Utilizing the IOTA Smart Contract Platform in a Local Flexibility Market

Abstract

Etter hvert som fornybare energikilder blir mer utbredt og distribuerte energisystemer blir mer omfattende, øker etterspørselen etter effektive og sikre energihandelsmekanismer. Distributed Ledger Technologies (DLT) har stort potensial for å lette integreringen av distribuerte energiressurser i energimarkedene. Men skiftet fra et sentralisert energisystem til et desentralisert presenterer nye utfordringer for skalerbarhet, noe som gjør det avgjørende for DLTs å kunne skalere tilsvarende.

Mens mye forskning har blitt utført på blockchain-baserte DLTs, fokuserer denne oppgaven på den Directed Acyclic Graph (DAG)-baserte IOTA-plattformen og dens nylig implementerte smart kontraktprotokoll. I 2021 ble IOTA Smart Contract platform (ISCP) introdusert, noe som muliggjør drift av flere blockchains på toppen av "Tangle" og potensielt øker antall transaksjoner. Til tross for potensialet til ISCP i energimarkedene, evaluerer få eksisterende studier ytelsen. De fleste ytelsesvurderinger er basert på den forrige versjonen av IOTA og er dermed ikke relevante og utforsker ikke mulighetene til ISCP. oppgaven presenterer en av de første vurderingene av skalerbarheten til ISCP i forhold til energimarkedene.

Ved hjelp av en designvitenskapelig metodikk ble det gjennomført tre iterative designsykluser, noe som resulterte i opprettelsen og evalueringen av tre artifakter. Disse utnytter smarte kontrakter for å støtte tre nøkkelfunksjoner i energimarkedet: informasjonslagring, handelsmatching og kontraktverifisering. Ved å designe og teste disse artifaktene bidrar oppgaven til utviklingen av skalerbare DLT-baserte løsninger for energihandel i desentraliserte energisystemer.

Resultatene av denne studien indikerer at standardnodekonfigurasjonen var i stand til å håndtere 30 bud per sekund, og at deling av nettverket i mindre undernett er avgjørende for å opprettholde ytelsen og skalerbarheten til DLT-energimarkedene. Dette er i tråd med den nåværende hastigheten av Ethereum blockchain, men ISCP tilbyr den ekstra fordelen at små lokale energimarkeder kan operere samtidig og forankre seg i den globale ledgeren. Med den implementerte matchingsalgoritmen var det maksimale antallet bud per auksjonsrunde mellom 480 og 540. Avhengig av variabler som antall noder i nettverket og maskinvaren nodene opererte på, varierte den totale utførelsestiden for å bekrefte en transaksjon fra 4,56 til 15,1 sekunder. Selv om dette funnet er i tråd med andre studier relatert til DLT og kravene til energimarkedene, faller det under ytelsen som tilbys av andre lagløsninger.

Denne studien legger grunnlaget for fremtidige undersøkelser av bruken av ISCP i energimarkedene. Det er behov for ytterligere forskning for å evaluere ytelsen under ulike forhold og undersøke de potensielle fordelene med å implementere DLT i sentraliserte energimarkeder, og utforske muligheten for et desentralisert estimeringssystem med flere noder for økt motstandskraft.

As renewable energy sources become more prevalent and distributed energy systems gain wider adoption, the demand for efficient and secure energy trading mechanisms grows. Distributed Ledger Technologies (DLTs) hold great potential in facilitating the integration of distributed energy resources into energy markets. However, the shift from a centralized energy system to a decentralized one presents new challenges for scalability, making it crucial for DLTs to be able to scale accordingly.

While much research has been conducted on blockchain-based DLTs, this thesis focuses on the Directed Acyclic Graph (DAG)-based IOTA platform and its newly implemented smart contract protocol. In 2021, the IOTA Smart Contract Platform (ISCP) was introduced, enabling the operation of multiple blockchains on top of the ''Tangle'' and potentially increasing the number of transactions.

Despite the potential of the ISCP in energy markets, few existing studies evaluate its performance. The majority of performance assessments is based on the previous version of IOTA and, as such, is out of date and does not factor in the capabilities of ISCP. The thesis presents one of the first assessments of the scalability of ISCP in relation to energy markets.

Using a design science methodology, this thesis conducted three iterative design cycles, resulting in the creation and evaluation of three artifacts. These artifacts leverage smart contracts to support three key functions of the energy market: information storage, trade matching, and contract settlement. By designing and testing these artifacts, the thesis contributes to the development of scalable DLT-based solutions for energy trading in decentralized energy systems.

The results of this study indicate that the default node configuration was able to handle 30 bids per second, and that dividing the network into smaller sub-networks is crucial for maintaining the performance and scalability of DLT energy markets. This is in line with the current throughput of the Ethereum blockchain, but the ISCP offers the added advantage of allowing small local energy markets to operate concurrently and anchor to the global ledger. With the implemented matching algorithm, the maximum number of bids per auction round was between 480 and 540. Depending on variables such as the number of nodes in the network and the hardware the nodes were operating on, the total execution time to confirm a transaction ranged from 4.56 to 15.1 seconds. Although this finding is consistent with other studies related to DLT and the requirements of the energy markets, it falls short of the performance offered by other second-layer solutions.

This study lays the groundwork for future investigations into using the ISCP framework in energy markets. Further research is needed to evaluate the performance of the wasp chain under various conditions, investigate the potential benefits of implementing DLT in centralized energy markets, and explore the possibility of a decentralized estimation system with multiple nodes for increased resilience.