双碳目标下区块链与可再生能源的融合发展研究

崔茗莉，冯天天，刘利利

（中国地质大学（北京）经济管理学院，北京 100083）

0 引言

自2021 年起世界经济呈恢复性增长态势，全球能源消费整体恢复[1]。目前，以煤碳、石油为主的常规能源处于能源消费的主体，但由于其存量有限且对环境污染严重，因此能源转型升级已成为各国关注的主要议题。2023 年3 月，国际可再生能源署（International Renewable Energy Agency，IRENA）发布的《2023 年可再生能源装机容量统计》报告显示，截至2022 年底全球可再生能源发电总装机容量达3.372×109kW，增装机量达2.95×108kW，同比涨幅9.6%，以光伏、风电为主的可再生能源新增装机容量占据主导地位。

“双碳”目标要求我国持续推进产业结构和能源结构调整，努力兼顾经济发展的同时实现能源的绿色转型。在“双碳”目标下，为促进电力行业低碳发展、改善发电能源结构，光伏、风电等可再生能源在我国得到了迅速的发展[2]。截至2023 年11 月底，我国累计发电装机容量约2.85×109kW，同比增长13.6%。其中，太阳能发电装机容量约5.6×108kW，风电装机容量[3]约4.1×108kW。

然而由于我国目前存在风光资源分布不均衡、电网配套投资运维成本高、市场交易机制不完善等现实问题，因此可再生能源在发展过程中面临着利用效率不足、投资效益低、交易过程不透明不规范、市场竞争力弱等问题。为纾解可再生能源的扶持困境，许多专家学者建议运用区块链技术解决可再生能源现存问题。区块链技术具有去中心化、自带信任、不可篡改等众多特性[4]，将区块链技术运用于可再生能源领域可进一步规范交易过程、完善交易机制、引导可再生能源良性发展。

综上所述，本文在对现有研究进行整理并进行全景式介绍的基础上，采用定性与定量相结合的方法对“区块链+可再生能源”领域的文献进行全面综合分析，弥补了当前研究综述存在的不足，为后续学者对“区块链+可再生能源”融合发展方向的研究提供有益参考，为我国实现“双碳”目标提供有力支撑。

1 “区块链+可再生能源”研究现状分析

1.1 数据来源与研究方法

本文研究基于Web of Science 核心数据集，以Renewable Energy &Blockchain，Clean Energy &Blockchain，New Energy &Blockchain 为主题检索词，对2016 年1 月—2023 年7 月所发表的相关文献进行检索。为提高结果分析的准确性，过滤会议类论文及书籍章节等文献类型以及重复搜索的文献，有效检索结果为920 条。研究方法主要采用文献计量法（以各种文献外部特征为研究对象的量化分析方法），利用统计学和数学方法针对研究进展、热点以及趋势展开分析。对总计920 条检索记录中的基本信息以纯文本形式导出，通过VOSviewer软件对文本文件进行识别和统计。最后，利用可视化工具Scimago Graphica 展示论文所属国家、机构、作者的影响力及相互合作关系，并构建关键词共现网络，考察关键词随时间流动的演化情况，以探讨“区块链+可再生能源”的主要研究内容和发展趋势。

1.2 发文量分析

文献数量在一定程度上代表了学术界对该研究领域的关注度与重视度。Web of Science 核心合集中“区块链+可再生能源”领域2016—2023 年的发文量趋势变化如图1 所示。

图1 2016—2023年发文量趋势变化Fig.1 Trend changes in the number of publications from 2016 to 2023

由图1 可知，2016 年Web of Science 核心合集中出现过主题为“区块链+可再生能源”的文章仅1篇，数量极少。从2017 开始，学者们逐步开始对区块链与可再生能源的融合进行研究。从发表数量的趋势来看，除2023 年不完全统计数据外，2016—2022 年“区块链+可再生能源”领域的发文量呈快速上升态势，2022 年发表量达到305 篇，占总数量的33.2%。表明随着政策环境的变化和对区块链技术的认知深化，学术界对“区块链+可再生能源”二者结合作为研究主题的兴趣在快速上升，同时也说明区块链在可再生能源领域的应用范围及影响正在逐步扩大。

1.3 研究领域分析

在领域维度上，利用VOSviewer 软件绘制研究领域叠加图谱可以明确研究主题聚焦的研究领域。图谱示意图如图2 所示。

图2 研究领域叠加图谱Fig.2 Overlap graph for research field

图2 中，圆圈表示节点，每1 个节点表示1 个研究领域，节点面积越大代表该研究领域内所包含文章数量越多。其中，以“区块链+可再生能源”为研究主题的920 篇文章分布在图中5 个聚类中的不同领域，每个聚类根据编号（1-5）和5 种颜色进行区分，聚类标签在图中用矩形表示。根据图中各个节点面积大小以及所在的聚类名称可知，相关研究主要聚焦在以下几个领域，分别是电子电气工程，计算机科学信息，能源和燃料，环境科学与环境研究。由此可以看出，“区块链+可再生能源”领域研究的基础与应用集中在计算机工程、电子电气、能源技术以及能源环境等方面。

1.4 研究主题分析

为更好地探究“区块链+可再生能源”领域的研究主题，对该领域相关文献进行共被引分析，寻找其高被引文献。文献共被引网络图谱如图3所示。

图3 文献共被引网络图谱Fig.3 Network map of literature co-citation

由图3 可知，以图中红色节点为例，节点上方“ANDONI M”为发文作者名字，“2019”为发文年份，节点中数字“199”为文献被引次数。从时间上分析，“区块链+可再生能源”领域文献在2017—2019 年被引次数较多，这不仅代表了这段时间内该领域研究成果显著，同时也说明在2017 年后的一段时间内该领域的学术影响力逐步扩大，实现后续研究对已有研究持续的深入和扩展。从关键节点分析，图3 中红色节点和橙色节点代表的2 篇文章被引次数较多并且与其他文献联系密切，对“区块链+可再生能源”领域的影响较大。这2 篇文章的作者分别为ANDONI M 和MENGELKAMP E，被引频次均超过150 次，远高于其他文献被引频次，说明ANDONI M和MENGELKAMP E 的研究成果得到了众多学者的认可和研究。深入分析关键文章的研究内容可知，关于清洁能源技术、零能耗、零碳排放、循环发展等问题备受关注，因此可确定针对如何实现双碳目标、实现最大限度地节能减排、发展循环经济已成为近年来的最重要的研究主题。

1.5 研究团体分析

追踪国家、机构、作者团队等研究力量，可以快速了解领域的研究团体及团体最新的研究动向。经统计，数据集中共95 个国家在“区块链+可再生能源”领域研究中有所贡献，其中发文数量超过50篇的前7 位国家分别是中国、美国、印度、沙特阿拉伯、英国、澳大利亚和意大利，如图4 所示。

图4 国家共现网络图Fig.4 Co-occurrence map of countries

由图4 可知，颜色越深，国家发文量越多，其中中国的论文发文量为293 篇，处于领先地位；其次是美国，达到114 篇。说明中美两国对区块链技术应用在可再生能源领域的研发比较重视。从国家间合作联系强度可知，国家间合作联系分布相对集中，中国与其他国家的总合作联系强度为92，占据主导地位，其次是美国（62）和英国（61）。其中，中国和美国之间的连线宽度最大，合作联系强度为30；其次是中国和英国，合作联系强度为28。表明中国和英美两国的合作关系最为活跃。也有部分国家与其他国家的合作不够紧密，如波兰（合作联系强度为1）和南非（合作联系强度为3），这些国家未在图中显示。促进与这些国家的合作是深化区块链技术在可再生能源领域研究和应用的一种方式。总体来看，可再生能源和区块链领域的相关研究已经逐步得到了众多国家的关注，由于经济、社会、文化、人才、科技和研究支持力度等各个方面的差距，各国家的研究难免存在差别，但随着时间的推进将会有越来越多的国家和地区参与到对该领域的探讨中来。

机构共现能够反映某一研究领域的核心机构及其合作强度，本文研究的机构共现网络图如图5所示。其中，每个节点对应一个机构，节点面积大小及节点旁标注数字对应机构间的合作联系强度，节点颜色对应机构最新发文时间。

图5 机构共现网络图Fig.5 Co-occurrence map of institutions

由图5 可知，发文机构主要分布在巴基斯坦、中国、日本等，研究机构较为集中，主要研究机构是高校，其次是新能源重点实验室和其他相关的科研机构。COMSATS Univ Islamabad 是该群体中和其他机构联系最密切的机构，其联系强度全球最高，表明该机构信息分享程度较高。对COMSATS Univ Islamabad 所在的聚类（聚类C）进一步研究，发现它对点对点能源交易以及交易的激励机制等领域均有涉及，而这些也是该聚类中合作机构所研究的主要领域。以North China Elect Power Univ 为主的机构群体（聚类N）是国内研究贡献度最大的研究群体，与Quata Univ、Shanghai Univ 等机构形成了1 个相对较小的研究链。该群体主要研究虚拟发电厂，隐私保护及共识机制等方面。从整体上看，各国研究机构之间存在着一定的合作关系，一定程度上说明各国高校及研究所对于可再生能源和区块链领域有着较为丰富的研究经验和研究能力。然而，国外文献贡献度和联系强度平均高于我国研究机构。因此，国内研究应加强论文的研究深度和可获取度，从而增强影响力。同时，该结果也表明国内外顶尖机构始终是科研领域的重要力量，我国应加强对外的合作交流，进一步推动我国区块链技术在全球可再生能源领域的发展，助力我国双碳目标的实现。

作者共现分析能够反映某一研究领域的核心作者及其合作强度与互引关系。作者共现网络图如图6 所示。

图6 作者共现网络图Fig.6 Co-occurrence map of authors

由图6 可知，学者间部分合作关系较为紧密，根据相同颜色代表的年份节点数量多少可知，2020年对可再生能源和区块链领域进行相关研究的学者较多，作者合作发表相关文献数量较多。根据右上角联系强度图例所示，节点面积与作者联系强度成正相关，节点外数字表示合作联系强度，联系强度越高，该作者在领域内影响力越大。根据联系强度识别关键作者，对关键作者的文章和研究方向进行深入分析。JAVAID N 学者在2020 年首次发表该领域相关文章，是目前该领域中发文量最多也是主要的学术贡献者，累计共发表13 篇文章，其中《Blockchain-based load balancing in decentralized hybrid P2P energy trading market in smart grid》[5]是JAVAID N 在“区块链+可再生能源”研究领域中被引次数最高的1 篇文章（83 次），文章主要利用区块链技术不可篡改等特点建立集中能源交易系统，解决传统能源交易可能存在信任和隐私问题，建立高效的混合能源交易市场，进一步降低交易成本。《Blockchain based sustainable local energy trading considering home energy management and demurrage mechanism》[6]被引次数也较高（54 次），文章研究利用区块链技术去中心性的特点优化可再生能源交易，通过从生产端和消费端两方面对能源消耗进行优化，实现电力成本最小化。综上，学者在可再生能源和区块链领域的融合研究中重点关注了区块链特性和能源交易的结合应用，也属于该领域的基础性研究。

2 “区块链+可再生能源”研究热点分析

关键词是一篇文献有效信息的极简概括，通过识别关键词之间的相互联系和随时间变化的分布规律，可以表征领域的主要研究热点、洞察其发展趋势。利用VOSviewer 软件对检索的结果进行统计分析，共获得有效关键词3 162 个。然而现有关键词存在冗余重复等现象，因此对所有关键词进行去重合并得到新的数据集，并对新数据集设置恰当的阈值，最终获得总联系强度前20 的关键词共现网络。关键词共现网络及合作联系强度如图7 所示。其中，节点中数字为关键词出现频次，节点颜色为关键词出现时间。

由图7 可知，由关键词合作联系强度可以发现，“区块链”作为关联强度最高的主题关键词与其余关键词均有着密切的联系，为确保研究结果可以更好地呈现，在总联系强度分析中去掉“区块链”，可以发现其余19 种高频关键词往往相伴出现，具有强烈的交叉和共现性。这些关键词基本涵盖了区块链技术在可再生能源领域的主体研究内容和研究热点，将这些关键词进行分类，可知在“区块链+可再生能源”领域中，能源管理、能源互联网、能源安全和能源系统等研究主题处于重要地位，是研究热点的“桥梁”。根据共现图扩大联系网，以这些高频关键词为中心进行分类归纳，可以明确该领域目前研究热点主要集中于可再生能源交易安全、系统及模式领域的应用。除此之外，区块链作为一种高效的现代化技术，世界各国已将其置于战略性发展地位，在双碳政策大力推行的背景下，部分学者认为以区块链技术为基础的绿色证书交易前景大好。因此，将从以下3 方面对“区块链+可再生能源”研究的热点问题进行归纳总结：

2.1 可再生能源交易安全

部分专家以区块链技术为安全交易的基础进行研究，提出基于区块链技术去中心化、隐私性强等特点来保障消费和交易数据的安全，实现能源服务企业高效透明的调度管理[7-8]。其中，在点对点能源交易模式中，区块链是支撑能源交易安全的主要技术手段。区块链通过构建网络将政府、电网企业、监管部门、新能源发电商、电力用户等主体作为节点接入，实现点对点交易。利用共识机制、智能合约等关键技术，保证交易的安全性、公开透明性和数据可靠性[9-10]。MENGELKAMP E[11]和刘杨[12]等学者提出为确保能源生产和消费的平衡，电力供需双方在微电网能源市场上实行点对点的方式交易自己生产的能源，以区块链技术为辅助手段优化微电网能源市场，有效解决了当前发电方式的不可控性[13]。因此，在可再生能源交易安全方面，现有研究热点主要聚焦于利用区块链去中心化、隐私性强等特点提高交易效率、保障电力交易的安全，但对区块链在电力交易方面的局限性考虑不足[14]。因此，未来研究除了关注区块链技术特点在可再生能源交易中的实践与应用外，应当更加关注区块链去中心化等特点给可再生能源应用带来了哪些局限与空白。

2.2 可再生能源交易系统及模式

随着“区块链+可再生能源交易”研究领域的不断深入，部分专家学者从不同方面提出一系列机制完善能源交易系统、改善交易模式，以实现能源交易的可靠性和安全性[15]。随着双碳目标的提出，未来化石能源比例将逐步降低，可再生能源会受到更多青睐，但可再生能源存在低密度和间歇性等局限，因此将区块链引入到可再生能源交易中可有效解决能源在系统中的问题。根据电力市场的现有交易机制，孙恒一等专家提出基于区块链技术的新能源消纳优化调度策略，促进电网短期电力调度与新能源波动性的结合，助力可再生能源交易能源系统升级[16]。基于区块链点对点能源交易可进一步支持可再生能源发展，为本地能源系统优化提供解决方案、减少电网负载和延迟[13，17]、增加能源生产商额外的收入来源[18]。

此外，“生产消费者”也是一种新的交易模式，OLIVARES-ROJAS J C 等[19]专家基于区块链系统构建电能交易模型，允许生产消费者将电能商业化，从而促进了电力市场的变革。在可再生能源交易系统及模式方面，现有研究热点主要聚焦于利用区块链技术完善可再生能源交易系统、改善交易模式，对区块链技术自身模型和架构的优化关注较少。未来，相关领域研究应当更加关注在区块链技术自身优化方面，考虑当区块链吞吐量增大时，能源交易过程中信息的安全和信息的处理等方面可能出现的问题，并进一步关注相应的解决措施[20]。

2.3 绿色证书交易

区块链是支撑可再生能源对等网络交易的新技术[21]。其中，证书交易是区块链在能源交易领域中的重要应用，例如以区块链能源交易平台为载体，创建以减碳量为核心的能源碳通证[22]；不仅可以实现对可再生能源消纳市场主体的激励，还可以为双碳目标下未来新型商业模式的建立提出设计思路。

在双碳政策下，由于传统的绿证交易自愿性等特点，对参与交易的市场主体限制和激励较弱。因此，一些学者基于双碳目标探讨了区块链对等网络中绿证交易的新模式，这也是区块链在绿色证书交易领域中的研究热点。胡春阳等[23]考虑绿证在市场中的供需情况对绿证价格和新能源电价的影响，提出区块链平台下电动汽车的绿证交易模式，完善了绿证交易及电动汽车充电调度策略，提升新能源发电商效益并降低电动汽车成本[24]。冯昌森等[25]提出1 种基于区块链的绿证和碳联合交易市场模式，将绿色发电企业与传统化石能源发电企业联系起来，优化配置绿证和碳排放权资源、推动能源转型、实现双碳目标。未来，随着绿证市场的持续发展，基于区块链技术的各个市场交易主体可随时对绿证状态进行追踪和更新，类似金融领域的凭证交易一样[26]。因此，在可再生能源绿色证书交易方面，相关研究除了关注区块链对等网络中绿证交易模式自身的优化，更应当关注在电力市场中区块链与绿色电力交易各个主体间的交易模式与交易策略。

3 “区块链+可再生能源”研究趋势分析

3.1 区块链与可再生能源管理的结合

随着双碳目标的实行推进，电力能源管理关注度不断提高，“区块链+可再生能源管理”将是电力能源经济的主流发展趋势。能源管理是1 个高度集中化的行业[27]，在能源交易中，可再生能源交易双方即能源生产者和能源使用者不能直接进行双方交易，而是需要通过公共电网或者有保障可信任的私人中介进行交易，造成能源管理存在一定的安全隐患和成本压力。而区块链最重要的特征就是去中心化和数据的不可篡改性，可保障交易数据的安全且交易成本低[28-29]。未来，将区块链技术和智能合约应用在能源管理方面，可有效控制能源供应系统，使系统中各主体（电力生产商、配电系统运营商、传输系统运营商和供应商等）都可以通过区块链网络在各个层次上进行交易，可在简化交易流程的同时，平衡能源的供给和需求、保障交易安全。随着能源管理的整个流程去中心化和数字化程度的提高，各环节待评估和分析数据溢出，应用人工智能有助于快速有效地处理这些数据。因此，在可再生能源管理中，区块链与人工智能的融合是未来研究的关键领域[30-31]。

3.2 区块链与可再生能源互联网的结合

区块链技术和能源互联网天然的耦合度，会使二者的结合具有广阔的发展前景。未来可以利用互联网和区块链技术，创建能源科技一体化的综合能源系统。该系统可以通过太阳能、风能、地热能等可再生能源与传统发电能源进行集成利用，在降低能源消耗和成本的同时，实现能源的互补共存[32]。此外，还可以利用区块链技术建设可再生能源互联网的全国分布式能源系统。在分布式能源发电系统中，利用互联网和区块链技术可实现可再生能源发电系统之间互联互通并保障供电需求；在分布式能源储存系统中，利用互联网和区块链技术可实现跨区储能系统的管理并优化储能模式，实现能源统一管理、集中调配，解决全国性的能源区域不平衡以及能源的高效协调利用等问题[32]。在分布式储能系统规划与配置技术方面，充分发挥多点分布式储能聚合效应，可实现对电网多种需求的支撑，产生相应的经济、社会效益[33]。未来，区块链与可再生能源互联网的结合还可以进一步提高可再生能源并网消纳，提高配电网的运行水平。

3.3 区块链与绿色电力交易的结合

根据国家双碳政策，未来将重点关注绿色电力交易的发展。在现行交易模式和交易环境下，绿色电力交易认证流程复杂、溯源难度大、交易成本高且存在交易数据伪造、篡改等潜在痛点，而区块链独特的链式存储结构可以解决这些问题，极大地促进区块链在绿证交易的应用和发展[33-34]。然而针对现阶段国际绿电绿证交易中存在的难以确保绿证唯一性、真实性、交易流程复杂等共性问题，未来可以依托区块链分布式存储技术原理和跨链技术[35]实现从绿色电力生产源头捕捉碳资产动态形成过程，并打通绿证交易关键主体间的数据壁垒，辅以公开透明的交易机制，为绿电绿证的认证与消纳在技术层面提供可视、可信、可靠证明。在区块链与绿色电力交易的结合方面，未来还可以通过构建基于区块链的绿电交易平台，利用多维溯源查询等技术，实现区块链的绿电生产、交易、消费全链条溯源，同时通过发挥交易平台优势进一步强化与绿证的衔接，依据绿电交易结算结果将绿证分配至电力用户，实现绿电环境价值从交易源头到“消费认证”的贯通，激活绿色电力商品的价值及其产生的环境效益。

4 结语

本文利用文献计量学对“区块链+可再生能源”领域内920 篇文献从研究现状、热点和趋势等3 方面进行分析。

从研究现状来看，2016—2023 年“区块链+可再生能源”领域的出版物迅速增加，特别是在2022年，发文量占总量的1/3。其中能源系统优化、清洁能源技术、循环发展等问题备受关注。中国、美国和英国等国家的高校和科研院所合作研究日益增多，针对如何实现双碳目标、实现最大限度地节能减排、发展循环经济成为近年来的最重要的研究主题。

从研究热点和趋势来看，该领域在可再生能源交易安全、可再生能源交易系统及模式、绿色证书交易等方面研究范围较广且一直保持热度。未来的研究趋势包括：可再生能源管理中区块链与人工智能的结合、区块链与可再生能源互联网的结合、区块链与绿色电力交易的结合等。

本文的研究结果有助于研究者全面了解该领域目前的研究工作及发展方向。未来研究将进一步扩大检索范围，增加研究数据库，为区块链与可再生能源的融合发展的研究提供更加全面的数据和理论支撑。