Blockchain
Grundlagen und Anwendungsbeispiel im Abrechnungsprozess
Potenziale der Blockchain in der Energiewirtschaft Aufgrund der Eigenschaften der Blockchain ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Energiewirtschaft. Der Einsatz ist vor allem dann sinnvoll, wenn komplexe Prozesse mit vielen Akteuren und Verträgen koordiniert werden müssen oder wenn zentral agierende Instanzen zu ersetzen sind. Ein Anwendungsbeispiel lässt sich beim Smart-Meter-Rollout identifizieren. Werden Smart Meter mit Blockchain und Smart Contracts ausgestattet, haben sie gegenüber bestehenden Systemen die Vorteile, dass ein optimierter Netzbetrieb durch automatisierte Vorgänge möglich ist und eine höhere Datenqualität und Datensicherheit erreicht werden. Mit der Liberalisierung der Energiemärkte wurde eine Vielzahl regulatorischer Anforderungen geschaffen, die die Marktteilnehmer zunehmend unter Druck setzen. Vor allem Strom- und Gasnetzbetreiber werden regelmäßig mit der Umsetzung neuer Gesetze und Verordnungen konfrontiert. Die zahlreichen Regularien führen zu einer zunehmend komplexen Marktkommunikation und Prozesssteuerung. Bei den Netzbetreibern entsteht der Wunsch nach neuen Digitalisierungsstrategien, die eine Optimierung der Marktkommunikation und eine effiziente Steuerung der Marktprozesse durch Automatisierung ermöglichen. Dabei sind die Themen Datenschutz und IT-Sicherheit von zentraler Bedeutung. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen sind neue, innovative Technologien notwendig – zum Beispiel die Blockchain. Die Erwartungen an die Blockchain sind zurzeit sehr groß. Eine Analyse der Gartner Inc. zeigt, dass die Technologie hochaktuell ist und zahlreiche potenzielle Anwendungen verspricht.1 Blockchain ist eine disruptive Technologie 2 , die unser Verständnis, wie wir bezahlen und wie wir mit Daten und Waren handeln, grundlegend ändern kann, denn sie verspricht vollautomatische, günstige und fälschungssichere Transaktionen. Doch nur wenn die Blockchain auch in der Praxis ausreichend Vorteile bietet – zum Beispiel durch Schnelligkeit, geringe Kosten und hohe Sicherheit –, kann sie mit
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Transaktionen
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Bild 1. Alte Welt, zentrales Netzwerk (links), und neue Blockchain-Welt, Peer-to-Peer Netzwerk
bestehenden Verfahren konkurrieren und Marktteilnehmer letztlich zu einem Wechsel bewegen [1].
Was kann die Blockchain leisten? Der Aufsatz untersucht die Potenziale der Blockchain in der Energiewirtschaft an einem konkreten Anwendungsbeispiel – dem Prozess der Abrechnung auf der Basis von Daten aus intelligenten Messsystemen3. Es werden mögliche Antworten auf die Frage gegeben, ob für Gasmarktakteure der Abrechnungsprozess durch den (hypothetischen) Einsatz der Block3 Mit dem Gesetz zur Digitalisierung der
1 Gartner: Hype Cycle for Emerging Techno-
logies, 2016, www.gartner.com/newsroom/ id/3412017.
2 Eine disruptive Technologie ist eine Inno-
vation, die eine bestehende Technologie verdrängt.
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PDF 7405 aus ew Spezial I | 2017, S. 20-26
Energiewende wurde festgelegt, Erzeuger und Verbraucher mit intelligenten Messsystemen auszustatten. Diese sollen eine sichere Anbindung von Strom- und Gasmesseinrichtungen zur Übertragung von Daten an ein intelligentes Energienetz, das Smart Grid, gewährleisten.
chain optimiert werden kann. Dies wird anhand der Merkmale Datenqualität und Kosten geprüft. Dabei wird die Datenqualität durch die Datensicherheit, -genauigkeit und -transparenz charakterisiert und die Kostenersparnis durch einen Vergleich mit herkömmlicher Technologie bewertet.
Grundlagen der Blockchain Die Blockchain ist durch die Verwendung bei der digitalen Währung, den Bitcoins, bekannt geworden. Sie wurden im Jahr 2008 von Satoshi Nakamoto, einem Pseudonym, entworfen. In seinem Artikel »Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System« verwendet Nakamota den Begriff Blockchain nicht, sondern beschreibt die grundlegenden Architektureigenschaften einer »Chain of hash-based Proof-ofWork« [2]. Diese Entwicklungsphase mit ausschließlich monetärer Anwendung wird als Blockchain 1.0 bezeichnet.
Blockchain
A sendet B Bitcoins.
Die Bitcoins werden als Transaktion zu einem Block zusammengefasst.
Die Bitcoins wechseln den Besitz von A zu B.
Der Block wird zur Prüfung an das Netzwerk übertragen.
Das Netzwerk prüft die Gültigkeit und Freigabe des Blocks.
Der Block wird zur Kette hinzugefügt, was eine unlöschbare und transparente Aufzeichnung der Transaktionen ermöglicht.
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Bild 2. Ablauf der Transaktionen in einer Blockchain, siehe Schritte 1 bis 6 (vereinfachte Darstellung)
Seit ihrer Entstehung wurde die Blockchain stetig weiterentwickelt. So sind mit der Blockchain 2.0, das Ethereum, im Gegensatz zu Bitcoin auch nichtmonetäre Anwendungen möglich. Beispiele hierfür sind der Handel mit Daten und Waren. Ethereum wurde im Jahr 2013 von Vitalik Buterin entwickelt. In seinem White Paper »A Next Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform« beschreibt Buterin die Entwicklung einer zentralen Plattform zum Ausführen von autonom agierenden Verträgen, den Smart Contracts [3].
arbeiten (Bild 1). Das macht das System offen und sicher zugleich, da eine Transparenz der Kontrolle durch viele Netzwerkteilnehmer gewährleistet ist. Wird eine einzelne Transaktion manipuliert, wird der Angriff sofort bei anderen beteiligten Blockchain-Teilnehmern registriert. Die Kontrolle der Transaktionen liegt also bei einer großen Zahl an Teilnehmern. Somit sind die Transaktionen nahezu ausnahmslos manipulationssicher und vor Hackerangriffen geschützt. Der Ablauf einer Blockchain-Transaktion findet wie folgt statt (Bild 2):
Technologie und Funktionsweise
1. Voraussetzungen schaffen und Transaktion anstoßen: A möchte B einen Geldbetrag senden. A und B entscheiden sich für die Digitalwährung Bitcoin. Um Bitcoins zu versenden, müssen A und B zunächst eine Software und ein öffentliches digitales Kassenbuch, ein Wallet, auf ihren Rechnern installieren. In diesem Wallet werden alle Transaktionen gespeichert. Als nächstes erstellt A die Transaktion für B. Die Transaktion wird automatisch auf allen Rechnern gespeichert, die innerhalb des Peer-to-Peer-Netzwerks der Blockchain verbunden sind. Außerdem wird ein Schlüsselpaar erzeugt4: A verschlüsselt mit dem öffentlichen Schlüssel von B die Transaktion. Der öffentliche Schlüssel ist für alle Netzwerkteilnehmer einsehbar. Nur B kann die Transaktion mit seinem privaten, einem geheimen Schlüssel lesen. Diese Schlüssel werden zum Sig-
Um das Potenzial der Blockchain zu bewerten, ist es notwendig, die Technologie dahinter und den Ablauf von Transaktionen zu verstehen. Im Folgenden wird das Grundprinzip und anschließend die Weiterentwicklung der Blockchain vorgestellt. Bitcoins: Das Grundprinzip der Blockchain Die Blockchain ist vergleichbar mit einem dezentralen Netzwerk, in dem eine Kopie jeder Transaktion zwischen verschiedenen Parteien bei jedem Nutzer einer Blockchain gespeichert wird. Während bei konventionellen Client-Server-Architekturen die Daten in einer einzigen Datenbank gespeichert werden, liegen die Daten bei einer Blockchain verschlüsselt auf tausenden Rechnern weltweit. Dies wird als Peer-to-Peer-Netzwerk bezeichnet, in dem Nutzer dezentral zusammengeschlossen sind, um gleichberechtigt zusammenzu-
4 Public-Key-Kryptografie
nieren jeder Transaktion verwendet, also zur Identifizierung des Absenders und zur Integritätsprüfung einer Transaktion. 2. Ein neuer Block mit der Transaktion entsteht: Generell werden Transaktionen stückweise bestätigt und zusammengefasst. Zunächst werden mehrere Transaktionen, auch die Transaktion von A, zu einem Block zusammengefügt. Dieser Vorgang des Zusammenfügens wird als Mining bezeichnet. Dabei wird mit dem Proof of Work eine komplexe Methode verwendet, mit der für jeden Block ein Hash berechnet wird. In einem Hash sind Transaktionsinformationen wie Zahlungssender und -empfänger zu einer Serie von Zahlen und Buchstaben verschlüsselt und gespeichert. Dieses Verfahren soll die Sicherheit und Anonymität von Sender und Empfänger in dem öffentlichen Netzwerk gewährleisten. Der Mining-Netzwerkteilnehmer mit der schnellsten Berechnung erhält eine anteilige Entlohnung in Bitcoins. Dies können einzelne Personen oder Unternehmen sein, die sich zu Mining-Pools zusammenschließen. 3. Der neue Block wird vom Netzwerk geprüft: Nachdem die Transaktionen – unter anderem die Transaktion von A – zu einem Block zusammengefasst und ein Hash berechnet wurde, wird der Block zur Prüfung der Berechnung und schließlich zur Freigabe des Blocks an das Netzwerk übergeben. Das Netzwerk akzeptiert und gibt den Block nur dann frei, wenn alle darin enthaltenen Transaktionen gültig sind.
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Blockchain
Transaktion
Transaktion
Transaktion
Eigentümer 1 öffentlicher Schlüssel
Eigentümer 2 öffentlicher Schlüssel
Eigentümer 3 öffentlicher Schlüssel
izi
er
izi
en
ren nie ig
Eigentümer 1 Signatur
Eigentümer 1 privater Schlüssel
en
ren nie ig
Eigentümer 2 Signatur
s
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Eigentümer 0 Signatur
Hash
rif
rif
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ve
Hash
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Hash
Eigentümer 2 privater Schlüssel
Eigentümer 3 privater Schlüssel
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Bild 3. Bildung einer Transaktionskette zu einem Block innerhalb einer BitcoinBlockchain (vereinfachte Darstellung)
4. Der neue Block wird vom Netzwerk bestätigt: Die Echtheit des Blocks wird mit dem Hash geprüft. Da eine Hash-Funktion bei unterschiedlichen Eingaben zu unterschiedlichen Ausgaben führt, können Transaktionsdaten wie Betragshöhe oder Empfänger nachträglich nicht geändert beziehungsweise manipuliert werden. Die Fälschung würde von jedem Netzwerkteilnehmer bemerkt und die Freigabe des Blocks wäre an dieser Stelle gestoppt. Somit wird die Sicherheit vom Netzwerk und nicht wie bisher über zentrale Instanzen gesteuert. Wenn eine erfolgreiche Prüfung des Blocks durch das Netzwerk stattgefunden hat, werden auch die Transaktionen innerhalb der Blocks bestätigt und freigegeben. Dies geschieht etwa alle zehn Minuten. 5. Der bestätigte Block wird der bestehenden Kette an Blöcken angefügt: Nach erfolgreicher Prüfung wird der neue Block durch das Mining mit der bestehenden langen Kette von Blöcken verknüpft, indem die Hashs eines Blocks wiederum aus den jeweiligen Vorgängern gebildet werden (Bild 3). Es entsteht die Blockchain, in der eine nachvollziehbare Verkettung bis zum ersten Block möglich ist. Dadurch ist eine nicht löschbare und transparente Aufzeichnung der Transaktion von A zu B möglich. 6. Die Transaktion ist abgeschlossen und die Zahlung geschieht: Innerhalb weniger Minuten kann die Auszahlung an B stattfinden, da B durch die Blockchain an das gleiche vertrauenswürdige Netzwerk wie A angeschlossen ist. B kann nun die Transaktion von A mit dem ihm bereitgestellten öffentlichen Schlüssel entschlüsseln und empfangen. In der Blockchain sind die Teilnehmer anonym und die Transaktionen öffent-
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lich sowie transparent. Einträge können nicht gelöscht oder nachträglich geändert werden. Es gibt keine zentrale Kontrolle innerhalb des Systems, die Kontrolle geschieht dezentral durch das Netzwerk. Die Transaktionskosten sind im Vergleich zu bisherigen Technologien niedriger. Aufgrund des rechenintensiven Prüfalgorithmus der Blockchain ist in der Blockchain 1.0 noch keine ausreichende Skalierbarkeit der Transaktionsdaten gewährleistet. Die extrem schnell steigende Datenmenge, die beim Betrieb der Blockchain 1.0 entsteht, ist eine große Herausforderung für Datenhaltung, Geschwindigkeit und Kosten. Ethereum: Erweiterung der Blockchain durch Smart Contracts Seit ihrer Entstehung wurde die Blockchain stetig weiterentwickelt – hin zur aktuellen Blockchain 2.0 Ethereum. Während Bitcoin die Nutzung einer Digitalwährung ermöglicht, verfolgt Ethereum das Ziel, eine Plattform zur Entwicklung smarter Anwendungen bereitzustellen. Mit der Decentralised Application Platform ist es möglich, autonom agierende Verträge, sogenannte Smart Contracts, zu entwickeln [3]. Smart Contracts sind programmierte Anwendungen, bei denen der Vertragsgegenstand automatisiert ausgeführt wird, wenn eine definierte Vertragsbedingung erfüllt ist. Ein Beispiel ist der Ladevorgang eines Elektroautos, bei dem die Zahlung der getankten Menge automatisiert abgewickelt wird. Vereinfacht gesagt sind Smart Contracts Verträge, die einer Wenn-Dann-Logik gehorchen. Es muss allerdings betont werden, dass diese als Ergänzung zum bestehenden
Rechtssystem (zum Beispiel HGB, BGB) zu betrachten sind, da zunächst die Gültigkeit der Vertragsinhalte überprüft werden muss. Smart Contracts sind vor allem dann sinnvoll, wenn ein Vertrag zwischen zwei oder mehreren Parteien geschlossen werden soll, die sich nicht kennen oder sich nicht vertrauen. Anstelle von institutionellen Intermediären agieren also vollständig autonome Smart Contracts. Die Blockchain 2.0 ermöglicht die Koordination reeller oder virtueller Zahlungsund Warenströme. Um in Smart Contracts mit externen Daten zu arbeiten, werden weitere Hilfstechnologien benötigt: Orakel zum Beispiel für die Anbindung an eine externe Datenquelle und die Erfassung von Daten, Token-Systeme für den Handel mit Datenströmen oder alternativen Währungen. In Ethereum ist es mit Smart Contracts und Hilfstechnologien somit erstmals möglich, auch mit außerhalb der Blockchain vorliegenden Daten interagieren und arbeiten zu können. Ethereum nutzt grundsätzlich die gleichen Mechanismen zur Bildung einer Blockchain wie Bitcoin. Es wird lediglich ein anderer Prüfalgorithmus verwendet. Während Bitcoin Proof-of-Work nutzt, arbeitet Ethereum mit einem Proof-ofStake-Algorithmus [3]. Beim Proof-of-Work werden regelmäßig Hash-Funktionen berechnet und geprüft, um die Transaktionen zu legitimieren – ein Arbeitsnachweis. Dieses Verfahren ist sehr rechenintensiv und benötigt viel Energie. Beim Proof-ofStake-Verfahren geschieht die Berechnung eines Hashs und die Freigabe eines Blocks über einen Besitznachweis. Der Algorithmus kontaktiert zur Berechnung zufällig einen Netzwerkteilnehmer. Netzwerkteilnehmer mit einem hohen Besitzanteil an Geld oder Waren werden dabei bevorzugt. Sollte dieser die Berechnung in einer vorgegebenen Zeit nicht durchführen können, wird ein nächster Netzwerkteilnehmer zufällig gewählt. Dieses Verfahren ist unabhängig von der Rechenleistung und bietet im Gegensatz zur Blockchain 1.0 die Möglichkeit einer ausreichenden Skalierbarkeit der Daten.
Prozessoptimierung durch Blockchain Aufgrund der genannten Eigenschaften kann die Blockchain in Verbindung mit Smart Contracts von Unternehmen verschiedener Branchen genutzt werden. Grundsätzlich wird der Leistungs- und Markterfolg eines Unternehmens davon bestimmt, wie schnell und sicher die Prozesse sind. Die Blockchain in der Anwendung mit Smart Contracts bildet die Grundlage zur Optimierung von Markt-
Blockchain
Anwendungsbeispiele in der Energiewirtschaft
zahlen von Ladevorgängen in der Elek tromobilität vereinfachen möchte. Derzeit stellen unterschiedliche Karten- und Abrechnungssysteme an Ladepunkten oft Hürden dar. Mit der Car-eWallet-App geschieht die Abbuchung nach dem Aufladen der Batterie dagegen automatisch und ohne manuellen Bezahlvorgang. Die zur Anwendung kommenden Smart Contracts sind so programmiert, dass die Elektroautos dann bevorzugt Strom laden, wenn ausreichend Strom aus erneuerbaren Energien im Netz zur Verfügung steht. Darüber hinaus wird das automatische Bezahlen von Maut- und Parkgebühren ermöglicht: Die im Auto integrierte Technologie überträgt beim Durchfahren der Mautstelle automatisch die anfallende Gebühr, Staus und Wartezeiten werden so vermieden.
Pilotprojekte mit Blockchain Es gibt bereits erste praktische Anwendungsfälle der Blockchain in der Energiewirtschaft. Beispielsweise verkündete Innogy im Januar 2017, dass es mit ihrer App »Car eWallet«, dessen Prinzip auf Blockchain beruht, das Be-
EnBW und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben im Januar 2017 eine Arbeitsgruppe gegründet, um eine dezentrale Energiebörse, Decentralised Energy Exchange (DEX), zu realisieren, deren Architektur auf der Blockchain beruhen soll. Ziel ist es, das Matching von
prozessen. Dabei können Prozesssteuerungs- und Prozessregelungsaufgaben durch Smart Contracts automatisiert durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine bessere Marktkommunikation, da ein automatischer und sicherer Informationsaustausch zwischen Marktteilnehmern möglich ist. Daten können dezentral erfasst, anonym gespeichert und übermittelt werden. So wird ein hohes Maß an IT-Sicherheit geschaffen, die auf sicherer Authentifizierung, Kennzeichnung und Schutz der Daten basiert. Über Sicherheitsaspekte hinaus ergeben sich jedoch auch Möglichkeiten zur Optimierung der Prozesse und zur Reduzierung der Kosten im Unternehmen [4, S. 21 – 22].
Stromanbietern und -kunden zu vereinfachen, indem diese durch ein dezen trales und sicheres Blockchain-Netzwerk verbunden werden. So können beispielsweise Besitzer dezentraler Anlagen den erzeugten Strom über Smart Contracts direkt handeln und abrechnen. Der bisherige Weg über die zentrale Strombörse entfällt. DEX soll also Kunden und Anbieter noch näher zusammenbringen, um sichere, flexible und kosteneffiziente Dienstleistungen zu ermöglichen. Blockchain und der Abrechnungsprozess mit Smart Metern Mit der Blockchain lassen sich vor allem komplexe Prozesse optimieren, in denen viele Parteien mit verschiedenen Inte ressen involviert sind. Der Energiemarkt wird von einer Vielzahl an Marktakteuren bestimmt, deren Miteinander von zahlreichen Vertragsbeziehungen und komplexen Geschäftsprozessen geprägt ist. So ist auch der Prozess zur Ermittlung und Abrechnung des Verbrauchs umständlich und aufwendig. Smart Meter sollen diesen Prozess erleichtern, jedoch wird deren Einführung auch häufig kritisiert. [5, S. 18 f].
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Blockchain
Letztverbraucher
Händler
Messstellenbetreiber
jährliche Abrechnung
Wartung und Betrieb Gaszähler
monatliche Abschlagszahlung
jährliche Messung
örtlicher Netzbetreiber prognostizierte Verbrauchsdaten
tatsächliche Verbrauchsdaten
Zahlung der Differenz zwischen tatsächlichem und prognostiziertem Verbrauch
Marktgebietsverantwortlicher
Differenzausgleich
Gleichgewichtsprüfung
Bilanzkreisverantwortlicher
Mitteilung Ein- und Ausspeisedaten Vertragsprüfung
Verbrauchs- und Abrechnungsdaten
Ein- und Ausspeisungen
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Bild 4. Alte Welt der Aufgabenverteilung beim Abrechnungsprozess
Probleme der Verbrauchsabrechnung Viele Marktakteure und komplexe Verträge Seit der Liberalisierung vervielfältigten sich die Rollen und Vertragsbeziehungen am Gasmarkt. Der Händler hat die Rolle des Lieferanten, der Gas durch das Netz transportiert (Shipper). Die Besitzer des Netzes sind die Netzbetreiber (TSO/DSO), die dem Händler in ihrem Netz Kapazitäten zum Gastransport zur Verfügung stellen. Jeder Marktakteur ist für den Ausgleich von Ein- und Ausspeisungen verantwortlich: der Netzbetreiber für sein Gasnetz und der Marktgebietsverantwortliche für das gesamte Marktgebiet (Zusammenfassung mehrerer Netzgebiete). Der Marktgebietsverantwortliche muss seine Daten einem Bilanzkreisverantwortlichen melden, der wiederum für die Kontrolle des Bilanzkreises verantwortlich ist. Dafür prüft er alle Ein- und Ausspeisungen (Bilanzkreiskonto) und die getätigten Kapazitätsbuchungen sowie Verträge innerhalb des Marktgebiets. Der Letztverbraucher schließt einen Netzanschlussvertrag mit dem örtlichen Netzbetreiber (DSO) und einen Liefervertrag mit einem Händler ab. Der Verbrauch wird von einem Zähler erfasst. Der Messstellenbetreiber ist für Einbau, Betrieb
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und Wartung der Zähler und Messsysteme sowie für die Messwertaufbereitung und die form- und fristgerechte Datenübertragung verantwortlich. Der Messstellenbetreiber ist in der Regel der örtliche Netzbetreiber. Ungenaue Verbrauchsdaten Die größten Verbraucher von Erdgas sind die Kundengruppen Haushalte und Gewerbe mit einer Abnahmemenge von mehr als 50 % der gesamten Ausspeisemenge in Deutschland. Diese weisen einen schwankenden Gasverbrauch auf. Der Verbrauch wird mit einem Zähler erfasst und die Ablesung der Verbrauchswerte findet meist einmal im Jahr durch den Messstellenbetreiber statt. Durch den hohen Anteil der Kundengruppe Haushalte und Gewerbe ist die erwartete Verbrauchsmenge eine wichtige Eingangsgröße für den Händler, der das Gas beschaffen muss. Dem Händler stehen dabei keine genauen Daten über das jeweilige Verbrauchsverhalten zur Verfügung. Deshalb müssen die Lastprofile der Letztverbraucher für das Abwicklungsgeschäft des örtlichen Netzbetreibers prognostiziert werden. Anhand der prognostizierten Temperatur für den Liefertag und der Standardlastprofilzuordnung bestimmt der örtliche Netzbetreiber die
zu erwartende Verbrauchsmenge des Letztverbrauchers. Nach Ablauf eines Gasjahres werden bei den Letztverbrauchern die Zählerstände vom Messstellenbetrieb abgelesen und der Abrechnungsprozess angestoßen. Dabei werden die gemessenen Verbrauchswerte den vom Netzbetreiber prognostizierten Mengen gegenübergestellt und Differenzen verursachergerecht ausgeglichen. Bild 4 zeigt zusammenfassend, dass eine Vielzahl von Vertragsbeziehungen und Aufgaben koordiniert sowie regelmäßig Verbrauchswerte überwacht werden müssen, um den Abrechnungsprozess zu steuern. Bedenken zum Datenschutz bei der Einführung von Smart Metern Um den Prozess der Verbrauchsabrechnung besser steuern zu können, hat die Bundesregierung beschlossen, Smart Meter für Verbraucher und Erzeuger einzuführen (Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende). Smart Meter sind intelligente Zähler, die den tatsächlichen und aktuellen Strom-, Gas-, Wasser- und Wärmeverbrauch digital erfassen. Smart Meter können über ein Gateway in ein Kommunikationsnetz eingebunden werden, so dass der tatsächliche Energieverbrauch jederzeit ausgelesen werden kann. Diese präzise und zeitnah erfassten Verbrauchsdaten bilden die Grundlage für eine intelligente Netz- und Ressourcensteuerung durch Netzbetreiber und Gashändler. Die Einführung der Smart Meter wird jedoch auch häufig kritisiert. Hinsichtlich des Datenschutzes stellt sich die Frage, wie die Verbrauchsdaten verschlüsselt und wo sie gespeichert werden. Kritisiert wird vor allem, dass der Schutz der Privatsphäre nicht ausreichend berücksichtigt werde und durch eine Aufzeichnung der Verbrauchsdaten Rückschlüsse auf das Leben der Verbraucher möglich seien. Das im Folgenden dargestellte Anwendungsbeispiel zeigt, wie mit der Blockchain die komplexen Vertragsbeziehungen vereinfacht werden können. Darüber hinaus wird veranschaulicht, wie die Technologie zu einer Optimierung der Datenqualität und zur Reduzierung der Kosten im Abrechnungsprozess zwischen Verbraucher, Händler und Netzbetreiber beitragen sowie die genannten Datenschutzbedenken auflösen könnte.
Blockchain-Lösung Da der Smart-Meter-Rollout bereits im Jahr 2017 starten soll, für die Einführung der Blockchain jedoch umfangreiche Planungsschritte notwendig sind, wird hier
Blockchain
der hypothetische Einsatz der Blockchain im Messwesen betrachtet.
Dafür werden die Smart-Meter-Gateways mit der Blockchain sowie mit Orakel und Token-Systemen ausgestattet und die Verträge durch Smart Contracts ersetzt. Orakel ermöglichen die Anbindung der Blockchain an die Smart Meter als Datenquelle. Sie erfassen die Zählerstände und übertragen die Verbrauchsdaten an die Blockchain. Die Token-Systeme ermöglichen den Handel und die Nachverfolgung von Verbrauchsdaten in der Blockchain, Smart Contracts gewährleisten die automatisierte Abwicklung des Abrechnungsprozesses sowie eine automatisierte Steuerung und Weitergabe der Verbrauchsdaten. Netzstabilität durch automatisierte Vorgänge in der Verbrauchsermittlung Der Messstellenbetreiber muss folglich keine jährliche Ablesung vor Ort durchführen, da die Zählerdaten elektronisch ausgelesen und ohne Zeitverzug übermittelt werden. Die Ablesung findet nun regelmäßig statt und ist sogar im Minutentakt möglich. Die Prognosen des Verbrauchs können somit präzisiert werden, die Differenz zwischen prognostiziertem und tastsächlichem Verbrauch sinkt. Ergebnis der genaueren Datenbasis ist ein schneller und dynamischer Lastenausgleich durch Versorger und Netzbetreiber, und der Netzbetrieb kann durch Smart Contracts nach fest definierten Regeln gesteuert und optimiert werden. So kann noch effizienter ein bilanzieller Ausgleich zwischen Ein- und Ausspeisekapazitäten geschaffen werden. Dies reduziert die jeweiligen Gasimporte beziehungsweise -exporte aus anderen Netzen, was das Netz stabilisiert. Insgesamt wird der Netzbetrieb verbessert, da Infrastruktur- und Buchungsverluste innerhalb des Netzsystems verringert werden. Höhere Sicherheit und bessere Datenqualität Aufgrund der Public-Key-Verschlüsselung wird ein sehr hoher Datenschutz gewähr-
Letztverbraucher
Händler
Beim Smart-Meter-Rollout kann die Blockchain die Abrechnungsprozesse und den Netzbetrieb optimieren. Auch die Datenqualität kann erhöht werden: einerseits durch eine vollautomatische, schnelle und gesicherte Weiterleitung der Verbrauchsdaten, andererseits durch transparente und detaillierte Informationen zum Gasverbrauch – allerdings durch Anonymisierung ohne Rückschlüsse auf Verursacher. Darüber hinaus ist es durch eine Neuverteilung der Aufgaben und einen geringeren Abrechnungsaufwand möglich, Messkosten zu senken (Bild 5).
Verbrauchsdaten in Echtzeit durch Blockchain
Messstellenbetreiber Smart-MeterWartung
Gleichgewichtsprüfung durch Smart Contracts
Verbrauchsdaten in Echtzeit durch Blockchain
örtlicher Netzbetreiber
Marktgebietsverantwortlicher
Gleichgewichts prüfung durch Smart Contracts
Gleichgewichtsprüfung durch Smart Contracts
Bilanzkreisverantwortlicher
Differenzausgleich Verbrauchs- und Abrechnungsdaten
Ein- und Ausspeisungen
Blockchain & Smart Contracts
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Bild 5. Neuverteilung der Aufgaben beim Abrechnungsprozess durch Einführung der Blockchain-Technologie
leistet. Zwar werden die Verbrauchsdaten öffentlich gespeichert, sie sind jedoch anonymisiert und verschlüsselt, so dass Rückschlüsse auf ein Verbrauchsverhalten nicht möglich sind. Da die Daten dezentral gespeichert werden, sind sie schwer zu manipulieren. Dies verhindert eine Bilanzfälschung.
Internet können beispielsweise kleinste Verbrauchsströme digital erfasst, zugeordnet und abgerechnet werden.
Die Entscheidungsgewalt über die Verbrauchsdaten liegt nun bei den Verbrauchern. Aufgrund der Transparenz der Transaktionen kennt der Verbraucher jederzeit seinen aktuellen Verbrauch, unabhängig von der Erstellung der Verbrauchsabrechnung durch den Gaslieferanten. Smart Contracts können einzelne Transaktionen zu einer Gasabrechnung zu einem beliebigen Zeitpunkt berechnen. Die Rechnungsprüfung kann fortlaufend in Echtzeit durch den Verbraucher stattfinden.
Veränderte Aufgabenverteilung der Marktakteure Aufgaben des Netzbetreibers, des Bilanzkreisverantwortlichen und vor allem des Messstellenbetreibers können vom Verbraucher übernommen werden. So können zum Beispiel aufwendige Lastprognosen der Netzbetreiber auf Wetterprognosen reduziert werden. Datenerfassung und -übermittlung wird dagegen vom Verbraucher selbst durch die Blockchain übernommen. Smart Contracts gewährleisten dabei die frist- und formgerechte Datenübertragung an den Netzbetreiber. Der Messstellenbetreiber ist lediglich für den Einbau und die Wartung der Smart Meter verantwortlich.
Im aktuellen Abrechnungssystem ist es unwirtschaftlich, Cent-Beträge abzurechnen. Aufgrund der geringen Transaktionskosten ermöglicht die Blockchain dagegen die Erfassung und Verarbeitung von Mikrotransaktionen. Vor dem Hintergrund des Internet of Things und der Verknüpfung smarter Geräte mit dem
Außerdem müssen Gastransaktionen nicht mehr doppelt durch Marktgebietund Bilanzkreisverantwortliche geprüft werden. Gasherkunft und -verbrauch können durch den einzigartigen Hash eindeutig bestimmt werden und es findet ein direkter Datenaustausch zwischen Verbraucher und Netzbetreiber statt.
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Dabei können die Unbundling-Vorgaben der EU eingehalten werden, da eine noch striktere Aufgaben- und Datentrennung zwischen den Marktakteuren möglich ist. Dies fördert den Wettbewerb und führt zu niedrigeren Preisen für Verbraucher. Kostenersparnis für Verbraucher und Netzbetreiber Ein wichtiger Vorteil der Blockchain ist, dass sie die hohen und stark regulierten Transaktionskosten auf ein Minimum reduzieren könnte. Dies hat mehrere Gründe. Zum einem werden die Aufgaben der zentralen Instanzen automatisiert, zum Beispiel die Kontrolle durch den Bilanzkreisverantwortlichen und die jährliche Datenablesung durch den Messstellenbetreibers. Dies führt zu geringeren Gebühren für Wartung und Betrieb der Smart Meter. Auch kann so die OligopolStellung der Messstellenbetreiber aufgebrochen werden. Zum anderen können durch einen optimierten Netzbetrieb und Abrechnungsprozess Kosten bei den Netzbetreibern gesenkt werden.
Herausforderungen und Kritik Derzeit beschränken sich konkrete praktische Anwendungen der Blockchain in der Energiewirtschaft auf wenige Pilotprojekte, da ein Einsatz derzeit noch mit technischen Hindernissen und Akzeptanzproblemen verbunden ist. Technische Weiterentwicklung erforderlich Größtes Problem ist, dass BlockchainTransaktionen nicht schneller als vergleichbare Technologien sind. Derzeit können mit der Blockchain durchschnittlich zehn Transaktionen in einer Sekunde sowie ein Block in zehn Minuten durchgeführt werden. Im Vergleich dazu sind beim Kreditkartenanbieter Visa bis zu 24 000 Transaktionen in einer Sekunde möglich. Visa-Transaktionen werden allerdings erst nach einem Monat abgerechnet, bei der Blockchain geschieht die Abrechnung dagegen in Echtzeit. Diese Einschränkung der Schnelligkeit ist auf den bisher dominierenden Proof-of-WorkValidierungsprozess zurückzuführen. Zwar verspricht der Proof-of-Stake-Algorithmus mehr Schnelligkeit durch die bessere Skalierbarkeit im Vergleich zum Proof-of-Work, jedoch werden Teilnehmer mit hohen Besitzanteilen – beispielsweise große Unternehmen – beim Mining bevorteilt. Diese unterschiedlichen Behandlung von Netzwerkteilnehmern könnte neue Herausforderungen nach sich ziehen, zum Beispiel eine steigende Machtzentralisierung und eine mögliche Gefährdung der Sicherheit. Daher wer-
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den technische Weiterentwicklungen der Blockchain hinsichtlich Schnelligkeit und Skalierbarkeit erwartet. Akzeptanzprobleme und Erfüllung regulatorischer Vorgaben Zurzeit müssen Anwendungen gefunden werden, die auch im bestehenden regulatorischen System möglich sind. Für weitergehende Anwendungsfälle, bei denen zum Beispiel eine Neuverteilung der Marktrollen und -aufgaben notwendig ist, ist eine Anpassung der Rahmenbedingungen durch die Regulierungsbehörden notwendig. Es ist auch anzunehmen, dass Anpassungen des Energiewirtschaftsgesetzes erforderlich sein werden. Da es sich bei der Energieversorgung um kritische Infrastrukturen handelt, sind weiterhin besondere Vorsichtsmaßnahmen zu treffen und eventuelle Notfallszenarien für Systemausfälle aufzustellen. Außerdem sind – ausgelöst durch das Wegfallen zentraler Instanzen – Haftungsregelungen bei technischen Störungen neu festzulegen.
Fazit und Ausblick Die zentralen Eigenschaften der Blockchain sind: óó
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die Teilnehmer bleiben anonym und Transaktionen sind transparent Transaktionen können nicht gelöscht oder nachträglich geändert werden es gibt keine zentrale, sondern eine dezentrale Kontrolle innerhalb des Systems die Transaktionskosten sind sehr gering mit Smart Contracts sind autonom agierende Prozesse möglich, Marktprozesse können neu gestaltet werden.
Aufgrund dieser Eigenschaften lassen sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten feststellen. Vor allem beim Smart-Meter-Rollout bietet sich der Einsatz der Blockchain an. Werden Smart Meter mit Blockchain und Smart Contracts ausgestattet, haben sie gegenüber bestehenden Systemen die Vorteile, dass ein optimierter Netzbetrieb durch automatisierte Vorgänge möglich ist und eine höhere Datenqualität erreicht wird, die mit einer gesteigerten Datensicherheit, -genauigkeit und -transparenz einhergeht. Insgesamt führen diese Effekte zu einer veränderten Aufgabenverteilung zwischen den Marktakteuren und zu niedrigeren Messkosten für Verbraucher und Netzbetreiber. Es gibt jedoch noch weitere Anwendungen in der Energiewirtschaft. Der Einsatz der Blockchain ist vor allem dann sinnvoll, wenn komplexe Prozesse mit vielen Akteuren und Verträgen koordiniert werden
müssen oder wenn zentral agierende Instanzen zu ersetzen sind. Allerdings stößt die Blockchain derzeit noch an technologische und regulatorische Grenzen. So spielen die technische Weiterentwicklung der Technologie hinsichtlich Skalierbarkeit und Schnelligkeit sowie die Veränderung der Aufgabenhoheit im stark regulierten Energiesektor eine wichtige Rolle.
Literatur [1] Tapscott, D.; Tapscott, A.: Die BlockchainRevolution – Wie die Technologie hinter Bitcoin nicht nur das Finanzsystem, sondern die ganze Welt verändert. 2016. [2] Nakamoto, S.: Bitcoin – A Peer-to-Peer Electronic Cash System. 2008, https://bitcoin.org/bitcoin.pdf. [3] Ethereum-Stiftung: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. White Paper, 2017, https://github.com/ethereum/wiki/ wiki/white-Paper. [4] Burger, C., et al.: Blockchain in der Energiewende. Eine Umfrage unter Führungskräften der deutschen Energiewirtschaft. 2016, https://shop.dena.de/sortiment/detail/ produkt/studie-blockchain-in-derenergiewende/. [5] Von Perfall, A., et al.: Blockchain – Chance für Energieverbraucher. Kurzstudie für die Verbraucherzentrale NRW, 2016, www.pwc.de/de/ energiewirtschaft/revolutioniertblockchain-den-energiesektor.html. Susanne Neumann, Head of Transport Business Development, Energy Solutions, Exxeta GmbH, Leipzig Dr. Ekaterina Demidova, Senior Consultant Energy Consulting, Exxeta GmbH, Leipzig
Mareike Kohlhoff, Student, Energy Solutions, Exxeta GmbH, Leipzig
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