Por qué el mercado energético necesita arquitecturas descentralizadas

Una de las razones de la gran popularidad de las criptomonedas es que permiten un sistema económico descentralizado. Este punto se considera unánimemente fundamental en el mundo de las criptomonedas, donde el peor insulto para un proyecto es llamarlo "centralizado". Sin embargo, la definición de descentralización apenas se entiende. Y lo que es peor, un estudio reciente demuestra que las criptomonedas no están tan descentralizadas como se podría pensar, teniendo en cuenta que los cuatro primeros mineros de Bitcoin y los tres primeros de Ethereum controlan más del 50% de la tasa de hash.La descentralización se explica a menudo en términos de la arquitectura de comunicación de una red, y se suele distinguir entre redes descentralizadas y distribuidas. Esta famosa imagen explica las diferencias de forma elocuente:

Diferencias entre arquitecturas centralizadas, descentralizadas y distribuidas

La imagen es en cierto modo autoexplicativa, pero podemos intentar dar una definición tentativa de las tres arquitecturas:

arquitectura centralizada: la información pasa de un solo nodo
arquitecturas descentralizadas: no toda la información pasa de un solo nodo
arquitecturas distribuidas: los nodos sólo se comunican con sus vecinos

Esta definición (muy personal) hace de las arquitecturas distribuidas una subclase de las arquitecturas descentralizadas. Esta imagen fue publicada por primera vez en 1964 por Paul Baran, pionero en el campo de las redes informáticas. Cuando Baran publicó su trabajo, estaba considerando las redes distribuidas para aumentar la resistencia de la estructura de comunicación nacional en el contexto de una posible guerra atómica:

...se puede demostrar que se pueden construir estructuras de sistemas altamente sobrevivientes, incluso en la era termonuclear

- Baran, Paul. "Sobre las redes de comunicaciones distribuidas". IEEE transactions on Communications Systems 12.1 (1964): 1-9.Desde este punto de vista, en el que la red de comunicación es operada por una entidad de confianza (el gobierno) y la arquitectura tiene como único objetivo garantizar la comunicación, no hay más necesidad de considerar la descentralización bajo otros aspectos. En este post sobre el significado de la descentralización, Vitalik Buterin explica por qué, en el caso de las criptomonedas y las tecnologías de libro mayor distribuido, es necesario ampliar la definición del grado de descentralización de un sistema:

descentralización arquitectónica: coincide con la definición dada por Baran. El sistema debe estar geográficamente dislocado para ser robusto frente a ataques maliciosos. El supuesto implícito es que los costes de los atacantes son sublineales: destruir una unidad central muy grande es más barato que destruir miles de unidades de comunicación dislocadas más pequeñas.
Descentralización política: las decisiones relativas a los protocolos de funcionamiento de la red deben ser tomadas por varias personas/organizaciones sin intereses concurrentes en la manipulación de la red. Este aspecto es importante una vez que salimos de un entorno mental de "nosotros" contra "ellos", en el que se confía en el operador de la red y el sistema debe estar protegido contra los ataques de extraños. Obsérvese que en el caso de las criptodivisas la formación de cárteles es totalmente esperable -Vlad Zamfir. La historia de Casper - Capítulo 4.
descentralización lógica: se refiere al "estado" del sistema, donde "estado" significa todos los datos disponibles a través de la red. La plataforma bittorrent está lógicamente descentralizada, ya que los datos de la red son almacenados por los pares, cada uno de los cuales almacena sólo una parte de todos los datos disponibles. La red Ethereum, y las DLT en general, están lógicamente centralizadas, ya que es deseable que todos los pares vean un estado de red coherente (el mismo) en cualquier momento. Esta coherencia se produce a costa de estructuras de datos altamente redundantes y en el curso del teorema CAP: si el sistema se particiona, sólo se puede garantizar una propiedad entre la consistencia y la disponibilidad.

Ahora que conocemos bien el significado y los problemas de las redes (des)centralizadas, podemos empezar a hablar de las arquitecturas descentralizadas de los mercados energéticos. Los paneles solares son fuentes de energía altamente estocásticas con una gran volatilidad. Esta volatilidad exige una mayor flexibilidad de la demanda y crea un punto dulce para la creación de comunidades energéticas que implementen mercados energéticos locales. Estos mercados tendrán 3 tipos de participantes:

Losproductores locales, que pueden vender su exceso de energía a precios más altos
Consumidores con cargas flexibles (por ejemplo, calentadores de agua, bombas de calor, cargadores de vehículos eléctricos), que pueden obtener un descuento por el cambio de carga
Los propietarios de baterías, que pueden vender su capacidad de almacenamiento

Estos tres actores podrían tener diferentes motivaciones para participar en dicha comunidad energética, entre ellas

Una reducción de sus facturas de electricidad gracias al mayor autoconsumo de la comunidad. Las comunidades energéticas también podrán vender su flexibilidad a los operadores del sistema de distribución, generando beneficios adicionales para sus miembros.
Un aumento de la proporción de energía limpia producida localmente que consumen.

Centrémonos en el problema específico de la elección de la arquitectura para el diseño de dicho mercado. En primer lugar, no tenemos que empezar de cero, la red eléctrica también es una red con su propia arquitectura. La infraestructura existente es enorme. Fue desarrollada por miles de millones de dólares y se puede dividir esencialmente en:

Red de transmisión y distribución eléctrica (cables, transformadores, baterías de condensadores, FACTS, etc.)
Infraestructura de comunicación para la medición y el control (PLC, fibras ópticas, etc.)

La arquitectura de la red eléctrica también es peculiar. En concreto, se divide en diferentes niveles de tensión. La elección del nivel de tensión está en función de:

La distancia a recorrer
La cantidad de energía que hay que transportar

Por unidad de longitud, las líneas de alta tensión son más caras que las de media y baja tensión, pero la cantidad de energía que pueden transportar y la distancia que pueden cubrir es mucho mayor, gracias a las menores pérdidas. En efecto, aumentar la tensión en un factor de 10 reduce la corriente en un factor correspondiente de 10 y, por lo tanto, las pérdidas de RI² en un factor de 100. En los sistemas de distribución, una vez que la electricidad se acerca al punto de consumo, la tensión se reduce gradualmente, lo que disminuye el coste de las líneas y reduce los posibles peligros en caso de cortocircuito.

*Ejemplo de red de transmisión en el sur de Suiza. Las líneas rojas, verdes, amarillas y azules representan las líneas de 380, 220, 150 y 50 kV, respectivamente. Fuente:* *AET*.

En la figura anterior, podemos ver las líneas de alta tensión (AT) y media tensión (MT) en la región que rodea la sede de HivePower, que van desde 380 kV (líneas rojas) hasta 50 kV (líneas azules).

*Ejemplo de red de distribución de BT, que muestra una estructura radial típica. Fuente:* *IEEE*.

La red de baja tensión (BT), que es mucho más ubicua, como la que se muestra en la figura anterior. En el caso más común, la topología de la red de baja tensión es radial, es decir, tiene una estructura simple en forma de árbol. Esta estructura divide naturalmente el sistema. Desde el punto de vista físico, los efectos de una red de baja tensión en el nivel superior de media tensión sólo pueden tenerse en cuenta mediante la potencia total en el transformador. En otras palabras, no es necesario conocer el consumo de energía de todos los edificios de la red de BT en un momento dado para controlar eficazmente el nivel de MT, ni se requiere que un prosumidor situado en la red de BT A conozca toda la energía producida o consumida por todos los prosumidores de la red de BT para intercambiar energía de forma efectiva. B Y ahora un punto muy importante:"El diseño del mecanismo de los nuevos mercados energéticos debe considerar explícitamente el efecto de la energía comercializada en la red eléctrica. Los precios de la energía deben reflejar el estado de la red". En presencia de la generación distribuida de energía renovable, por ejemplo, la fotovoltaica, la producción de energía se sincroniza mucho. Esta sincronización es un posible peligro para la red eléctrica, ya que puede sobrecargar las líneas eléctricas. Además, la producción de energía de las energías renovables es muy volátil, lo que influye en la calidad de la energía local.Los nuevos mercados energéticos se encargan de mitigar el efecto de una creciente penetración de los generadores renovables en la red eléctrica. La opinión más extendida entre la comunidad científica es que esto podría hacerse mediante programas de respuesta a la demanda, en los que el precio de la energía se modifica dinámicamente, en función del estado de la red.Estas consideraciones nos llevan a analizar otra subclase de arquitecturas descentralizadas, que es una muy buena candidata para los mercados energéticos descentralizados: las estructuras jerárquicas. Las estructuras jerárquicas son esencialmente estructuras en forma de árbol, en las que cada nodo puede ser un nodo terminal o un nodo ramificado. Los nodos terminales son las "hojas" del árbol y no tienen conexiones descendentes. En nuestros mercados energéticos, los nodos terminales son prosumidores individuales.

Una estructura parecida a un árbol, en la que los hexágonos azules representan los nodos terminales y los rojos los nodos ramificados. Los hexágonos naranjas reúnen en grupos a los nodos con los mismos nodos padre.

La imagen de arriba muestra un ejemplo de estructura jerárquica, en la que los nodos terminales azules con un mismo nodo padre, están reunidos en un grupo. Obsérvese que esta estructura es una especie de fractal, es decir, un grupo puede verse como un único nodo terminal cuando se observa desde el nivel superior. Volviendo a los mercados de energía y los sistemas descentralizados, ¿cómo encaja esta arquitectura en la clasificación mencionada y por qué tiene sentido para los mercados de energía descentralizados? Vamos a reconsiderar cada punto uno por uno:

arquitectura: la arquitectura está geográficamente descentralizada, pero no totalmente distribuida. Es decir, no todos los nodos son igual de importantes, desde el punto de vista de un atacante que quisiera hacer que todo el sistema no estuviera disponible. De todos modos, hay que tener en cuenta que esto también es cierto para el sistema eléctrico. Además, y más importante, recuerda que los grupos están desacoplados, física y lógicamente. Esto significa que, si por alguna razón se pierde la comunicación con el nodo raíz (el situado en el nivel superior), los prosumidores de las comunidades de los niveles inferiores pueden seguir intercambiando energía de forma efectiva entre los compañeros de la misma comunidad.
política: la arquitectura jerárquica hace que los nodos de ramificación sean fundamentales para el funcionamiento del mercado energético. Esto da poder a los propietarios de los nodos de ramificación, con respecto a los simples prosumidores. Para eliminar este problema, podemos introducir un sistema de gobernanza regulado por contratos inteligentes.
lógica: la arquitectura jerárquica no influye en la (des)centralización lógica propiamente dicha. De todos modos, hay que recordar que el sistema que queremos que funcione está desacoplado, y los efectos físicos pueden tenerse en cuenta mediante la agregación de energía en los niveles superiores. Es decir, tanto el comercio de energía como el control de la red son posibles si la información se agrega en cada rama de la estructura. Esta agregación evitaría los flujos de información innecesarios y preservaría la privacidad de los prosumidores: en los niveles superiores de la estructura sólo se dispone de información agregada sobre el consumo de energía; además, incluso los prosumidores que pertenecen a los mismos grupos sólo tienen información agregada sobre los demás.

Las estructuras jerárquicas tienen también otro aspecto peculiar que está estrictamente relacionado con el diseño de mecanismos, un campo de la economía y la teoría de juegos que tiene como objetivo construir reglas de mercado que induzcan un efecto deseado en los equilibrios del mercado. Por ejemplo, el protocolo CASPER de Ethereum es considerado por sus creadores como el resultado de aplicar el diseño de mecanismos a la criptoeconomía.

Diseñar un mercado que convierta la competencia en cooperación

Uno de los resultados más célebres del diseño de mecanismos es el principio de revelación, que establece que:Si el mercado es compatible con los incentivos, podemos restringir el estudio a la situación en la que cada participante está dispuesto a revelar su información privada.Esto significa que ningún agente tendría incentivos para mentir sobre sus previsiones de energía ni sobre la utilidad esperada de utilizar una determinada cantidad de energía. Consideremos que cada agente del mercado adopta una estrategia óptima (en términos de resultados) dada su información privada. Un jugador podría mentir al comunicar su información privada si considera que tiene alguna ventaja al hacerlo. Por ejemplo, imaginemos que hemos diseñado un mercado en el que los prosumidores pagan un precio proporcional a su consumo y, si consumen más que la media, pagan una cuota adicional. Si el prosumidor A declara que va a consumir mucha energía en el siguiente periodo del mercado, los demás prosumidores podrían aumentar sus planes de consumo, ya que creen estar por debajo de la media. En el siguiente paso, el prosumidor A consume mucho menos de lo que había declarado anteriormente, pero no hay tiempo para que los otros prosumidores se sincronicen de nuevo con información actualizada. Como resultado, A es ahora un consumidor por debajo de la media. Lo que ocurre es que A, mintiendo sobre su información privada, ha evitado el riesgo de pagar la cuota adicional, en detrimento de los demás.¿Cómo se puede evitar esto? En la forma más sencilla, los prosumidores (nodos hoja) pueden acordar comunicar su información privada a una entidad superpartes (su nodo padre), que jugaría la estrategia óptima para ellos. Encontrar la estrategia óptima suele implicar la resolución de un problema de optimización predefinido. Lo importante es que cada prosumidor haya acordado previamente cómo se encuentra esta estrategia óptima, y que todos ellos consideren a la entidad super-partes como de confianza. En este caso, los prosumidores no tienen interés en mentir, ya que al hacerlo incurrirían en una reducción de la retribución, por definición. En vista de las ventajas mencionadas, en Hive Power decidimos diseñar nuestra plataforma de mercado energético distribuido haciendo uso de agregadores. Por supuesto, estos agregadores deben ser de confianza o, mejor aún, auditables:

modelar el mercado en un entorno dinámico y estocástico
tener en cuenta las limitaciones de la red
preservar la privacidad del usuario

También hablaré de soluciones alternativas para la comunicación intragrupo. Estén atentos.En El poder de la colmena estamos posibilitando la creación de comunidades de energía compartida en las que se garantiza que todos los participantes se beneficien de la participación, alcanzando al mismo tiempo un óptimo técnico y financiero para toda la comunidad.Enlaces clave: