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Gestaltung energiesparsamer Blockchains

Auf der einen Seite bietet die Digitalisierung die Möglichkeiten, Bereiche wie das Bildungs- und Gesundheitsangebot zu verbessern, industrielle Prozesse zu automatisieren und günstiger auszugestalten und die Energiewende zu ermöglichen. Auf der anderen Seite gehen mit dem Betrieb und dem Verschleiß der eingesetzten Hardware ein hoher Ressourcen- und Stromverbrauch einher. Eine umwelt- und damit sozialverträgliche Digitalisierung kann nur gelingen, wenn diese Umwelteinflüsse eingegrenzt werden. Aus diesem Grund beschäftigt sich das Future Energy Lab nicht nur damit, wie digitale Technologien zur Ermöglichung einer zuverlässigen Energieversorgung verwendet werden können, sondern auch mit ihren Stromverbräuchen und den Potentialen diese zu minimieren.

Blockchains im Fokus der Ressourcenverbrauchsdebatte

Durch Blockchains können Daten dezentral, manipulationssicher und nachvollziehbar verwaltet werden. Die verteilte und konsensuale Datenspeicherung erlaubt es, Datensilos und Single Points of Failures zu vermeiden und somit den Datenschutz, die Datensicherheit und die Zuverlässigkeit von Netzwerken zu erhöhen. Das Vertrauen in die Korrektheit der Daten wird durch sogenannte Konsensmechanismen geschaffen. Auf zentrale Instanzen zur Verwaltung der Daten sowie die Kenntnis untereinander und das Vertrauen der Netzwerkteilnehmenden ineinander kann dadurch verzichtet werden. Ein hohes Potential zur Anwendung der Blockchain-Technologie wird vor allem bei der Speicherung digitaler Werte, der Nachvollziehbarkeit von Lieferketten oder der selbstbestimmten und digitalen Verwaltung von Personendaten gesehen.

Blockchains stehen aufgrund ihres hohen Stromverbrauchs in der Kritik. Hierbei steht besonders der Stromverbrauch eines der ersten Anwendungsfälle der Technologie im Fokus – die Kryptowährung Bitcoin. Ein hoher Ressourcenaufwand geht hier mit dem Design des verwendeten Proof-of-Work (PoW)-Konsensmechanismus einher. Das Vertrauen in dezentral durchgeführte Finanztransaktionen wird durch den Einsatz von großer Strommengen geschaffen. Es existieren jedoch auch Alternativen zu PoW-Blockchains, bei denen anstatt Strom eine andere Ressource eingesetzt wird. Bei Ethereum ist dies Kapital, der zu der Blockchain gehörenden Kryptowährung. Durch den Umstieg von einem PoW- zu einem Nicht-PoW-Konsensmechanismus konnte Ethereum den Stromverbrauch der Blockchain um mehr als 99% senken.

Es fehlen Hilfestellungen beim Design

Die bestehende Literatur beschränkt sich derzeit auf eine Unterstützung bei der Entscheidung zwischen PoW und Nicht-PoW-Blockchains. Dabei fehlen 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.

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Leitfadens zur energiesparsamen Gestaltung von Blockchain-Netzwerken. Da das Design nicht nur die Minimierung des Stromverbrauchs sondern auch weiterer Anforderungen von Use Cases an ihre Netzwerklösung (z.B. Geschwindigkeit oder Verfügbarkeit) berücksichtigen muss, sollen diese Anforderungen im Rahmen des Projektes zunächst allgemein definiert werden. Der erste Teil des Leitfadens soll dann eine Hilfestellung zur Bestimmung der Anforderungen konkreter Use Cases bieten. Der zweite Teil des Leitfadens soll das zu den Anforderungen passende und energiesparsame Design von Blockchains ermöglichen.

Der Leitfaden zur energiesparsamen Gestaltung von Blockchains wird in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer FIT erarbeitet und seine Veröffentlichung ist für Herbst 2023 geplant.