基于区块链的可再生能源消纳激励机制研究

赵国涛，钱国明，丁泉，黄超

（国电南京自动化股份有限公司，南京210032）

0 引言

2020 年9 月，我国政府宣布力争于2060 年前实现碳中和，这不仅是应对全球气候变化所做的积极承诺，更是我国为实现全社会低碳转型所确定的主要目标。该目标的确定，将促进我国能源企业加速绿色低碳转型，可再生能源行业将迎来“倍速发展”的机遇。

目前，国内可再生能源的消纳形势仍然比较严峻。根据全国新能源消纳监测预警中心数据，2019年全国年均弃光率和弃风率分别为2.03% 和3.95%。而按照中国光伏协会（CPIA）的预测，预计“十五五”期间，风电年均新增装机容量可达60 GW，光伏年均新增装机容量可达150 GW。在未来可再生能源装机容量倍速增长的前景下，电力系统平衡压力和电网调度能力都将面临较大挑战。因此，预计未来风光弃电率大概率会出现反弹，可再生能源消纳的压力也会骤增。另外，随着新形势下可再生能源消纳保障机制的实施，所带来的诸如消纳责任权重分配的均衡性、相关设备设施的配套性、消纳主体的积极性和市场化运行机制的灵活性等问题，也都为消纳前景带来更多变数和挑战。

目前对于可再生能源消纳方面的研究，主要集中在政策、技术和市场3 个层面。如关注政策方向的补贴［1］和激励［2］措施，关注可再生能源消纳方面的建模研究［3-4］，关注可再生能源与电力市场［5］或“绿证市场”［6］的关联研究等。另外，智能电网、光储技术、虚拟电厂等技术的应用，也能从客观上促进可再生能源的消纳。总体看，这方面的技术研究取得了一些积极的进展，但基本上还是在传统技术和政策范围内进行探讨，对于可再生能源消纳在市场开发机制方面的研究还不够深入。因此，为建立以消费侧责任为主、市场化运行为基础的发展机制，有效促进可再生能源消纳，有必要关联更多新的技术形式和市场机制，从新的视角思考消纳问题。

根据区块链技术的基本特点，以可再生能源的消纳为研究对象，从激励机制的思路设计入手，阐述区块链技术在促进可再生能源消纳方面的设计思想，探索更多有利于促进消纳的新型商业模式。

1 区块链技术在能源领域的应用

随着分布式能源的发展和绿色能源理念的日益普及，传统能源的转型需要更多突破性新技术、新机制的支持，区块链技术在能源电力领域的应用也由此受到更多的关注。此领域的研究主要集中在3个方面。

（1）能源互联网。目前此方向研究热点是数据确权问题，毕竟能源互联网运行和发展的基础是数据或信息带来的效益增量［7］。利用区块链技术的分布式账本和工作量证明机制，可实现数据信息的定位保管与价值变现。另外，能源互联网的数据隐私保护问题，也可通过区块链技术得到有效解决。

（2）综合能源服务。目前此方向研究内容多集中在能源生产管理方面，即通过区块链技术与生产机器的结合，将能源生产流通各个环节产生的信息进行真实性流转、可信度采集和安全性保障［8］。区块链技术去中心化和开放共享特点，可以为区域能源规划带来新的设计理念，还可为契合综合能源服务的能源区块链设计提供新的思路［9］。

（3）能源交易。区块链技术在能源交易领域的应用已成为研究热点，大致可分为5个角度。

1）竞争博弈关系研究。马天男等人［10］在综合分析微电网各市场主体需求与收益的基础上，构建了基于区块链技术的系统竞争博弈模型，并提出优化算法进行求解。此类研究对于探讨市场的利益分配和经济性评价具有积极意义。

2）系统调度优化研究。张艺等人［11］针对综合能源系统调度过程中的信息安全问题，提出了基于区块链技术的服务调度优化模型，试图解决系统的经济收益与环境效益问题。此类研究能够为各种系统的运营管理与调度优化提供决策支撑。

3）交易结算与定价研究。卞朝晖等人［12］对电力交易中的结算流程进行优化，提出一种基于智能合约的电费结算方法，提高交易效率。此类研究与交易各方的竞争博弈密切相关，只是侧重关注针对实时交易过程的应用效果。

4）需求侧响应研究。李彬等人［13］利用区块链技术，改进能源局域网的储能技术，提高了自动需求响应的合理性与有效性。此类基于多能交易的研究，对各种能源的互济互补、提高系统收益是一种有益的尝试。

5）能源交易平台技术研究。王蓓蓓等人［14］利用智能合约和共识机制，选择与交易方案契合的技术；王云泽等人［15］以系统中各节点为关注对象进行交易平台设计研究；穆程刚和李轩等人［16-17］以点对点交易为研究目标，进行交易系统开发与交易方法研究等。此类研究多集中关注交易过程本身，突出体现区块链技术与能源交易的契合度。

总体看，区块链技术在上述3 个方面的应用研究并无太显著的界线分隔，只是关注的侧重点不同。在能源交易方面，现有研究主要以针对交易机制、交易模型和交易技术的讨论为主，较少涉及交易系统之外的市场行为研究，尤其有关交易激励的研究尚不多见。实际上，交易市场主体激励机制的建立，对于交易理论、交易技术的落地应用至关重要。交易市场的繁荣及可持续发展离不开各市场主体的参与热情，合理的激励机制有利于激活能源交易市场，保证交易系统中各方利益的最大化。

2 可再生能源消纳激励机制的设计

随着国家“碳中和”目标战略的确定，可再生能源的消纳问题备受关注。除了绿电交易的相关技术，绿证交易及其应用也是近期的研究焦点。张显等人［18］针对超额消纳量这个主题，借助区块链技术，从概念内涵、交易机理、交易结算、交易结算等多角度阐述凭证交易系统的建立过程，有助于促进可再生能源市场化消纳；张元星等人［19］结合我国可再生能源配额制度，建立基于车联网平台的绿色能源证书交易体系，并通过区块链技术实现绿证的本地生成与数字加密，为激活绿色能源市场进行了积极的探索；裴求根［20］借助区块链技术，提出了智慧能源管理平台的设计架构，并应用于绿证发行管理，为智慧能源的发展提供了新颖的途径。本质上，绿证制度的设计与建立本身就是一种促进可再生能源消纳的激励路径。现有的关于绿证应用研究多集中于交易过程与证书管理方面，真正与“低碳”概念相关的研究报道尚不多见。

提出可再生能源消纳的激励机制，基于区块链技术的基本特点，以区块链平台绿电交易为基础，以区块链能源碳通证为特征媒介，以调动市场各方积极性为目标，以更多新型商业模式的涌现为期望进行思考和设计，如图1所示。

区块链技术背景下，可再生能源消纳激励机制大致的设计思想如下。

图1 基于区块链技术的可再生能源消纳激励机制设计Fig.1 Design of the incentive mechanism for renewable energy consumption based on blockchain technology

（1）区块链技术具有分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法、安全性、透明性和自治性等诸多特点，这就为区块链能源交易平台的建立提供了良好的技术基础。

（2）在区块链能源交易平台上，可借助区块链加密算法和私有链技术，以接口服务的形式支持绿证的登记、交易、流通和注销等管理业务，对绿证交易记录进行存储和共享；可通过创建智能合约实现绿电交易、碳交易、节能量交易、用能权交易和排污权交易，从而将可再生能源消纳与不同交易市场联系起来。

（3）在区块链能源交易平台上，借助区块链技术的工作量证明机制和权益证明机制，以各交易市场计算的减碳量为统一核算标的，以是否拥有减碳量这个碳信用载体作为区块链能源碳通证的准入门槛，从而有机会参与记账权的争夺，并分析可再生能源交易市场各方的博弈关系，从技术上设计相关的奖惩机制。

（4）区块链能源碳通证的产生，可以为参与可再生能源消纳的各市场主体，尤其是投资方带来更多经济收益、社会效益和开展绿色金融的机会。

（5）随着区块链能源碳通证的应用，可再生能源消纳市场发展迅速，可催生更多有利于促进消纳的新型商业模式，进一步促进可再生能源的消纳。

3 区块链能源碳通证的产生与应用

3.1 区块链能源碳通证的产生基础

区块链能源碳通证是以智能合约的编写为前提，通过区块链平台的能源交易过程创建的一种新型数字通证。该数字通证的设计目的是采用一种“计量或计数”载体来区分市场各参与方的贡献与角色定位，为不同市场交易产生或折算的减碳量提供计算参照物。这样就能将各市场对减碳的贡献度统一度量，进而凭借区块链技术的不可篡改性及公开性使这种贡献度具备一定的公信力。碳通证的存在，可以连接与可再生能源相关的产品和服务，并在一定程度上实现价值的有效转移，其产生的基础是绿电交易及其他关联交易市场。

现以新能源微电网群系统参与绿电交易的过程为例，阐述区块链能源碳通证的产生基础，如图2所示。

图2 区块链能源碳通证的产生基础示例Fig.2 Demonstration of the creation of energy carbon token based on blockchain

区块链能源碳通证的产生基础包括3 个方面：准入前提、技术基础和参与方。

（1）准入前提。能够参与能源碳通证产生过程的前提，是参与者必须拥有被核准的“减碳量”。“减碳量”作为计算标的，其产生过程与多市场交易过程紧密相连，是连接不同交易市场的媒介。例如，绿电交易（通过购电合同确认）电量可折算为减碳量；碳交易市场可产生减碳量，节能量市场的认证节能量可转化成减碳量；而绿证市场的可再生能源发电交易量，可折算成节能量，再折算成减碳量；用能权市场交易的用能总量指标，在一定的场景下可以换算成节能量，再折算成碳减排量；排污权市场中企业富余的排污权配额，可折算成处理相应当量的污染物而消耗的节能量，再折算成减碳量等。按照国家发布的认证审核流程与碳排放方法学规定，这些减碳量都是可以量化计算且能被核证的。只有拥有核证减碳量的市场主体，才有资格获得参与竞争记账权与能源碳通证机会。

（2）技术基础。能源碳通证的产生离不开以区块链平台为核心的技术基础。图2所示的区块链平台及其分层结构，是根据国际标准化组织（ISO）提供的开放性互联参考模型（OSI）进行的简化。其中，PoW，PoS，BFT，IP，IPX 和OSPF 分别为工作量证明共识、权益证明共识、拜占庭容错共识、网际互联协议、互联网分组交换协议和开放式最短路径优先协议。在这样的区块链平台下，至少可以保证各市场主体完成上述各种与能源相关的交易和能源碳通证的交易。这些交易过程可借助智能合约实现，智能合约的内容包括交易量、交易价格、交易时间、信息传递等。通过这个平台，各参与方才有机会获得能源碳通证。

（3）参与方。以微电网群参与交易市场为例，如图2 所示的交易市场参与方包括：拥有新能源微电网的发电商、拥有储能系统的发电商、普通的能源需求用户、能源产/耗用户。其中，前两者可归于微电网群系统，而能源产/耗用户是指本身既是能源需求方，同时也拥有可再生能源发电设施的用户。

在这样的场景下，存在2种主要绿电交易方向：微电网群系统→用户侧的A方向和用户侧→微电网群系统的B 方向。用户侧各产/耗用户之间、微电网群系统内部各成员之间也可进行绿电交易。同时，包括新能源微电网群系统和各用户作为一个整体，也可与外界进行信息交换和不同市场交易。因此，这种多成员、多方向、多交易标的的场景，客观上就为区块链能源碳通证体系的创建产生了客观需求。

3.2 区块链能源碳通证的产生

3.2.1 产生的机制

区块链能源碳通证的产生过程，可以看成是PoW与PoS共同作用的结果。

一方面，获得准入并参与可再生能源交易的各方，可视为区块链网络中的各个节点。各节点之间存在一定的博弈关系。通过数学运算计算出一个满足规则的随机数，按照“最长链通赢”原则，只有最长的区块链才能被记作有效链，即获得本次记账权和能源碳通证的奖励，发出本轮需要记录的数据，全网其他节点验证后一起存储。在这种工作量证明机制下，各方博弈竞争的结果取决于其所拥有的算力与资源。

另一方面，在新一轮记账权的争夺过程中，参与可再生能源交易的各市场主体（节点），需要比较其已经拥有权益（能源碳通证）的多寡及持有时长，进而决定区块链记账权的概率。在这种权益证明机制下，节点记账权的获得难度与节点持有的权益成反比，可在一定程度上缩短共识达成的时间。

在这种混合机制下，PoW 与PoS 对于能源碳通证产生的影响程度是值得探讨的，毕竟这涉及资源浪费和公平理念方面的争议。

3.2.2 资源浪费与公平性问题的解决

在PoW 机制下争夺记账权的过程中，由于计算机产生的信息与产热之间的熵比值非常低，且只有获胜者消耗的电力具有价值，这就造成了对能源的巨大浪费。在PoS 机制下，虽然不存在能源和资源浪费问题，但拥有较大权益的一方对于新区块的产生具有绝对的话语权，是资本至上现象在数字领域的延伸，体现出明显的不公平性。另外，在这2种机制下，现实博弈的结果就是呈现强者恒强的马太效应，有悖于区块链技术创立的理念初衷。

为解决资源浪费与公平性问题，能源区块链碳通证的产生遵循PoW+PoS 的混合机制。在这种混合机制下，工作量证明法则支持者和权益证明法则支持者都有赢得新区块的机会，但2 种支持者获胜的几率可以根据实际应用的需要进行确定。

对于能源碳通证的产生过程，在设计方面应更倾向于PoS 机制，获胜几率更倾向于权益证明法则支持者。这是因为，该数字通证的产生基础来自减碳量这个主题。初期，拥有大量减碳量资源的节点，自然有机会获得更多的权益。在争夺新区块的博弈中，这些更多权益占有者，自然拥有更多的话语权。实际上，从节能减排的角度看，这种设计也是一种潜在的激励，以鼓励更多的市场参与者加入到自愿减排的过程中。

针对能源碳通证的产生，在规则制定方面可以采取2种策略：

（1）可以按一定比例（例如三七开）分别计算PoW 和PoS的竞争结果，综合得分最高者为获胜者，可获得区块记账权，同时得到能源碳通证的奖励。

（2）在获胜几率确定与设计完成后，PoW 和PoS的支持者分别进行挖矿，自由竞争。无论哪一方获胜，平台都予以认可，并进行记录和广播。

另外，为解决PoW 机制中数据处理效率低、节点阻塞和资源浪费问题，在上述混合机制设计之外，还可考虑在系统中应用其他共识机制，如拜占庭容错算法（PBFT）等。当然，没有一种机制设计是完美的，关键看应用层面的重点和主题。

总之，借助区块链技术产生的能源碳通证，不仅能够解决可再生能源交易问题，也能从设计层面为各市场主体提供消纳激励导向。

3.3 区块链能源碳通证的应用

通过区块链平台产生的承载碳信用信息的能源碳通证，可以从3 个方面为参与可再生能源消纳的各市场主体，尤其是为光伏（风电）业主带来收益：直接经济收益、持续社会效益和绿色金融业务拓展机会。

（1）直接经济收益。借助区块链系统具有对等网络（P2P）点对点交易的特性，进行能源碳通证交易的各方无需通过中心化平台就可直接进行交易，从而显著提高价值传递的效率。因此，特定场景下的能源碳通证交易可实现资产流转与升值、权益分享与流动，从而有机会给市场各参与方带来直接经济收益。基于可量化碳信用的数字通证无涉股权和债权，拥有能源碳通证的市场参与者可以用来进行抵押融资。因其公开性与不可篡改性，可避免或减少传统资本市场中欺诈、造假现象的发生。对于可再生能源的投资方而言，通过能源碳通证进行融资，也可部分解决资金流动性问题。从行业整体发展看，引入能源碳通证能够为可再生能源交易市场带来新的发展动力与市场活力，有利于衍生出更多促进消纳的新型商业模式。

（2）持续社会效益。投资可再生能源的业主可以按照国家规定的有关程序，参与绿色制造体系认证。企业开展绿色制造体系认证，就有机会在绿色产品、绿色工厂、绿色工业园区和绿色供应链等多个层面获得政府资助并获颁统一认证标志，进而可作为进行市场竞争和业务拓展的准入通行证。在认证过程中，参与申报的企业必须有切实可量化的低碳技术与绿色行动。可再生能源发电商在提供绿色电力的同时，同样需要对低碳技术进行“量化”。而这个“量化”的过程，就可以通过应用区块链能源碳通证来实现。毕竟，通过区块链平台产生的能源碳通证，其本身也负载着诸如减碳量、节能量、绿电发电量等信息，而且这些信息的安全性是有保障的。因此，区块链能源碳通证在可再生能源消纳领域的应用，能够为市场各方践行绿色发展理念，提升企业形象与品牌效应带来更多的契机。

（3）参与绿色金融。上海证券交易所曾于2018年颁布《上海证券交易所服务绿色发展推进绿色金融愿景与行动计划2018—2020 年》，旨在推动股票市场支持绿色发展，大力推进绿色投资。对于上市公司而言，借助区块链能源碳通证这个技术媒介，通过抵押和信贷，就有机会开展更多绿色金融业务，发行绿色债券、资本市场再融资等。相信随着随着国家对于绿色、低碳理念的深入贯彻，类似上交所这样的政策和行动还会陆续出台，未来以区块链技术为基础的金融业务，必将在更广维度、更深层次得到广泛的发展。

3.4 可再生能源消纳新型商业模式的探索

未来，将区块链技术用于可再生能源消纳过程而开发的商业模式，可以从以下3个方面进行思考。

（1）实现区块链交易平台投资主体的多元化。以区块链能源碳通证为金融属性的媒介，将参与可再生能源消纳的市场各方紧密联系起来，激发各方对区块链技术在能源领域应用进行投资和试点的积极性。例如，发电方可委托电网企业通过区块链平台进行代售电，从而获得其对于可再生能源探索新型商业模式（如“隔墙售电”）的支持；电力零售商因其在一定区域内掌握土地/屋顶资源和客户资源，有助于扩展区块链节点的延伸广度和深度，从而有利于新型商业模式的试点与推广。

（2）提高区块链交易平台的增值潜力。区块链能源碳通证的应用范围，不只局限于参与可再生能源消纳的各市场主体，还可向市场周边进行延伸，从而形成以区块链平台为中心、以能源碳通证为流通介质的区域能源消纳共同体。除了用于能源交易，区块链平台还可与社区管理方、公用事业部门、交通部门进行协作，从区块链系统中提取和解析数据，进行用户行为分析，形成以区块链系统为中心的社群生态体系，让所有市场参与者及关联者都从中受益，从而实现区块链平台增值和可持续发展。

（3）提高区块链平台自身功能的集成性。如前所述，能源碳通证的产生过程离不开碳市场与可再生能源证书交易市场，因此有必要丰富平台自身功能的集成性。例如，借助区块链的不可篡改特性，可以集成绿电认证功能和碳证核发功能，使得绿色电力能够更加方便地进行自证；集成人工智能（AI）技术，借助先进的机器学习算法，使平台中的AI 为能源网络的管理和设备优化提供最佳的解决方案；可以考虑建立区块链电力零售供应平台系统，让用户能够以接近批发价来购买可再生能源电力，针对价格浮动，通过智能代理为用户进行能源实时买卖，引导用户做出明智的电力消费决定，从而促进可再生能源的消纳等。被赋予多种功能的区块链平台不仅能够为能源用户及周边社区提供商业服务，而且也有利于促进市场各方的利益连接，进而为更多新型商业模式的涌现提供技术基础。

总之，借助区块链技术产生能源碳通证，并不断深化其在不同场景的应用，不仅可以从市场层面为参与可再生能源消纳的各市场主体带来更多经济收益，而且能够激发市场活力，提升各方参与可再生能源市场的积极性，进而衍生出更多有利于消纳的市场机制与商业模式。

4 结束语

可再生能源的消纳问题关乎碳中和与碳达峰总体目标的实现，需要借助体制、技术和经济手段协同解决。运用区块链技术，从能源碳通证入手，研究有利于促进消纳的激励机制，探讨该机制下与消纳过程相关的市场各方所能获得的利益与机会，是新兴技术参与解决能源消纳问题的一次初步尝试。有关能源碳通证与区块链更深入的技术关联及技术细节研究，还有待在未来进行进一步探讨。