Energieeffizienz durch PoS-Blockchains wie Ethereum!

Die fortschreitende Digitalisierung treibt zweifellos die Effizienz von Alltags-, Industrie- oder Verwaltungsprozessen voran. Altbewährte Verfahren werden durch die Digitalisierung schneller und kostengünstiger und nur mit ihrer Hilfe ist es möglich, die Komplexität universeller Datenaustausche handhabbar zu halten.

Allerdings werfen die Ressourcenintensität sowie der Energieverbrauch für die Herstellung und den Betrieb digitaler Lösungen auch Fragen auf. Dies gilt auch für die Blockchain-Technologie, deren wilde Goldgräberzeiten, in denen die Technologie ausschließlich mit Kryptowährungen in Verbindung gebracht wurde, längst der Vergangenheit angehören.

Ein neuer Leitfaden mit dem Titel “Rethinking Blockchain’s Electricity Consumption – A Guide to Electricity-Efficient Design of Decentralized Data Infrastructure” wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer FIT von der Deutschen Energie-Agentur (dena) veröffentlicht und zeigt Möglichkeiten auf, wie Blockchains energieeffizienter gestaltet und vielfältiger eingesetzt werden können.

Die Blockchain ist eine Schlüssel-Technologie für mehr Energieeffizienz

Die Deutsche Energie-Agentur vertritt die Sichtweise, dass der Einsatz digitaler Technologien und Plattformen entscheidend ist für ein zunehmend dezentrales und flexibles erneuerbares Energiesystem. Um die Klimaziele erreichen zu können, müssen diese Technologien so energieeffizient wie möglich, gleichzeitig jedoch an die spezifischen Anforderungen angepasst sein. Die Untersuchung liefert wertvolle Erkenntnisse sowohl für die Anwendungsvielfalt von Blockchains als auch für die Diskussionen über ihren Stromverbrauch und Nutzen.

Sie erleichtert es, Blockchains möglichst energiesparsam und gemäß den Anforderungen konkreter Use Cases zu gestalten. Auf dieser Basis können der Klima- und Umwelteinfluss einer Blockchain und ihre weiteren Eigenschaften wie Performance und IT-Sicherheit mit denen von alternativen Netzwerklösungen verglichen und eine fundierte Technologieauswahl getroffen werden.

Blockchains sind auch ein Mittel gegen die Machtkonzentration des klassischen Internets

Blockchains sind eine wichtige digitale Technologie, die als Hoffnungsträger für die Auflösung der Machtkonzentrierung des Internet gilt, jedoch auch aufgrund ihrer Energieintensität kritisiert wird. Blockchains bieten die Möglichkeit Daten dezentral, manipulationssicher und nachvollziehbar zu verwalten. Die verteilte und konsensuale Datenspeicherung ermöglicht es, Datensilos und Single Points of Failure zu vermeiden und somit den Datenschutz, die Datensicherheit und die Zuverlässigkeit von Netzwerken zu erhöhen. Im Bereich des Stromverbrauchs steht besonders eines der ersten Anwendungsfälle der Technologie im Fokus – die Kryptowährung Bitcoin.

Ein hoher Ressourcenaufwand geht bei diesem 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 erhebliche Rechenleistung und Energie, wodurch die Integrität des Netzwerks gewahrt wird und die Manipulation von Transaktionen erschwert wird.

Ethereum ist der Marktführer unter den PoS-Blockchains

Es gibt jedoch Alternativen zu PoW-Blockchains, bei denen anstelle von Strom eine andere Ressource eingesetzt wird. Ein Beispiel hierfür ist Ethereum, ein dezentralisiertes, erlaubnisloses Netzwerk, das auf ein Proof-of-Stake (PoS)-Konsenzprotokoll umgestiegen ist. 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 komplexe Rechenaufgaben zu lösen, die viel Energie und Hardwareressourcen verbrauchen, müssen die Validatoren lediglich ihre Ether (ETH) im Netzwerk hinterlegen und staken. Dies schafft Anreize für ein sicheres Netzwerkverhalten.

Ethereum hat den Stromverbrauch um 99 Prozent reduziert

Durch den Umstieg von einem PoW- zu einem Nicht-PoW-Konsensmechanismus kann Ethereum den Stromverbrauch der Blockchain um mehr als 99 Prozent senken. Einen Weg, den inzwischen sehr viele Blockchain-Betreiber einschlagen. Dies ist auch Hauptziel des neuen dena-Leitfadens, der empfiehlt, möglichst auf PoW-Konsensmechanismen zu verzichten und Blockchains bedarfsgerecht zu gestalten. Dazu ist eine gute Kenntnis der Anforderungen des Use Cases notwendig, denn diese beeinflussen die Wahl der inzwischen Markt zur Verfügung stehenden Blockchains entscheidend. Die Auswahl des Konsensmechanismus ist jedoch nur eine von vielen Möglichkeiten, um Blockchains energieeffizient zu gestalten.

Der Leitfaden der Deutschen Energie-Agentur stellt zehn Tools vor, die eine verbrauchsoptimierte Nutzung von Blockchains ermöglichen. Dabei wird nicht nur der Einfluss der Tools auf den Stromverbrauch, sondern auch auf die Sicherheit der verwalteten Daten (Integrität, Verfügbarkeit und Vertraulichkeit) und die Leistung des Netzwerkes detailliert beschrieben.

Dadurch wird eine bedarfsgerechte Gestaltung hinsichtlich der Use Case-Anforderungen (Anwendungsfälle) erleichtert. Zur Identifikation dieser Anforderungen dient eine umfangreiche Sammlung an Leitfragen. Der Leitfaden wird anhand von drei Anwendungsfällen (Elektronische Rezeptausstellung und – einlösung, Grünstromlabeling und Selbstsouveräne Identitäten) demonstriert. Für ein besseres Verständnis der Thematik wird in der Veröffentlichung erstmalig ein Modell zum Stromverbrauch von Blockchains präsentiert.

Fazit: Mit dem Future Energy Lab hat die dena im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) einen Raum geschaffen, in dem Digital- und Energiewirtschaft zusammenkommen. Ziel ist es, als Pilotierungslabor und Denkwerkstatt neue Technologien sowie regulatorische Ansätze für die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität zu testen, um die Energiewende voran zu treiben. Das Future Energy Lab dient als Plattform, um die Zusammenarbeit aller Branchenakteure zu bündeln und schafft für Start-Ups einen Kreativplatz für innovative Lösungsentwicklungen. Diese Entwicklungen sind begrüßenswert, auch im Hinblick auf die Einbindung der Blockchain-Technologie und damit verbundener Kryptowährungen wie Ethereum.

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