska Kraftnät, 2015).
Minskad reglerkraft i systemet kan innebära ökad efterfrågan på diverse systemtjänster, exempelvis reglerkraft och tröghet, vilket skulle kunna innebära en prisökning på dessa tjänster. Detta skulle kunna motivera utveckling av särskilda anläggningar för att möta denna efterfrågan, exempelvis batterianläggningar. I takt med att pris-prestanda för batterier förbättras blir en lösning med batterier som ansluts till elkraftsystemet med frekvensomriktare, antingen i anläggningar eller genom att exempelvis elbilar utnyttjas i enskilda hushåll, allt mer trolig för att skapa bufferten som behövs för balansering av elkraftsystemet (Kungl. Ingenjörsvetenskapsakademien (IVA), 2016; Svenska Kraftnät, 2017b).
3.4.7.2FÖRSÄMRAD EFFEKTTILLRÄCKLIGHET
I de scenarier för energiförbrukning som tagits fram uppskattas den årliga elanvändningen endast öka marginellt fram tills 2040. 2016, med en årlig elförbrukning runt 140 TWh, uppskattade Svenska Kraftnät elanvändningen i Sverige 2040 till omkring 150 TWh, Energimyndigheten till 143 TWh och IVA till 160 TWh. Det finns dock en betydande osäkerhet i prognoserna. Exempelvis gav det scenario IVA designat ett intervall på den möjliga elanvändningen 2040 på någonstans mellan 100 TWh och 260 TWh. Starka drivkrafter för ökad elkonsumtion, som ökad elanvändning i framförallt
transportsektorn samt för stål- och cementtillverkning och befolkningstillväxt, balanseras upp av en ökad energieffektivisering. Teknikutveckling, elpriser och politiska beslut, som att Sverige 2030, jämfört med 2005, ska ha 50% effektivare energianvändning, driver på utvecklingen mot minskad elkonsumtion. I IVAs rapport Scenarier för den framtida elanvändningen, bedöms effektiviseringen av elanvändningen till mellan 3-4 % per år (Kungl. Ingenjörsvetenskapsakademien (IVA), 2015;
Svenska Kraftnät, 2017b).
Figur 7, IVAs scenarier för Sveriges elanvändning fram till 2040 (Svenska Kraftnät, 2017).
Enligt Svenska Kraftnäts rapport Systemutvecklingsplan 2018-2017, är det troligt att framförallt vindkraften kommer byggas ut när kärnkraften avvecklas. Även om kärnkraften kan ersättas
energimässigt av förnybar energi fram till 2040, så medför väderberoendet i produktionen en ökad risk för effektbrist, med stora prisfluktuationer mellan timmarna som följd. Enligt det referensscenario Svenska Kraftnät tagit fram för 2040, kan effektbrist uppstå i södra Sverige under uppemot 400 timmar varje år. Även om en del förbrukningsflexibilitet redan finns tillgänglig i form av elintensiv industri, så behöver en ökning av tillgänglig flexibel förbrukning komma till stånd för att undvika en försämring av effekttillräckligheten i elkraftsystemet fram till 2040. Rapporten pekar på ett stort behov av ökad flexibilitet i produktion och förbrukning samt nya lösningar för energilagring för att undvika flaskhalsar i kraftssystemet som riskerar att skapa stora prisskillnader i de olika elprisområdena (Svenska Kraftnät, 2017b).
Figur 8. Svensk energibalans i scenariot under åren 2020–2040 (Svenska Kraftnät, 2017b)
3.4.6.3BEHOV AV FÖRÄNDRAD MARKNADSMODELL
Som nämnts ovan, karaktäriseras marknadens utveckling av ett skifte från planerbar kraftproduktion i stor skala till allt mer väderberoende och småskalig kraftproduktion. Elmarknadsmodellen kommer behöva anpassas till detta skifte, och en rad förändringar är redan på gång. Exempelvis kommer avräkningsperiod kortas ner från 1 timme till 15 minuter, med start år 2020, för att ge
driftverksamheter bättre förutsättningar att hantera obalanser (Svenska Kraftnät, 2017b).
Svenska kraftnät tillsammans med Elmarknadsinspektionen har fått i uppdrag av regeringen att införa en s.k. elmarknadshubb. Syftet är att centralisera informationshanteringen på elmarknaden och införa en elhandlarcentrisk marknadsmodell. Alla produktionsanläggningar, oavsett om det rör sig om stora vattenkraftverk eller enskilda villor, kommer registreras centralt, och hubben kommer samla all fakturagrundande data till slutkunden såväl som mätpunkter och mätdata samt anläggnings- och kunddata. Den elhandlarcentriska marknadsmodellen innebär att slutkonsumentens kontakt med nätägare kommer ske via elhandlaren, som kommer samfakturera för både elförbrukning och nätavgifter. Hubben kommer bl.a. underlätta in- och utflyttning, fakturering och byte av elhandelsföretag för slutkonsumenten, men har även potential att samla information om
avbrottshantering och flexibiliteten i elförbrukningen. Den faktiska faktureringen kommer fortfarande ske genom elhandelsföretagens egna system (Energimarknadsinspektionen, 2017).
En ny marknadsmodell och centraliserad informationshantering påverkar ansvarsområden mellan aktörer, arbetsuppgifter och processer, som exempelvis rapportering och fakturering. Modellen skulle bland annat cementera elhandlarnas position på marknaden, där deras ansvar utökas till att hantera en stor del av de kunder och den kontakt med dessa som idag sköts av elnätsföretagen själva.
Hubben kommer ge alla aktörer på marknaden likvärdig access till information, vilket innebär att vertikalt integrerade koncerner som är nätägare såväl som elhandlare, inte kommer ha samma konkurrensfördel som idag. Ökad tillgänglighet till information är tänkt att effektivisera processerna hos nuvarande aktörer på elmarknaden, men tillgängligheten är även tänkt att ge energitjänsteföretag ökade möjligheter att skapa innovativa lösningar och tjänster inom flexibel förbrukning, självständig produktion eller energieffektivisering hos slutkonsumenterna (Svenska Kraftnät, 2017a, 2017b;
Energimarknadsinspektionen, 2017).
3.4.7.4TYDLIGARE ANSVARSFÖRDELNING
I sin systemutvecklingsplan pekar Svenska Kraftnät på bristen på tydligt ansvar och mål för
leveranssäkerheten i elkraftsystemet. Ansvaret för leveranssäkerheten är idag uppdelat på producenter, nätägare och myndigheten och den otydliga ansvarsfördelningen på elmarknaden utgör en risk för att leveranssäkerheten inte kan garanteras långsiktigt. Svenska Kraftnät menar även på att drivkrafterna att producera el för elproducenter endast styrs av marknadsmässiga mekanismer helt utan formella skyldigheter, vilket medför en avsaknad av tydligt ansvar för att elproduktion byggs ut i tillräckligt takt för att möta ett framtida behov (Svenska Kraftnät, 2017b). Reformer för att befästa formellt ansvar och tydliggöra aktörers olika roller på elmarknaden kan alltså vara att vänta.
3.4.7.5ÖKAT ANTAL PROSUMENTER
En prosument, eller engelskans prosumer, är i elproduktionsrelaterade sammanhang en aktör som både konsumerar och producerar el (Christopher, 2017). Antalet prosumenter i Sverige blir fler och fler varje år vilket innebär att elnätet används på ett nytt sätt. Ju fler prosumenter, desto mer oklara blir rollerna på elmarknaden; när det tidigare var tydligt vem som gjorde vad på Sveriges centraliserade elmarknad leder prosumenttrenden till att rollerna suddas ut (Eriksson, 2018). Elen på det svenska elnätet har traditionellt färdats i en fix riktning, från nätet till konsumenterna, men prosumenternas intåg på marknaden har resulterat i att elen nu även färdas från konsumenterna till nätet.
