Digitalisierung gilt als der Motor schlechthin für die effizientere Gestaltung von Alltags-, Industrie- oder Verwaltungsprozessen. Etablierte Prozesse werden schneller und billiger und nur mit ihrer Hilfe ist es möglich, die Komplexität universeller Datenaustausche handhabbar zu halten. Auf einem anderen Blatt stehen allerdings die Menge an Rohstoffen und Ressourcen und der Energieverbrauch für Herstellung und Betrieb digitaler Lösungen.
Dies gilt auch für die Blockchain-Technologie, deren wilde Goldgräberzeiten, in denen die Technologie ausschließlich mit Kryptowährungen in Verbindung gebracht wurde, der Vergangenheit angehören.
Blockchains im Fokus der Ressourcenverbrauchsdebatte
Durch Blockchains können Daten dezentral, manipulationssicher und nachvollziehbar verwaltet werden. Ein hohes Potential zur Anwendung der Blockchain-Technologie besteht vor allem bei der Speicherung digitaler Werte, der Nachvollziehbarkeit von Lieferketten oder der selbstbestimmten und digitalen Verwaltung von Personendaten. Die möglichen Anwendungsfelder von Blockchains in der Energiewirtschaft wurden bereits durch die dena-Blockchain Studie im Jahr 2019 erörtert. Doch jede Medaille hat zwei Seiten. Die Kryptowährung Bitcoin beispielsweise steht wegen ihres hohen Stromverbrauchs im „Produktionsprozess“ schon seit längerem in der Kritik.
Ein hoher Ressourcenaufwand geht hier mit dem Design des verwendeten Proof-of-Work (PoW)-Konsensmechanismus einher. Der PoW Konsensmechanismus ist ein Sicherheitsprotokoll, bei dem Miner (Rechner) mathematische Aufgaben lösen, um neue Transaktionen zu verifizieren und Blöcke zur Blockchain hinzuzufügen. Dieser Prozess erfordert Rechenleistung und Energieaufwand, wodurch die Integrität des Netzwerks gewahrt wird und das Erzeugen von gefälschten Transaktionen erschwert wird.
Alternative Konsensmechanismen
Es existieren jedoch auch Alternativen zu PoW-Blockchains, bei denen anstatt Strom eine andere Ressource eingesetzt wird. So ist beispielsweise Ethereum bereits auf ein sogenanntes Proof-of-Stake (PoS)-Konsenzprotokoll umgestiegen und konnte seinen Stromverbrauch nach Angaben des Crypto Carbon Rating Institutes1 um beeindruckende 99,998 Prozent reduzieren. Beim PoS kümmern sich sogenannte Validatoren um die Sicherheit und die Bearbeitung von Transaktionen im Netzwerk. Die Validatoren sind verantwortlich für die Überprüfung von Transaktionen und das Erstellen neuer Blöcke in der Blockchain.
Ein Validator wird zufällig ausgewählt, um neue Transaktionsblöcke zu erstellen, sie dem Netzwerk mitzuteilen und dafür gewisse Gegenleistungen zu erhalten. Anstatt komplizierte Rechenaufgaben zu lösen, die viel Energie und Hardwareressourcen verbrauchen, müssen die Validatoren ihre Ethereum-Münzen (ETH) im Netzwerk hinterlegen. Je mehr ETH im Verhältnis zu anderen möglichen Validatoren hinterlegt werden, desto höher die Wahrscheinlichkeit tatsächlich als Validator ausgewählt zu werden. Dieses System schafft Anreize für ein gesundes und sicheres Netzwerkverhalten.
Der neue dena-Guide zur energiesparsamen Gestaltung von Blockchains, der in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut erarbeitet wurde, schlägt hier in dieselbe Kerbe. Auf PoW-Konsensmechanismen sollte möglichst verzichtet werden. Außerdem sollten Blockchains bedarfsgerecht ausgelegt und nicht überdimensioniert werden. Dazu ist eine gute Kenntnis der Anforderungen des Use Cases an seine Blockchain notwendig.
Ein Anwendungsfall aus der Praxis ist das Projekt Digitale Identitäten als Vertrauensanker im Energiesystem (DIVE) der dena. Es untersucht beispielsweise, wie Anlagen oder Geräte im Energiesystem mit sicheren digitalen Identitäten ausgestattet werden können und welche Strukturen für das entsprechende Identitätsmanagement erforderlich sind. Bei DIVE wird eine Blockchain zur Speicherung von digitalen Identitäten verwendet. Diese gewährleistet durch ihre bekannten Mechanismen das Vertrauen in die Systeme und deren Sicherheit.
1) Crypto Carbon Ratings Institute (2022) The Merge: Implications on the Electricity Consumption and Carbon Footprint of the Ethereum Network.
Hilfestellungen bei Wahl des Konsensmechanismus
Die bestehende Literatur beschränkte sich bislang auf eine Unterstützung bei der Entscheidung zwischen PoW und Nicht-PoW-Blockchains. Dabei fehlten jedoch bislang zum einen ein Bezug zur Anwendung in Form einer Hilfestellung bei der Analyse von Anwendungsfällen und zum anderen weiterführende Anleitungen zur Wahl der den Stromverbrauch beeinflussenden Blockchain- Parameter und damit zur weiteren Senkung der Stromverbräuche.
Der dena-Guide liefert hierzu nun eine wissenschaftlich fundierte, unter globalen Gesichtspunkten erarbeitete, praxistaugliche Handlungsempfehlung für Entwickler und Anwender.