Blockchain, smart grid... aneb jak informační technologie proměňují energetiku

První den Energetického kongresu 2017 se zabýval převážně standardní politicko-ekonomickou debatou, jak si stávající struktury zvládají poradit se stále větším množstvím OZE v přenosové soustavě. Druhý den se zabýval tématy, která dnes energetiku proměňují. Jestli k lepšímu nebo k horšímu, to záleží na úhlu pohledu.

„Digitalizace aneb od decepce k disrupci“

Tyto a další poněkud zbytečné anglikanismy mají tu výhodu, že začínají písmenem D a vystihují status a vlastnosti nových technologií. Když se k nim přidají další faktory (demokratizace, demonetarizace a dematerializace), lze současný technicko-ekonomický vývoj shrnout pod název „6D“. Na kongresu o těchto změnách hovořil Pavel Kysilka, bývalý ředitel České spořitelny a zakladatel firmy 6D Academy.

V rámci vědeckého a technologického pokroku se vyskytuje řada objevů, které by měly obrovský přínos, kdyby se je povedlo uplatnit prakticky a ve větším měřítku (superkapacitory, jaderná fúze, výroba paliva z vody a další). Ovšem dokud jsou zavřené v laboratoři, nebo něco brání jejich většímu rozšíření, je na tyto objevy nahlíženo se skepsí. Vypadají nadějně, ale zatím nejsou, nebo se nezdají „dost dobré“, aby se začaly masově využívat. Pro označení tohoto stavu se v rámci 6D používá anglické slovo deception, česky klamání. Zde se nacházely třeba chytré telefony nebo elektromobily před deseti lety.

Pak se ovšem může objevit nová okolnost, první jiskra, která prolomí bariéru „ne-přijetí“ a daný objev, technologie se rychle stane důležitým nebo dokonce zásadním hráčem na trhu. Příkladem takové jiskry může být představení iPhonu a pro odvětví telekomunikací nebo automobilu Tesla Model S pro odvětví dopravy. Do jejich příchodu byly chytré telefony a elektromobily poptávané jen úzkou skupinu uživatelů. Dnes už se jiné než chytré telefony téměř neprodávají a většina velkých automobilek se s elektromobily snaží dohnat náskok Tesly. Fáze, kdy se nové technologie rychle šíří a mění dosavadní pravidla hry ve svém odvětví, se nazývá disruption, narušení.

Cílem nových hráčů je dostat se co nejdřív do fáze narušení, protože tehdy se po jejich výrobku objeví široká poptávka a jejich know-how začne opravdu vydělávat. Tradiční společnosti, které na trhu převládaly před příchodem „narušitelů“, se buď snaží přizpůsobit novým podmínkám, nebo změnám zabránit. Avšak je-li daný produkt opravdu „distuptivní“, tj. poptávka po něm je nezastavitelná, může se trh přeorientovat velmi rychle, v řádu jednotek let.

Digitalizace je společným jmenovatelem pro celou řadu změn napříč odvětvími. V energetice se projevuje zejména jako smart grid, tedy způsob, jak koordinovat a zefektivnit výrobu, spotřebu, přenos a skladování elektřiny. To vše za situace, kdy je v síti mnohem víc samovýrobců (prosumers) a zdrojů s proměnlivou výrobou. Uživatelé, výrobci a jednotlivé komponenty systému jsou navzájem propojeni a musí spolu komunikovat, předávat si data. A toto digitální propojení přináší nové možnosti nejen v oblasti řízení, ale i z hlediska obchodu a komunikace.

Se svou elektřinou na tržiště

Pro změnu obchodních modelů v energetice zaznívala na kongresu opakovaně metafora „uberizace energetiky“. Uber je alternativní taxislužba, která přes mobilní aplikaci spojuje uživatele, kteří potřebují někam svézt s řidiči, kteří jsou právě poblíž. Není potřeba dispečing, trasu i cenu svezení určuje aplikace a přes ni probíhá i platba. Řidič pak uživatele jen převeze po stanovené trase.

U samovýrobců – domů nebo firem vybavených hybridní fotovoltaikou může vzniknout situace podobná. Jeden uživatel má elektřiny přebytek a druhý v blízkém okolí elektřinu potřebuje, tak si elektřinu jednoduše pošlou. Potřebují k tomu sice distributora a veřejnou síť, ale nepotřebují obchodníka s elektřinou, transakci zajistí software. Uživatel s přebytkem takto získá možnost prodat elektřinu výhodněji, než kdyby ji prodával „jen“ do sítě. Uživatel, který elektřinu potřebuje, zase získá elektřinu za cenu sníženou o marži obchodníka. Bezemisně vyrobená elektřina je spotřebována nedaleko místa výroby a platby za elektřinu zůstávají v regionu. Takto funguje například Sonnen Community v Německu. (Podmínkám pro prodej vlastní elektřiny v ČR jsme se věnovali zde.)

Posílat elektřinu znamená posílat i data

Aby mohla transakce probíhat online, musí být pro to vytvořena komunikační infrastruktura – jak hardwarová pro přenos dat, tak softwarová pro zpracování transakcí.

Jednou z možných řešení přenosu dat je otevřená mezinárodní technologie LoRa a na kongresu ji představil Ján Jacina z Českých radiokomunikací. Jedná se o radiové spojení ve frekvenčním pásmu 868 MHz určené pro tzv. internet věcí. Na rozdíl od mobilních sítí určených pro přenos velkých objemů dat (LTE), které zvládnou bez problémů přenášet třeba obraz z webkamery, je LoRa orientována zejména na různá čidla a měřáky (vodoměry, plynoměry, elektroměry, teploměry, meteostanice a řada dalších). Proto dostačuje členění dat do zpráv o 255 znacích přenášených rychlostí zhruba 50 kbps. LoRa umožňuje obousměrnou komunikaci, jak monitoring a sběr dat ze zařízení, tak ovládání zařízení na dálku. Výhodou jsou jednak nízké provozní i pořizovací náklady, snadnější přenos dat na velké vzdálenosti a především nízká spotřeba energie. LoRa kompatibilní zařízení (čidla, měřáky) s dálkovým odečtem a ovládáním tak zvládne napájet běžná baterie po dobu 5 – 10 let, přičemž LoRa vysílač jde připojit i na jiná zařízení. Technologie LoRa v podání Českých radiokomunikací zahrnuje šifrování dat a jejich shromažďování v cloudu, odkud s nimi mohou uživatelé dále pracovat. V roce 2017 by touto technologií měla být pokryta většina území ČR. LoRa není jedinou vhodnou technologií pro tento účel, na podobném principu v ČR funguje i síť SigFox, kterou provozuje společnost SimpleCell ve spolupráci s T-Mobile.

• Sítě pro internet věcí (IoT) v České republice

Pokud je zajištěna komunikace jednotlivých uživatelů a komponent systému, aby si mohli posílat elektřinu, je ještě potřeba entita, která umožní spolehlivý záznam transakce a vzájemné vyúčtování. Dnes je touto entitou obchodník s elektřinou, v případě Sonnen komunity je to software firmy Sonnen a v budoucnu by to mohl být samostatný software pro všechny typy zdrojů a uživatelů. Nyní se stále častěji mluví o tom, že by základem pro takový software mohl být blockchain.

Co je psáno, to je dáno, aneb blockchain

Blockchain (doslovně přeloženo „řetězec bloků“) původně vznikl jako „prostředí“ pro provoz elektronické měny bitcoin. Blockchain lze zjednodušeně popsat jako sdílenou digitální databázi. Ta obsahuje různé záznamy zvané bloky. Každý blok obsahuje čas, kdy vznikl a odkaz na předchozí blok. Databáze je neustále aktualizována o nové bloky, které se řadí za bloky předchozí. Slova „sdílená a digitální“ znamenají, že kopie databáze je uložena řádově na tisících nezávislých počítačů po celém světě propojených sítí. Tyto dvě vlastnosti – provázanost bloků a sdílení databáze – jsou klíčové, protože díky nim nelze již zapsané bloky mazat ani měnit jejich obsah. S úpravou nebo odstraněním bloku se v řetězci „objeví díra“, díky sdílení to všichni vidí a verzi databáze „s dírou“ odmítnou. Jinak řečeno, co je v blockchainu psáno, to je dáno, všichni to vidí a neexistuje možnost, jak to změnit. Tento jednoduchý princip má široké možnosti uplatnění, stejně jako dnes existuje nespočet aplikací postavených na schopnosti počítače spolehlivě poznat nulu od jedničky.

Transakce, které mohou být v blockchainu vedené, jsou různé:

• převody měnových jednotek – blockchain v takovém případě supluje banku (příklady zde),
• smlouvy s podmínkami – pokud jsou splněny podmínky A, udělej B, zde blockchain funguje jako notář nebo pojišťovna (podrobněji zde),
• logistické operace – balík A byl přesunut od dodavatele B k zákazníkovi C, který za to dodavateli zaplatil částku D, blockchain zastává funkci logistického operátora nebo pošty (tuto aplikaci již testuje například Rotterdamský přístav nebo Maersk),
• úřední záznamy – žadatel A vydělal za B odpracovaných let C peněz, zaplatil D daní a má tedy nárok na podporu E, blockchain nahrazuje úřady (první úvahy zde),
• správní záznamy – majitel A převedl pozemek X na nového majitele B, který mu za to zaplatil peníze Y, celková plocha pozemků majitele B je tedy nyní Z,
• online volby a hlasování – uživatelé A, B hlasovali pro X, uživatelé C, D, E pro Y. Každý mohl hlasovat pouze jednou, vyhrála možnost Y (první pokusy probíhají v Estonsku)
• zdravotní záznamy – pan A prodělal chorobu X, dostal lék Y, výsledek byl Z (blíže zde),
• autorská práva k digitalizovanému umění – obrázek X vytvořil uživatel A, píseň Y složil a nahrál uživatel B,
• armádní logistika a komunikace – záznamy a vedení rozsáhlých logistických a bojových operací, které jsou zároveň dobře zabezpečené (viz zde),
• a mnoho dalších.

To vše bez zásahu „lidské ruky“, člověk zde jen dohlíží na provoz, transakce probíhají automaticky, „povídají si spolu počítače“. Blockchain stejně jako bitcoin neřídí žádná centrální autorita, ale běží na tisících nezávislých počítačů po celém světě propojených internetem. Blockchain je otevřený, teoreticky ho může využívat každý, kdo má počítač (nebo jiné vhodné zařízení) připojený k internetu. Momentálně, v roce 2017, je k použití blockchainu nutná i značná erudice. Ale lze očekávat, že s jeho uplatněním ve více oborech se otevře dalším uživatelům podobně, jako se počítače přesunuly z laboratoří a garáží expertů lidem do kapes a dnes je zvládne ovládat i malé dítě.

Díky transparentnosti (databáze je sdílená), digitalizaci (transakce probíhají elektronicky) a nezávislosti (chybí centrální autorita) celý systém velmi výrazně omezuje výskyt omylu nebo podvodu, přestože bude přístupný stále více lidem. Přidanou hodnotou blockchainu je tedy dostupná jistota. Důsledkem by měla být vyšší důvěra a jednoduchost transakcí a tedy velmi významná úspora času i peněz. V případě decentralizované energetiky blockchain může zaznamenávat výměnu energie mezi libovolnými účastníky (od domácností a majitelů elektromobilů přes firmy až po provozovatele dítě a velké výrobce elektřiny), vytvářet bilanci a na jejím základě rozdělit odměny jednotlivým účastníkům trhu s elektřinou.

Víme, jaká bude výroba a spotřeba elektřiny příští týden?

Sběr velkého množství dat z různých měřičů ale umožňuje nejen výrobu a spotřebu vyúčtovat, ale také ji modelovat a předvídat. Analýzou sebraných dat a její kombinací s proměnnými můžeme při využití komplexního výpočtového algoritmu dostat velmi přesný obraz výroby a spotřeby na nejbližší dny nebo týdny. Takové předvídání znamená velkou výhodu, omezuje prudké výkyvy v cenách elektřiny nebo nedostatek či přebytek výkonu v síti. Takové informace jsou pro obchodníky s elektřinou velmi cenné.

Ačkoli je umělá inteligence schopná komplexních výpočtů, její předpovědi samy o sobě zatím nejsou tak přesné. Ale jak zmínil Petr Rokůsek z Nano energies, zásadního zpřesnění můžeme dosáhnout, zúčastní-li se tvorby předpovědi člověk se správnými zkušenostmi a intuicí. Má-li taková osobnost k dispozici přesné výstupy z počítače, zvládne vytvořit mnohem přesnější predikci, než samotný stroj.

Taková předpověď už umožňuje poměrně přesně modelovat vývoj výroby a spotřeby a tedy i ceny elektřiny v nejbližších dnech. A funkční model zase umožňuje využívat menší počet senzorů a množství přenesených dat. Není nutné mít data z každého zařízení. Je-li monitorován správný vzorek, lze chování zbytku systému s poměrně vysokou přesností dopočítat.

Pro obchodníka s elektřinou využití datové analýzy znamená nejen lepší přesnější odhad trhu, ale i možnost tvorby nabídky na míru každému zákazníkovi. To znamená, že na poptávku na trhu nejlépe zareaguje ten, kdo bude mít nejlepší (a nejlépe zpracovaná) data. A ti, kdo vynikají ve sběru a využití dat, nejsou tradiční energetické společnosti, ale třeba firmy jako Google nebo Facebook. Využívání velkých objemů dat (tzv. „big data“) bude klíčové pro další vývoj v energetice. Slovy Petra Rokůska, energetiku povede ten, kdo tato data využije.

Zabezpečení smart grid znamená víc než stabilní dodávku elektřiny

Navzdory pokrokovým výdobytkům zatím stále platí, že aby si mohli uživatelé posílat elektřinu, potřebují elektrickou síť. Síťoví operátoři a distributoři propojují všechny prvky v soustavě – výrobu, spotřebu i akumulaci – a tak mohou očekávat, že poptávka po jejich službách poroste. Ale zejména na distribuční úrovni budou spíše než přenosové kapacity poptávány komunikační služby, které dělají z klasické sítě chytrou síť. To znamená tisíce prvků soustavy (elektroměrů, termostatů, domácích elektráren…), prakticky malých počítačů, propojených dohromady a z části připojených na internet.

Mezi výhody chytré sítě z pohledu distributora patří snadnější a mnohem přesnější monitoring a koordinace jednotlivých částí soustavy, možnost regulace výroby i spotřeby nebo detailnější informace o vlastních zákaznících. Rozvoj akumulace a elektromobility přináší také příležitost v oblasti vyrovnávání sítě.

Pro distributora to ale znamená i řadu výzev. Kromě zřejmých investic do zlepšování sítě zde distributor naráží na výzvy bezpečnostní. A v době digitalizace se otázka zabezpečení vztahuje nejen na fyzické zajištění dodávek, ale také na ochranu infrastruktury proti kybernetickému útoku. I při využití výše zmíněného modelování znamená smart grid obrovský objem dat, které musí distributoři přenášet a shromažďovat.

Cílem kybernetického útočníka pak může být jak narušení provozu sítě, tak získání soukromých dat, případně obojí. A s postupující digitalizací mají útočníci stále víc možností, jak útok provést. Jednak se zvyšuje počet připojených (a tedy napadnutených) zařízení a jednak se zlepšuje výbava samotných hackerů (úvod k zabezpečení chytrých zařízení v domácnosti najdete zde). Stále levnější drony, odposlouchávací zařízení a miniaturní počítače dnes představují běžně dostupné technologie.

Tomáš Zaťko a Martin Leskovjan z bezpečnostní společnosti Citadelo upozornili, že u klíčové infrastruktury, kde se dá zájem hackerů přímo očekávat, je třeba pojmout ochranu z úplně nových hledisek. I  oddělení firemní sítě od internetu (tzv. air gap) přestává být s použitím bezdrátových technologií nepřekonatelnou překážkou. V době levných dronů může být rizikové i například umísťování počítačů v blízkosti oken. Stejně tak je třeba zohlednit podmínky, za kterých jsou v budově používána bezdrátová komunikační zařízení (mobily, notebooky…) nebo jak se do firemní sítě připojují přenosná média (usb zařízení, paměťové karty, CD). Ač tato sdělení znějí celkem banálně, v roce 2013 například uniklo americkému Ministerstvu obrany 91 000 důvěrných dokumentů tak, že byly vypáleny na CD, které bylo následně propašováno z vojenské základny jako disk s písničkami Lady Gaga.

Stejně jako vývoj v samotném IT je současný vývoj v energetice bezprecedentní. Výše uvedené technologie ale zároveň nejsou žádné sci-fi a lze je vnímat jako malou ukázku toho, co můžeme v blízké budoucnosti čekat.