Blockchain und Nachhaltigkeit – Passt das zusammen?

Um besser zu verstehen, warum Web 3.0-Anwendungen so viel Energie und Strom verbrauchen, müssen wir den zugrunde liegenden Tech-Stack besser kennenlernen. Dies baut auf unserem ersten Artikel über Metaverse, Blockchain und Web 3.0 auf. Wenn ihr also zunächst ein grundlegendes Verständnis dieser Technologien und ihrer Zusammenhänge aufbauen wollt, seid ihr hier genau richtig. Im Folgenden werden wir vier Ebenen skizzieren: 1) Protocol-Layer, 2) Infrastructure-Layer, 3) Use-Case-Layer und 4) Access-Layer. Der Haupt-Energieverbraucher ist in der Basisschicht (Protocol-Layer) zu finden, auf die wir später noch näher eingehen werden.

Infrastructure Layer

Use case Layer

Der Access Layer befindet sich über dem Web 3.0-Stack und ist dein Einstiegspunkt zu diesem. Zu dieser Schicht gehören alle Kryptowallets, die für den Zugang zum Web 3.0 erforderlich sind, sowie andere sogenannte „Onramps“, die dir Zugang zum Web 3.0 oder zu bestimmten Gruppen gewähren. Für den Aufbau von Communities werden nach wie vor auch viele Web 2.0-Anwendungen genutzt. Große Communitys gibt es rund um den Web 3.0-Hype auf Twitter, Discord und Reddit. Du kannst diese Plattformen nutzen, um mit anderen in Kontakt zu treten, Ideen auszutauschen und die spannendsten Themen der Szene zu diskutieren.

Der energieintensive Protocol Layer

Nur zum Vergleich: Das dezentrale Design von Bitcoin verarbeitet 4,6 Transaktionen pro Sekunde, das aktuelle Ethereum-Mainnet kann 15 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten. Visa wickelt im Durchschnitt etwa 1.700 Transaktionen pro Sekunde ab, sie automatisieren die Prozesse. Ethereum (das als Grundlage für viele dApps dient) kann mitunter hier an seine Grenzen stoßen, was zu langen Verzögerungen und hohen Transaktionsgebühren führt. Im Crypto-Jargon werden diese Gebühren als „Gas Fees“ bezeichnet und dienen dazu, Ethereum-Miner für die Verifizierung von Transaktionen auf der Blockchain zu kompensieren. Diese Gebühren sind weder fix noch hängen sie von der Größe einer einzelnen Transaktion ab. Sie sind davon abhängig, wie viele Transaktionen im Ethereum-Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt durchgeführt werden.

In Stoßzeiten mit hoher Nachfrage können die Preise für Gas Fees in die Höhe schnellen. Das war kürzlich während des mit Spannung erwarteten Starts von „Otherside“ der Fall, der virtuellen Welt der Bored Apes NFT Kollektion von Yuga Labs. Wenn ein Nutzer virtuelles Land („Otherdeed“ genannt) in Otherside kaufen wollte, bezahlte er/sie für den digitalen Vermögenswert in der Bored-Apes-eigenen Währung, ApeCoin. Die Gas Fees mussten dennoch in Ether (Ethereums native Währung) bezahlt werden. Da viele Leute gleichzeitig ihr Stück Land so schnell wie möglich beziehen wollten, stiegen die Fees auf über 5.000 Dollar, wie CoinTelegraph berichtet, mit Spitzenwerten von bis zu 14.000 Dollar.

Ethereum ist sich seiner Defizite sehr bewusst und hat bereits seine Vision zur Lösung dieses Problems dargelegt. Im Jahr 2020 kündigte Ethereum an, dass es zu einem Proof-of-Stake (PoS)-Konsensmechanismus übergehen wolle (wir werden die verschiedenen Konsensmechanismen im nächsten Abschnitt ausführlicher behandeln) und startete die Beacon Chain, die neben dem ursprünglichen Proof-of-Work (PoW)-System läuft. Die Zusammenführung zwischen dem Ethereum-Mainnet und dem Proof-of-Stake-Nachfolger „Beacon“ ist für das 3. Quartal 2022 geplant. Das Netzwerk plant außerdem “Sharding” als Teil von Ethereum 2.0 einzuführen, um das oben erwähnte Trilemma zu lösen und die Sicherheit und Skalierbarkeit der Chain zu erhöhen. Das neue System erreicht dies durch die Aufteilung der Datenüberprüfungsaufgaben auf mehrere Knoten, wobei jeder Knoten nur für die Überprüfung der Daten verantwortlich ist, die er erhalten hat. Da der neue Überprüfungsprozess von der Speicherkapazität des einzelnen Nutzers abhängt, wäre der Prozess weniger abhängig von der energieintensiven Rechenleistung privater Computer.

Aufgrund der Einschränkungen der ursprünglichen Layer-1-Protocol-Netzwerke wie Ethereum und Bitcoin, entstanden schnell andere Blockchains wie Binance Smart Chain, Solana, Algorand, Cardano oder Terra. Solana kann beispielsweise bis zu 50.000 Transaktionen pro Sekunde mit durchschnittlichen Transaktionskosten von nur 0,00023 € verarbeiten, indem es eine Kombination aus Proof-of-Stake- und Proof-of-History-Konsensmechanismen verwendet. Obwohl Solana oft als die schnellste Blockchain angepriesen wird, hat sie große Probleme in Sachen Zuverlässigkeit. Zum Zeitpunkt der Ausarbeitung dieses Artikels (24. Mai 2022) stürzte Solana bereits zum siebten Mal in den letzten Monaten ab und war mehrere Stunden lang nicht erreichbar.

Gleichzeitig werden Layer-2-Netze und -Protocols wie Polygon, Ronin, Aztec, Metis Network, Loopring, Optimism usw. entwickelt, um Kapazitätsbeschränkungen zu überwinden. Sie werden oft als „Rollups“ bezeichnet. Diese Skalierungsprotokolle der Layer 2 werden auf Ethereum oder andere Blockchains der Layer 1 aufgebaut. Sie basieren auf der ursprünglichen Infrastruktur, übermitteln aber keine Informationen und Transaktionen direkt an diese. Layer 2 ist ein Sammelbegriff für Lösungen, die zur Skalierung von Anwendungen beitragen, indem sie Transaktionen außerhalb des Ethereum Mainnet (Layer 1) abwickeln und dabei das robuste dezentrale Sicherheitsmodell des Mainnet nutzen. Polygon hat eine Kapazität von etwa 7.000 möglichen Transaktionen pro Sekunde, die durchschnittlichen Kosten liegen zwischen 0,1 und 0,5€. Um die beiden Schichten zu koppeln, benötigt Web 3.0 sogenannte „Bridges“ wie Polkadot, Binance Bridge, Celer cBridge oder Wormhole. Diese Blockchain-übergreifenden Brücken dienen als direkte Knotenpunkte, die es den Nutzern ermöglichen, Werte (digitale Vermögenswerte, Kryptowährungen) von einer Chain auf eine andere zu übertragen.

Wenn wir uns den Energieverbrauch der verschiedenen Blockchains ansehen, wird deutlich, dass Bitcoin und Ethereum die größten Emittenten sind und ein echtes Defizit in Bezug auf Nachhaltigkeit haben, wie der Crypto Carbon Ratings Institute Report 2022 zeigt.

Der Grund dafür ist primär die Art und Weise, wie die Transaktionen verarbeitet werden und welchen Konsensmechanismus die jeweilige Blockchain verwendet. Dieses Thema wird im nächsten Abschnitt ausführlicher behandelt.

Es gibt grundsätzlich zwei Konsensmechanismen, die die meisten Blockchains zur Verifizierung einer Transaktion verwenden: Proof-of-Work (verwendet von Bitcoin und dem „alten“ Ethereum) sowie Proof-of-Stake (verwendet von Solana, Terra, Cardano und dem „neuen“ Ethereum). Daneben gibt es auch viele andere Mechanismen wie Proof-of-Identity (PoI) oder Proof-of-Authority (PoA). Beliebte Anwendungen von Blockchains, die diese Mechanismen nutzen, sind Hyperledger Fabric und Quorum. Solana verwendet, wie bereits erwähnt, einen anderen Mechanismus namens Proof-of-History (PoH). Da die meisten bekannten Blockchains PoW oder PoS als Konsensmechanismen verwenden, werden wir uns auf diese konzentrieren. Falls ihr daran interessiert seid, mehr über PoH zu erfahren, empfehlen wir Solanas Blogartikel zu diesem Thema.

Proof-of-Work

Der Proof-of-Work-Mechanismus basiert auf komplexen Suchaufgaben, die von sogenannten „Minern“, die die Transaktionen validieren, in großen Mengen gelöst werden müssen. Dieser Prozess wird allgemein als „Mining“ bezeichnet, da die Energie und die Ressourcen, die zur Lösung des Rätsels benötigt werden, oft als digitales Äquivalent zum realen Prozess des Abbaus von Edelmetallen aus der Erdmasse angesehen werden. In einem solchen System konkurrieren die teilnehmenden Computer-Knotenpunkte (nodes) miteinander, um kryptografische Hashes zu erzeugen, die einen vom Netzwerk festgelegten Komplexitätsgrad erfüllen. Um die Sicherheit zu gewährleisten, wird dieser Komplexitätsgrad so hochgehalten, dass er jemanden davon abhält, das Netz anzugreifen.

Nathaniel Popper hat dies in seinem Buch „Digitales Gold“ sehr treffend formuliert: „Es ist relativ einfach, 2.903 und 3.571 mit einem Stück Papier und einem Bleistift zu multiplizieren, aber viel schwieriger, herauszufinden, welche zwei Zahlen miteinander multipliziert werden können, um 10.366.613 zu erhalten.“ Ein Miner im Bitcoin-Netzwerk muss herausfinden, welche zwei Zahlen multipliziert werden können, um 10.366.613 zu erreichen, indem er im Prinzip rätselt. Sobald ein Computer herausgefunden hat, dass 2.903 mit 3.571 multipliziert werden kann, um 10.366.613 zu ergeben, präsentiert der Computer die Lösung den anderen Computern im Netzwerk, die das Ergebnis überprüfen. Der Miner, der zuerst die richtige Lösung findet, wird mit nativen Münzen der entsprechenden Blockchain (z. B. Bitcoin oder Ether) belohnt.

Um möglichst schnell möglichst viele Suchrätsel zu lösen, und aufgrund der steigenden Popularität sowie des Wertes von Kryptowährungen wie Bitcoin, wurden große Mining-Farmen in Ländern mit niedrigen Energiepreisen wie dem Kosovo, Norwegen oder China eingerichtet. Aber natürlich ist dieser Prozess sehr energieintensiv, weshalb Länder wie der Kosovo, der von einer Stromknappheit heimgesucht wird, Mining-Farmen konfisziert und verboten haben, um den Zugang zu Energie für die Bevölkerung zu gewährleisten.

Trotzdem ist der hohe Energieverbrauch von PoW-Blockchains bis zu einem gewissen Grad ein Konstruktionsmerkmal, denn er verhindert, dass sie angegriffen werden können. Ein Angreifer muss mindestens 25 bis 50 Prozent der gesamten Rechenleistung nutzen, die die teilnehmenden Miner für das Mining verwenden, um das System erfolgreich manipulieren oder kontrollieren zu können.

Einige Blockchain-Anbieter haben die Bedenken gehört und beginnen, sich zu transformieren. Der Crypto Climate Accord beispielsweise verpflichtet sich, die globale Kryptoindustrie zu entkarbonisieren. Er räumt dem Klimaschutz Priorität ein und unterstützt den Übergang der gesamten Kryptoindustrie zu Netto-Null-Treibhausgasemissionen bis 2040. Es gibt auch große Unternehmen, die an Lösungen arbeiten. Zum Beispiel arbeitet Blockstream zusammen mit Tesla und Block (ehemals Square) daran, ein solarbetriebenes, nachhaltiges Mining-Zentrums zu bauen. Es gibt zudem energieeffiziente Blockchains wie Cardano, Tezos und KodaDot. Wie bereits angesprochen, stellt Ethereum etwa seinen Konsensmechanismus von PoW auf PoS um. Nach Angaben der Organisation wird dadurch der Energieverbrauch um 99,95 % gesenkt. Zudem hat sich Algorand bspw. in Zusammenarbeit mit ClimateTrade dazu verpflichtet, die weltweit umweltfreundlichste Blockchain zu werden und kohlenstoffneutral zu sein (unter Verwendung eines Konsensmechanismus namens Pure PoS). Polygon kündigte seinerseits in einer Verpflichtungserklärung an, im Jahr 2022 über 20 Millionen Dollar auszugeben, um klimannegativ zu werden. Wir erwarten, dass Proof-of-Stake Blockchains gefragter sein werden, vorrangig mit Hinblick auf den hohen Energieverbrauch von Proof-of-Work Konsensmechanismen. Gleichzeitig ist zu unterstreichen, dass der Energiemix für die Evaluierung von Blockchains ebenfalls sehr relevant ist. Viele Projekte gehen bereits dazu über, ausschließlich erneuerbare Energiequellen zu nutzen. Gelegentlich führt das aber zu negativen, unbeabsichtigten Auswirkungen für die lokale Bevölkerung. In einigen Ländern wie China kann dies beispielsweise zu Problemen bei der Wassernutzung und -verfügbarkeit für die normale Bevölkerung führen.

Blockchain an sich muss nicht nur ein Problem sein, sondern kann auch dazu beitragen, die nachhaltige Transformation zu beschleunigen. Distributed-Ledger-Technologien können beispielsweise bei der Verwaltung der Daten, die für digitale Energieinfrastruktur elementar wichtig ist, von Vorteil sein. Blockchain kann ebenso die Problematik der Verwaltung der Stromerzeugung von der Verteilung bis hin zum Endverbrauch adressieren und neue Mechanismen zur Beschleunigung grüner Finanzierungen (einschließlich der Finanzierung sauberer Energie) bereitstellen. Einige potenzielle Anwendungsfälle für den Einsatz von Blockchain-Technologien sind a) der Peer-to-Peer-Energiehandel, b) Marktplattformen für Zertifikate für erneuerbare Energien, c) Mikro-Leasing-Marktplätze, d) der Handel mit Emissionszertifikaten und e) die digitale Messung, Berichterstattung und Überprüfung (MRV). Viele dieser Lösungen kombinieren verschiedene innovative Technologien wie Blockchain, künstliche Intelligenz und das Internet of Things (z. B. intelligente Stromzähler) mit bezahlbarer erneuerbarer Energieerzeugung (z. B. Solarzellen auf Dächern) und Speichersystemen (z. B. Batterien). Bevor wir uns auf einige dieser Use Cases konzentrieren, müssen wir einen Schritt zurück machen und einen Blick auf die sogenannten „Oracles“ werfen. Natürlich klingt es großartig, dass man verschiedene Anwendungsfälle auf der Blockchain umsetzen kann. Aber wie bekommt man eigentlich Daten aus der „realen Welt“ auf die Blockchain? An dieser Stelle kommen Oracles ins Spiel. Ein Oracle dient als Verbindung zwischen einer Blockchain wie Ethereum, Polygon, Solana usw. und Daten bzw. Informationen aus der realen Welt wie Wetterberichte, Luftfeuchtigkeit, Maschinenzustände und viele mehr. Die Daten werden häufig über Sensoren gesammelt und ein Orakel fungiert dann als On-Chain-API, das abgefragt werden kann, um Informationen für Smart Contracts zu erhalten. Man kann Orakel ebenso in umgekehrter Richtung verwenden, d. h. auch Daten an Anwendungen in der realen Welt senden. Dennoch gibt es ein großes Problem mit Oracles. Die Qualität der Ergebnisse, die mithilfe einer Blockchain verarbeitet werden, hängt natürlich von der Qualität der Daten ab, die über Orakel in die Blockchain eingespeist werden. In diesem Zusammenhang muss man sich immer fragen, woher die Daten kommen. Zudem ist es sinnvoll, mehrere Datenquellen zu nutzen, hauptsächlich im Hinblick auf Sicherheitsaspekte.

Smart Grid

Blockchains haben sich zu einer bedeutenden Innovation im Energiesektor entwickelt. Dies ist zum Teil auf deren Fähigkeit zurückzuführen, dezentrale, saubere Energiekonzepte zu unterstützen, ohne sich auf traditionelle zentralisierte Behörden zu verlassen oder die Validierung durch Dritte zu erzwingen. Eine offensichtliche Blockchain-Anwendung in diesem Zusammenhang sind Smart Grids. Der Begriff der Smart Grids bezieht sich auf den Energiewandel bei Konsument:innen, die gleichzeitig Erzeuger und Verbraucher sind und dabei viele andere kleinere Erzeuger erneuerbarer Energien nutzen, was schließlich die Prosumer-Wirtschaft fördert. Da die Nachfrage nach einer Reduzierung des CO₂-Ausstoßes eines konventionellen Energiesystems wächst, ermöglicht die Blockchain einen Peer-to-Peer-Energieaustausch innerhalb von Microgrids und damit eine Neugestaltung des Energiestoffwechsels. Die Nutzung eines „Blockchain Distributed Energy Network“ (BDEN) kann zu mehr Transparenz, Wettbewerb, Kosteneinsparungen und Effizienz führen.

Aus dem Blickwinkel des Energiesektors bietet die Blockchain-Technologie eine Antwort auf Sicherheitsfragen im Kontext der Energieversorgungskette, die dem Weg von der Erzeugung bis zum Verbrauch folgen. In der obigen Abbildung wird ein BDEN-Framework präsentiert, das die Daten privat hält, während die Teilnehmer des Microgrids von der Unveränderlichkeit und Rückverfolgbarkeit profitieren können. Die Idee hinter dem dargestellten BDEN-Modell sieht vor, dass die Prosumer-Energieaufzeichnungen aus jedem Mikronetz in einem Cloud-Server gespeichert werden, wo jeder Teilnehmer auf der Grundlage seines Bezirks und der zugewiesenen persönlichen ID klassifiziert wird. Der Hauptvorteil eines solchen Blockchain-gestützten Modells ist ein privates Mikronetz, das lokal von seinen Prosumern verwaltet wird, wobei der Datenfluss in beide Richtungen gewährleistet ist. Die Rückverfolgbarkeit der Blockchain ermöglicht es den Energieverbrauchern, über ihren eigenen ökologischen Fußabdruck zu reflektieren und die lokale Energieerzeugung zu fördern, was wiederum die Energieverluste in großem Maßstab reduzieren kann. Indem sie mehr Kontrolle über ihre Energieverteilung verfügen, haben die Haushalte einen stärkeren Anreiz, ihren Verbrauch zu rationieren und so die kollektive Nutzung von nachhaltig erzeugter Energie zu optimieren. Die Einrichtung eines Netzwerks, das „Distributed Energy Resources“ (DER) mit den Haushalten und Geräten der Verbraucher verbindet, könnte die derzeitige ökologische Lage, die eine Förderung der lokalen Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien erfordert, erheblich verbessern.

Nach der Definition der Vereinten Nationen bedeutet Nachhaltigkeit in der Lieferkette das Management ökologischer, sozialer und wirtschaftlicher Einflüsse sowie die Förderung von Good-Governance-Praktiken während des gesamten Lebenszyklus einer Ware oder eines Services. Blockchain ist eine Chance für veraltete Systeme, da sie es allen Akteuren der Lieferkette ermöglicht, ihre Aktivitäten in einem einzigen intakten Datensatz zu erfassen. Die negativen Umweltauswirkungen von Lieferketten sind seit Jahren bekannt. Im Jahr 2016 wurde berichtet, dass die Lieferketten von Unternehmen, die verpackten Konsumgüter (CPG), für bis zu 90 % der Umweltschäden verantwortlich sind. Diese Bewertung übersteigt bei Weitem die Auswirkungen aller anderen Unternehmensaktivitäten. Die Schlüsselakteure der Rohstoffindustrie versuchen, die Probleme in der Lieferkette durch die Einführung nachhaltigerer Lösungen zu bewältigen. Um etwa einen Sack Kobalt zurückzuverfolgen, kann auf jeder Stufe der Lieferkette ein Informationsblock mit einer eindeutigen Kennung, wie einem QR-Code, hinzugefügt werden. In analoger Form lassen sich Metalle und Mineralien über ein eindeutiges Etikett anhand der Informationen über ihre chemischen Verbindungen zurückverfolgen. Die Integration von Blockchain in das Sustainable Supply-Chain-Management (SSCM) ermöglicht auch ein höheres Maß an Sensibilisierung der Verbraucher. Ist das neue Paar Sneakers, das ihr gerade gekauft habt, echt? Könnten die Lebensmittel, die ihr gerade esst, möglicherweise mit Bakterien kontaminiert sein? Diese Fragen zur Produktintegrität sind aufgrund ihrer Probleme hinsichtlich Transparenz und Rückverfolgbarkeit berechtigte Bedenken in einer herkömmlichen Lieferkette. Mit der Blockchain-Technologie könnte die Verpackung einfach mit seinem Smartphone gescannt werden, um den Weg des Produkts vom Ursprung ins Regal nachzuverfolgen.

Handel mit Emissionszertifikaten

Derzeit entstehen viele verschiedene Projekte, die Web 3.0/Blockchain-Elemente und ökologische Elemente miteinander verschmelzen. Wir möchten einige davon kurz hervorheben. Das ist jedoch keine vollständige Liste aller im Markt vorhandenen Projekte, sondern soll einen kurzen Eindruck bieten. Falls ihr euch weitere Projekte ansehen möchtet, die Blockchain und ESG-Kriterien miteinander verbinden, besucht einfach “Positive Blockchains”:

• Klima DAO zielt darauf ab, Liquidität für den CO₂-Markt bereitzustellen. Sie arbeitet eng mit Toucan zusammen und nutzt die Toucan Carbon Bridge, damit die Nutzer ihre BCTs direkt in KLIMA-Token umwandeln können.
• Das DAO „Regen Network“ ermöglicht, die Regenerationsmaßnahmen des Erdreichs auf der Blockchain zu verfolgen.
• Die Sun Exchange erntet Solarenergie und nutzt Bitcoin für Verträge und Geldtransaktionen.
• Das Brooklyn Microgrid nutzt Blockchain-Technologie, um ein Stromnetz zu schaffen, über das die Einwohner von Brooklyn überschüssigen Solarstrom an andere Einwohner von New York City verkaufen können.
• „Smart token contracts“ haben es gemeinnützigen Einrichtungen ermöglicht, auf eine neue Art und Weise Finanzmittel zu beschaffen, wie der World of Waves (WOW) Token. Die Mission von World of Waves ist die Regeneration der Weltmeere und die Bekämpfung des Klimawandels.
• Solarcoin ist ein Start-up, das Token als Belohnung für die Installation von Solaranlagen in Privathaushalten oder Unternehmen ausgibt.
• Das Kunstprojekt terra0 hat eine sogenannte „Zwei-Grad-NFT“ produziert, die wertlos gemacht wird, sobald der durchschnittliche jährliche Temperaturanstieg zwei Grad Celsius übersteigt.
• Die Powerledger-Plattform erleichtert den Peer-to-Peer-Energiehandel und hilft den Erzeugern, Energie in Echtzeit zu verfolgen und zu handeln, wodurch stabilere und widerstandsfähigere Energienetze entstehen.
• SEEDS ist eine Kryptowährung, die versucht, Geld mit ökologischen Werten in Einklang zu bringen.
• Nemus ist ein NFT-Projekt zur Erhaltung und zum Schutz des Amazonas-Regenwaldes.
• Die Crypto Climate Coalition des Versicherungsunternehmens Lemonade bietet Kleinbauern Versicherungen an, indem sie Wetterrisiken genau quantifiziert.
• Der WWF hat die Non-Fungible Animals (NFA) herausgebracht, eine Kollektion von NFTs, die von zehn bedrohten Tierarten inspiriert ist. Die Verkaufserlöse der NFAs sollen dem Erhalt bedrohter Tierarten dienen.