Die Blockchain-Technologie Chance Zur Transformation Der Energieversorgung? Berichtsteil Technologiebeschreibung
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DIE BLOCKCHAIN-TECHNOLOGIE CHANCE ZUR TRANSFORMATION DER ENERGIEVERSORGUNG? BERICHTSTEIL TECHNOLOGIEBESCHREIBUNG Die Blockchain-Technologie Chance zur Transformation der Energieversorgung? Berichtsteil: Technologiebeschreibung Studie im Auftrag von: Impressum Bericht zum Projekt: Projektpartner: Die Blockchain-Technologie Innogy SE Chance zur Transformation der SMA Solar Technology AG Energieversorgung? Stadtwerke Augsburg Energie GmbH Thüga AG Veröffentlicht am: TransnetBW GmbH 05.06.2018 VBEW Dienstleistungsgesellschaft mbH Verbund AG Vorarlberger Kraftwerke AG Autoren: ISBN: Alexander Bogensperger 978-3-941802-38-4 Andreas Zeiselmair Michael Hinterstocker FfE-Auftragsnummer: B10X-01 Herausgeber: Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE) Wissenschaftlicher Leiter: Kontakt: Prof. Dr.-Ing. U. Wagner Am Blütenanger 71 Geschäftsführer: 80995 München Prof. Dr.-Ing. W. Mauch Tel.: +49 (0) 89 158121-0 Projekt-Manager: Fax: +49 (0) 89 158121-10 Dr.-Ing. Dipl.-Phys. R. Corradini E-Mail: [email protected] Internet: www.ffe.de Inhalt 1 | Zusammenfassung .................................................................................................. 4 2 | Einleitung ............................................................................................................... 6 3 | Die Blockchain-Technologie .................................................................................... 8 3.1 Definition, Aufbau und Abgrenzung ........................................................................................ 8 3.1.1 Entstehungsgeschichte der Blockchain ......................................................................... 10 3.1.2 Allgemeiner Aufbau von Blockchain-Technologien ....................................................... 11 3.1.3 Ausprägungsarten der Blockchain-Technologie ............................................................ 13 3.2 Detaillierte Technologiebeschreibung .................................................................................. 17 3.2.1 Kryptographie & Hashing .............................................................................................. 17 3.2.1.1 Hashing ...................................................................................................................... 17 3.2.1.2 Kryptographie ............................................................................................................ 21 3.2.2 Transaktionen, Blöcke und Ketten ................................................................................ 29 3.2.3 Konsens-Mechanismen ................................................................................................. 33 3.2.3.1 Proof of Work (PoW) ................................................................................................. 34 3.2.3.2 Proof of Stake (PoS) ................................................................................................... 39 3.2.3.3 Proof of Authority (PoA) ............................................................................................ 42 3.2.3.4 Weitere Ansätze (eine Auswahl) ............................................................................... 43 3.2.3.5 Vergleich und Fazit .................................................................................................... 44 3.2.4 Smart Contracts ............................................................................................................. 45 3.2.4.1 Technische Beschreibung .......................................................................................... 47 3.2.4.2 Decentralized Applications (dApps) .......................................................................... 49 3.2.4.3 Beispiele für dApps .................................................................................................... 50 3.3 Technische Limitationen und Risiken .................................................................................... 54 3.4 Weiterentwicklungen ............................................................................................................ 56 3.4.1 Programmierung und Sicherheit von Smart Contracts ................................................. 57 3.4.2 Interoperabilität & Normung ........................................................................................ 58 3.4.3 Transaktionsgeschwindigkeit / Skalierbarkeit ............................................................... 58 3.4.3.1 Sidechains .................................................................................................................. 58 3.4.3.2 State Channels ........................................................................................................... 61 3.4.3.3 Sharding ..................................................................................................................... 62 3.4.4 Anonymität .................................................................................................................... 63 3.4.4.1 Zero-Knowledge-Proofs ............................................................................................. 63 3.4.4.2 Ring-Signaturen ......................................................................................................... 63 3.4.5 Alternative Distributed-Ledger-Technologien ............................................................... 64 3.4.5.1 Tangle (IOTA) ............................................................................................................. 64 3.4.5.2 Hashgraph.................................................................................................................. 65 3.4.6 Wertstabile Kryptowährungen ...................................................................................... 67 3.5 Technologische Möglichkeiten und Chancen ........................................................................ 68 4 | Einsatzmöglichkeiten ............................................................................................ 70 4.1 Aktuelle Anwendungen (in verschiedenen Branchen) .......................................................... 70 4.1.1 Kryptowährungen .......................................................................................................... 72 4.1.2 Initial Coin Offering (ICO) .............................................................................................. 74 4.2 Aktuelle Projekte in der Energiewirtschaft ........................................................................... 77 5 | Fazit und Ausblick ................................................................................................. 79 6 | Abbildungsverzeichnis .......................................................................................... 81 7 | Tabellenverzeichnis .............................................................................................. 84 8 | Literaturverzeichnis .............................................................................................. 85 1 | Zusammenfassung Die Blockchain-Technologie besteht aus einem verteilten Kassenbuch („distributed ledger“), in welches Daten in diskreten Blöcken gespeichert werden können. Aufgrund des verteilten Charakters ist die Wahrung der Datenintegrität und der Transaktionsreihenfolge durch sogenannte Konsens-Mechanismen gewährleistet. Diese basieren vor allem auf Hash- Funktionen und kryptographischen Elementen, wie sie auch in anderen Bereichen der IT- Sicherheit zum Einsatz kommen. Der zuerst angewendete Konsens-Mechanismus ist „Proof of Work“ und für die hohen Energieverbräuche der Blockchain-Technologie verantwortlich. Neue Konzepte befinden sich bereits in Erprobung oder Entwicklung. Der erste und derzeit populärste Anwendungsfall der Blockchain-Technologie sind digitale Zahlungsmittel („Kryptowährungen“). Die Technologie bietet jedoch eine Grundlage für viele Anwendungsfälle in allen Branchen – auch in der Energiewirtschaft. Die Blockchain-Technologie ist neben der dezentralen Speicherung von Daten auch seit der Entwicklung der Ethereum-Blockchain in der Lage, Programme auszuführen und kann so z. B. Vertragsstrukturen abbilden und automatisiert abwickeln. Diese sogenannten „Smart Contracts“ sind essenziell für eine Vielzahl von Anwendungsfällen der Blockchain- Technologie – vor allem in der Energiewirtschaft. Auf ihrer Basis können verteilte Apps für Endgeräte („distributed Apps“) entwickelt werden, um Nutzern Zugang zur Blockchain zu schaffen. Abbildung 1-1 stellt die Bestandteile von Blockchain-Plattformen dar. Blockchain-Plattform Blockchain Distributed Ledger Hash- Konsens- Kryptographie Funktionen Mechanismen Distributed Smart Apps Contract Oracles Abbildung 1-1: Grundlegende Bestandteile und Funktionen einer Blockchain- Plattform 4 Definition, Aufbau und Abgrenzung Die vorliegende Metastudie zeigt, dass die Blockchain-Technologie grundsätzlich in verschiedenen Ausprägungsarten etabliert werden kann und z. B. so der Zugriff auf private Blockchains für externe Dritte verhindert werden kann. Doch auch hybride Modelle, beispielsweise zwischen mehreren Unternehmen, sind gegenüber der offenen Lösung – gewählt vom Gros der Kryptowährungen – möglich. Die Studie zeigt zudem die technischen Zusammenhänge der Technologie auf und hebt hervor, dass vor allem kryptographische Elemente (Hashing und Public-Key-Kryptographie) das Rückgrat der Blockchain-Technologie darstellen und für die Manipulationssicherheit essenziell sind. Die Stärken der Technologie liegen unter anderem in der Transparenz des Transaktionsverlaufs, ihrer Manipulationssicherheit, der möglichen Pseudonymität