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# La technologie Blockchain pour les réseaux électriques intelligents

Moez Krichen

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Moez Krichen. La technologie Blockchain pour les réseaux électriques intelligents. 2023. hal-04058667

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Preprint submitted on 5 Apr 2023

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Open licence - etalab
# La technologie Blockchain pour les réseaux électriques intelligents

Moez Krichen

Laboratoire ReDCAD, Université de Sfax, Tunisie

moez.krichen@redcad.org

**Résumé.** La blockchain est une technologie de pointe qui a changé la façon dont les gens communiquent et commercent. Il s'agit d'une chaîne de blocs dans un réseau peer-to-peer (P2P) distribué et décentralisé qui stocke des informations avec des signatures numériques. Cette méthode a d'abord été utilisée pour développer des monnaies numériques telles que Bitcoin et Ethereum. Cependant, certaines recherches et études industrielles récentes se sont concentrées sur les perspectives que la blockchain présente dans une variété d'autres domaines d'application afin de tirer parti des qualités fondamentales de la technologie, telles que la décentralisation, la persistance, l'anonymat et l'audibilité. Dans cette étude, nous donnons une évaluation approfondie de l'utilisation de la blockchain dans les réseaux électriques intelligents (SG). Nous présentons également les principaux obstacles de la Blockchain afin de permettre aux chercheurs de les résoudre et d'améliorer l'utilisation de la technologie.

## 1 Introduction

La blockchain (17) est un paradigme révolutionnaire qui a introduit de nouvelles notions pour le partage sécurisé des données et des informations. Cette technologie actuelle comprend une chaîne de blocs qui permet le stockage sécurisé de toutes les transactions engagées sur des réseaux partagés (33). Les hachages cryptographiques, les techniques de consensus distribué et les signatures numériques font partie des technologies de base utilisées pour atteindre cet objectif. Toutes les transactions sont décentralisées, éliminant ainsi le besoin d'intermédiaires pour les authentifier ou les vérifier. La décentralisation, la persistance, l'anonymat et l'auditabilité sont quelques-unes des principales caractéristiques de la blockchain (14).

La blockchain a été initialement proposée pour prendre en charge la crypto-monnaie bien connue Bitcoin (34). Cependant, au cours des dernières années, la blockchain a été adoptée dans plusieurs nouveaux domaines bien au-delà des crypto-monnaies (29; 1; 32), notamment la santé (40; 39), le transport intelligent (12; 4) et l'IoT. (10). En effet, grâce à sa capacité à accroître l'équité et la transparence et à aider les organisations à économiser de l'argent et du temps, cette technologie influence un large éventail d'industries (3; 41) allant des activités de divertissement individuelles de base à la gestion des affaires critiques et sensibles de gouvernements et d'États entiers.
Nos principales contributions à ce travail se concentrent sur les activités de recherche récentes liées à l'inclusion de la technologie blockchain dans les applications modernes en mettant l'accent sur les défis, avantages, limites et défis correspondants. En particulier, nous passons en revue l'architecture de la blockchain dans la Section 2 puis nous présentons une brève revue sur l'utilisation de la blockchain dans les réseaux électriques intelligents (Section 3). La section 4 recense les principaux défis ouverts liés à l'utilisation de la technologie Blockchain. La section 5 est une conclusion générale de l'article.

## 2 Architecture Blockchain

Une blockchain est une collection en expansion continue de blocs de données liés entre eux pour former une longue chaîne (36) comme décrit dans la figure ?? . Ce réseau de blocs de données connectés représente un registre distribué qui est diffusé sur un réseau peer-to-peer (22). Un registre distribué peut être considéré comme une collection de données numériques synchronisées, répliquées, distribuées et partagées via un réseau peer-to-peer. Chaque appareil lié au réseau maintient la dernière version du grand livre commun, c'est-à-dire que chaque pair du réseau a une copie du grand livre qui est identique à l'autre.

Le grand livre se caractérise principalement par sa sécurité et la base de données ne peut être étendue qu'en ajoutant de nouveaux blocs à la chaîne. Les modifications apportées aux enregistrements déjà enregistrés dans la chaîne sont impossibles en termes de calcul. Par conséquent, l'un des principaux avantages du grand livre distribué décrit est sa nature décentralisée. En effet, il n'y a pas d'autorité centrale qui contrôle le grand livre. Cependant, chaque nœud met à jour son registre lorsqu'un nouveau bloc est ajouté à la blockchain, en utilisant un mécanisme de consensus conjoint (13).

De plus, dans la blockchain, la sécurité des données est renforcée par leur cryptage à l'aide d'algorithmes asymétriques (23). Dans ce type de cryptage, l'émetteur et le récepteur ont une paire de clés composée d'une clé publique et d'une clé privée (38). La clé privée est exclusivement accessible aux nœuds qui l'ont créée, tandis que la clé publique est librement diffusée sur tout le réseau. L'expéditeur crypte les données à l'aide de la clé publique du destinataire. Étant donné que les données sont chiffrées à l'aide de la clé publique du destinataire, elles ne peuvent être déchiffrées qu'à l'aide de la clé privée du destinataire.

De plus, dans le cas de l'envoi de transactions sur un réseau blockchain, une transaction n'est réputée terminée qu'après avoir été signée numériquement. La transaction est signée par l'expéditeur à l'aide de sa clé privée. Pour le destinataire, l'authenticité de la transaction, c'est-à-dire l'identité de l'expéditeur, peut être vérifiée à l'aide de la clé publique associée (appartenant à l'expéditeur). Toutes les transactions sont automatiquement vérifiées et authentifiées par les nœuds, et le réseau rejette toute transaction non authentifiée. Veuillez noter que sur un réseau blockchain, une transaction originale minée est irréversible (30).

Il est difficile d'altérer les données contenues dans les blocs grâce aux qualités cryptographiques de la Blockchain. Pratiquement, les blocs sont connectés via une référence de hachage puisque chaque bloc suivant porte la valeur de hachage du bloc précédent
en plus de la valeur de hachage du bloc réel. La génération d'une valeur de hachage est réalisable à l'aide d'un algorithme de hachage cryptographique mathématique et sophistiqué, qui accepte tout type d'entrée et génère un nombre de longueur fixe appelé valeur de hachage. La principale caractéristique d'une fonction de hachage est que si une seule fraction de l'entrée est modifiée, la valeur entière de la sortie sera modifiée (41).

Par conséquent, si un attaquant tente d'éditer des données dans le bloc 1 (B1), par exemple, la valeur de hachage de ce bloc (B1) sera modifiée dans le bloc suivant (B2), et donc l'intrus devra modifier la valeur de hachage de ce bloc. De plus, comme B2 porte le hachage de B1, toute modification du hachage modifiera la valeur de hachage de B2 dans B3. Par conséquent, si quelqu'un veut modifier un bloc, il doit modifier les données de tous les blocs suivants sur la Blockchain. De plus, même si la valeur de hachage d'un bloc est connue, le calcul de l'entrée de la fonction de hachage est difficile en raison de la fonctionnalité non inversible de la fonction de hachage (38).

La question suivante est de savoir comment ajouter de nouveaux blocs au réseau. En effet, des nœuds appelés "Miners" sont chargés de construire de nouveaux blocs dans la blockchain (30). Le travail des mineurs consiste à mettre à jour les enregistrements du grand livre public de la blockchain à partir des transactions précédentes. Tout nœud de réseau peut être un mineur. Il faut des heures aux mineurs pour créer un nouveau bloc car ils doivent résoudre une énigme mathématique appelée "Proof of Work" (PoW). Plusieurs mineurs peuvent travailler en parallèle pour ajouter un nouveau bloc. Néanmoins, un seul mineur peut ajouter un nouveau bloc à la fois. Le premier mineur à résoudre le problème PoW peut exploiter ce nouveau bloc. Pour résoudre le problème du PoW minier, une énorme puissance de calcul est nécessaire. Nous pouvons décomposer l'ensemble du processus en plusieurs étapes :

- Pour commencer à miner un nouveau bloc, un mineur rassemble les transactions du réseau partagé et les organise dans un bloc.

- Le mineur vérifiera la valeur de hachage précédente de la Blockchain et la déposera avec les transactions dans le nouveau bloc prévu.

- Le mineur va récupérer et enregistrer dans le même bloc une variable appelée "nonce". Cette valeur variable peut être modifiée à tout moment par le mineur.

- Le mineur va maintenant enquêter sur le puzzle PoW du réseau. Le problème consiste à trouver, pour tout le nouveau bloc, une valeur de hachage spéciale commençant par plusieurs zéros (par exemple, 0000000000XXXXX). Cette valeur de hachage spéciale peut être trouvée en modifiant la valeur nonce, qui est le seul paramètre que le mineur peut modifier. Une fois que le mineur découvre le même nombre de zéros de début pour une valeur nonce donnée, il peut diffuser la réponse sur le réseau et démontrer le succès de l'extraction d'un nouveau bloc. Notez que le nombre de zéros successifs indique le niveau de difficulté de minage.

Les nœuds de type mineurs sont également chargés de vérifier toutes les données contenues dans un bloc. À cette fin, les données d'un bloc sont enregistrées sous la forme d'un arbre Merkle, qui représente une structure de données particulière sous la forme d'un arbre basé sur le hachage. Les arbres simplifient la vérification des données. Pensez à ne pas utiliser la structure de l'arbre de Merkle et au lieu d'utiliser la fonction de
hachage de toutes les transactions. Si une seule transaction est modifiée, le résultat de
hachage entier sera modifié, ce qui rendra impossible la détection des données modifiées.
Mais en utilisant la structure particulière de l'arbre de Merkle, nous pouvons voir à
n'importe quelle fraction de l'arbre quelle partie fournit la valeur de hachage erronée.
Supposons qu'un attaquant modifie la transaction Tx3. En conséquence, nous pouvons
facilement détecter que seul le côté droit de l'arbre Merkle donne des sorties de hachage
incorrectes. Étant donné que les valeurs de hachage de Tx3 et Tx4 seront erronées,
nous n'avons pas besoin de vérifier Tx1 et Tx2. Par conséquent, l'arbre de Merkle est
extrêmement utile pour la vérification des données dans les systèmes distribués peer-
to-peer (31).

3 Blockchain pour Smart Grids

Un réseau électrique intelligent (9) est un réseau électrique basé sur les communi-
cations numériques qui fournit le flux bidirectionnel d'électricité et de données en plus
de l'identification, de la réaction et de l'évitement des changements d'utilisation et
d'autres difficultés. Les réseaux électriques intelligents actuels intègrent des techniques
de communication et de contrôle dans les réseaux électriques, permettant des gains
considérables en termes d'efficacité énergétique et de sécurité du système.

Les techniques centralisées traditionnelles de gestion des réseaux électriques in-
telligents posent des obstacles importants (35). Par exemple, la méthode de contrôle
centralisée crée un dangereux point unique de défaillance pour l'ensemble du réseau. En
outre, de nombreux problèmes de sécurité se sont multipliés et les attaques externes
contre la sécurité pourraient entraîner des pertes financières importantes. Pour sur-
monter ces limitations, l'utilisation des technologies blockchain est considérée comme
un bon choix dans plusieurs projets de recherche et industriels (5). En effet l'utilisation
de la blockchain pour les smart grids peut présenter les avantages suivants :

— La blockchain peut potentiellement transformer l'administration centralisée du réseau en une administration intelligente distribuée.

- En termes de commerce d'énergie, un réseau électrique intelligent avec la technologie blockchain peut atteindre un flux de données et un flux de trésorerie optimaux.

— En raison de sa décentralisation et de sa tolérance aux pannes, la blockchain peut considérablement améliorer la confidentialité et la sécurité des réseaux électriques pour améliorer la gestion des risques.

L'intégration de crypto-monnaies pour le paiement est l'une des applications les plus
importantes de la blockchain pour les réseaux électriques intelligents. BASNederland
a été la première entreprise à utiliser Bitcoin pour le paiement des factures d'énergie.
Cela a incité de nombreuses autres entreprises à développer des services de facturation
et de comptage basés sur la blockchain, plusieurs d'entre elles offrant des incitations
aux consommateurs qui paient avec la crypto-monnaie. Par exemple : Bankymoon en
Afrique du Sud utilisant Bitcoin, Spectral et Alliander aux Pays-Bas utilisant Juliette,
PowerLedger en Australie utilisant Sparkz, LO3Energy et ConsenSys aux États-Unis
utilisant Ethereum, etc.
Les véhicules électriques peuvent être considérés comme des terminaux mobiles du réseau électrique qui fournissent des services clés. C'est ce qu'on appelle la technologie V2G, et elle a le potentiel d'augmenter la fiabilité, l'efficacité et la stabilité du réseau électrique. D'autre part, les véhicules électriques ne sont pas correctement connectés aux réseaux électriques intelligents, et il existe plusieurs problèmes tels que les pénuries d'énergie, les risques de sécurité et les fuites de données. Dans ce contexte, une charge de charge excessive et une tension instable dans les véhicules électriques peuvent être résolues grâce à la technologie blockchain, comme indiqué dans (24). De plus, l'utilisation de la blockchain pour connecter les réseaux électriques intelligents et les véhicules électriques peut réaliser une optimisation des coûts grâce à des contrats intelligents. De plus, l'utilisation de la technologie blockchain pour connecter les réseaux électriques intelligents et les véhicules électriques pourrait réduire les coûts en utilisant des contrats intelligents, comme proposé dans (25).

Bien que la technologie blockchain pour les réseaux électriques intelligents semble prometteuse, la conversion complète à cette nouvelle technologie reste difficile, comme cela a été prouvé précédemment. La mise en œuvre de la blockchain dans le réseau électrique intelligent, par exemple, entraîne d'énormes coûts d'infrastructure pour la réarchitecture des réseaux de grille existants, ce qui empêche les opérateurs de réseau d'inclure la blockchain dans leur structure de réseau.

# 4 Défis ouverts

Afin de produire des applications basées sur la blockchain plus utilisables et plus performantes, plusieurs difficultés industrielles non résolues doivent être résolues et étudiées plus avant (Tableau 1).

# 5 Conclusion

Cette recherche visait à faire la lumière sur certaines études récentes impliquant l'intégration de la technologie blockchain dans les réseaux électriques intelligents. Nous avons proposé des exemples de technologies de blockchain connexes pour chaque domaine, en mettant l'accent sur les avantages, les limites et les problèmes associés à chacun. Le tableau 2 résume les solutions qui ont été passées en revue.

Par exemple, il serait intéressant d'étudier comment les techniques d'apprentissage automatique (ML) (2; 28; 6) peuvent être utilisées dans le contexte de la technologie Blockchain pour augmenter les niveaux de sécurité et pour augmenter les performances des systèmes basés sur la blockchain considérés. Il sera également important d'appliquer des approches de test formelles (16; 26; 7; 27; 18; 15) pour les systèmes basés sur la blockchain afin d'améliorer leur qualité et d'augmenter leur robustesse (19; 21; 20).

# Références

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<table><caption>TAB. 1 – Défis ouverts.</caption><tr><td>Avantages de la solution</td><td>Lorsqu'elle est appliquée pour remplacer les solutions existantes, la blockchain est une nouvelle technologie qui a le potentiel de déstabiliser le marché en introduisant des moyens révolutionnaires susceptibles de transformer la société. Par conséquent, il est essentiel d'établir si une blockchain est vraiment nécessaire pour une application donnée (37).</td></tr><tr><td>Mise en œuvre correcte</td><td>Parce que la blockchain est une méthode polyvalente de manipulation de données qui peut être utilisée dans divers systèmes pour diverses raisons, sa mise en œuvre a un certain degré de compréhension ou de maturité concernant son importance et les compromis. Ainsi, son intégration dans différentes applications nécessite une étude approfondie et complète (29).</td></tr><tr><td>Mécanisme de test standard</td><td>Il est essentiel d'adopter des applications basées sur la blockchain pour divers domaines.</td></tr><tr><td>Résilience aux risques de sécurité</td><td>La résilience aux risques de sécurité doit être formellement prouvée car la blockchain peut être confrontée à des dysfonctionnements dus à la conception des systèmes ou à des cyberattaques destinées à compromettre sa sécurité avec des applications à grande échelle.</td></tr><tr><td>Évolutivité</td><td>Ce problème est soulevé car les transactions basées sur la blockchain sont très lentes à être traitées et vérifiées. Le traitement des transactions dépend des performances du système de traitement. Dans (11), les limites des méthodes de mise à l'échelle proposées sont soulignées.</td></tr><tr><td>Intégration avec d'autres systèmes</td><td>Ce problème a un impact direct sur les organisations désireuses d'adopter des solutions compatibles avec la blockchain. En effet, le processus d'intégration impliquera des coûts liés au changement d'infrastructure, au personnel formé, aux développeurs spécialisés et aux attentes de la direction (11).</td></tr><tr><td>Défis énergétiques</td><td>L'utilisation de la blockchain nécessitera sans aucun doute une consommation d'énergie bien supérieure à celle habituelle. Ce défi se transforme en un problème environnemental lorsque l'énergie utilisée dépasse la puissance de charge et que l'équipement est pleinement utilisé (8).</td></tr><tr><td>Les questions réglementaires</td><td>Les réglementations sont extrêmement importantes pour réaliser, réglementer et accepter l'utilisation de solutions compatibles avec la blockchain.</td></tr><tr><td>Stockage</td><td>L'intégration de la blockchain avec des applications gourmandes en données telles que celles basées sur l'IoT pose le problème du stockage des données. En effet, la blockchain stocke les données dans des blocs qui ne peuvent pas supporter un grand volume de données (40; 39).</td></tr></table>
<table><caption>TAB. 2 – Résumé des principaux résultats concernant l'utilisation de Blockchain dans différents domaines.</caption><thead><tr><td>Domaine</td><td>Papiers</td><td>Applications principales</td><td>Limites et risques</td></tr></thead><tbody><tr><td>Smart Grids</td><td>(5; 24; 25)</td><td>1. Administration intelligente distribuée. 2. Améliorer la confidentialité et la sécurité. 3. Flux de données et flux de trésorerie optimaux.</td><td>1. Grandes dépenses d'infrastructure nécessaires.</td></tr></tbody></table>

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