Universidade do Estado do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia e Ciências Instituto de Matemática e Estatística Yuri Bastos Gabrich A blockchain application to pave the way for transactive energy at Brazilian micro/mini-grids Rio de Janeiro 2019 Yuri Bastos Gabrich Uma aplicação blockchain para proporcionar a comercialização de energia em micro/minigerações distribuídas brasileiras Dissertação apresentada, como requisito par- cial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Computacionais, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Orientador: Prof. Dr. Igor Machado Coelho Coorientador: Dr. Vitor Nazário Coelho Rio de Janeiro 2019 CATALOGAÇÃO NA FONTE UERJ / REDE SIRIUS / BIBLIOTECA CTC-A G117 Gabrich, Yuri Bastos. A blockchain application to pave the way for transactive energy at Brazilian micro/mini-grids / Yuri Bastos Gabrich. - 2019. 183f. : il. Orientador: Igor Machado Coelho. Coorientador: Vítor Nazário Coelho. Dissertação (Mestrado em Ciências Computacionais) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto de Matemática e Estatística. 1. Energia elétrica – Comercialização – Teses. 2. Geração distribuída de energia elétrica – Teses. 3. Software – Controle de qualidade. I. Coelho, Igor Machado. II. Coelho, Vítor Nazário. III. Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Instituto de Matemática e Estatística. IV. Título. CDU 620.9 Patricia Bello Meijinhos CRB7/5217 -Bibliotecária responsável pela elaboração da ficha catalográfica Autorizo, apenas para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial desta dissertação, desde que citada a fonte ___________________________ ____________________ Assinatura Data Yuri Bastos Gabrich Uma aplicação blockchain para proporcionar a comercialização de energia em micro/minigerações distribuídas brasileiras Dissertação apresentada, como requisito par- cial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Computacionais, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Aprovada em 19 de outubro de 2019. Banca Examinadora: Prof. Dr. Igor Machado Coelho (Orientador) Instituto de Matemática e Estatística – UERJ Dr. Vitor Nazário Coelho (Coorientador) OptBlocks Ltda Prof.a Dra. Maria Clicia Stelling de Castro Instituto de Matemática e Estatística – UERJ Prof. Dr. Diego Nunes Brandão CEFET/RJ Rio de Janeiro 2019 ACKNOWLEDGEMENTS First of all, I’d like to thank all of those who have been waiting for the end of this tough course. The supports came on different matters from each particular effort someone can make. Fortunately, patience was key for all of us to conduct learning over each other mistakes. I would like to thank both advisors, Igor Machado Coelho and Vitor Nazário Coelho, for the time given to develop the skills for self-criticism, writing, and workarounds out of the barriers faced on the way. Special thanks also go to their life partners, Cristiane Tavares and Thays Aparecida de Oliveira, for random conversations on unusual meetings. Moreover, this thesis would have been impossible without the contributions of Luis (Nando) Ochoa, Luiz Alberto Fortunato, Sérgio Mafra, and Nivalde José de Castro. With the sharing of their scarce time to appoint me valuable reports and to allow discussions about the subject at the beginning of the present work, they had contributed to reach- ing further horizons. Similar appreciation goes for Alexandre Sztajnberg, Luciano Porto Barreto, Maria Clicia Stelling de Castro, and Diego Nunes Brandão, who have integrated both examination committees, the mid-term and the final one, and have given important guidance to the research structure and content presentation. Also, I am particularly grateful for the support given by professors and assistants from the Computational Science department that were willing to help me during the whole pathway. Likewise, I would like to express my very great appreciation to colleagues for sharing their knowledge far beyond what classrooms may offer. I can’t forget to mention my dear friends from IEEE too. They have experienced the challenges to finish the master’s thesis from the beginning of the study until the last reviewed line. Struggle times persevered with the events we have either organized or attended together. A big thank you to all volunteers that I met and worked with. Above all, I wish to acknowledge the help provided by my closest relatives and friends. At every uncertain day, they kept strong the support to reach the desired outcome. The support that is only given by few but that surpasses in commitment and confidence the difficulties imposed by others. New technologies never come alone. It’s a package: technological changes, followed by social, political and cultural changes. Alvin Toffler (The Third Wave) RESUMO GABRICH, Yuri Bastos Uma aplicação blockchain para proporcionar a comercialização de energia em micro/minigerações distribuídas brasileiras. 2019. 183 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Computacionais) – Instituto de Matemática e Estatística, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019. O consumo de energia elétrica está diretamente relacionado à qualidade de vida e bem-estar da população. Portanto, esforços gerais vêm acontecendo para suprir a cres- cente demanda por energia por meio de alternativas mais sustentáveis e socialmente re- sponsáveis. Desde grandes usinas centralizadas à Geração Distribuída (GD) de eletrici- dade, o avanço da Tecnologia da Informação e Comunicação (TIC) está trazendo novas abordagens para o setor elétrico, apesar dos desafios técnicos e comerciais para se fazer isso. Mais recentemente, o advento da tecnologia blockchain ressurgiu um desejo antigo de livre comércio de eletricidade entre todos os tipos de consumidores de energia. Especi- ficamente, no nível de distribuição, o conceito de Energia Transativa (TE) é crucial para qualquer discussão sobre técnicas para se lidar com um novo subconjunto de mercado de energia. Assim, o presente trabalho é uma quase-POC que delineia os desafios e oportu- nidades de uma aplicação distribuída (DApp) para apoiar o gerenciamento de energia de micro/mini-redes dentro de uma determinada legislação brasileira, que denomina o grupo de consumo compartilhado. Esta dissertação também produziu o contrato inteligente MTEsm que gerencia a cripto-moeda SEB. Todo o processo de desenvolvimento é apre- sentado e tenta mostrar as questões econômicas e técnicas que devem ser consideradas para uma proposição completa de POC. Palavras-chave: Blockchain. Comercialização de energia. Geração distribuída de energia. Micro/minigeração distribuída. ABSTRACT GABRICH, Yuri Bastos A blockchain application to pave the way for transactive energy at Brazilian micro/mini-grids. 2019. 183 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Computacionais) – Instituto de Matemática e Estatística, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019. The electricity consumption is directly related to the population quality of life and well-being. Therefore, general efforts have been happening to supply the growing power demand through more sustainable and socially responsible alternatives. From centralized big power plants to Distributed Generation(DG) of electricity, the advance of Informa- tion and Communications Technology(ICT) is bringing new approaches to the electricity sector, despite the technical and business challenges to do so. More recently, the advent of the blockchain technology has resurfaced a past desire of free energy trading between all kinds of power consumers. Specifically, in the distribution level, the concept of Trans- active Energy(TE) is imperative for any discussion about the techniques to deal with a new subset of an energy market. Hence, the present work is a quasi-POC that outlines the challenges and opportunities of a distributed application(DApp) to support the power management of micro/mini-grids inside a particular Brazilian regulation framework, de- nominated as shared consumption group. This dissertation has also produced the smart contract MTEsm that manages the crypto-currency SEB. All the development process is presented and attempts to show the economic and technical subjects that must be considered for a complete POC proposition. Keywords: Blockchain. Transactive energy. Distributed energy. Micro/mini-grid. LIST OF FIGURES Figure 1 - Classification of Distributed Generation (DG) under the Brazilian leg- islation, and its positioning in the power sector chain........... 19 Figure 2 - The layers of an ordinary blockchain.................... 33 Figure 3 - The operational layers of a shareable generation group supported by a distributed application (DApp)....................... 40 Figure 4 - Concepts for the development of a system................. 41 Figure 5 - The structure of the Microgrid Transactive Energy smart contract (MTEsm) code...................................... 57 Figure 6 - The flowchart of the MTEsm main interface................ 62 Figure 7 - The pathway to be accepted in a group’s private environment...... 63 Figure 8 - The process to get information from the group (to be continued).... 64 Figure 9 - The process to get information from the group (conclusion)....... 65 Figure 10 - A general voting procedure called by a member.............. 66 Figure 11 - The process of a new power plant crowdfunding.............. 67 Figure 12 - The process to update some information (to be continued)........ 68 Figure 13 - The process to update some information (continuity)........... 69 Figure 14 - The process to update some information (continuity)..........