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Blockchain in der Integrierten Energiewende

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Freie versus

Freie versus beschränkte Teilnahme Sogenannte öffentliche Blockchains wie Bitcoin oder Ethereum werden nicht von einem Unternehmen oder einer Gruppe, sondern von der Öffentlichkeit betrieben. Buchstäblich jeder kann einen Knoten installieren und in dem Kryptonetzwerk durch Download und Installation der Software als Teilnehmer zum Betreiber werden. Werden die Regeln für den Betrieb, inklusive des Zugangs zur Blockchain, hingegen von einer Gruppe von Betreibern vorgegeben und kontrolliert, dann spricht man von einem konsortialen, bei einem einzigen Unternehmen von einem privaten Betrieb, also von einer konsortialen beziehungsweise privaten Blockchain (vgl. Kriterium Governance). Eng verbunden mit dem Betrieb als Differenzierungsmerkmal ist der Zugang zur Blockchain: Wird die Teilnahme an einem Kryptonetzwerk nicht kontrolliert, dann handelt es sich um eine Blockchain mit unbeschränktem Zugang (engl. permissionless oder unpermissioned). Wird der Zugang jedoch beschränkt, das heißt, muss dieser freigegeben werden, dann handelt es sich um eine Blockchain mit Zugangskontrolle. 40 Zugang und Betrieb einer Blockchain kommen überwiegend in der Kombination zugangsfrei und öffentlicher Betrieb sowie beschränkter Zugriff und privater Betrieb vor. Es gibt jedoch mittlerweile auch vielversprechende Mischformen. So können beispielsweise ein unbeschränkter Zugang hinsichtlich der Durchführung von Transaktionen (dies schließt die Ausführung von Smart Contracts ein), ein beschränkter Zugang für die Validierung von Transaktionen, ein konsortialer Betrieb (mittels Stiftung) und eine Open-Source-Lizenzierung kombiniert werden. 41 Konsensmechanismen Der bekannteste Konsensmechanismus ist das von Bitcoin genutzte Verfahren Proof of Work (PoW), welches auch als Mining bekannt ist. Netzwerknutzer werden angereizt, ein komplexes mathematisches Rätsel zu lösen, mit dem Ziel, hiermit Transaktionen zu validieren und einen neuen Block zu erschaffen. 42 Weitere Konsensmechanismen sind Proof of Stake (PoS), Delegated Proof of Stake (dPoS) oder Proof of Authority. 43 Diese Entwicklung schreitet rasch voran, so hat Ethereum beispielsweise angekündigt, von PoW zu PoS zu wechseln. Das Kryptonetzwerk EOS verwendet einen Delegated Proof of Stake (dPoS) und Delegated Byzantine Fault Tolerance (dBFT) wird in NEO eingesetzt. Die verschiedenen Varianten haben ihre Vor- und Nachteile (vgl. Tabelle 1 sowie Kriterium Trilemma der Skalierbarkeit) und deren jeweilige Eignung hängt damit stark von den Anwendungsanforderungen ab. Transaktionen pro Sekunde Die öffentlichen Blockchains-Bitcoin, mit durchschnittlich 3 Transaktionen pro Sekunde (tx/s), und Ethereum, mit maximal 20 tx/s, sind sehr langsam im Vergleich zu Paypal (450 tx/s) und Visa (56.000 tx/s). 44 Tabelle 1 zeigt, mit welchem Ansatz die unterschiedlichen Kryptonetzwerke die Transaktionsgeschwindigkeit deutlich zu erhöhen beabsichtigen. Während IOTA gar keine Blockstruktur mehr vorsieht, erlauben Proof-of-Authority-Konsensmechanismen durch den Verzicht auf das rechenintensive Lösen eines mathematischen Rätsels grundsätzlich schnellere Blockzeiten und Durchsätze als ein Kryptonetzwerk wie Bitcoin, welches Proof of Work verwendet. 45 Darüber hinaus kann der Konsens zwischen den Knoten, die Transaktionen validieren, zusätzlich beschleunigt werden, indem diese auf professioneller Server-Hardware in Rechenzentren mit stabilen Breitbandverbindungen laufen. Das öffentliche, zugangsfreie Kryptonetzwerk NEO erreicht mit seinem Konsensmechanismus dBFT, einer dPoS-Variante, heute angeblich bereits 1.000 bis 10.000 tx/s. 40 BDEW (2018), Merz (2019) 41 Vgl. EWF (2018) 42 Eine gute verständliche Einführung findet sich in BDEW (2018) 43 Vgl. Übersicht von Parrer (2018) 44 altcointoday.com (2017) 45 Vgl. Merz (2019), BDEW (2018) sowie Hartnett (2018) 96 – Teil B.1

Skalierbarkeit Skalierbarkeit beschreibt die Fähigkeit eines Kryptonetzwerks, mit einer wachsenden Zahl an Nutzern beziehungsweise Rechenoperationen und Transaktionen umzugehen. Der Konsensmechanismus einer Blockchain beeinflusst Blockzeiten und somit letztlich den Durchsatz einer Blockchain. Die Anzahl an Geräten, die an einer Blockchain direkt als Fullnode oder indirekt als Lightnode teilnehmen, wird sich potentiell jedoch dramatisch erhöhen. Es wird geschätzt, dass aktuell 127 neue Geräte jede Sekunde mit dem Internet verbunden werden 46 und 2030 insgesamt 3 Billionen Geräte 47 online sind. Hierdurch wird das sogenannte Internet of Things (IoT) auch die Energiewelt erfassen. Das heißt, eine zukünftige Echtzeit-Energiewirtschaft könnte eine hohe Frequenz der Interaktion zwischen potentiell Millionen und Milliarden von Geräten erforderlich machen. Wollen Blockchains digitale Dienste wie Wertaufbewahrung, Smart-Contract-Plattform oder dezentrale Marktplätze für eine derart große Zahl von teilnehmenden Geräten anbieten, müssen weitere Ansätze zur Erhöhung der Skalierbarkeit geprüft werden. 48 Eine vielversprechende Option sind parallele, interoperable Blockchains, sogenannte Parachains. 49 Hierbei erreicht ein Netzwerk Konsens, indem es Rechenaufwand an andere Netzwerke auslagert und durch paralleles Verarbeiten einen erheblichen Geschwindigkeitsvorteil erzielt. Eine fundamental bessere Skalierbarkeit versprechen auch sogenannte State Channels. Diese sind Smart Contracts, welche bilaterale Verbindungen zwischen Nutzern oder Smart Contracts herstellen und schnelle, kostengünstige Transaktionen außerhalb des Kryptonetzwerks (Main-Net) erlauben. Konkret werden bestimmte Transaktionen bilateral sicher durchgeführt, ohne einen Konsens zwischen den Knoten des Kryptonetzwerks zu erfordern. 50 Das Energieunternehmen GRID+ verwendet beispielsweise einfache Off-chain-Zahlungskanäle. 51 Anstatt jede einzelne, kleinteilige Zahlungstransaktion über die Blockchain, in diesem Fall Ethereum, abzuwickeln, wird nur das Ergebnis der Transaktionen, welches die Transaktionsparteien über einen gewissen Zeitraum erzielen, in die Blockchain gespeichert. Hiermit ist eine um Größenordnungen erhöhte Skalierbarkeit verbunden. Grad der Dezentralität Öffentliche Blockchains wie Bitcoin oder Ethereum trennen vereinfacht ausgedrückt Nutzer, die Transaktionen durchführen, von solchen, die Transaktionen validieren (Mining). Je höher die Anzahl beider Gruppen ist, desto höher ist der Grad der Dezentralität. Bei Bitcoin und Ethereum liegt mittlerweile ein Ungleichgewicht zwischen der Zahl der Nutzer und der Validatoren vor. Das Mining ist inzwischen sehr zentralisiert, da die vier größten Miner bei Bitcoin und die drei Top-Miner bei Ethereum angeblich mehr als 50 Prozent der Hash-Rate 52 kontrollieren. 53 Die Hash-Rate bezeichnet die Rechenleistung des Bitcoin-Netzwerks. Ein sinkender Grad an Dezentralität hat aber Auswirkungen auf die IT-Sicherheitseigenschaften eines Kryptonetzwerks. Bei der Erläuterung des Kriteriums Trilemma der Skalierbarkeit wird Dezentralität in das Spannungsfeld zu den Zielen Skalierbarkeit und Sicherheit eingeordnet. Die Wahl des Konsensmechanismus hat großen Einfluss auf den Grad an organisatorischer Dezentralisierung: Bei Proof of Authority (PoA) bestimmt der Betreiber der Blockchain (oder eine Institution) durch Wahl einer Regel, welcher Knoten der nächste Validator ist. Der Grad der Dezentralisierung ist im Vergleich zur PoW-Blockchain damit sehr gering. 46 Patel, Shangkuan & Thomas (2018) 47 General Electric (2017) 48 Hartnett (2018) 49 Habermeier (2017) 50 Ein prominentes Beispiel ist das Raiden Network: https://raiden.network 51 Grid+ (2018) 52 blockchain.com (2019) 53 Gencer, Basu, Eyal, Renesse & Sirer (2018) Teil B.1 – 97

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