Reducing blockchain transaction costs in a distributed energy market application

Abstract

This thesis explains the working of a previously undocumented blockchain application developed for the energy sector. The application enables distributed market coordination for small-scale decentralized energy systems. An Ethereum smart contract is employed as a core component of the application, facilitating a marketplace for transacting electrical energy.

A design science research methodology was applied to the application in an attempt to further develop it. The problem of high fees in the energy marketplace was identified, resulting from the smart contract's inefficient use of Ethereum gas. Two particular sources of inefficiency were identified, and solutions for fixing these inefficiencies were designed and implemented. Savings in transaction fees were created by replacing a function of the smart contract with off blockchain communication, and by editing the fund withdrawal mechanism of the smart contract so that it requires users to create fewer blockchain transactions. As a result, the smart contract's gas consumption was reduced by up to 11% in a certain use case.

The reduction in gas consumption was not sufficient to make the deployment and use of the application economically feasible on the canonical public Ethereum blockchain. A Plasma child chain or a dedicated Ethereum blockchain were suggested as potentially more feasible deployment environments for the application.

It was noted that the application relies on centralized components, and it is debatable whether its current blockchain-based implementation is justifiable.

Tämä diplomityö selostaa erään energiasektorille kehitetyn, aiemmin dokumentoimattoman lohkoketjusovelluksen toiminnan. Sovellus mahdollistaa hajautetun markkinakoordinoinnin toteuttamisen vaihtoehtoisille mikrosähköverkossa toimiville energiajärjestelmille. Sovelluksen keskeisenä komponenttina on Ethereum-alustalle toteutettu älykäs sopimus, joka hallitsee kaupankäyntiä energiamarkkinapaikalla.

Työssä sovellettiin erästä design science -tutkimusmenetelmää lohkoketjusovellukseen, tarkoituksena kehittää sovellusta. Havaittiin, että vuorovaikutus sovelluksen älykkään sopimuksen kanssa on tarpeettoman kallista suurten lohkoketjutransaktiokulujen vuoksi. Älykkään sopimuksen toteutuksesta tunnistettiin kaksi lähdettä suurille kustannuksille. Näille ongelmakohdille suunniteltiin ja toteutettiin korjaukset. Korjaukset pohjautuivat älykkään sopimuksen erään funktion korvaamiseen lohkoketjun ulkopuolisella kommunikaatiolla, sekä älykkään sopimuksen varojen kotiutusmekanismin muokkaamiseen siten, että se vaatii käyttäjää tekemään vähemmän lohkoketjutransaktioita. Lopputuloksena älykkään sopimuksen kanssa toimimisesta syntyvät transaktiokulut vähenivät eräässä käyttötapauksessa 11%.

Transaktiokulut eivät pienentyneet niin merkittävästi, että julkisen Ethereum-lohkoketjun käyttö sovelluksen alustana olisi transaktiokustannusten kannalta järkevää. Mahdollisina vaihtoehtoisina alustoina sovellukselle ehdotimme Plasma-lapsiketjua tai omaa erillistä Ethereum-lohkoketjua. Näissä vaihtoehdoissa transaktiokulut saattaisivat olla siedettävämpiä.

Työssä huomattiin, että energiamarkkinasovellus tukeutuu keskitettyihin osiin, joten on kyseenalaista, onko sen nykyinen lohkoketjupohjainen toteutus perusteltu.