本帖最后由 中国计算机学会 于 2024-4-19 14:15 编辑
摘要—传统的碳数据管理方式存在着数据质量难以保证、数据交换不透明、数据可信度低、数据传输不可信、数据流通孤岛等问题。本文分析了碳数据可信管理面临的挑战，并介绍了区块链在碳数据管理中的应用模型和基于区块链的碳管理平台体系架构设计，最后指出了当前区块链技术在碳管理应用中的不足之处。
程 阳（中国信息通信研究院）
宋文希（中国信息通信研究院）
王苏婉（中国信息通信研究院）
关键词 ：区块链 可信 碳数据管理 碳达峰碳中和 引言 工业革命极大地提升了生产效率，推动了人类社会的发展，但是，煤炭、石油等化石燃料的大量使用，使大气中的二氧化碳等温室气体含量急剧上升，导致全球气候变暖，海平面上升，极端天气增加，威胁人类社会的生存。为应对气候变化问题，1988年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）成立，拉开了全球减碳的序幕。截至2023年9月，全球已有150多个国家做出了碳中和承诺，覆盖了全球80％以上的二氧化碳排放量、GDP和人口[1]。数字技术赋能碳管理，促进碳减排也成了关注的焦点。相关研究表明，数字技术能显著降低制造业碳排放的强度，对制造业碳排放具有明显的减缓作用[2~3]；李涛等人通过对钢铁行业碳管理现状的分析以及深度融合数字化技术，创新地提出了包括基础设施层&数据采集层、数据运算层、业务应用层、用户层四个层次的数字化技术，为钢铁行业应用架构赋能[4]；陈晓红等人通过梳理分析电力企业减污降碳中的数字技术应用进展，揭示了现有数字技术在电力行业减污降碳应用中存在的问题，并探究了物联网、区块链等新兴数字技术为电力企业减污降碳赋能的方法路径及相应的实现策略[5]。 然而，数字化技术在碳数据管理的环节中，仍面临数据可信采集、全流程追踪、可信存储等一系列挑战。区块链作为一种新型的数字技术，在数据可信存证、全流程溯源、数字资产管理等方面具备独特的优势。将区块链技术用于碳数据全生命周期管理，优化碳管理流程，提升碳管理效率，促进碳数据流通，增加碳资产价值，正成为区块链应用探索的新兴领域[6~8]，本文将介绍区块链如何解决碳数据管理中的挑战，以及基于区块链的应用模型和碳管理平台体系架构。 碳数据可信管理面临的挑战 碳数据作为企业的一种新型数据资产，在采集、处理和利用、交易等碳数据生命周期的各阶段面临诸多挑战，传统的碳数据管理方式存在数据质量难以保证、数据交换不透明、数据可信度低、数据传输不可信、数据流通孤岛等问题。利用区块链技术提升碳核查、碳交易等碳资产关键数据的可靠性和公信力，对夯实碳市场数据基础、保证碳市场平稳有效运行具有重要作用[9]。碳数据可信管理主要面临数据采集困难、管理流程缺失、协作共享困难三方面挑战。 碳数据采集困难，数据质量参差不齐。企业碳数据来源广泛、形式多样，包括煤炭、燃气等燃料燃烧的碳排放、生产过程中原料的化学反应产生的碳排放、产品运输和使用过程中的碳排放等，数据的生产涉及采购、仓库、车间、配送、销售等不同部门和信息系统，数据缺失和不一致的情况较为常见。目前已有一些学者尝试使用区块链技术，提升碳数据采集的可信性，保证数据的真实性。徐天天等人[10]探讨了区块链在供应链碳足迹上的可信采集、计算以及绿色能源替代系统领域的应用。研究表明，使用区块链、智能合约和物信融合等最新技术可以提高能源碳足迹数据的采集效率和源端可信碳核算。陈正奎等人[11]提出一种基于区块链和隐私计算技术，从供应链的视角构建“碳标签”数据获取、处理和展示系统的方法，解决碳数据归集困难、真实性难以保障和易被篡改的问题。 碳管理流程缺失，数据应用效率较低。碳管理涉及企业内部不同部门，以及和外部不同机构的协作，数据链路冗长。在碳核算环节，需要从生产部门采集获取排放监测数据、燃料进销存数据等原始数据，并通过特定的算法计算每一种排放源的碳排放量，最终由碳排放管理部门进行汇总和整理，核算工作较为繁琐。在碳核查环节，第三方核查机构需要获取原始数据和过程记录，并进行审查。为了保证核查的准确性，核查机构需要花费大量人力物力确认原始数据的真实性，核查效率较低。现阶段，急需一种既能简化碳管理流程，又能保障原始数据和过程记录真实性的数字化管理平台。杨皓瑜[12]探讨了建立碳资产数据管理平台的重要性，以及如何将区块链技术嵌入碳资产数据管理平台，以提高碳市场的透明度、可信度和有效性。通过区块链可以实现碳资产的精确跟踪、安全核算和实时监控，为碳交易提供坚实的基础。Tang等人[13]提出了一个基于分布式碳账本的碳资产管理系统框架。该框架利用区块链技术实现碳资产管理的数据共享、数字化和智能化。Axelsen等人[14]的研究作为欧盟分布式账本技术试点监管沙盒计划的一部分，探索利用基于分布式账本技术的绿色债券交易和结算系统，以缓解碳信用市场在碳封存认证方面缺乏基础设施的问题。 碳数据共享困难，数据价值有待释放。碳管理的最终目标是减少企业碳排放，并通过对剩余碳排量的资产化为企业带来收益。通过区块链的网络传播和共享机制，监管机构可以实时接收到被监管企业报送的碳排放信息。对于碳交易机构，通过区块链平台可以将企业多余的碳排放量或碳排放权出售给购买方，购买记录可以永久保存在区块链账本上。另外，随着碳金融的逐步完善，记录在区块链上的碳资产，在经过金融机构认可后，可以通过绿色金融机制获取金融支持。针对碳数据的共享和交易问题，Pan等人[15]认为在碳交易的记录、传输以及点对点的交易等方面，区块链作为分布式去中心化的数据库满足了碳交易市场的需求。Liang等人[16]设计了一个基于声誉的双区块链排放交易系统框架处理交易，以减少冗余并提高安全性。企业可以是卖方节点、买方节点或满足其他需求的节点，交易对象对所有卖方和买方开放。双区块链包括确认链和金融链：确认链记录交易内容，并帮助买卖双方就条款达成一致；金融链则用来处理资金流通。该框架允许快速交易，提高了安全性。Khaqqi [17]提出了一种新颖的碳排放交易模型，为机器对机器（M2M）交易提供了基础，通过区块链解决碳排放交易的低效管理和欺诈问题。此外，海外市场聚焦碳金融方向，为企业提供低碳减排的转型机会。Mohammed等人[18]探讨了利用区块链解决问责制、漂绿、可追溯性、影响评估和碳信用交易等问题，并研究了可持续金融方面的机会，以解决与ESG（环境、社会和公司治理）和气候变化相关的问题。 区块链在碳管理中的应用模型 区块链技术具有特殊的块链式数据结构，以及受到共识机制、智能合约等技术的支持，比传统的数据库系统更加复杂，同时也极大增强了数据的可靠性、可用性、协同性，为数据资产化、数据价值发挥提供了强大的底层技术支撑。通过将区块链技术引入碳管理的全生命周期，可以发挥其独特的技术优势，弥补碳管理体系的薄弱之处，提升交易过程中碳资产的价值。区块链在碳管理中的应用模型如图1所示，在企业内部、机构之间、国际合作三种业务场景中，可以充分利用区块链的技术优势提升碳管理效率。
在企业内部场景下，为解决数据采集困难和数据质量良莠不齐的问题可以采取以下措施：首先，通过物联网设备、排放监控系统、企业其他信息系统等碳数据源，将数据直接上链，保证原始数据的真实性和可靠性；然后，利用智能合约规定各参与主体的数据格式和需要达到的数据质量等，并且由各参与方将达成共识的智能合约部署到各个区块链节点，通过智能合约对采购、出库、监测等数据进行对比，及时发现不一致的数据，保证数据质量；最后，根据用户身份设定操作权限，根据定义的业务流程实现碳数据的审批及其在企业内各部门之间的共享，为企业碳盘查、摸清碳家底以及制定减排策略奠定基础。 在机构之间场景下，涉及的业务主要有碳核查、碳金融、碳监管、碳普惠等。在理想情况下，各机构接入同一条碳数据管理区块链网络，利用区块链的数据可信共享机制，以及智能合约的流程控制和数据安全保障机制，实现各自的业务需求。第三方核查机构可以通过核查节点按需获取原始数据和过程记录，并对碳排放量进行审核，减少原始数据获取和核对的工作量，提升核查效率；金融机构可根据核查机构的核查报告以及企业提供的相关证明，核定企业碳信用，为企业提供绿色金融支持；监管机构通过智能合约定期触发碳数据上报要求，快速、准确地收集企业碳排放量数据，支撑未来的监管决策；在面向个人的碳普惠场景，企业可以开放一些特定场景，如员工或用户通过绿色出行、废物回收利用等积累碳积分，增强大众的节能减排意识。此外，对于其他有碳交易需求的企业，通过如碳履约、ESG等，可以将链上的碳资产进行交易，增加企业减碳收益。 在国际合作场景下，比如在欧盟碳边境调节机制（Carbon Border Adjustment Mechanism，CBAM）、航空碳税等业务中，区块链技术具有更大的优势和应用潜力。通过区块链实现数据的可信协作，可以实现碳数据从采集的源头到最终计算的碳排放量全流程公开透明，降低不同国家之间的信任成本。在智能合约中结合零知识证明、可信执行环境等密码学方法，实现数据可用不可见，保证关键数据不出域，保障数据安全。 基于区块链的碳管理平台体系架构 基于区块链在碳管理方面的应用模型，通过提取各业务场景下对数字化管理平台的通用技术需求，形成了基于区块链的碳管理平台体系架构，如图2所示。该架构共分为8层，包括基础设施层、数据集成层、技术服务层、通用服务层、行业应用层、安全保障体系、运维管理体系和运营管理体系。该架构面向通用的碳数据管理平台，具有较为全面的碳管理能力，可为各行业建设相关的碳管理数字化平台提供参考。
基础设施层是整个碳管理平台运行的基础，包括对系统的网络通信设施、数据存储设施、数据计算设施的管理。对于基础设施管理能力比较完善的企业来说，可以直接依赖企业自身的云管理系统进行开发。 数据集成层用来解决数据来源和数据格式不统一的问题，通过数据集成层将采集到的数据进行统一汇聚和处理，然后按照可信上链的方式，通过安全的数据接口和权限管理方案，将碳数据进行上链处理。 技术服务层，由于区块链系统的管理和运维相对复杂，可能涉及不同机构之间的分布式部署，因此需要一套区块链管理系统，也称为区块链即服务（Blockchain as a Service，BaaS），以方便用户对区块链节点、智能合约、系统账户、治理规则等进行操作。对于有链间互操作需求的业务场景，还需要开发跨链平台，以便在不同区块链系统之间实现数据流通和协作。 通用服务层功能覆盖较为广泛，主要针对碳管理各业务进行功能模块设计，目前的碳管理业务场景主要分为核查核算、交易和金融服务、监督监管三种类型，其中核查核算目前在企业内部场景中应用最为广泛。企业利用链上存储的碳数据，依据国家相关政策和法规，通过智能合约实现碳计量规则，计算企业在特定范围和时间段内的碳排放量，并通过碳数据分析模块可视化展示碳排放情况，确定碳减排的关键环节，辅助支撑碳减排决策判断。此外，由于碳排放因子、碳排放报告等在不同区域、不同时间可能有不同要求，因此需要具备灵活配置和动态选择的能力。在碳核查方面，涉及第三方机构使用碳数据的问题，考虑到目前尚未实现全流程链上处理，因此需要为第三方机构预留核查接口，或部署核查节点，专门为核查机构提供所需的数据和服务。 企业可以通过交易和金融服务模块将碳数据转换为碳资产并获得收益。首先，通过碳排放权交易模块，可以将结余的碳排放配额放在市场上进行交易，换取部分收益。其次，企业可以通过碳金融产品支持模块，根据各金融机构对绿色金融的相关要求，提供证明材料，并与金融机构进行对接，完成绿色信贷、绿色基金等相关业务，缓解企业资金问题。最后，碳排放账户管理模块可以为个人用户或企业供应链中的其他企业提供账户注册和管理能力，支撑碳普惠业务，或对产品全生命周期的碳足迹进行管理。 为满足监管部门的监管要求，监督和监管模块为企业提供数据报送、产品碳足迹追踪等功能。同时，在机构之间和国际合作的业务场景中，随着碳管理制度、监管要求和碳市场的逐步完善，监督监管模块的重要性将逐步提高，管理要求和实现细节也将逐步完善。 行业应用层针对不同行业应用的具体业务场景进行功能实现，由于不同行业应用的业务流程、数据来源、数据格式等差异较大，不同行业需要根据实际的需求调研进行功能设计。随着中国核证自愿减排量（Chinese Certified Emission Reduction，CCER）的发展，国内参与碳市场的企业将不断增加，除了控排企业以外，更多的非控排企业也将加入进来，行业应用层中的行业数量也将不断增加，未来针对不同行业的碳管理平台的技术要求也需要不断细化。 安全保障体系、运维管理体系和运营管理体系是支撑碳管理系统安全、稳定、持续运行的基础，这三个体系不一定是该平台中的一个功能模块，也包括企业整体的管理制度，以及安全防护体系。比如，系统安全保障依赖于企业自身的系统安全保障体系，通过防火墙、堡垒机等方式保障数据中心的整体安全。而运营管理体系依赖于企业整体业务的运行，以及相关制度的规范执行。 在基于区块链的碳管理平台中，区块链技术为企业碳管理增加了数据安全可信和共享协同的基础，是上层业务系统稳定高效运行的基石，但是区块链技术也不能解决所有的问题，需要与其他信息技术进行有机融合，才能保障碳数据的全生命周期可信管理，进一步拓展其在碳管理领域的应用范围和深度。例如在数据采集过程中，通过区块链+物联网技术实现监测数据的可信上链，减少人为干预导致的数据错误问题；在数据处理和利用过程中，通过区块链+隐私计算技术，实现数据的隐私保护和安全保障。 未来展望 随着我国实现碳达峰碳中和目标期限的临近，以及碳市场和国际碳规则的不断完善，企业碳管理的需求也将不断释放，规范化、数字化、智能化的碳数据管理平台也将成为企业数字化转型的重要方向之一。通过区块链等技术构建的碳管理平台，将为企业提供更加全面、精确、高效的碳数据管理服务，帮助企业更好地实现碳减排和低碳转型。同时，碳管理平台还将与企业的其他业务系统进行集成，实现数据共享和业务协同，推动企业的整体数字化转型和升级。但是，区块链技术在碳数据管理平台中的应用仍面临一些问题。 1.区块链技术存在性能瓶颈，难以支撑碳数据大规模上链。碳排放数据，特别是监测系统实时采集的碳排放数据体量庞大，大量数据持续上链将对区块链系统的性能和存储带来极大挑战。通过开发新型的架构设计和数据存储方案，扩大区块链系统容量，是区块链系统在碳管理应用中需要解决的重要问题。 2.智能合约安全性问题，难以支撑业务复杂的场景。智能合约在碳数据管理平台中起着非常重要的作用，包括规范数据管理流程、保护数据隐私安全、选择碳计量规则和管理排放因子库等，一旦出现安全性问题可能会影响所有链上数据和业务系统的安全。然而，智能合约的安全检测技术发展相对滞后，难以保障复杂逻辑智能合约的安全性。 3.联盟链系统开放性不足，无法满足碳普惠的场景。个人级碳交易的潜力巨大，个人碳普惠机制的发展对我国实现碳达峰碳中和目标意义重大[19, 20]，但是当前的联盟链系统主要针对企业应用场景而设计，在节点运营模式、用户身份管理等方面难以适应个人用户场景，亟须探索开放联盟链模式，在满足监管需求的同时，兼顾广大用户的上链需求，助力个人碳交易市场的发展。 ■
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发表于 2024-4-18 13:37:58