Einleitung
Mehr als 30 Jahre nach Erfindung des Internets ist der derzeitige Zustand des World Wide Web (www) mangelhaft. Nicht zuletzt oder gerade weil die Kontrolle über Daten im www verloren geht. Dabei hat das Internet die Fähigkeit, Vereinbarungen und den Austausch von Werten zu revolutionieren, nur werden hierzu neue Technologien gebraucht. Die Blockchain-Technologie ist eine Möglichkeit hiervon, die in diesem Leitartikel näher erklärt wird.
Jedes Mal, wenn wir online kommunizieren, werden Kopien unserer Daten an den Server eines Dienstanbietenden übertragen, in diesem Moment geben wir die Kontrolle über diese Daten ab. Unsere Daten werden zentral gespeichert, entweder auf unseren Computern oder in einer Cloud.
Über die Zeit hat sich der Informationsaustausch sowie die Interaktionen im Internet stark verändert, doch nach wie vor ist der Austausch von Daten nicht sicher. Daher soll das sogenannte „Web3“ die Idee für eine neue Generation des www sein. Das Hauptziel von „Web3“ ist es, die Macht über das Internet wieder an die Nutzenden zurückzugeben statt an die Unternehmen, wobei die Blockchain-Technologie ein Rückgrat des „Web3“ ist.
Was ist eine Blockchain?
Das Blockchainkonzept wurde 2008 von einer Person oder Personengruppe unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto in einem Whitepaper beschrieben, welches die erste Kryptowährung “Bitcoin” einführte. In diesem Whitepaper werden bestehende, gravierende Probleme im Umgang mit monetären Werten beschrieben und dargestellt, wie diese zukünftig durch eine Blockchain vermieden werden können.
Auf den ersten Blick ist eine Blockchain (deutsch für Blockkette) eine digitale Datenbank, die das Konzept beinhaltet, jegliche Transaktionen über Rechner-Netze, die über mehrere Computer verbunden sind, dem sogenannten Peer-to-Peer (P2P), ohne zentrale Autorität (z. B. Server) zu sichern. Blockchain ist eine Methode, um Daten so zu speichern, dass es schwierig bzw. gar unmöglich ist, sie zu ändern oder zu hacken. Sie ist ein dezentrales digitales Konto, das Transaktionen aufzeichnet und Informationen speichert, von Finanztransaktionen bis hin zu Krankenakten und Vermögenswerten wie z. B. Immobilien.
Blockchain-Anwendungen werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, z. B. für den digitalen Wertpapierhandel, die digitale Identität, den Eigentumsnachweis, P2P-Transaktionen und die Netzwerkinfrastruktur. Blockchain ist die Technologie, die Bitcoin zugrunde liegt und speziell für Bitcoin entwickelt wurde. Bitcoin war das erste umgesetzte Beispiel für Blockchain (1).
Wie funktioniert eine Blockchain?
Eine Blockchain arbeitet als dezentrales System, um P2P-Transaktionen zu ermöglichen, die von freiwilligen Netzwerkbeteiligte validiert werden. In der Blockchain bezieht sich Dezentralisierung auf die Übertragung der Kontrolle und Entscheidungsfindung von einer zentralisierten Einheit (Einzelpersonen, Organisation oder Gruppe) auf ein verteiltes Netzwerk. In einem zentralisierten Banksystem wird alles von einer Instanz kontrolliert (Abb. 1).
Abbildung 1: Zentralisierte Bankensysteme vs. Dezentrale Blockchain-Technologie (Übersetzt nach 2)
Es gibt verschieden Arten von Blockchains (Abb. 2). Bei öffentlichen Blockchains steht die Teilnahme jedem offen. Bei dieser Beteiligung, genannt „Mining“, wird in der mit der Blockchain verbundenen Kryptowährung bezahlt, z. B. mit Bitcoins für die Bitcoin-Blockchain und mit Ether für die Ethereum-Blockchain. Während in der Theorie jeder teilnehmen kann, zeigt die Praxis, dass das Mining zu einem sehr wettbewerbsfähigen Markt geworden ist und mittlerweile hauptsächlich von riesigen Mining-Farmen mit großer Rechenkapazität in Ländern durchgeführt wird, in denen Strom zu niedrigen Kosten verfügbar ist, wie Island oder China. Mining ist eine Metapher für die Einführung neuer Bitcoins in das System, denn es erfordert (Rechen-)Arbeit, so wie das digitale Schürfen von Gold oder Silber.
Natürlich sind die Token, die Miner finden, virtuell und existieren nur innerhalb des digitalen Ledger (Identitäts- und Kryptowährungsguthabenspeicherort) der Bitcoin-Blockchain. Wichtig zu wissen: Mining wird nicht unbedingt bei allen Arten von Blockchain eingesetzt.
Abbildung 2: Arten von Blockchain (Übersetzt nach 2)
Während die Blockchain-Technologie noch am Anfang steht, schreiten Entwicklungen in der digitalen Welt schnell voran. Dabei hat diese Technologie gemäß der unabhängigen Energiehandelsberatung Energy Brainpool das Potenzial, die Geschäftsprozesse und -modelle der Energiewirtschaft radikal zu verändern (3).
Auch für die Windbranche wird es somit von entscheidender Bedeutung sein, mit den Entwicklungen Schritt zu halten.
Es gibt hauptsächlich drei Möglichkeiten (Konsensmechanismen), Transaktionen zu validieren:
1. Proof of Work (PoW) ist eine Methode, um Transaktionen mithilfe der Blockchain-Technologie zu verarbeiten. Sie wird von vielen Kryptowährungen verwendet, einschließlich der allerersten Kryptowährung Bitcoin. PoW erfordert, dass die Netzwerkteilnehmenden (Miner) komplexe mathematische Rätsel lösen, wobei der erste Miner, der das kryptographische Rätsel löst, einen neuen Block mit gespeicherten Transaktionsinformationen hinzufügt und eine Belohnung erhält. PoW erfordert spezielle Computerhardware und hat einen sehr hohen Energieverbrauch zur Folge.
2. Während beim PoW die Rechenleistung zählt, ist beim Proof of Stake (PoS) der sogenannte Stake (Menge der eingesetzten Kryptowährung) entscheidend. Je größer der eigene Anteil, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, die nächste Transaktion validieren zu dürfen, d. h., einen neuen Block hinzuzufügen und eine entsprechende Belohnung zu erhalten. Im Vergleich zu PoW erfordert diese Methode keine spezielle Computerhardware zur Lösung komplexer Gleichungen, was auch dazu führt, dass weniger Energie verbraucht wird. Kryptowährungen, die auf PoS basieren sind z. B. Cardano, Tezos und Algorand (4).
3. Proof of Authority (PoA) ist ein Mechanismus, der als Variante von PoS bezeichnet werden kann, wobei der Einsatz hier die Identität und somit Reputation des Validierenden ist. PoA begrenzt die Anzahl möglicher Validierende auf eine relativ kleine Anzahl vorab genehmigter Personen. Diese müssen einen Vorauswahlprozess durchlaufen, sich bei einer öffentlichen Notardatenbank registrieren und eine Reihe von Regeln einhalten, um vertrauenswürdig zu bleiben. PoA-Protokolle haben sich insbesondere in privaten auf die Bedürfnisse von Unternehmen angepassten Enterprise-Blockchains bewährt. Letztere umfassen wie im Falle der Energy-Web-Foundation-Blockchain auch Energieanwendungen. Der Grund dafür ist eine hohe Transaktionsrate, die in PoA-basierten Systemen erreichbar ist, und viel niedrigere- Energiekosten als bei PoW-Systemen. Nachteilig ist, dass eine kleine Anzahl von Validierern die Dezentralisierung des Netzwerks verringert, weshalb PoA zwar im privaten Bereich, jedoch weniger für ein öffentliches Netzwerk eine Alternative darstellt.
Anwendungen der Blockchain-Technologie im Energiebereich
Die Blockchain-Technologie findet in diversen Sektoren und Bereichen Anwendung, wobei sich im Folgenden vor allem auf den Energiesektor konzentriert wird. Zertifikate für Erneuerbare Energien, Energiehandelsplattformen und der ausreichende Betrieb von E-Auto-Ladestationen sind Hauptanwendungen der Blockchain-Technologie im Energiesektor.
Microgrids, die kleinsten, intelligentesten Stromnetze, die eine effiziente Stromversorgung garantieren, finden weltweit dort Anwendung, wo man nicht von einem zentralen Energiesystem abhängig sein möchte. Community Mircrogrids, welche in Gemeinschaften genutzt werden, eignen sich am besten für Entwicklungsländer.
Abbildung 3: Differenzierung der Marktstruktur (Übersetzt nach 5)
Sie können auch in EV-Ladestationen verwendet werden, an denen auch P2P-Transaktionen möglich sind. EV-Ladestationen werden zum Laden von Elektrofahrzeugen verwendet. In diesem System kann Blockchain genutzt werden, um die Transaktionen von Verbrauchenden auf sicherere Weise zu verarbeiten. Das Potenzial der Blockchain für den Energiegroßhandel wurde in einer Reihe von Quellen hervorgehoben (Abb. 3). Um diese Vision in der Praxis zu verwirklichen, müssen jedoch noch eine Reihe erheblicher Hindernisse und technischer Herausforderungen überwunden werden.
Handel/ Transaktive Energie
Die Verbindung von Blockchain zu Transaktiver Energie ergibt sich aus ihrem P2P-Konzept des Wertaustauschs. So wie Finanztransaktionen über eine P2P-Methode validiert werden können, können Energietransaktionen durch eine P2P-Methode dezentralisiert werden. Die Idee, dass Stromerzeugung und -verbrauch durch die Blockchain-Technologie vollständig dezentralisiert werden können, ist eine disruptive Veränderung im Gegensatz zum herkömmlichen zentralisierten Austausch und Handel von Energie.
Die Vorteile, die die Blockchain der transaktiven Energiebranche bietet, haben zur Bildung zahlreicher Kooperationen und zur Planung, Erprobung und Umsetzung zahlreicher Projekte geführt. Diese Projekte wurden in vier Kategorien eingeteilt: Großhandel, Handelsplattformen für Versorgungsunternehmen und Energie-Token, Unterstützung für kleine Erzeugende und Konsumierende beim Energiehandel sowie P2P-Handel in Microgrids und Gemeinschaftsprojekte (Abb. 4).
Abbildung 4: Verschiedene Arten von Handelsanwendungen im Energiesektor (Übersetzt nach 6)
Smart Contracts (Intelligente Verträge) auf der Blockchain-Plattform
Smart Contracts sind einfache Programme, die auf einer Blockchain gespeichert sind und ausgeführt werden, wenn vorbestimmte Bedingungen erfüllt sind. Sie werden in der Regel verwendet, um die Ausführung einer Vereinbarung zu automatisieren, so dass alle Teilnehmenden sofort sicher sein können, dass das Ergebnis ohne Beteiligung eines Vermittlers oder Zeitverlustes erzielt wird.
Ein Smart Contract ist eine Software, die in einer virtuellen Umgebung ausgeführt wird (7). Diese Software ist in einer bestimmten Sprache geschrieben, die einige Merkmale aufweist. Nicht alle Sprachen sind identisch und ermöglichen dieselben Berechnungen. Für den Einsatz in einer Blockchain kann es beispielsweise sinnvoll sein, die Art oder Größe der Zahlen einzuschränken, damit die Berechnungen nicht zu rechenintensiv sind. Smart Contracts können mit Hilfe der Blockchain-Technologie effektiv eingesetzt werden, um mehr Sicherheit und Gewissheit für die Vertragsverwaltung zu schaffen (Abb. 5).
Abbildung 5: Anwendungen von Smart Contracts in der Energiewirtschaft
Blockchain und Smart Grids (intelligente Stromnetze)
Smart Grid ist kein neues Konzept. Die Zukunft dezentraler Smart Grids ist die Vision für Smart Grids mit Blockchain-Technologie. Bei Smart Grids liegt der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Integration fortschrittlicher Sensor- und Steuerungstechnologien in das traditionelle Netz, während sich auf der anderen Seite das dezentrale Smart Grid auf Echtzeitüberwachung, automatische Steuerung und Optimierung bezieht. Smart Grids verlassen sich auf Vermittelnde und zentralisierte Märkte, während eine Reihe von Nutzenden ihre eigene Energie erzeugen und Überschüsse durch P2P teilen.Bei Smart Grids gibt es weniger Möglichkeiten, das Netz zu erweitern, während bei dezentralen Smart Grids eine schnelle Erweiterung und eine große Anzahl an Anschlüssen möglich ist.
Einer der größten Vorteile dezentraler Smart Grids besteht darin, dass sie sich auch in andere Energienetze integrieren lassen, wobei Smart Grids nur in elektrische Energienetze integriert werden können (8).
Smart Metering
Smart Metering ist ein Konzept, das entwickelt wurde, um die Blockchain-Technologie zu nutzen, um die Abrechnung des Stromverbrauchs für die Verbrauchenden zu automatisieren und zu verbessern. Der französische Energieversorgungskonzern Engie entwickelt eine weitere Smart-Metering-Lösung in Zusammenarbeit mit Ledger, einem französischen Blockchain-Hardware-Start-up.
Gemeinsam planen sie, ein sicheres, autonomes und Blockchain-unabhängiges „Orakel“ zu entwickeln (ein Hardwaregerät, das mit den meisten Blockchains kompatibel sein wird). Das sogenannte Hardware-Orakel wird Daten an der Quelle der grünen Energieerzeugung (wie Wind-, Solar- und Wasserkraft) messen und sie sicher in einer Blockchain aufzeichnen, um sie in dezentralen Anwendungen zu verwenden.
Im April 2019 testete Engie Prototypen auf einigen seiner erneuerbaren Infrastrukturen und plant, bis 2023 100.000 Boxen auf Wind- und PV-Parks sowie Wasserkraftwerken zu installieren.
Dieser Sektor umfasst Herausforderungen, Chancen und die Zukunft von Blockchain-Anwendungen (5).
Unternehmen im Energiesektor, die eine Blockchain-Plattform anbieten
Im Jahr 2018 prognostizierte Deloitte, dass Blockchain als „zugrunde liegendes Rückgrat“ der Transaktionsinfrastruktur des Energiesektors dienen wird. Die Energiesysteme sind traditionell in den meisten Ländern zentralisiert, aber diese Situation entwickelt sich, da die erneuerbaren Technologien wie Photovoltaik (PV) es dem Individuum ermöglichen, elektrische Energie zu produzieren und zu verbrauchen. „Prosumer“ ist die Bezeichnung für Personen, die Energie vor Ort erzeugen, verbrauchen und den überschüssigen Strom durch eine P2P-Transaktion über die Blockchain verkaufen.
Von den Vorteilen des P2P-Energiehandelssystems können Verbrauchende, Prosumer, Netzbetreibende und sogar Versorgungsunternehmen profitieren. So stellte z. B. International Renewable Energy, eine zwischenstaatliche Organisation die die Einführung und nachhaltige Nutzung Erneuerbarer Energien fördert, im Jahr 2019 fest, dass ein verteiltes Energieteilungssystem zu Kosteneinsparungen für indische Verbraucher und Prosumer führen kann. Die unten aufgeführten Unternehmen stellen die Blockchain-Technologie im Energiesektor zur Verfügung, um ein transparentes und reibungsloses Arbeiten zu ermöglichen (Tabelle 1). Diese Unternehmen bieten ihre Dienstleistungen in Europa hauptsächlich für Energieanwendungen an (9).
Tabelle 1: Liste der Unternehmen, die Dienstleistungen in der Blockchain-Technologie anbieten Firma Tätigkeitsbereich
RWE arbeitet mit einem Unternehmen namens „Slock it“ an einer auf der Blockchain-Technologie basierenden Elektromobilitäts- und Sharing-Plattform. Eine Micro-Community-Energiemarktplattform, das sogenannte TransActive Grid, wird seit April 2016 vom Brooklyn Microgrid in New York betrieben.
Unter einem Mirogrid versteht man ein regionales, in sich geschlossenes intelligentes Stromversorgungsnetz. Das TransActive Grid – ein Joint Venture zwischen LO3 Energy und ConcenSys – wird von seinen Gründern als eine Kombination aus Software und Hardware beschrieben, die es den Mitgliedern ermöglicht, mithilfe von Smart Contracts und der Blockchain sicher und automatisch Energie voneinander zu kaufen und verkaufen.
Einschränkungen der Verwendung von Blockchain-Technologie
Skalierbarkeit und Stromverbrauch
Öffentliche Blockchains erfordern im Vergleich zu den anderen Blockchains einen hohen Energieverbrauch pro Transaktion und es kann zu langen Verzögerungen kommen, bevor eine Transaktion bestätigt wird. Während sich die Technologie weiterentwickelt, muss sie an dieser Stelle noch verbessert werden.
Möglichkeit von 51 %-Angriffen
Bei einigen Blockchains können Angreifende mit Mehrheitskontrolle über das Netzwerk die Aufzeichnung neuer Blöcke unterbrechen und den Abschluss von Transaktionen behindern. Diese Art von Angriff stellt ein höheres Risiko für kleine Netzwerke dar, da die Rechenleistung, die erforderlich ist, um über 51 % der großen Blockchains zu übernehmen, enorm wäre. Der Unterschied zum PoS besteht darin, dass Miner Blöcke nur dann validieren können, wenn sie über eine Sicherheitsleistung oder einen Stake verfügen. Wenn Angreifende unehrliche Prozesse versuchen, verlieren sie ihren Einsatz. Für Angreifende von Kryptowährungen gibt es keinen echten Vorteil, die Blockchain zu stören, da sie keine Münzen doppelt ausgeben oder stehlen können, ohne ihre Investition zu verlieren.
Krypto-Mining mithilfe Erneuerbarer Energien
Krypto-Transaktionen werden von diversen Bitcoin-Minern durchgeführt. Grundsätzlich PoW erfordert Krypto-Mining, High-End-Computer und andere Geräte, um den Mining-Prozess auszuführen. Diese Verwendung von High-End-Computern erfordert eine enorme Energiemenge, wobei die verwendete Energie hauptsächlich aus dem nationalen Stromnetz des jeweiligen Landes bezogen wird. Aus diesem Grund haben viele Unternehmen ihre Bitcoin-Mining-Stationen in Entwicklungsländern eingerichtet, in denen die Strompreise niedrig sind.
Das Krypto-Mining hinterlässt einen riesigen CO2-Fußabdruck. Dieses Problem soll gelöst werden, indem der Strom für das Krypto-Mining aus Erneuerbaren Energien verwendet wird. Viele Bitcoin-Miner haben damit begonnen, PV-Systeme, Windenergie und Geothermische Energie zur Stromerzeugung zu installieren und für das Krypto-Mining zu verwenden.
Der Stromverbrauch des Bitcoin-Minings ist in den letzten Jahren exponentiell gestiegen. Im 2021 wurde der jährliche Stromverbrauch des Bitcoin-Netzwerks auf 247 TWh geschätzt. Derzeit (1. Quartal 2022) haben Erneuerbare Energien am gesamten Energieverbrauch des Bitcoin-Minings einen Anteil von 58 % (4). In Zukunft, wenn Kryptowährungen sich global durchsetzen sollten, wird o. g. Energieproblem von den Regierungen wohl auf einer größeren Ebene angegangen werden. Viele Experten haben in diesem Zusammenhang vorgeschlagen, dass vorhandener Stromüberschuss für Krypto-Mining verwendet werden kann.
Fazit und Diskussion
Einer der Hauptvorteile der Blockchain-Technologie ist, dass man eine Historie der Aktivitäten erhält, nicht nur eine Momentaufnahme. Wenn Sie sich eine normale Datenbank ansehen, erhalten Sie einen Schnappschuss von Daten, die zu diesem Zeitpunkt aktuell sind. Blockchains tun dies auch, aber sie halten auch alle Informationen fest, die vorher existierten. Dies könnte in Zukunft von den führenden Branchen wie Finanzen, Gesundheitswesen, Regierung und Cybersicherheit weithin angenommen werden. Allerdings müssen die Technologie und die Identifizierung der legitimen Blockchain-Technologieplattformen noch weiterentwickelt werden.
In Deutschland wird der Strom aus Windenergieanlagen (WEA) in der Regel mit der EEG-Umlage vergütet. Technisch können WEA jedoch mehr als 20 Jahre betrieben werden. Die Höhe der EEG-Einspeisevergütung sinkt stetig und es gibt Forderungen nach einer vollständigen Abschaffung der EEG-Umlage, welche erst ab Januar 2023 abgeschafft wird. Der Strombörsenpreis allein (auch wenn er derzeit sehr hoch ist) wird tendenziell nur bedingt ausreichen. Neue Rahmenbedingungen (z. B. ein hoher CO2-Preis) sind derzeit noch ungewiss. Daher besteht Bedarf an Stromvermarktung. Power Purchase Agreements sind eine Möglichkeit, eine andere Option ist die Erfüllung des Energiebedarfs von Bitcoin-Mining-Farmen. Bitcoin-Mining als Geschäftsmodell ist außergewöhnlich, vielversprechend und riskant zugleich.
Autor: Abhishek Deshmukh
QUELLEN:
(1) Satoshi Nakamoto 2008. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.Verfügbar unter: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf (abgerufen am: 13. Mai 2022)
(2) Ajitesh Kumar 2022. What is Blockchain & How does it work? Verfügbar unter: https://vitalflux.com/what-is-blockchain-how-does-it-work/ (abgerufen am: 13. Mai 2022)
(3) Energy Brainpool 2016. Blockchain und Ihr Potenzial in der Energiewirtschaft. Verfügbar unter: https://www.energybrainpool.com/news-details/datum/2016/10/13/blockchain-und-ihr-potenzial-in-der-energiewirtschaft.html (abgerufen am: 13. Mai 2022)
(4) European Commission 2019. Blockchain now and tomorrow. Verfügbar unter: https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC117255 (abgerufen am: 13. Mai 2022)
(5) Andoni, Robu, Flynn 2019. Blockchain Technology in the energy sector: A systematic review of challenges and opportunities. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032118307184 (abgerufen am: 13. Mai 2022)
(6) Bitcoin Mining Council 2022. Global Bitcoin Mining Data Review. Verfügbar unter:
https://bitcoinminingcouncil.com/wp-content/uploads/2022/04/2022.04.25-Q1_2022_BMC_Presentation.pdf (abgerufen am: 30. August 2022)
(7) IBM. How smart contracts work. Verfügbar unter: https://www.ibm.com/topics/smart-contracts#:~:text=Smart%20contracts%20are%20simply%20programs,intermediary’s%20involvement%20or%20time%20loss (abgerufen am: 13. Mai 2022)
(8) Mollah, Zhao, Niyato 2020. Blockchain for Future Smart Grid: A Comprehensive Survey. Verfügbar unter: https://arxiv.org/pdf/1911.03298.pdf (abgerufen am: 13. Mai 2022)
(9) Solarplaza 2018. Comprehensive Guide to Companies involved in Blockchain & Energy. Verfügbar unter: https://ipci.io/wp-content/uploads/2017/12/Energy-Blockchain-Report.compressed.pdf (abgerufen am: 13. Mai 2022)
