Blockchain könnte die Selbstorganisation der Energiemärkte verstärken

In der Buchhaltung ist das Kassenbuch (en: Ledger) ein „Single Point of Truth“. In der analogen Welt gibt es einen Kassenführer, der physische Belege prüft und in das Hauptbuch einträgt, sogenannte Transaktionen „verbucht“. Ein im Ledger registrierter Buchungsvorgang ist rechtssicher dokumentiert.

In der digitalen Welt hingegen, in der tausende Akteure hunderttausende von Transaktionen in kürzester Zeit ausführen wollen, stößt eine solche Buchhaltung an ihre Grenzen. So war es wenig erstaunlich, als im Jahr 2008 der Aufsatz mit der Idee „Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System“ erschien. Er stammt von einer Person oder Organisation mit dem Namen Satoshi Nakamoto.

Das Whitepaper legte mit der Distributed Ledger Technologie (DLT), zu Deutsch „Technik verteilter Kassenbücher“, die Grundlage für Bitcoin, Ethereum und weitere Krypto-Assets. Bei der DLT wird jeder Buchungsvorgang für jede Transaktion dezentral in beliebig vielen, gleichgestellten Kopien des Ledgers bei unterschiedlichen Akteuren digital und zeitgleich registriert. Mit Sicherungsverfahren, wie beispielsweise dem „Proof of Work“, erstellen die Ledger jeweils Vereinbarungen über neue Transaktionen. Sie werden als Konsensprotokolle bezeichnet und sorgen für Fälschungssicherheit. Eine einmal abgeschlossene Transaktion ist somit praktisch unveränderlich. 

Unterschiedliche DLT-Architekturen und Konsensprotokolle sorgen für die Sicherheit der Transaktionsbuchungen sowie deren Verfügbarkeit und Vertraulichkeit. Es gibt sowohl private als auch öffentliche Distributed Ledger. Mittlerweile erforschen und testen die Finanz- und Versicherungswirtschaft, die Wissenschaft sowie die Logistik- und Gesundheitsbranche den Einsatz von DLT.

In der Energiewirtschaft könnte die DLT einen wesentlichen Beitrag für die Selbstorganisation leisten, wie dezentral organisierte Energiemärkte künftig ihre Transaktionen managen.

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Die VDE SPEC 90008 definiert, wie die DLT mit dem bestehenden Smart Grid Architecture Modell (SGAM) über Schnittstellen verbunden werden könnte. Zudem beschriebt sie drei Anwendungsfallklassen mit rund einem Dutzend Use Cases, wie diese von dem neuen SGAM-DLT-Referenzarchitekturmodell profitieren könnten. Die VDE SPEC 90008 skizziert weiterhin Einsatzgebiete sowie den damit verbundenen Nutz- und Mehrwert der DLT für die beteiligten Akteure in den Energiemärkten der Zukunft.

Die Expertinnen und Experten, die an der VDE SPEC 90008 mitgearbeitet haben, sind sich einig: Ein dezentrales Energiesystem aus hunderttausenden Energieerzeuger- und Speicheranlagen, Millionen E-Fahrzeugen sowie über 50 Millionen Akteuren, die sowohl Konsumenten von Energie sind, aber auch kurzzeitig als Lieferanten agieren können, lässt sich mit den heutigen Abrechnungs- und Verteilsystemen kaum mehr organisieren. 

„Ein dezentraler Energiemarkt funktioniert nur mit digitalen und weitgehend automatisierten Systemen für die Prozess- und Handelsabwicklung“, beschreibt Prof. Dr. Debora Coll-Mayor von der Hochschule Reutlingen die Ausgangslage. Die VDE SPEC 90008 baut auf den Erkenntnissen aus dem abgeschlossenen Projekt „BlockClass“ zur Klassifizierung von Blockchain-Anwendungsfällen im Energiesektor“ auf, die im Normungsgremium DKE/UK 901.1 „Infrastruktur für dezentralen Energiehandel“ erarbeitet wurden und dessen Vorsitzende Prof. Dr. Coll-Mayor ist.

Anwendungsklassen und Use Cases in der Energiewirtschaft

Die erste Fallklasse wird als „Power System DLT Solutions“ bezeichnet. Sie umfasst dabei Use Cases für das Stromversorgungssystem wie Systembetrieb sowie dem netzdienlichen Ausgleich von Angebot und Nachfrage durch vertragsgeregelte Eingriffe der Netzbetreiber. Die DLT könnte die Systemintegration der Elektromobilität mit DLT-basierten neuen Geschäftsmodellen ermöglichen.

Die zweite Anwendungsfallklasse wird als „Energy System DLT Solutions“ bezeichnet und umfasst die Zählung und Abrechnung, die durch die DLT mit Smart Contracts und Smart Metering für Verbraucher sowie für dezentrale Erzeuger automatisiert ablaufen können.

Die dritte Anwendungsklasse umschließt „Integrated DLT Solutions“, mit denen künftig Regierungen, Unternehmen oder auch Organisationen auf integrierten Plattformen miteinander interagieren, um über DLT neue vollautomatisierte Geschäftsmodelle zu realisieren.

99,99 Prozent Verfügbarkeit und absolute Zuverlässigkeit notwendig

„Wir brauchen digitale Normen und Automatisierungsalgorithmen, um auch kleinteilige Energieflüsse zu erfassen, CO₂-Zertifikate zu dokumentieren und die Logistik von Kleinstverträgen (Smart Contracts), beispielsweise für die Abrechnung bidirektionaler Ladevorgänge, zwischen Energiespeichern und dem Netz zu organisieren. Hierfür zeigt die DLT enorme Potentiale, die wir in unserer VDE SPEC beschreiben“, erläutert Dr. Thomas Brenner, Chief Technology Officer der OLI Systems GmbH, Mitglied im DKE/UK 901.1 und Co-Autor der umfassenden VDE SPEC 90008.

Die Automatisierung von Handelsprozessen mit Strom und Wärme muss für alle Beteiligten transparent erfolgen. Sie benötigt eine 24/7-Verfügbarkeit, also praktisch 100 Prozent. Und darüber hinaus eine absolute Zuverlässigkeit bei höchstmöglicher Integrität der Daten, Nutzer und ihrer Geräte.

Blockchain-Technologie kann den Energiesektor dezentralisieren – die Normung ist bereits aktiv

Blockchain ist nicht nur Bitcoin. Blockchain ist viel mehr – auch die Anwendungsfälle werden zunehmend relevanter. Für den Energiesektor liefert die Technologie die Grundlage für die Dezentralisierung.

Prof. Debora Coll-Mayor spricht mit uns im Interview über nationale und internationale Aktivitäten in der Normung zur Anwendung der Blockchain-Technologie im Energiesektor, zentrale Herausforderungen für alle beteiligten Akteure und aktuelle Arbeitsprojekte.

Bei der Erarbeitung der VDE SPEC 90008 gingen die Autor*innen von dem bestehenden Smart Grid Architecture Modell (SGAM) aus, wie es in der IEC 62559 beschrieben ist. Dabei haben sie die jeweiligen regulatorischen Rahmenbedingungen für die drei Anwendungsfallklassen in den derzeitigen Energiemärkten berücksichtigt.

Das SGAM besteht aus einem Framework zur einheitlichen Beschreibung von Systemarchitekturen für Smart Grids (Intelligente Netze). Es dient dem Mapping von Anwendungsfällen, um Daten zwischen unterschiedlichen Prozessen nutzbar zu machen und um Interoperabilität zu ermöglichen. Die Herausforderung für die Autor*innen bestand darin, für die beschriebenen Anwendungsfallklassen und Use Cases eine adäquate Referenzarchitektur für die DTL zu definieren, die über Schnittstellen mit dem SGAM interagieren kann.

Für die Interaktionen zwischen SGAM und DLT unterschieden die beteiligten Expertinnen und Experten zwischen regulierten und unregulierten Use Cases, also dem Grad und Umfang, wie Gesetze die jeweiligen Prozesse determinieren. Für unregulierte Use Cases strebten sie eine höchstmögliche Integrationstiefe der DLT an, um vollautomatisierte Prozesse zu ermöglichen.

Gemeinsame SGAM-DLT-Referenzarchitektur

Das Smart Grid Architecture Model kann energiewirtschaftliche Anwendungsfälle bei gleichzeitiger DL-Interaktion nur unzureichend abbilden. Daher entwickelte das Team eine DLT-Referenzarchitektur, die über Schnittstellen mit dem SGAM verbunden wird.

Die DLT-Dienstschicht ist mit der SGAM-Funktionsschicht verbunden. Diese Funktionalitäten werden in der DLT-Dienstschicht repräsentiert. Funktionalitäten außerhalb der DLT werden wiederum in der SGAM-Funktionsschicht abgebildet.

Das gesamte Regelwerk (Governance) des jeweiligen Geschäftsmodells wird im Business Layer des SGAM abgebildet. Aber für Dienste, die beispielsweise vollständig in der DLT ausgeführt werden, wird eine eigene Governance in der DLT implementiert, die sich auf die verschiedenen Schichten der DLT-Referenzarchitektur ausbreitet. Eine ähnliche Situation ergibt sich auch zwischen der DLT-Datenschicht und der Informations- und Kommunikationsebene: Die Datenschicht überlappt und tauscht Informationen mit den Kommunikations- und Informationsschichten des SGAMs aus.

Smart Grids: Grundlagen und Technologien der elektrischen Netze der Zukunft

Die elektrischen Energieversorgungssysteme der Zukunft müssen höhere Anforderungen als bisher erfüllen. Smart Grids basieren auf intelligenten Konzepten für das Zusammenspiel von Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Verbrauchern.

Mit umfangreichen Aktualisierungen und Ergänzungen gibt dieses Fachbuch einen aktuellen und fachkundigen Überblick zu den wesentlichen Aspekten moderner Technologien in Erzeugung, Übertragung und Verteilung der elektrischen Energieversorgungssysteme der Zukunft.

Während die VDE SPEC 90008 die technischen Dimensionen und Machbarkeit beschreibt, bleiben einige Herausforderungen bis hin zu Vorbehalten gegenüber der Distributed Ledger Technology, die noch geklärt werden müssen. Ein oft vorgetragener Kritikpunkt gegenüber Kryptowährungen, sie würden zu viel Strom verbrauchen, wurde durch die Auswahl des Konsensprotokolls beim SGAM-DLT-Modell gelöst. Bei Bitcoin beispielsweise wird das energieintensive Verfahren „Proof of Work“ eingesetzt.

Weitaus sparsamer ist das Konsensverfahren „Proof of Stake“ oder „Proof of Authority“ beim SGAM-DLT-Modell. Hierbei sind alle beteiligten Nutzer, anders als bei Kryptowährungen, durch ihre digitalen Identitätsnachweise eindeutig identifizierbar und bekannt. Dieses Konsensprotokoll benötigt deshalb auch nur einen Bruchteil der Strommenge im Vergleich zum Proof-of-Work-Protokoll, um eine Transaktion durchzuführen.

EU-eDIAS-Verordnung und DLT-Prüfung sowie DLT-Zertifizierung denkbar

Ein weiterer Vorbehalt gegenüber der Distributed Ledger Technology besteht in der bisher noch nicht existierenden gesetzlichen Regulierung. „Viele große IT-Systeme sind nicht reguliert“, gibt Dr. Brenner zu bedenken und regt an, dass „Smart Contracts und die DLT-Systeme, ähnlich wie eine Banking-App geprüft, und zertifiziert“ werden könnten.

Für Prof. Dr. Coll-Mayor ist es außerdem absehbar, dass die EU im Rahmen der EU-Verordnung über elektronische Identifizierung und Vertrauensdienste für elektronische Transaktionen im Binnenmarkt (eDIAS-Verordnung) und deren Weiterentwicklung ebenso auf die DLT setzen könnte.

Im Zentrum der eIDAS-Verordnung steht bereits die Anforderung, dass Verbraucher*innen ihre Identität über mehrere Standorte hinweg verwenden können sowie eine echte Kontrolle über diese digitale Identität erhalten sollen, um vollständige Benutzerautonomie zu gewährleisten.

Würde in eIDAS künftig eine DLT zur Identitätsfeststellung zum Einsatz kommen, würde dies vermutlich auch Netzbetreiber, Energiedienstleister und Stadtwerke von den Vorteilen der DL-Integration in deren Systemen überzeugen. Bis dahin aber dürften viele an ihren Abrechnungssystemen festhalten. Zudem fehlt es an konkreten Lösungen, DLT in die bestehenden Systeme zu integrieren.

Allerdings zeichnet sich bereits ab, dass es externe Dienstleister sein werden, die Komplettpakete anbieten. Sie könnten beispielsweise die immer zahlreicher werdenden PV-Systeme mit einer SGAM-DLT-Lösung in die Abrechnungssysteme großer Stadtwerke einbinden. Die möglichen automatisierten Abrechnungen würden dann auch die Belegschaft entlasten. „Wenn einer anfängt und damit Probleme, beispielsweise bei der Identifizierung von Erzeugern erneuerbarer Energien, löst, könnte ein Dominoeffekt eintreten“, vermutet Prof. Dr. Coll-Mayor.

Bevor sich das neue SGAM-DLT-Referenzmodell durchsetzen kann, werden nationale und internationale Normungsgremien darüber beraten. Hier werden viele nationale Marktbedingungen und unterschiedliche Interessen aufeinandertreffen, die sowohl die Anwendungsfallklassen als auch die verschiedenen Use Cases verändern werden.

„Alleine die Idee, dass wir das SGAM-DLT-Modell auf internationaler Ebene implementieren und vor dort aus weiterentwickeln, wäre schon ein großer Erfolg für VDE, DKE und uns als Normungsgremium DKE/UK 901.1“, zieht Prof. Dr. Coll-Mayor ein Zwischenfazit.

In der alltäglichen und gesellschaftlichen Diskussion ist sie ein ebenso großes Thema wie in der DKE – die Rede ist von der Energie. Unsere Normungsexperten bringen ihr Wissen aber nicht nur ein, um die Energieversorgung und -verteilung zukünftig „smart“ und dezentral zu machen, sondern leisten einen ebenso hohen Beitrag für den Betrieb elektrischer Anlagen und bei der flächendeckenden Verbreitung erneuerbarer Energien. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im