Kan blockkedjeteknik bidra till energiomställningen?

Transkript

1 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 SE Stockholm

2 Bachelor of Science Thesis EGI-2018 TRITA-ITM-EX 2018:433 Kan Blockkedjeteknik bidra till energiomställningen? Approved Examiner Ylvali Busch Joakim Rydén Supervisor Date Peter Hagström Commissioner Peter Hagström Contact person 2

3 SAMMANFATTNING 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 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. 3

4 ABSTRACT 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. 4

5 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 Introduktion Bakgrund Syfte Frågeställning Rapportstruktur 12 2 Metod Litteraturstudie Modell Avgränsningar 15 3 Litteraturstudie Vad är blockkedjeteknik? Implikationer av blockkedjeteknik Teknisk Beskrivning Hash-funktioner Merkleträd Distribuerad konsensus Exempel på hur en transaktion fungerar Smarta kontrakt Tekniska begränsningar för blockkedjan Trilemmat Problem och lösningar för att uppnå skalbarhet Flexibilitet Energikonsumtion Omställningen till förnybart i Sverige Marknadens aktörer Elhandelns uppbyggnad Omställning till förnybar energi Vindkraft Solkraft Utmaningar för Sveriges elkraftsystem i och med omställningen till förnybart Minskad svängmässa Försämrad effekttillräcklighet Behov av förändrad marknadsmodell Tydligare ansvarsfördelning 29 5

6 Ökat antal prosumenter Fossilfri fordonsflotta och etablering av elbilar Styrmedel för att öka produktion av förnybar el Ursprungsgarantier Utsläppsrätter Elcertifikat Blockkedjeteknik i elsystemet Hur kan blockkedjor påverka energiomställningen? Tillämpningar av blockkedjeteknik inom Sveriges elsystem Blockkedjebaserade styrmedel Handel av utsläppsrätter genom blockkedjan Kryptovalutor som ursprungsgarantier SolarCoin En grön blockkedja för att anpassa ursprungsgarantierna till en decentraliserad marknad Elcertifikat Blockkedjebaserad prosumtion Power Ledger Brooklyn Microgrid Blockkedjebaserade lösningar för e-mobilitet Oslo2Rome Blockkedjebaserad betalningslösning för att upprätthålla integritet i dynamiska priserbjudanden Charg Coin Betalningslösningar för elektrifierade vägar Blockkedjeteknik som möjliggörare av efterfrågeflexibilitet 45 4 Utvärdering/Resultat Blockkedjeteknik som möjliggörare av efterfrågeflexibilitet Systembeskrivning Systemutvärdering Blockkedjebaserade lösningar för e-mobilitet Systembeskrivning Systemutvärdering Blockkedjebaserad prosumtion Systembeskrivning Systemutvärdering Blockkedjebaserade styrmedel Systembeskrivning 57 6

7 4.4.2 Systemutvärdering 59 5 Slutsats 62 Referenser 64 7

8 TABELLER Tabell 1: Modellkriterier Tabell 2:Solcellsanläggningar i Sverige Tabell 3: Systemutvärdering, Blockkedjebaserad användarflexibilitet Tabell 4: Systemutvärdering, Blockkedjebaserade betalningssystem elbilar... Fel! Bokmärket är inte definierat.52 Tabell 5: Systemutvärdering, Blockkedjebaserad prosumtion Tabell 6: Systemutvärdering, Blockkedjebaserade incitamentsprogram

9 FIGURER 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 Fel! Bokmärket är inte definierat. Figur 9: Antal elbilar i Sverige... Fel! Bokmärket är inte definierat. Figur 10: World Energy Issues Monitor map 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 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. 9

10 NOMENKLATUR AI B2B B2C B2G DCA IoT ITL kwh MWh PoS PoW POWR P2P TWh V2G Artificiell intelligens Business-to-business Business-to-customer Business-to-grid Distributed Consensus Algorithm Internet of Things FN:s internationella transaktionslogg Kilowattimme Megawattimme Proof of stake Proof of work Power ledger token Peer-to-peer Terawattimme Vehicle-to-grid 10

11 1 INTRODUKTION 1.1 BAKGRUND 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 SYFTE 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, 11

12 slutanvändning och frekvensreglering. Områdena är som följer: 1. Effektivisering av styrmedel och incitamentsprogram för förnybar elproduktion 2. Ökad lönsamhet för prosumenter 1 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 FRÅGESTÄLLNING 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 RAPPORTSTRUKTUR 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 METOD 2.1 LITTERATURSTUDIE 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 konsumerar och producerar el (Christopher, 2017) 12

13 2.2. MODELL 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 energiomställningen 6. Politisk acceptans 7. Genomförbarhet 1. 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 13

14 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, tekniska förutsättningar och utmaningar, vilken teknisk kompetens och villighet som finns hos olika aktörer samt kostnaden att implementera lösningen (förberedelser, administration etc.) (Khaqqi et al., 2017). 14

15 2.3 AVGRÄNSNINGAR 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 LITTERATURSTUDIE 3.1 VAD 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). 15

16 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 IMPLIKATIONER 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 TEKNISK BESKRIVNING 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). 16

17 3.3.1 HASH-FUNKTIONER En 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) MERKLETRÄD Merkleträd 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). 17

18 Figur 2 Skiss över blockens innehåll samt kedjans struktur (Khaqqi et al., 2017) DISTRIBUERAD KONSENSUS Distribuerad 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). 18

19 3.3.4 EXEMPEL PÅ HUR EN TRANSAKTION FUNGERAR Figur 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) SMARTA KONTRAKT En 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 19

20 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 beslutsoch 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 TEKNISKA BEGRÄNSNINGAR FÖR BLOCKKEDJAN TRILEMMAT Den 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 20

21 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) PROBLEM 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 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 21

22 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) FLEXIBILITET 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) ENERGIKONSUMTION 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 bitcointransaktion 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. 22

23 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 OMSTÄLLNINGEN TILL FÖRNYBART I SVERIGE ELMARKNADEN I SVERIGE Den 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) MARKNADENS AKTÖRER Elmarknaden 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 23

24 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) ELHANDELNS 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. 24

25 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 OMSTÄLLNING TILL FÖRNYBAR ENERGI Målen 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 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) VINDKRAFT Vindkraften 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 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). 25

26 Figur 6, Eltillförsel från vindkraftproduktion i GWh, (SCB, 2018) SOLKRAFT Det 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 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 kronor per år (Stöd till solceller, 2018). Tabell 2 Installerad effekt < 20 kw kw > 1000 kw 3 6 Totalt 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). 26

27 3.4.7 UTMANINGAR FÖR SVERIGES ELKRAFTSYSTEM I OCH MED OMSTÄLLNINGEN TILL FÖRNYBART Den 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) MINSKAD 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) FÖRSÄMRAD EFFEKTTILLRÄCKLIGHET I de scenarier för energiförbrukning som tagits fram uppskattas den årliga elanvändningen endast öka marginellt fram tills , 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). 27

28 Figur 7, IVAs scenarier för Sveriges elanvändning fram till 2040 (Svenska Kraftnät, 2017). Enligt Svenska Kraftnäts rapport Systemutvecklingsplan , 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 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 (Svenska Kraftnät, 2017b) 28

29 BEHOV 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) TYDLIGARE 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 ÖKAT 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. 29

30 Prosumenterna i Sverige utgörs huvudsakligen av aktörer med solcellsanläggningar, men mycket tyder på att även användarflexibilitet kommer bli ett ytterligare sätt för prosumenten att tjäna pengar, genom att styra sin produktion och lokalt tillsammans med andra optimera eluttag från nätet (Nordling, 2016). Om en elkonsument vill träda in som prosument genom att t.ex. installera solceller görs detta genom att solcellsanläggningen kopplas till det lokala distributionsnätet och ett avtal måste därför slutas mellan prosumenten och den lokala nätägaren. Elen som produceras av prosumenten skickas direkt ut på distributionsnätet, oavsett om det finns ett eget elbehov eller inte, och olika elnätsägare har olika villkor för hur stor ersättningen blir per producerad kwh. Beroende på hur avtalet med nätägaren ser ut kan priset variera mellan 10 och 50 öre per kwh (Energimyndigheten, 2018), vilket kan sättas i relation energibolaget Fortums snittpris på el år 2017 på 31,21 öre per kwh (Fortum, 2018). Om en privatperson i Sverige idag vill starta en mikroproduktion av solcellsel och således bli prosument är det första steget att göra en ansökan till Energimyndigheten. För att få ett godkännande av Energimyndigheten krävs timvis mätning av elproduktionen på anläggningen, vilken kan göras på två följande sätt: 1. Genom att mätaren som redan finns i direkt anslutning till elnätet används, vilket medför att nätägaren agerar rapportör av prosumentens produktion. Om mätning och rapportering på detta sätt sköts i direkt anslutning till elnätet inkluderas inte elen som används i hemmet som elcertifikatsberättigad produktion, utan det sker en så kallad nettomätning av produktionen och det är endast överskottet som är certifikatberättigande. 2. Om prosumenten däremot väljer att ha mätaren i direkt anslutning till solcellsanläggningen måste hen själv bekosta mätaren, mätning och rapportering, men all produktion blir certifikatberättigad. När mätaren ansluts direkt till anläggningen sker så kallad bruttomätning. Tack vare politiska styrmedel som elcertifikat, skattereduktioner, handel med ursprungsgarantier och statligt stöd kan solelsproduktion vara ekonomiskt lönsamt redan med rådande infrastruktur (Pellby and Larsson, 2015). Den svenska elmarknaden är dock inte än helt anpassad till den decentraliserade kraftproduktion som prosumenterna bidrar till. Det går som ovan nämnts till exempel inte att sälja egenproducerad el direkt till sin granne, så kallat peer-to-peer (P2P), utan elen skickas till det av elhandelsbolagen eller kommunen kontrollerade distributionsnätet, där den i sin tur distribueras enligt deras premisser och avtal. Den i grunden decentraliserade struktur som prosumenterna bidrar med tar således en omväg genom centralisering FOSSILFRI FORDONSFLOTTA OCH ETABLERING AV ELBILAR Trots att det finns en bred konsensus att Sverige ska ha en fossilfri fordonsflotta år 2030, så har energianvändningen för fordon ökat de senaste åren var energianvändningen för vägburna transporter 90 TWh, att jämföra med 88.5 TWh 2010 (SCB, 2016). Det kommer krävas stora gemensamma satsningar från en rad samhällsaktörer för att bryta trenden, där en sådan satsning är att göra det mer attraktivt för privatpersoner och industri att köra eldrivna fordon, och samtidigt se till att elkraftsystemet är rustat för de utmaningar som kommer med ökat antal elbilar (Wallmark et al., no date). Som visat i figur 9 nedan ligger antalet elbilar i Sverige idag på drygt , vilket i relation med det totala antalet personbilar på nästan 5 miljoner är en liten andel (Statistiska Centralbyrån, 2017). Om en fossiloberoende fordonsflotta ska realiseras 2030 krävs omkring en miljon elbilar och laddhybrider. Beräkningar från samordningsrådet för smarta elnät visar att om hälften av dagens privata fordon ersätts med elbilar så kommer effektbehovet öka med omkring MW (Wallmark et al., no date). Om det å andra sidan införs åtgärder som gynnar användarflexibilitet, exempelvis att 30

31 elbilsladdningen kan styras efter spotpriset, uppskattas ökningen av effektbehovet halveras. Hur och när framtidens elbilar laddas kommer ha stor påverkan på elsystemet (Alvehag & Werther Öhling, 2016). Figur 9 Antal laddbara bilar från tredje kvartalet 2012 t.o.m. första kvartalet 2018, Statistikdatabasen Elbilsstatistik STYRMEDEL FÖR ATT ÖKA PRODUKTION AV FÖRNYBAR EL URSPRUNGSGARANTIER Efter att elmarknaden avreglerades har förnybar el blivit ett allt viktigare sätt för elleverantörer att differentiera sig och stärka sitt värdeerbjudande mot kund. Eftersom det inte går att garantera att elen som matas in i ett visst hus kommer från en viss energikälla, utformades ett system av ursprungsgarantier av EU år För varje producerad MWh kan en elproducent få ett dokument som garanti på vilken typ av energikälla som elen kommer ifrån. Dessa dokument kallas ursprungsgarantier, och är ett sätt för elproducenter och elleverantörer att kunna garantera vilken typ av el de säljer. Ursprungsgarantierna kan säljas på en öppen marknad där elleverantörer som vill sälja exempelvis förnybar el till slutkunden köper ursprungsgarantier. När elen sålts till kund måste ursprungsgarantin annulleras. För att sälja el från solkraft måste en elleverantör antingen annullera ursprungsgarantier från sina egna solkraftverk eller köpa in ursprungsgarantier från en solkraftproducent och annullera dessa (Energimyndigheten, 2015). För att få handla sina ursprungsgarantier på den europeiska marknaden utfärdas s.k. EECSursprungsgarantier istället för nationella ursprungsgarantier. Energimyndigheten är ansvarig för att utfärda båda typerna av ursprungsgarantier. Av de drygt 5800 aktörer som har ett konto i Energimyndighetens kontoföringssystem Cesar är ungefär 4000 privatpersoner. I en konsekvensutredning från 2017, som gjordes inför lagändringar och förordningsändringar som syftade till att ge Energimyndigheten möjlighet att utfärda EECS-ursprungsgarantier, så uppskattade Energimyndigheten att endast % av de som skulle ansöka om EECS-ursprungsgarantier skulle vara privatpersoner (Statens energimyndighet, 2017). EECS standarden för ursprungsgarantier medför fler krav och en högre avgift, men den större marknaden kan potentiellt medföra högre avkastning. 31

32 2016 utfärdades 148 miljoner ursprungsgarantier i Sverige, varav 31 miljoner var EECSursprungsgarantier (Association of Issuing Bodies, 2017) UTSLÄPPSRÄTTER Handel med utsläppsrätter är ett styrmedel för att minska utsläpp av växthusgaser på ett kostnadseffektivt sätt. Inom EU tillämpas ett handelssystem för utsläppsrätter, som Sverige står under, som syftar till att minimera utsläpp av framförallt koldioxid. Systemet omfattar industri- och energiproduktion samt flygbolag, och inkluderar ungefär 40 % av de totala utsläppen av koldioxid inom EU. Handelssystemet fungerar enligt ett Cap & Trade system, där ett tak för växthusgasutsläpp sätts för de anläggningar och verksamheter som är inkluderade i systemet, dvs. ett tak för de tillgängliga utsläppsrätterna i systemet. Företag kan sedan handla med utsläppsrätterna. Mellan 2013 och 2020 pågår fas 3 i programmet. Utsläppstaket sänks linjärt mellan de olika faserna, för att driva på utvecklingen av utsläppsminimerande åtgärder hos företagen. Man minskar även successivt andelen utsläppsrätter som ges ut gratis och låter istället en allt större del auktioneras ut auktionerades 40 % av utsläppsrätterna ut medan det 2020 är tänkt att 70% ska auktioneras ut, för att nå 100% European Energy Exchange, EEX, är den gemensamma auktioneringsplattformen i EU (Energimyndigheten, 2013). För att ett företag inom programmet ska få släppa ut en enhet koldioxid behöver de en utsläppsrätt kallad EUA. Om utsläppen överskrider de utsläppsrätter företaget har blivit tilldelade kan de antingen köpa utsläppsrätter av företag som släppt ut mindre än vad de skulle kunna göra med de utsläppsrätter de har, eller investera i åtgärder som minskar utsläppen från verksamheten. Genom att utsläppsrätterna kan omfördelas mellan företag där det är enkelt att minska på utsläppen, till företag där det är kostsamt, sker utsläppsminskningen på ett kostnadseffektivt sätt (Energimyndigheten, 2013). De nationella registren för utsläpp och utsläppsrätter ersattes 2012 med ett gemensamt register för hela EU, det s.k. Unionsregistret för att effektivisera och förenkla hanteringen och handeln av utsläppsrätterna, samt ge lika förutsättningar för alla deltagande företag oavsett medlemsland. Unionsregistret innehåller s.k. depåkonton där de utsläppsrätter ett företag tilldelas gratis rapporteras in av ansvarig nationell myndighet. Rapportering av utsläpp samt handel med utsläppsrätter sker också i olika konton i unionsregistret (Energimyndigheten, 2013). De nationella registren var utsatta för bedrägerier, där bedragare lurade till sig inloggningsuppgifter och på så sätt lyckades stjäla utsläppsrätter. Som en konsekvens av detta infördes nya behörighetskrav och tidsfördröjning, vilket skapat ett system med långa ledtider. I systemet kan utsläppsrätter endast överföras till de konton som ligger på listan med ett företags betrodda konton. Det tar sju dagar att lägga till ett nytt konto på listan över betrodda konton. För att förenkla handeln kan ett företag öppna ett handelskonto, vilket har en handläggningstid på 20 dagar, och därifrån kan företaget överföra utsläppsrätter till andra konton utan att lägga till dessa på listan över betrodda konton. Fördröjningen för en transaktion mellan ett handelskonto och vilket annat konto som helst är i så fall 26 timmar, och ett godkännande från ytterligare behörigt ombud krävs. Transaktioner kan endast initieras på vardagar mellan 10:00 och 16:00 CET/CEST. Företag måste själva rapportera hur mycket koldioxid de släpper ut under ett år via Naturvårdsverkets e-tjänst E-CO2 (Energimyndigheten, 2013) ELCERTIFIKAT Elcertifikat är ett sätt att omfördela resurser mellan de som producerar el förnybart och de som producerar el icke-förnybart. Producenter av förnybar el tilldelas ett elcertifikat för varje enhet el, som sedan säljs till kvotpliktiga aktörer fattades beslut att systemet för elcertifikat ska utökas med 18 TWh nya certifikat fram till Vad som händer när utbyggnaden är klar, för 18 TWh tillkommer 32

33 troligtvis i god tid innan 2030, är inte klarlagt. Systemet med elcertifikat kan avvecklas helt, eller eventuellt ersättas av ett system med exempelvis skattelättnader. Privatpersoner kan få elcertifikat för den el som de producerar, men ansökan kan upplevas som lång och krånglig (Norwald, 2018). 33

34 3.5 BLOCKKEDJETEKNIK I ELSYSTEMET I en kartläggning av World Energy Council identifieras blockkedjeteknik som en av de mest kritiska, och samtidigt mest osäkra, faktorerna för utvecklingen av elsystemet på global nivå. Utanför finansbranschen ses elsystemet som en av de sektorer där blockkedjetekniken kan medföra de allra största och mest omvälvande förändringarna och där blockkedjetekniken har potential att accelerera utvecklingen mot förnybara och decentraliserade energikällor (World Energy Council and PWC, 2018). Figur 1 World Energy Issues Monitor map (World Energy Council and PWC, 2018) Bilden av blockkedjeteknik som en teknik med stor potential, men där det samtidigt finns en betydande osäkerhet kring hur och när blockkedjetekniken kan implementeras, och vilka konsekvenser tekniken kommer få, förstärks av en rapport av Gartner (2017). Enligt Figur 11, eller Gartners Hype Cycle, som är ett analysverktyg för att förstå framväxande teknologier, befinner sig blockkedjetekniken fortfarande i ett stadium av extrem förväntan, eller hype, även om tekniken passerat den absoluta toppen på kurvan, där den befann sig Gartner gör bedömningen att det kommer ta 5 till 10 år innan blockkedjetekniken har implementerats brett och är en del av de vanliga teknikerna (mainstream technologies). Nästa steg för blockkedjetekniken, enligt Gartners Hype Cycle, är att tester och experiment börjar visa att blockkedjetekniken inte lever upp till tekniska, affärsmässiga eller juridiska förväntningar. Det kvarstår således i viss mån att se om potentialen i blockkedjetekniken kan omsättas till robusta, tillförlitliga och affärsnyttiga praktiska tillämpningar (2017). 34

35 Figur 11 Gartners Hype cykel (Gartner & Walker, 2017) Samtidigt som Sverige, och övriga världen, står inför ett skifte mot förnybara och decentraliserade energikällor finns alltså en osäkerhet kring hur blockkedjetekniken kan komma att förändra energimarknaden bortom storslagna visioner om decentralisering och effektivisering. En stor skillnad mot finansmarknaden är att transaktionerna inom elmarknaden innehåller en fysisk produkt i form av elen, och att systemet måste vara i balans i varje sekund. Detta medför ett svårnavigerat och reglerat ramverk för potentiella blockkedjetillämpningar. Hur stor blockkedjeteknikens påverkan på elsystemet kommer bli beror på en kombination av tekniska, regulatoriska och praktiska utmaningar, samtidigt som en teknisk lösning måste uppvisa tillräcklig affärsnytta för att det ska vara lönsamt att ställa om från konventionell IT-infrastruktur till en blockkedjebaserad (Energy Cities, 2018; World Energy Council & PWC, 2018). Även om många frågor kvarstår att besvara för hur och när blockkedjetekniken kan komma att tillämpas i elsystemet så gör World Energy Council och PWC bedömningen att elsystemet ligger framför många andra sektorer när det gäller att utforska och utveckla robusta blockkedjetillämpningar (se figur 12). Figur 12 Innovationskurvan Blockkedjetekniken befinner sig fortfarande i en fas av utveckling, men energisektorn är framför övriga industrier (World Energy Council & PWC, 2018) 35

36 3.6 HUR KAN BLOCKKEDJOR PÅVERKA ENERGIOMSTÄLLNINGEN? Figur 13 Blockkedjeteknikens påverkan på energiomställningen Ökad flexibilitet Att tillämpa smarta kontrakt skulle innebära att marknaden skulle kunna reglera sig själv i högre utsträckning än idag. Villkoren i kontrakten skulle kunna alterneras enligt vissa förutbestämda regler, så att tillgång och efterfrågan balanseras automatiskt med avseende på lagringsmöjligheter, produktion och prisläge. I de lägen då produktionen är lägre än efterfrågan kan de smarta kontrakten exempelvis se till att energi som lagrats in i systemet görs tillgänglig för marknaden. Tekniken skulle alltså direkt kunna kontrollera flöden och lagring i elsystemet vilket innebär att blockkedjetekniken skulle kunna bidra till ökade möjligheter att utnyttja användarflexibilitet. Smarta kontrakt skulle kunna justera energianvändningen hos hushållen beroende på elpriset eller möjliggöra att energi kan lagras in hos konsumenter för att frigöras vid ett senare tillfälle, exempelvis i elbilar, för att upprätthålla balans mellan produktion och konsumtion i systemet. Blockkedjor kan även användas för att kontrollera energianvändning i realtid via smarta mätare, vilket både kan användas av myndigheter, företag och privatpersoner för att analysera elförbrukning samt förenkla frekvensstabiliserande åtgärder för systemoperatören. Blockkedjetekniken kan, tillsammans med andra nya tekniker, skapa förutsättningar för smarta nät, där smarta kontrakt kan automatisera processer och samtidigt upprätthålla integriteten hos slutkonsumenterna (Energy Cities, 2018; World Energy Council & PWC, 2018). Decentraliserade transaktioner Implementering av blockkedjeteknik skulle kunna innebära att enskilda konsumenters position stärks, både gällande upphandling av el för sin egen konsumtion såväl som för de konsumenter som både producerar och köper el, s.k. prosumenter. Blockkedjetekniken skulle, draget till sin spets, kunna medföra 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 och mellanhänderna försvinner från marknaden. Blockkedjan möjliggör säkra transaktioner mellan privatpersoner, vilket öppnar upp för försäljning av el mellan exempelvis grannar och möjliggör att privatpersoner kan erbjuda laddningsmöjligheter till andra privatpersoners elbilar. Om prosumenter kan tjäna pengar på den elektricitet de producerar utan att mellanhänder äter upp vinsten skulle de ekonomiska incitamenten 36

37 för att investera i småskalig produktion öka. Blockkedjetekniken skulle också kunna effektivisera marknadsplatser och handel med el mellan företag och mellan företag och privatpersoner (Hasse et al., 2016). Manipuleringssäkra register Ytterligare ett område där blockkedjetekniken har potential att göra det mer lönsamt att investera i förnybar energi är inom incitamentsprogram och styrmedel. Genom att blockkedjan kan skapa distribuerade och säkra register av alla energiflöden och affärshändelser ökar spårbarhet och trovärdighet för olika typer av certifikat eller utsläppsrätter. Systemen för handel eller registrering av olika typer av certifikat eller utsläppsrätter skulle även kunna drivas mer kostnads- och tidseffektivt genom att smarta kontrakt tillsammans med smarta mätare kan automatisera registrering av produktion och konsumtion av el, bokföring av affärstransaktioner och utdelning av certifikat och utsläppsrätter. Blockkedjan kan även användas för att skapa större integritet för slutkonsumenter i olika typer av tjänster som företag erbjuder, exempelvis när det gäller e-mobilitet. I och med att data som lagrats i blockkedjan är nästintill omöjlig att ändra i efterhand, och att samtliga transaktioner finns inlagrade på noder runt om i systemet, så möjliggör blockkedjan full spårbarhet av både transaktioner och ägande, vilket kan skapa större trygghet och enklare verifikationsprocesser på energimarknaden (Hasse et al., 2016; Energy Cities, 2018; World Energy Council & PWC, 2018). 3.7 TILLÄMPNINGAR AV BLOCKKEDJETEKNIK INOM SVERIGES ELSYSTEM Med utgångspunkt i de utmaningar som Sveriges elsystem står inför i och med omställningen till förnybar energi har fyra tillämpningsområden för blockkedjeteknik valts ut för att analyseras i kontexten och med förutsättningarna för det svenska elsystemet. Områdena det rör sig om är effektivisering av styrmedel och incitamentsprogram för förnybar elproduktion, ökad lönsamhet för prosumenter i Sverige, betal- och laddningslösningar för elbilar samt ökad efterfrågeflexibilitet för att möta utmaningarna med minskad svängmassa och ökad väderberoende produktion BLOCKKEDJEBASERADE STYRMEDEL Blockkedjetekniken har potential att öka transparens och spårbarhet för en rad styrmedel som syftar till att stimulera förnybar elproduktion, exempelvis elcertifikat, urprungsgarantier och utsläppsrätter, samtidigt som administrationen för dessa styrmedel skulle kunna kostnadseffektiviseras. En rad projekt inom blockkedjeteknik har lanserats för att anpassa eller imitera styrmedel till en elmarknad med ökad diversifiering av produktion och lagring samt fler system som bygger på mikrogrid och P2P-elhandel. Nedan fokuserar vi framförallt på blockkedjetillämpningar på utsläppsrätter, elcertifikat och ursprungsgarantier HANDEL AV UTSLÄPPSRÄTTER GENOM BLOCKKEDJAN I en studie från National University of Singapore och Cambridge University (2017) designas en modell för handel med utsläppsrätter, som genom att inkorporera blockkedjeteknik och smarta enheter (smart devices) effektiviserar processerna för övervakning, rapportering och verifikation av utsläppsrätter. Det nya systemet för utsläppsrätter minskar också möjligheter till bedrägerier och stölder av utsläppsrätter. Systemet medför inga ändringar i processerna för att utfärda eller distribuera utsläppsrätter, utan förändrar endast att processerna utförs genom en blockkedja, istället för genom konventionell IT-infrastruktur. Författarna bygger sitt system på en öppen blockkedjeplatform, Multichain, som tillåter att noders 37

38 handlingsutrymme kan begränsas. Endast noder som har fått tillstånd av systemoperatören (vilket i Sveriges fall skulle vara Naturvårdsverket och European Union Transaction Log m.fl för hela registret) kan delta i en viss roll och författarna introducerar fyra olika roller i sitt system: Myndighet, Företag, Projekt (CDM projekt eller liknande) och en granskande roll, kallad Auditor, vars syfte är att granska företags strategier och utsläpp och tilldela s.k. reputation-points (Khaqqi et al., 2017). En konsekvens av att använda en decentraliserad blockkedja är att den centrala aktören som sköter, sorterar och matchar bud på utsläppsrätter försvinner. Istället måste varje enskild aktör i systemet självständigt sortera och välja ut vilket bud som önskas accepteras. För att skapa större incitament för företag att investera i utsläppsminskande åtgärder, så har ett ryktessystem (reputation system) införts som avgör vilka bud ett företag får tillgång till. Ryktessystemet tar hänsyn till en aktörs tidigare utsläpp såväl som deras nuvarande strategi för att minska sina utsläpp och ju bättre ett företag presterar desto mer s.k. reputation-points får företaget i systemet. Ett företags reputation-points, som alltså korresponderar mot aktörens engagemang och prestation för att minska sina utsläpp, bestämmer vilka bud aktören får tillgång till i systemet. Blockkedjan inte bara stödjer, utan möjliggör, detta ryktesbaserade handelssystem eftersom handelsreglerna, som bygger på aktörens rykte i systemet, kan integreras i den algoritm som styr hur en transaktion utförs inom blockkedjan. Ryktessystemet ger ett direkt finansiellt incitament för företag att minska sina utsläpp, eftersom detta medför tillgång till bättre priser på utsläppsrätter. Blockkedjetekniken i systemet medför full transparens, där företag inte kan använda data på ett vilseledande sätt för få sitt engagemang för att minska utsläpp att se större ut än vad det är. Detta skapar ytterligare ett incitament för företaget att minska sina utsläpp, då de inte vill skada sitt varumärke. Författarna visar att ryktessystemet skapar en större vilja hos företagen att investera för att minska sina utsläpp långsiktigt. Eftersom blockkedjan endast kan garantera att transaktionerna inuti blockkedjan inte modifierats, och således inte pålitligheten av den data som matas in i systemet, så kommer smarta mätare behöva användas för att garantera att indatan i systemet är riktig. I ett konventionellt system kan företag utnyttja att dubbelräkning kan undgå upptäckt. För att tackla problemen har EU ETS har låtit koppla upp samtliga nationella register mot FN:s internationella transaktionslogg, ITL, som verifierar transaktioner för att garantera att dubbelräkning inte sker. Att basera systemet på blockkedjor kan effektivisera övervakning, validering och verifiering av utsläppen som produceras eller reduceras, och därmed minska kostnaderna för att avskräcka företag från bristande efterlevnad av kraven på utsläppsrätter, exempelvis dubbelräkning. (Energimyndigheten, 2016a; Khaqqi et al., 2017) KRYPTOVALUTOR SOM URSPRUNGSGARANTIER Precis som att blockkedjans s.k. tokens kan representera en enhet valuta, så kan de också representera en enhet energi. Genom att använda blockkedjenätverket Ethereum tillsammans med smart kontrakt designades ett system som presenterades på International Conference on Smart Energy Grid Engineering (Castellanos, Coll-Mayor & Notholt, 2017), där prosumenter på ett förenklat sätt skulle kunna sälja en form av ursprungsgarantier (tokenized Guarantees of Origin) direkt till konsumenter. Syftet var att ge aktörer som inte har tillgång till officiella marknadsplatser för ursprungsgarantier, antingen för att det är dyrt eller för att det är krångligt, tillgång att handla tokens som imiterar de officiella ursprungsgarantierna, och samtidigt ge konsumenter ett direkt sätt att stödja förnybar elproduktion. Istället för att konsumenter köper grön el från bolag som köpt ursprungsgarantier, köps garantierna direkt från prosumenter, vilket innebär att prosumenter kan kringå krångliga och kostsamma system för att sälja sina ursprungsgarantier, samtidigt som systemet åstadkommer samma resultat, dvs. att konsumenter får garantier för att deras el är producerad av förnybara källor. 38

39 De smarta kontrakten i systemet fungerar både som operatör för marknaden och som själva marknadsplatsen, eftersom kontrakten både bestämmer reglerna och villkoren för handeln samtidigt som de utför samtliga transaktioner. Funktionerna för de smarta kontrakten är att registrera konsumenter och prosumenter på marknaden, sköta transaktioner av valutan Ether (valutan inom blockkedjan Ethereum) mellan konsumenter och prosumenter, skapa och upprätthålla en databas för transaktionerna och balanserna, samt tillåta prosumenter att få ut pengar för sina ursprungsgarantier. Marknadsplatsen är en spotmarknad där tokens används som ursprungsgarantier, s.k. Proof of Energy Provenance och kan handlas mot Ether. En token motsvarar en MWh av förnybar el. Marknadsplatsen i simuleringen är helt fristående från energimarknaden och påverkar inte flöden av el, utan är endast en handelsplats. Både marknadsplatser med ett fixt pris och ett rörligt pris simuleras framgångsrikt. Varje transaktion (rad av kod) som utförs inom Ethereumnätverket medför en kostnad, som representeras av en enhet Gas. När enkla beräkningar, som addition eller subraktion, är relativt billiga, så är det betydligt dyrare att lagra data i nätverket. I simuleringen blir transaktionskostnaderna för prosumenterna dyrare än traditionella handelsplatser för ursprungsgarantier, medan de initiala investeringarna för att delta i handeln blir betydligt mindre. Även kostnaderna av att administrera systemet blir mindre. Författarna föreslår att koden i de smarta kontrakten kan optimeras för att minska transaktionskostnaderna, men prisfluktuationer för Ether och Gas gör det svårt att förutsäga vad transaktionskostnaderna i ett verkligt system kan landa på. Simuleringen visar att konsumenter som köper tokens via blockkedjan för att kompensera för sin egen elförbrukning inte upplever stor skillnad i sitt elpris medan prosumenterna kan tjäna betydligt mer genom att kringgå traditionella marknadsplatser för att sälja sina ursprungsgarantier (Castellanos, Coll-Mayor & Notholt, 2017) SOLARCOIN SolarCoin är ett annat exempel där en kryptovaluta används för att efterlikna systemet med ursprungsgarantier, som till skillnad mot systemet ovan, redan används på verkliga marknader. Istället för att bygga på en annan kryptovaluta som i fallet ovan, så är SolarCoin sin egen kryptovaluta som använder godkända solkraftsanläggningar i processen för att belöna miners, dvs. istället för exempelvis Proof of Work. Detta innebär att de som har en solcellsanläggning kan tjäna SolarCoins genom att generera elektricitet. Dessa SolarCoins kan senare säljas, precis som ursprungsgarantier. SolarCoin är alltså ett globalt incitamentsprogram för solcellsanläggningar, och samtidigt är det en betydligt miljövänligare kryptovaluta än exempelvis Bitcoin. SolarCoin drivs av The SolarCoin Foundation, vilka har en kontroll- och certifieringsfunktion i nätverket. Producenter registrerar sin anläggning och deras mätare integreras genom APIer med SolarCoins plattform för att produktionen ska kunna verifieras. SolarCoins belönas till producenter för varje MWh de producerar i ett publikt register. Idag innehåller nätverket över anläggningar (200 MW) i 28 länder och målet är att nätverket ska understödja solcellsproduktionen så att den installerade effekten uppgår till 3000 GW 2050, att jämföra med den nuvarande installerade effekten globalt på ungefär 300 GW (Wesoff, 2017). Anläggningarna behöver inte vara uppkopplade mot ett nät för att kunna erhålla SolarCoins för sin produktion, vilket är en stor fördel för att skapa incitament för småskalig produktion i delar av världen där infrastrukturen för elektricitet är bristfällig. För att upprätthålla efterfrågan på kryptovalutar kan de inte nyproduceras på obestämd tid, det skulle urvattna värdet. Ofta tacklas detta problem direkt i kodstrukturen, exempelvis är taket för antal Bitcoins som kan skapas satt till 21 miljoner Bitcoins, där produktion sker i en avtagande takt ju närmre antalet kommer 21 miljoner. Maxgränsen för antal SolarCoins är satt till 98 miljarder, vilket innebär att SolarCoins kommer nyproduceras i drygt 40 år. Ett större problem för SolarCoin är istället att göra valutan användbar för producenterna. Bitcoin är 39

40 en kryptovaluta som accepteras av över företag som betalningsmetod globalt medan SolarCoin däremot inte är en kryptovaluta som företag generellt accepterar, även om det finns undantag. SolarCoins största utmaningar är därför att utöka sitt nätverk genom att attrahera fler solcellsägare, både storskaliga och småskaliga och försäkra sig om att företag börjar acceptera SolarCoins som betalningsmetod. Företags vilja att exponera sig mot SolarCoins bygger i sin tur på valutans likviditet och förmåga att attrahera konsumenter relativt andra kryptovalutor samt på robustheten i nätverket och den underliggande tekniken. En ytterligare utmaning är att få producenter att vilja dela med sig av produktionsdata. En stor styrka för SolarCoin är det sociala och miljömässiga värde som valutan erbjuder jämfört med andra kryptovalutor (Colarcoin, 2018) EN GRÖN BLOCKKEDJA FÖR ATT ANPASSA URSPRUNGSGARANTIERNA TILL EN DECENTRALISERAD MARKNAD Med ökad andel mindre producenter, skiljelinjer som suddas ut mellan producenter och konsumenter och ett elkraftsystem som består av en allt större mängd olika energikällor och system för energilagring så finns ett behov av P2P elhandel via mikronät (microgrids). Ursprungsgarantierna är i vissa avseenden inte anpassade till den här typen av nya elkraftsystem, där småskalig produktion (> 1 MWh) finns utspritt i ändarna på nätet, snarare än aggregerat på en nationell nivå. I det traditionella systemet finns också risken att en ursprungsgaranti i själva verket inte alls är en garanti för förnybar el. En lång kedja av ägandeskap och en risk för att samma enhet förnybart kan användas för att få fler än en ursprungsgaranti kan skapa misstro mot ursprungsgarantiernas äkthet. I projektet The Green Blockchain av Imbault et al. från 2017 inkorporeras blockkedjeteknik på operativssytemet Predix, vanligen använt inom industrin för att samla och analysera data från industrimaskiner, för att utveckla ett system som kan bidra till optimering av ett mer distribuerat elsystem. Den gröna blockkedjan som artikeln föreslår skulle kunna användas för att administrera utsläppsrätter, elcertifikat och ursprungsgarantier såväl som andra styrmedel för att skapa säkrare och mer transparenta register för bl.a. utsläppsrätter som är anpassade att fungera inom mikrogrid. Den gröna blockkedjan tillämpas och testas i projektet inom ramen för en skola för att övervaka lokal elproduktion och konsumtion. Lösningen tillåter även uppföljning av åtgärder för att öka energieffektiviteten. Blockkedjan som inkorporeras i det befintliga operativsystemet är en privat blockkedja vilket medför en högre grad av skalbarhet, även om en privat blockkedja kan medföra minskad säkerhet och/eller att det skapas en silo-effekt genom att man delar upp systemet i flera olika kedjor. Blockkedjan balanserar själv utsläppsrätter för byggnaden genom att sälja eller köpa utsläppsrätter beroende på den lokala konsumtionen och produktionen. När testet kördes kunde noder bli instabila vid stora transaktionsvolymer, speciellt i de försök då inte endast ursprungsgarantier skulle lagras, utan även produktions- och konsumtionsdata. Slutsatsen från projektet var att blockkedjeteknik är lovande för att skapa säkra och transparenta mät- och övervakningssystem för energirelaterade tillgångar i mikrogrid. Framförallt om utvecklingen fortsätter mot mer decentralisering och lokal produktion i elkraftsystemt. Dock menar författarna att det behövs mer forskning både kring det teoretiska ramverket såväl som på de praktiska tillämpningarna av blockkedjeteknik (Imbault et al., 2017) ELCERTIFIKAT Som tillämpningarna av blockkedjeteknik inom utsläppsrätter och ursprungsgarantier visat så skulle transparensen, spårbarheten och säkerheten eventuellt kunna öka för elcertifikatsystemet genom att använda blockkedjeteknik. Våra efterforskningar har inte visat att några projekt testat att tillämpa blockkedjeteknik för elcertifikatsystemet. Om systemet ska avvecklas före 2030 så kan det vara 40

41 ineffektivt och kostsamt att försöka flytta över hanteringen av elcertifikaten från de fem handläggare som arbetar med processerna idag, till blockkedjenätverk och smarta kontrakt. (Norwald, 2018) BLOCKKEDJEBASERAD PROSUMTION Om ett P2P-handelssystem skulle etableras med hjälp av blockkedjan skulle den genererade elektriciteten vara registrerat på blockkedjan och möjliggöra för prosumenten att helt och fullt ta kommando över sin produkt, sina val och preferenser utan att vara beroende av elleverantören som mellanhand. Forskning inom P2P-handel visar på att en blockkedjebaserad elhandel där mellanhänderna utesluts är möjlig och skulle kunna bli fördelaktig både för köpare och säljare och sedan 2015 har ett flertal blockkedjeföretag tagit sig in på elhandelsmarknaden. Några av de företag som genom blockkedjan möjliggjort P2P-elhandel är Alliander i Nederländerna, Conjoule i Tyskland, Electron i Storbritannien, Energy Web Foundation i Somalia, Haiti, Indien och Argentina, LO3 Energy i Brooklyn, USA och Power Ledger i Australien och Nya Zeeland (Chitchyan and Murkin, 2018). Av dessa företag kommer Power Ledger och LO3 beskrivas närmare nedan POWER LEDGER Det australiensiska företaget Power Ledger startades i maj 2016 för att adressera tre huvudsakliga utmaningar som världens elsystem står inför: 1. Inkludera individer i tätbebyggda områden i den distribuerade energimarknaden. 2. Förändra elnätet för att skapa incitament till att ge sig in i den decentraliserade elhandeln. 3. Minska behovet av mångmiljardsinvesteringar i elnätsinfrastruktur. Power Ledger tillhandahåller en plattform på vilken man som eldistributör, eller på en oreglerad elmarknad, prosument, enkelt kan handla el sinsemellan och få betalt i realtid från ett automatiserat och tillförlitligt system. Tanken är att transaktionskostnaderna ska vara låga, det ska vara möjligt att köpa och sälja överskottsel av sina grannar, transaktionerna ska vara transparenta och lätta att spåra samtidigt som de levererar en affärsmodell med låga investeringskostnader för initiativtagaren (powerledger, 2018). Den som tillhandahåller Power Ledgers modell och system på en elmarknad kallas nedan för application host, eller applikationsvärd, och kan vara en tidigare konventionell eldistributör, till exempel Fortum i Sverige, eller om mellanhänder helt kapas kan det vara prosumenterna själva i ett grannskap eller samhälle. Power ledger är Australiens största gräsrotsfinansierade projektet någonsin och ligger på 14:e plats på listan över världens störsa gräsrotsfinansierade projekt. Den blockkedjeunderbyggda plattformen som Power Ledger tagit hanterar P2P-transaktioner genom att registrera både produktionen och konsumtionen av elen i realtid med ett förutbestämt pris. Plattformen verkar på två lager av blockkedjor, en publik och en konsortium-blockkedja, och använder två typer av valutor, Power Ledger Token (POWR) och Sparkz. Valutorna samverkar på båda blockkedjorna och har olika funktioner. Den första valutan, POWR, är vad som ger applikationsvärden och resterande deltagare access att använda plattformen. Då applikationsvärden inte har tillräckligt med POWR har den inte längre tillgång till plattformen. POWR byts och annulleras via den publika blockkedjan i utbyte mot den andra valutan Sparkz. När applikationsvärden annullerat tillräckligt med POWR kan den inte längre utföra transaktioner på plattformen och måste således erhålla nya POWR att lösa in mot Sparkz för att återfå access. Den andra valutan Sparkz köps och inlöses med fiatpengar (eller riktiga pengar om man så vill, t.ex. kronor) inom individuella handelsplattformar som har stängda handelsekosystem med el och Sparkz. Enkelt uttryckt betalar elkonsumenten pengar för Sparkz, som den sedan kan handla för. 41

42 Prosumenten får Sparkz i utbyte mot levererade kwh och löser in Sparkz mot kronor av applikationsvärden (Sessa, 2018). Figur 14 Schematisk skiss över Power Ledgers modell BROOKLYN MICROGRID The Brooklyn Microgrid Project som initierats av företaget LO3 Energy har sedan april 2016 verkat i Brooklyn, New York för att främja förnyelsebar och decentraliserad P2P handel med solel. Projektets mål är att se hur blockkedjeteknik kan användas för att effektivisera handel av solel grannar sinsemellan och är byggt ovanpå en publik blockkedja, närmare bestämt Ethereum. Byggnaderna som har solcellsanläggningar på taken och deltar i projektet är ihopkopplade med det konventionella distributionsnätet, med transaktioner som styrs av blockkedjan, och ger en bild av hur ett framtida distribuerat system skulle kunna komma att se ut. Implementeringen av projektet kräver smarta mätare av produktion och konsumtion, blockkedje-mjukvara för att effektivisera transaktionerna och smarta kontrakt som utför och bokför transaktionerna automatiskt och säkert. För närvarande utförs och slutförs transaktionerna manuellt; köp och försäljning accepteras av prosumenten och konsumenten innan transaktionen genomförs. Tanken är emellertid att köp och sälj ska ske automatiskt i framtiden, då med specificerade parametrar, t.ex. till vilket pris konsumenten är beredd att köpa för. Transaktionerna kommer då att genomföras per automatik utifrån förutbestämda individanpassade premisser. Ett av projektets mål är således att som prosument kunna skräddarsy sin försäljning och vinna ytterligare nytta i solelsproduktion, inte bara mata elen till distributionsnätet mot ett av eldistributören eller nätägaren reglerat pris. LO3 Energys vision i Brooklyn är att projektet i framtiden ska verka som en kooperativ organisation där de som bor i området och deltar i mikronätet är delägare i företaget. Dessa planer gestaltar idén om att framtidens förnyelsebara elnät ägs av folket, där medlemmar kollektivt tar del av vinsterna som genereras. Detta medför att även konsumenterna blir prosumenter; det räcker att vara en del av kooperativet för att vara delägare i solelsproduktion, även om individen inte har möjlighet till installation av solcellsanläggning (Hasse et al., 2016). 42

43 3.7.3 BLOCKKEDJEBASERADE LÖSNINGAR FÖR E-MOBILITET En av de största utmaningarna för utbrett användande av elbilar i Sverige är tillgänglig laddning ( The Status And Challanges of Electric Vehicles in Sweden , 2016). Om elbilar skulle kunna ladda via privatpersoners eluttag skulle detta bidra till att skapa tillgänglig laddning. En annan lösning är att implementera vägar som laddar bilar medan de kör. Ett av de största problemen för båda dessa lösningar är i så fall att skapa ett enkelt, säkert och integritetskyddande betalningssystem. Nedan redovisas projekt som syftar till att öka e-mobiliteten i kraftsystem genom att underlätta laddning för elbilar OSLO2ROME En lösning som rullats ut i Tyskland är appen Share&Charge, med över 1000 registrerade användare och 1250 laddningsstationer. Appen bygger på Ethereum och smarta kontrakt och låter kunden ta del av säkra P2P-transaktioner, utan att ens behöva veta att appen bygger på blockkedjeteknik. Appen låter ägare till laddningsstationer sätta sina egna dynamiska priser och den inbyggda plånboken i systemet hanterar alla delar av betalningen, helt transparent. Fortum var 2017 del av ett projekt kallat Oslo2Rome vars mål var att testa ett landsöverskridande laddningsnätverk baserat på Ethereum och smarta kontrakt genom Share&Charge. Alla elbilar lyckades ta sig från Oslo till Rom genom att använda Share&Charge-appen och de blockkedjeintegrerade laddningsstolparna. Elbilarna kunde ladda på samtliga stationer utan att behöva bry sig om vem som försåg dem med elektricitet i de olika länderna, och de kunde kontinuerligt se sin transaktionsdata (Oslo2Rome - putting blockchain to the test Engerati - The Smart Energy Network, 2017). Slutsatsen från projektet var att det är möjligt att åstadkomma ett gemensamt EU-nätverk för laddning av elbilar genom att använda blockkedjeteknik, där blockkedjetekniken kan förenkla laddningen för slutkunden och skapa ett billigare betalsystem för laddningsoperatören (Naucler, 2018) BLOCKKEDJEBASERAD BETALNINGSLÖSNING FÖR ATT UPPRÄTTHÅLLA INTEGRITET I DYNAMISKA PRISERBJUDANDEN Med ökat laddningsbehov för elbilar så kommer också nya laddningsstationer bli en allt större del av infrastrukturen. Dessa laddningsstationer kommer, med en allt större användning av smarta elnät, kunna erbjuda elbilar olika priser beroende på mängden el bilen behöver, elpris och laddningstid. Som ett exempel skulle en konsument kunna få ett billigare pris om konsumenten är villig att ladda över en längre tid, vilket tillåter en mer flexibel tillförsel av el, än om konsumenten vill ladda mycket el under en kort tidsperiod mitt under den elektriska rusningstiden, dvs. när elkonsumtionen är som störst. Flera studier har visat att den här typen av dynamiska prisförslag som möjliggörs av smarta elnät medför problematik kring konsumenters integritet (Lisovich, Mulligan and Wicker, 2010; Mckenna, Richardson and Thomson, 2011; Chen et al., 2015). För att lösa integritetsproblematiken behövs system som låter kunder skicka prisförfrågningar till laddningsstationer för att kunna avgöra vilken närliggande station som kan erbjuda det lägsta priset, och som samtidigt inte kompromissar konsumentens integritet genom att avslöja elbilens position eller energibehov. Istället för att använda en betrodd, men kostsam, mellanhand som kan sköta förmedlingen mellan laddningsstationer och elbilsförare kan en blockkedja användas. I Knirsch et als studie Privacy-perserving blockchain-based electric vehicle charging with dynamic tariff decisions från 2018 användes en blockkedja för att låta elbilsföraren hitta den optimala laddningsstationen genom att skicka ut en prisförfrågan som laddningsstationerna sedan budar om. Samtidigt kompromissas inte elbilsförarens integritet genom att avslöja dess exakta position, som sedan kan användas för att kartlägga konsumentens resvägar, rikta marknadsföring etc. Kommunikationen mellan parterna och den data som lagras i blockkedjan hålls till ett minimum, vilket möjliggör att systemet kan implementeras i en existerande blockkedjeteknik, exempelvis Ethereum. 43

44 Systemet designas i fyra faser: 1. Förfrågningsfasen Elbilen skickar ut en prisförfrågan inom en geografisk position. Positionen kan inte länkas till elbilen, då alla deltagare i nätverket är anonyma och endast identifieras med en identitetsmarkör i blockkedjan. 2. Budgivningsfasen Alla laddningsstationer inom den geografiska positionen lämnar ett pris till elbilen, budgivningen sköts i blockkedjan och är således helt decentraliserad och transparant. 3. Utvärderingsfasen Elbilar tar ett beslut om vilken av buden som ska accepteras. Ingen får del av informationen om vilket av buden som accepteras utöver elbilen och den valda stationen. Budet som accepteras lagras in i blockkedjan genom en Commitment scheme, vilken har de kryptografiska egenskaperna att deltagarna binds till ett bud, samtidigt som värdet av budet hemlighålls, ända tills deltagaren öppnar budet. Detta gör att ingen utomstående kan veta vilket bud som accepterades, även om budet lagras i blockkedjan och representeras av en hashsträng. 4. Laddningsfasen Kommunikationen sker direkt mellan laddningsstationen och elbilen, och således behöver ingen information lagras in i blockkedjan. Elbilen identifieras som den som har accepterat budet genom att öppna budet inom ramen för Commitment scheme. Fördelarna med designen är att ingen får veta elbilens exakta position, ingen får veta till vilket pris elen sålts utöver elbilen och den valda stationen och elbilen kan inte spåras över tid (Knirsch, Unterweger and Engel, 2018) CHARG COIN Charg Coin är en startup som erbjuder en plattform där privatpersoner på ett säkert sätt kan sälja elektricitet direkt till elbilsägare. Idéen är att öka tillgången till laddningsstationer för elbilsägare och samtidigt se till att priserna på laddning för elbilar hålls nere. Charg Coins nätverk består av laddningsstationer som ägs av privatpersoner som elbilsförare får tillgång till via en app och genom s.k. Charg Coins. Nätverket bygger helt på valutan Charg Coin, som används för att handla el från laddningsstationerna i nätverket. Valutan lagras i s.k. Charg Coin Wallets, nedan kallad plånboken, varifrån användare kan utföra transaktioner via smarta kontrakt i både HyperLedger- och Ethereumnätverket. Transaktionerna mellan laddningsstationerna och elbilsförarna sker automatiserat genom plånboken. S.k. smarta strömbrytare kan genom att kopplas upp mot ett trådlöst nätverk starta och stänga av elbilens möjligheter att ta ut elektricitet från laddningsstationen beroende på hur mycket Charge Coins som registrerats från en elbilsförare. Blockkedjan innehåller all nödvändig information om transaktionen, som laddningsstationens pris per minut och start- och stopptid vilket gör att allting kan skötas direkt via smarta kontrakt. Charg Coin kan handlas mot andra kryptovalutor, och kan på så sätt omsättas i fiatpengar (Charg, 2018) BETALNINGSLÖSNINGAR FÖR ELEKTRIFIERADE VÄGAR En lösning på laddningsproblemet för elbilar är att bygga s.k. elvägar, dvs. vägar som kan ladda elbilar medan de kör. Två pilotprojekt har genomförts i Sverige: 1. E16 utanför Sandviken invigdes 2016 och består av 2 km där lastbilar med hybridmotorer kan ladda från elledningar i luften. 44

45 2. E-Road Arlanda består av en elskena i marken där personbilar såväl som lastbilar laddas under körningen (Trafikverket, 2016). Ett problem som behöver lösas för att elvägar ska kunna installeras för kommersiella syften runt om i Sverige är betalningen. Betalningssystemet som tillämpas behöver kunna hantera en rad olika aktörer som vill ha betalt för både el och infrastruktur, vara tillräckligt flexibelt för att kunna hantera olika affärsmodeller, vara skalbart, öppet och kunna generera fakturor samt verifiera dessa om en bilägare ifrågasätter sin betalningsskyldighet (Gustavsson et al., 2015). Genom att utrusta bilar med en smart mätare så kan betalningen skötas transparent och säkert när mätaren kopplas till ett betalsystem i blockkedjan när bilen befinner sig på elvägen. Om en publik blockkedja används skulle varken Ethereum, Bitcoin eller Hyperledger klara av att hantera den mängd prognostiserade transaktioner per sekund som skulle ske på elvägarna Genom att använda s.k. Payment channels mellan betalvägen och den enskilda bilen, där en del av transaktionerna flyttas utanför blockkedjan, samt Proof of Stake som konsensusalgoritm skulle skalbarheten i blockkedjan kunna bli tillräckligt bra för att kunna hantera transaktionsmängden. Ytterligare ett alternativ för att skapa tillräcklig skalbarhet är att använda en privat eller konsortiumblockkedja där företag verifierar transaktionerna och där elbilarna endast är klienter i systemet. I båda fallen kan smarta kontrakt användas för att komma överens om villkoren för betalningen, och se till att elbilsföraren enkelt kan köpa elektricitet utan enskilda avtal med olika elhandlare eller nätägare (Hagström and Dahlquist, 2017) BLOCKKEDJETEKNIK SOM MÖJLIGGÖRARE AV EFTERFRÅGEFLEXIBILITET En av de största utmaningarna för Sveriges elkraftsystem är att svängmassan minskar när värmekraftverk ersätts med bl.a. vindkraftverk, samtidigt som elproduktionen blir allt mer väderberoende och därmed oförutsägbar. Reglerkraft, flexibilitet och tröghet kommer därför bli allt mer efterfrågade systemtjänster (se mer under avsnitt 3.4.7). Ett sätt att skapa flexibilitet i systemet är genom att försöka skapa incitament för att konsumenters efterfrågan på elektricitet ska bli flexibel. Idag är flexibiliteten i det svenska systemet begränsat till viss elintensiv industri men hushållens elkonsumtion är en outnyttjad resurs i elkraftsystemet då drygt hälften av hushållen i Sverige skulle kunna tänka sig att vara flexibla med sin elanvändning eller eluppvärmning (Broberg et al., 2014). Hushållens efterfrågeflexibilitet skulle kunna användas för frekvenshållningen, för att minska effektreserven, förbättra resursanvändningen och för att åtgärda lokal nätbelastning när ökat antal elbilar och en högre grad av prosumtion kan överbelasta näten lokalt (Alvehag & Werther Öhling, 2016). Efterfrågepotential för hushåll skulle kunna ökas genom att hushållen reglerar sin elanvändning för uppvärmning genom att sänka temperaturen eller genom att hushållen varierar sin elkonsumtion efter timpriset. Under vinterhalvåret och låga utomhustemperaturer är den estimerade efterfrågeflexibiliten mellan och MW om uppvärmningen av hälften av Sveriges hus som värms av el skulle förläggas till en senare tidpunkt. Efterfrågeflexibiliten växer med några hundra MW om även hälften av hushållen i Sverige skulle kunna vara flexibla med sin övriga elanvändning. Smarta kontrakt har potential att kunna automatisera efterfrågeflexibilitet hos både industrikunder och hushållskunder. Ett stort antal laster från hushållens elkonsumtion skulle även kunna samlas ihop via smarta kontrakt och skulle då kunna erbjudas som upp- eller nedregleringsbud till systemoperatören (Sten & Åström, 2016). Även blockkedjebaserade system för smarta hem är under utveckling (Hasse et al., 2016), där blockkedjan har en nyckelroll för kontroll av information samt automatiserade beslut genom att smarta kontrakt sköter kommunikation och ser till att beslut efterföljs i olika enheter. I och med att allt fler elbilar introduceras på marknaden tillgängliggörs även en stor resurs av 45

46 distribuerad energilagring. Som nämnts under avsnitt blir reglerkraft en allt mer efterfrågad systemtjänst och när elbilarna är parkerade i genomsnitt 90 % av dygnets timmar skulle de under den tiden kunna användas till energilagring och frekvensstabilisering i kraftssystemet (Gustafsson and Thurin, 2015). I takt med att pris-prestanda för batterier förbättras blir en V2G, Vehicle to Grid, lösning allt mer lönsam. Syftet är att göra elbilen till en dynamisk aktör på elmarknaden som både kan ta emot och leverera effekt till och från elnätet för att hjälpa till att balansera konsumtion och produktion. Elbilens flexibilitet skulle inte bara kunna användas för att stabilisera en allt mer volatil och väderberoende energimarknad utan även ge ekonomisk vinning till privatpersoner. 70% av laddningen av elbilar sker hos hushållen, vilket öppnar upp för att sälja användarflexibilitet. Om en ökad andel av flexibiliteten i systemet ska komma från kunderna, exempelvis genom kundernas elbilar, så måste dessa funktioner åtminstone delvis vara automatiserade (Valestrand, 2017). Genom blockkedjebaserade smarta kontrakt skulle systemet automatiskt kunna optimera när elbilar ska användas för att lagra energi och när de ska laddas, beroende på elpris och förväntad tid tills bilen ska användas etc. (Dorri et al., 2017). 46

47 4 UTVÄRDERING/RESULTAT 4.1 BLOCKKEDJETEKNIK SOM MÖJLIGGÖRARE AV EFTERFRÅGEFLEXIBILITET SYSTEMBESKRIVNING Genom att basera energitransaktioner på smarta kontrakt kan konsumtionen hos både industrikunder och hushållskunder ändras automatiskt beroende på parametrar som exempelvis elpris och prognostiserad elförbrukning under nästkommande timme. Flexibiliteten kan både regleras genom att kunderna sänker eller höjer sin elförbrukning och genom att el kan lagras in i exempelvis hushållets elbil. Smarta mätare används för att läsa in data och tillsammans med smarta kontrakt sköts balansansvaret under efterhandeln. Potentiell flexibilitet från ett större antal hushåll kan samlas ihop via smarta kontrakt och erbjudas som upp- eller nedregleringsbud till systemoperatören (Sten and Åström, 2016). Driftplaner för hushållens produktion och konsumtion kan skötas av en samordnande enhet, för att ge systemoperatören bättre förutsättningar att kunna planera kommande drifttimme. Samtliga transaktioner för att köpa eller sälja el, registrera upp- och nedregleringsbud och justera balansen i efterhandeln sker och lagras genom en blockkedjebaserad plattform (Jämför med systemskiss i avsnitt 3.4.3). Figur 15 Systembeskrivning av processerna för att utnyttja användarflexibiliteten genom blockkedjan 47