Blockchain & Nachhaltigkeit - passt das zusammen?

Blockchain und der Energieverbrauch - Was ist eigentlich das Problem?

Die Energiedebatte über Blockchains und insbesondere Kryptowährungen brach 2021 aus, als China gegen die Miner von Kryptowährungen rigoros durchgriff (was ironischerweise zu einem Anstieg der Mining-Aktivitäten im benachbarten Kasachstan führte). Zur gleichen Zeit machte Tesla seine Entscheidung, Bitcoin als Zahlungsmittel zu akzeptieren, aufgrund von Zweifeln hinsichtlich des Energieverbrauchs rückgängig. Die Bedenken sind nicht unbegründet. Laut Digiconomist verbraucht das Bitcoin-Mining eine ähnliche Menge an Energie wie ein kleines Land, z. B. die Niederlande oder die Philippinen. Andere Studien verglichen den jährlichen Stromverbrauch von Bitcoin mit Ländern wie Österreich und Venezuela, der Schweiz oder sogar größeren Ländern wie Schweden oder Argentinien. Die Schätzungen, wie viel Energie das Bitcoin-Mining verbraucht, variieren und reichen jährlich von 81,51 Terawattstunden (TWh) bis zu 117 Terawattstunden oder in der Spitze sogar 148 Terawattstunden Strom. Kurz darauf wurden alle Blockchains in ein schlechtes Licht gerückt. Zu Recht?
Blockchain und Nachhaltigkeit
Mit einer Ethereum-Transaktion kann ein US-Haushalt etwa eine Woche lang mit Strom versorgt werden, während die für eine Bitcoin-Transaktion benötigte Energie ein Haus mehr als 70 Tage am Stück mit Strom versorgen kann. Es gibt jedoch auch Studien, die zeigen, dass der Energieverbrauch der Börse höher ist als der von Bitcoin. Andere Berichte legen nahe, dass das gesamte Bitcoin-Ökosystem weniger als die Hälfte der Energie verbraucht, die Bankensysteme benötigen. Sind also alle Blockchains Energie-verschlingende Ungetüme? Oder kann der Einsatz von Blockchains im Bereich ESG auch etwas Positives haben? In diesem Artikel geht es nicht darum, den Energieverbrauch von Blockchains wie Bitcoin oder Ethereum genau zu messen, sondern vielmehr darum, a) die aktuellen Probleme (insbesondere mit den jeweiligen Consensus-Mechanismen) zu skizzieren, b) welche Lösungen es gibt, um sie einzudämmen, und c) welche ESG-Anwendungsfälle im Bereich von Blockchains, Web 3.0 und NFT im Entstehen sind.
Inhalt
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    Hintergrund: der Tech-Stack des Web 3.0

    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.
    web 3.0 layers -access layer, use case layer, category primitives, protocol layer

    Protocol Layer

    Am unteren Ende des Stacks liegt der sogenannte „Protocol-Layer“, der die zugrunde liegende Blockchain-Architektur darstellt, auf der alles andere aufbaut. Auf dieser Schicht findet auch der größte Teil des Energieverbrauchs statt. Im nächsten Abschnitt werden wir diesen Layer näher analysieren und auch einen Blick auf die verschiedenen Konsensus-Mechanismen werfen, die sich in ihrem ökologischen Fußabdruck drastisch unterscheiden.

    Infrastructure Layer

    Der Infrastructure-Layer baut auf der Protocol-Layer auf und ist hoch spezialisiert, um einzelne Aufgaben in der Web 3.0-Umgebung zu erfüllen. Diese Tools ermöglichen viele Funktionen wie Smart-Contract-Prüfung, Datenspeicherung, Kommunikationsprotokolle, Datenanalyseplattformen, DAO-Governance-Tools und vieles mehr. Für den Endnutzer schaffen diese Technologien nicht unbedingt einen direkten Wert, aber für Entwickler sind sie die Bausteine zur Erstellung von Anwendungen, die der durchschnittliche Internetnutzer verwenden kann.

    Use case Layer

    Der Use-Case-Layer ist die Schnittstelle für die Interaktion zwischen der Blockchain und ihren Anwendern. Es handelt sich also um die Technologien und Komponenten des Web 3.0, die wir bereits in unserem Überblicksartikel über das Metaverse beleuchtet haben. Man denke nur an eine virtuelle Welt oder eine Gaming-Umgebung wie Decentraland oder The Sandbox. Damit diese virtuellen Welten funktionieren, benötigen die Anwender Blockchain-basierte Token und NFTs. Die Spieler müssen ihre auf der Blockchain gespeicherten Kryptowährungen gegen NFTs eintauschen können, um ihre Avatare zu kleiden oder um Token zu erhalten, die sie für die Teilnahme an Tauschgeschäften im Metaverse benötigen. An dieser Stelle können Technologien wie Uniswap die Gaming- und NFT-Sphäre dieser Ebene verbinden.

    Access 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

    Während Web 2.0-Anwendungen auf zentralisierten Datenbanken basieren, werden Web 3.0-Anwendungen für einen vertrauenswürdigen und zustimmungsfreien Zugang auf der Blockchain-Architektur aufgebaut. Am allerwichtigsten für Entwickler ist dabei der Protocol Layer, der einen Rahmen für die Speicherung und Ausführung von Smart Contracts bietet, was die Programmierung mit On-Chain-Logik ermöglicht. Bitcoin ist die erste bekannte Technologie, die dieses Prinzip nutzte, Ethereum folgte kurz darauf. Insbesondere Ethereum bildet heute den primären Rahmen für viele Web 3.0-Entwicklungen und dApps, dezentralisierte Applikationen, die auf der Blockchain ausgeführt werden.

    Doch jede Blockchain hat ihre Grenzen. Das Blockchain-Trilemma fasst das relativ gut zusammen. In der Grafik wird ersichtlich, dass man nur zwei von drei Eigenschaften – Skalierbarkeit, Sicherheit und Dezentralisierung – optimieren kann, aber nicht alle drei Eigenschaften gleichermaßen. Wenn wir in einer Web 3.0-Umgebung jedoch nicht nach Skalierbarkeit optimieren, warum sollte eine dortige Anwendung dann die Akzeptanz und Nutzer erhalten, die klassische und sehr skalierbare Web 2.0-Anwendungsfälle bereits haben?

    Blockchain trilemma - Security, Scalability, Decentralisation

    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. 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.

    Energieverbrauch Blockchains
    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.

    Konsensmechanismen und Nachhaltigkeit

    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.

    Proof-of-Stake

    Während beim Proof-of-Work-System ein Wettlauf um den ersten Platz stattfindet, ist dies beim Proof-of-Stake-System anders. Die Validierer werden ausgewählt, um einen Block zu finden, und zwar auf Grundlage der Anzahl an Token, die sie besitzen, oder durch einen zuvor festgelegten Algorithmus. Dieser Algorithmus regelt die Validierung der nächsten Transaktion anstelleeines willkürlichen Wettbewerbs zwischen den Minern. Ein Algorithmus wählt regelmäßig (z. B. alle 10 Sekunden) zufällig einen Validator aus und weist ihm das Recht zu, den nächsten Block zu erstellen, der wiederum auf einen vorherigen Block verweist.
    In diesem System ersetzt die Menge an Kryptowährung, die ein Nutzer besitzt, die Arbeit der Miner beim Proof-of-Work. Ebenso gibt es in der Proof-of-Stake-Umgebung keine „Miner“ oder „Mining“, dort wird dieser Prozess als „Staking“ bezeichnet. Diese Struktur sichert das Netzwerk. Grund dafür ist, dass ein potenzieller Teilnehmer die Kryptowährung kaufen und halten muss, um für die Bildung eines Blocks ausgewählt zu werden. Erst im Anschluss erhält er eine Belohnung (in Form der nativen Währung). Trotzdem gibt es auch einige Nachteile bei Proof-of-Stake-Systemen, wie beispielsweise ein 51%-Angriff. Wenn eine Partei 51 Prozent der Münzen auf einer Blockchain kontrolliert, könnte diese Mehrheit dazu genutzt werden, die Blockchain zu manipulieren. Ein zweites Beispiel ist das „stake grinding“, das sich auf den Umstand bezieht, dass ein Validator Berechnungen oder andere Schritte durchführt, um die Zufälligkeit des nächsten ausgewählten Validators zu seinem Vorteil zu verändern. Es gibt einerseits Argumente dafür, dass die Abschaffung des Energieverbrauchs von PoW auf Kosten der Sicherheit geht, da man nur innerhalb des Systems Stimmgewicht (Kapital) erwerben kann. Andererseits kann auch argumentiert werden, dass PoS aufgrund der Skaleneffekte von PoW/Mining weniger zur Zentralisierung neigt und letztlich sicherer ist

     

    Wandel zu nachhaltigeren Blockchains

    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 Pentalemma - Sustainability, Scalability, Decentralisation, Security, Reliability
    Um diese ersten Gedanken zusammenzufassen, denken wir, dass man Blockchains in Zukunft nicht nur nach dem „alten“ Trilemma-Denken beurteilen kann (auch ein Quadrilemma-Ansatz ist nicht ausreichend). Wir sind davon überzeugt, dass man in den nächsten Jahren zwei wichtige Dimensionen ergänzen muss – Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit. Entsprechend denken wir in diesem Zusammenhang eher an ein Pentalemma. Dies sieht in etwa wie folgt aus, mit einigen Blockchains als Exemplare positioniert (dieser Platzierung liegen keine wissenschaftlichen Erhebungen zugrunde, sie sollen nur eine exemplarische Annäherung liefern).

    Nachhaltige Blockchain Use Cases

    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
    Blockchain framework für distributed energy system networks
    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.

    Sustainable Supply Chain Management (SSCM)

    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

    Der CO₂-Markt, dessen Wert im Jahr 2021 auf eine Milliarde Dollar geschätzt wird, bietet sowohl Einzelpersonen als auch Unternehmen eine Möglichkeit, den durch CO₂ verursachten Schaden in Form eines Finanzprodukts zu kompensieren. Ein Carbon Credit wird in Form einer Lizenz ausgestellt und entspricht einer Tonne Kohlendioxid, das aus der Atmosphäre entfernt wird. Die “ Credits “ werden dann in Token umgewandelt und gehandelt. Da diese Credits in der Regel durch land- oder forstwirtschaftliche Praktiken erzeugt werden, muss ein Unternehmen, um sie zu erhalten, einen Vermittler suchen, der sie kauft. Token für Carbon Credits gewinnen zunehmend an Attraktivität, und es sind mehrere auf Ethereum basierende Projekte entstanden, wie Carbon Utility Tokens (CUT), Universal Carbon Tokens (UPCO2) oder Moss Carbon Credit (MCO2). Ebenso tragen Blockchains dazu bei, das Bewusstsein für den Energieverbrauch sowohl auf individueller als auch auf unternehmensweiter Ebene zu schärfen. Unternehmen wie ECO2 Ledger zielen auf eine Verbesserung der operativen Effizienz des Handels mit Emissionsgutschriften und auf die Förderung von Klimaschutzmaßnahmen durch Einzelpersonen und Organisationen des privaten und öffentlichen Sektors über eine Blockchain-basierte Plattform ab.

    Im Allgemeinen stammen die heutigen Blockchain-basierten CO₂-Gutschriften aus konventionellen Registersystemen (z. B. Verra oder Gold Standard) und verwenden die von diesen Systemen entwickelten Protokolle. Die meisten dieser Gutschriften werden über das Toucan-Protokoll, das Base Carbon Tokens (BCTs) ausgibt, auf die Blockchain übertragen. Das Toucan-Protokoll macht die Carbon-Credits liquider und leichter austauschbar zwischen Unternehmen, die sie erstellen, und denen, die ihre CO₂-Emissionen ausgleichen wollen. Das wichtigste Merkmal ist die Carbon Bridge (auf Polygon basierende intelligente Verträge), die es jedem ermöglicht, seine CO₂-Gutschriften aus alten Registern in das Toucan-Register zu übertragen. Dies geschieht in vier Schritten: Zunächst wird ein neuer NFT mit einem eindeutigen Identifikator erstellt – der Initialisierungsprozess. Das bedeutet, dass ein neuer NFT mit einer eindeutigen Kennung erstellt wird, mit der allerdings noch keine Offset-Metadaten verknüpft sind. Als Nächstes muss der zu verbuchende Carbon Credit aus dem ursprünglichen Verzeichnis gelöscht werden, um Doppelausgaben zu vermeiden. Im dritten Schritt wird die BatchNFT mit der eindeutigen Seriennummer aus dem ursprünglichen Register verknüpft, bevor schließlich eine vertrauenswürdige Instanz innerhalb des Ökosystems, der sogenannte Toucan Validator, die Glaubwürdigkeit des Dateneintrags überprüft, damit er in der eigentlichen Blockchain aufgezeichnet werden kann. Das nun geschaffene BatchNFT ist jedoch recht illiquide, da es schwierig sein könnte, einen Käufer für das gesamte BatchNFT zu finden. Ebenso besteht der letzte Schritt des Überbrückungsprozesses darin, die Charge in kleinere, fungible Token zu fraktionieren, die Toucan Carbon Tokens oder TCO2 genannt werden. Jeder dieser Token kann bis zum Verra-Registereintrag zurückverfolgt werden.

    Wie funktioniert BTC (Bitcoin)
    Bei der Verwendung von Toucan und seinen Token sind jedoch zwei große Probleme zum Vorschein gekommen, wie CarbonPlan aufzeigt. Ihre Analyse wirft auch grundsätzliche Fragen zur Qualitätskontrolle bei den Emissionshandelsregistern auf: (1) Es gab viele Projekte, die inaktiv waren, bis der wirtschaftliche Anreiz zur Generierung von BCTs aufkam, und (2) fast alle überbrückten Gutschriften stammen aus Projekten, die aufgrund von Qualitätsbedenken von wichtigen Segmenten des konventionellen Kompensationsmarktes ausgeschlossen wurden. Beides stellt die Klimabehauptungen von Toucan und die damit verbundenen Blockchain-basierten Bemühungen wie KlimaDAO infrage. Toucan hat jedoch bereits reagiert und die Verwendung seiner Technologie für „Zombie-Klimagutschriften“ nach der jüngsten Kritik ausgeschlossen. Das verdeutlicht, wie wichtig die Qualität der Daten ist, die in die Blockchain eingespeist werden. Ist dies nicht gewährleistet, könnten Blockchain-Lösungen ungewollt zu den bestehenden Problemen auf dem CO₂-Markt beitragen, ohne eine tatsächliche Wirkung zu haben. Außerdem besteht die Befürchtung, dass Unternehmen immer einen Weg finden werden, das System zu manipulieren.

    Weitere Beispiele für die Kombination von Web 3.0 und Nachhaltigkeit

    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.

    Amenta, C., Riva Sanseverino, E. & Stagnaro, C. (2021). Regulating blockchain for sustainability? The critical relationship between digital innovation, regulation, and electricity governance. Energy Research & Social Science, 76, 102060.
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    Bai, C. & Sarkis, J. (2020). A supply chain transparency and sustainability technology appraisal model for blockchain technology. International Journal of Production Research, 58(7), 2142–2162. https://doi.org/10.1080/00207543.2019.1708989

    Binder, M. (2022, 2. Mai). Bored Ape Yacht Club caused Ethereum fees to soar to astronomical levels. Mashable. Abgerufen am 20. Mai 2022, von https://mashable.com/article/ethereum-gas-fees-skyrocket-bored-ape-yacht-club-otherside-nft-launch

    BMUV. (2022, 1. Januar). Sprint-for-Green. Abgerufen am 23. Mai 2022, von https://www.bmuv.de/digitalagenda/produktpass/pkw-batterie

    Chainlink. (2022, 24. Mai). New Report: Blockchains and Oracles Are Redefining the Energy Industry. Chainlink Blog. Abgerufen am 27. Mai 2022, von https://blog.chain.link/blockchains-and-oracles-are-redefining-the-energy-industry/

    Coinbase. (2022, 15. Januar). A simple guide to the Web3 stack – The Coinbase Blog. Medium. Abgerufen am 8. Mai 2022, von https://blog.coinbase.com/a-simple-guide-to-the-web3-stack-785240e557f0

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