ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE - TAGESFRAGEN
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ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE
TAG E S F R AG E N
ZEITSCHRIFT FÜR ENERGIEWIRTSCHAFT · RECHT · TECHNIK UND UMWELT
Artikel-Pdf (18035) · Heft 12|19 · S. 10-13
ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE
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DIGITALISIERUNG – BLOCKCHAIN
Wie gefährlich ist Bitcoin für das Klima wirklich?
Lars Dittmar und Aaron Praktiknjo
Die auf der Blockchain-Technologie basierende Kryptowährung Bitcoin steht im Verruf, aufgrund eines hohen Stromver-
brauchs schädlich für das Klima zu sein. Eine vielbeachtete Studie in der Fachzeitschrift Nature Climate Change skizzierte
im letzten Jahr ein Szenario, in dem allein die von Bitcoin verursachten Treibhausgasemissionen innerhalb der nächsten
zwei Jahrzehnte zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um zwei Grad führen. Wie gefährlich sind Block-
chain-Technologien wie Bitcoin wirklich für das Klima?
Schon seit einigen Jahren wird die Block-
chain-Technologie gerade innerhalb der Ener-
giewirtschaft mit großem Interesse verfolgt.
So werden in der Branche mit Blockchain
regelmäßig Hoffnungen verknüpft, Kosten
einzusparen und neue Geschäftsfelder zu
erschließen. Spätestens seit Herbst 2017 ist
Blockchain nach atemberaubenden Kursge-
winnen und Kursverlusten der Kryptowäh-
rung Bitcoin auch der Allgemeinheit ein
Begriff. Rund ein Jahr später, im Herbst 2018,
sorgte Bitcoin erneut für Schlagzeilen.
Diesmal lag der Grund für die mediale
Präsenz von Bitcoin allerdings nicht in
Rekordkursgewinnen oder -verlusten. Viel-
mehr wurde über Bitcoin im Kontext des
Klimawandels Bericht erstattet. Das Forbes-
Magazin titelte beispielsweise frei über-
setzt „Prognose: Bitcoin wird des Klimas Bitcoin ist dank zeitweiliger hoher medialer Präsenz auch der Allgemeinheit ein Begriff
Bild: Adobe Stock
Sargnagel“ (im Original „Bitcoin Predicted
To Be The Nail In The Coffin Of Climate“).
Zahlreiche weitere Medien folgten und halb der nächsten 11 Jahre (schnelle Adap- ren zufolge in den nächsten zwei Jahrzehn-
berichteten über die von Bitcoin ausgehen- tation), 16 Jahre (mittlere Adaptation) oder ten etwa genauso viele CO₂-Emissionen ver-
den Risiken für die internationalen Bemü- 22 Jahre (langsame Adaptation) kumuliert ursachen soll wie der Energie-, Gebäude-,
hungen zum Klimaschutz. verursachen. Verkehrssektor und sämtliche weiteren übri-
gen Sektoren weltweit zusammengenommen.
Die Studie zu Auswirkungen Dabei entspreche diese Emissionsmenge Diese Resultate zu der Klimaschädlichkeit der
von Bitcoin auf das Klima von rund 850 Mrd. t CO₂ der Schwelle, ab Blockchain-Technologie Bitcoin sind somit
der die globale Durchschnittstemperatur äußerst alarmierend.
Im Oktober letzten Jahres veröffentlichte um zwei Grad ansteige [1]. Als Fazit fasst
ein siebenköpfiges Autorenteam der Uni- die Studie zusammen, dass das Pariser Kli- Die historischen Treibhaus-
versity of Hawaii um Camilo Mora eine maabkommen allein aufgrund von Bitcoin gasemissionen von Bitcoin
Studie in der renommierten Fachzeitschrift innerhalb der nächsten 11 bis 22 Jahre für das Basisjahr 2017
Nature Climate Change, welche die zukünf- scheitern könnte. Abb. 1 fasst dies einmal
tigen Auswirkungen von Bitcoin auf das grafisch zusammen. Die in der Studie pro- Um den zukünftigen CO₂-Fußabdruck von
Weltklima bei weiterer gesellschaftlichen jizierten Bitcoin-Emissionen sind als rote Bitcoin zu untersuchen, schätzen Mora et al.
Verbreitung dieser Blockchain-Technologie Fläche und die verwendendete Zwei-Grad- zunächst den Stromverbrauch des Bitcoin-
untersucht hatte. Hierbei unterscheiden die Schwelle als schwarze gestrichelte hori- Netzwerks für das Jahr 2017 als Basis. Für
hawaiianischen Forscher grundsätzlich in zontale Linie dargestellt. diese Abschätzung stellen die Studienau-
eine schnelle, mittlere und langsame gesell- toren eine Hardwareliste mit 62 Bitcoin-
schaftlichen Adaptationsrate der Bitcoin- Ein Vergleich der projizierten Bitcoin-Emis- Rechnern (sog. Miner) zusammen, welche
Technologie. Je nach Adaptationsrate werde sionen mit dem teils unter Kritik stehenden die Energieintensitäten dieser Geräte in
Bitcoin den Studienergebnissen zufolge extremen IPCC-Szenario RCP 8.5 in Abb. 1 Relation zu der Anzahl an Rechenoperationen
rund 850 Mrd. t an CO₂-Emissionen inner- verdeutlicht, dass Bitcoin den Studienauto- (sog. Hashes bzw. in der Milliardenpotenz
2 ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN 69. Jg. (2019) Heft 12
DIGITALISIERUNG – BLOCKCHAIN
Gigahashes) umfasst. Im Schnitt weisen die
vom Mora-Team für 2017 unterstellten Miner 10.000
in Milliarden Tonnen
Kumulierte CO2-Emissionen ab 1860
Nur Bitcoin (Mora)
eine Energieintensität von 2,15 J/GHash
2° Schwelle (Mora)
auf. Auf dieser Basis schätzen Mora et al. den
8.000 RCP 8.5 (IPCC)
Bitcoin-Stromverbrauch für das Jahr 2017
RCP 4.5 (IPCC)
im Ergebnis auf insgesamt 114 TWh, was in
etwa dem Jahresstromverbrauch der Nieder- 6.000
lande oder Nordrhein-Westfalens entspricht.
Für die Umrechnung des Stromverbrauchs 4.000
von 114 TWh in Treibhausgasemissionen
nimmt das Mora-Team einen Bitcoin-Strom-
2.000
mix größtenteils chinesischen Ursprungs
mit einem insgesamt durchschnittlichen
CO₂-Emissionsfaktor von 605 g/kWh an und 0
kommt so auf eine Schätzung von 69 Mrd. t 2020 2040 2060 2080 2100
CO₂ für Bitcoin im Jahr 2017. Jahr
Allerdings liegt die historische Stromver- Abb. 1 Projizierte kumulierte CO₂-Emissionen und Zwei-Grad-Schwelle der Mora-Bitcoin-Studie sowie
Emissionsszenarien RCP 4.5 (mittel) und RCP 8.5 (extrem) des IPCC [2]
brauchsschätzung des Mora-Teams mit 114
TWh für 2017 eine ganze Größenordnung
über denen unserer eigenen Schätzungen. rung der Ordinate. Die Studienautoren Erlöse als kurzfristige Kosten (also positive
Abb. 2 zeigt die Energieintensitäten der in unterstellen für das Schürfen von Bitcoins im Deckungsbeiträge) erwarten. Die Mining-
der Studie für 2017 unterstellten Bitcoin- Jahr 2017 damit ein relativ altes Hardware- Erlöse errechnen sich aus der Anzahl an
Hardware ergänzt mit unseren Daten um die portfolio mit hohen Energieintensitäten. erfolgreich erwirtschafteten Bitcoins be-
Zeitpunkte der Markteintritte dieser Geräte. wertet zum jeweils gültigen Bitcoin-Kurs.
Die Diskrepanz zwischen den Mora-Ergeb- Ein weiteres Indiz dafür, dass das für das Die Kosten für das Mining sind kurzfristig
nissen und unseren eigenen Schätzungen Basisjahr 2017 angenommene Bitcoin-Hard- nur abhängig vom Stromverbrauch und
für den Bitcoin-Stromverbrauch 2017 um wareportfolio tatsächlich zu alt und damit dem korrespondierenden Strompreis. An-
rund eine Größenordnung lässt sich unserer der geschätzte Bitcoin-Stromverbrauch mit hand der bekannten Erlöse für das Jahr
Meinung nach anhand einer Überschätzung 114 TWh überschätzt ist, liefert eine Unter- 2017 in Höhe von rund 3,3 Mrd. US-$ lässt
der Energieintensität bzw. Unterschätzung suchung der Wirtschaftlichkeit für das Be- sich der gesamte Deckungsbeitrag durch
der Energieeffizienz der Bitcoin-Hardware treiben der Hardware und das Schürfen einfache Variation der verbleibenden Pa-
erklären. von Bitcoins. Unter Annahme wirtschaft- rameter Bitcoin-Strompreis und Bitcoin-
lich rationalen Handelns werden Bitcoin- Jahresstromverbrauch ausdrücken. Abb. 3
So unterstellen die Studienautoren für das Miner nur dann aktiv, wenn sie höhere stellt diese Zusammenhänge grafisch dar.
Schürfen von Bitcoin im Jahr 2017 ein
Hardwareportfolio mit einer durchschnitt-
10,00
(logarithmische Skalierung)
Energieintensität in Joules pro Gigahash
lichen Energieintensität von 2,15 J/GHash.
Abb. 2 illustriert, dass dies in etwa der
Energieintensität des bereits Ende 2013
AntMiner S1 ⌀-Energieintensität (Mora) = 2,15 J/GHash
vorgestellten Ant-Miner S1 des Marktfüh-
AntMiner S2
rers und Herstellers Bitmain entspricht,
1,00
welcher eine Energieintensität von 2,00 AntMiner S4
J/GHash ausweist. Zum Vergleich: Der AntMiner S3
Ende 2016 erschienene AntMiner S9, AntMiner S5
ebenfalls vom Hersteller Bitmain, weist AntMiner S7
eine Energieintensität von nur noch 0,10
J/GHash auf. Allein der AntMiner S9 hat 0,10
AntMiner S9
somit eine Energieintensität, die um einen
Faktor von über 20 niedriger liegt als vom
Mora-Team für Bitcoins aus dem Jahr 2017
angenommen. In der Tat offenbart Abb. 2
eine exponentielle Abnahme der Energie- 0,01
2013 2014 2015 2016 2017 2018
intensität bzw. Zunahme der Energieeffi-
zienz von Bitcoin-Hardware mit der Zeit, Abb. 2 Energieintensitäten der in der Mora-Bitcoin-Studie unterstellten Hardware für das Schürfen
von Bitcoins im Jahr 2017 ergänzt um den Zeitpunkt des Markteintritts dieser Geräte
man beachte die logarithmische Skalie-
ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN 69. Jg. (2019) Heft 12 3DIGITALISIERUNG – BLOCKCHAIN
Die historische Bitcoin-Stromverbrauchs- Hierfür wird von den Studienautoren die globalen Stromverbrauchs von 60 %, dies
schätzung von 114 TWh für 2017 des Annahme getroffen, dass sowohl Energie- allerdings bis zum Jahr 2040. Aus ener-
Mora-Teams ist in Abb. 3 als horizontale intensität der Bitcoin-Hardware als auch giewirtschaftlicher Sicht erscheint eine
Linie eingezeichnet. Bei diesem Verbrauch Strom-Emissionsfaktoren konstant blei- solche Vervielfachung des weltweiten
wäre jedoch ein durchschnittlicher Bitcoin- ben. Abgesehen davon, dass der Stromver- Stromverbrauchs und der damit verbun-
Strompreis von unter 3 US-cent/kWh für brauch von Bitcoin in Wirklichkeit unab- denen nötigen Infrastruktur insbesondere
positive Deckungsbeiträge notwendig gewe- hängig von der Anzahl an Transaktionen in solch kurzer Zeit nicht realisierbar.
sen (siehe Punkt A). Ab Strompreisen von ist, erweist sich eine Annahme konstanter
über 3 US-cent/kWh hätten Bitcoin-Miner Energieintensitäten bzw. Energieeffizien- Würde man aber dennoch hypothetisch
negative Deckungsbeiträge und damit mit zen der Bitcoin-Hardware, wie bereits annehmen, dass eine Verachtfachung der
jedem umgesetzten Bitcoin wachsende erörtert, als nicht haltbar. Weiterhin ist globalen Stromnachfrage technisch und
Verluste realisiert. Die Bitcoin-Community davon auszugehen, dass gerade im Strom- organisatorisch in dem knappen Zeitrah-
geht allerdings von durchschnittlichen sektor durchaus Fortschritte hinsichtlich men möglich sei, würde dies aufgrund
Strompreisen für das Bitcoin-Mining von der Dekarbonisierung verzeichnet wer- von Ressourcenknappheiten unweiger-
rund 5 US-cent/kWh aus. Ein solcher, im- den, so dass sich auch eine Annahme lich zu regelrechten Preisexplosionen im
mer noch sehr günstiger, Strompreis hätte konstanter Emissionsraten bis in das Jahr Stromsektor führen. Strompreissteigerun-
bei dem vom Mora-Team geschätzten Bit- 2100 als nicht haltbar erweist. gen wiederum würden aber auch höhere
coin-Stromverbrauch von 114 TWh jedoch Kosten für das Bitcoin-Mining bedeuten,
negative kumulierte Deckungsbeiträge der Aus energiewirtschaftlicher Perspektive was bei gleichbleibenden Bitcoin-Kursen
Miner von über 2 Mrd. US-$ bedeutet. Aus vermutlich noch greifbarer wird das enor- und Energieintensitäten in einer rück-
unserer Sicht ist es jedoch unrealistisch, me Ausmaß der Mora-Prognosen, wenn läufigen Rechenleistung im Bitcoin-Netz-
dass Miner das Bitcoin-Netzwerk auf eigene man nicht die Emissionen, sondern den werk und damit einem Rückgang des
Kosten subventionieren. Stromverbrauch direkt betrachtet. Unsere Bitcoin-Stromverbrauchs resultiert. Das
Berechnungen zeigen, dass Mora et al. Bitcoin-Netzwerk ist nämlich ein techno-
Die zukünftigen Treibhaus- in ihren Szenarien nur für das Betreiben ökonomisches System, das auch seinen
gasemissionen von Bitcoin des Bitcoin-Netzwerks eine Zunahme des Stromverbrauch dezentral in Abhängig-
gesamten weltweiten Stromverbrauchs keit vom Bitcoin-Kurs reguliert.
Für die Projektion der Bitcoin-Stromver- zwischen 40 % (langsame Adaptation) und
bräuche und Bitcoin-Emissionen bis in 800 % (schnelle Adaptation) in den nächs- Zweifelsohne ist der Proof-of-Work (PoW)-
das Zieljahr 2100 skaliert das Mora-Team ten sechs Jahren unterstellen. Zum Ver- Algorithmus bei Blockchain-Technologien
ihre für das Basisjahr errechneten Schät- gleich: Der aktuelle World Energy Outlook (siehe Textkasten), wie er auch beim
zungen proportional mit dem unterstell- der Internationalen Energieagentur (IEA) Bitcoin-Mining zum Einsatz kommt, sehr
ten Wachstum an Bitcoin-Transaktionen. unterstellt ein maximales Wachstum des energieintensiv. Allerdings gewährleistet
diese Energieintensität des PoW-Algo-
rithmus in Verbindung mit der dezen-
tralen Regulierung aber auch den sehr
Bitcoin-Jahresstromverbrauch 2017 in Terawattstunden
140 hohen Grad an Sicherheit der Blockchain-
Technologie. Studien, wie auch die vom
(A) Mora-Team, vernachlässigen jedoch häu-
120 Jahresstromverbrauch 2017 (Mora) = 114 TWh
fig diese systemischen Zusammenhänge
100 mit dem Resultat, dass die geschätzten
Bitcoin-Energieverbräuche letztlich über-
80 schätzt sind.
60
Anmerkungen
= -2,0 bis -2,7 Mrd. US$
= -1,0 bis -2,0 Mrd. US$ [1] Das Mora-Team greift darauf auf den Datensatz zu-
40
= 0,0 bis -1,0 Mrd. US$ rück, den auch der Weltklimarat der Vereinten Natio-
= 0,0 bis 1,0 Mrd. US$
nen (IPCC) verwendet. Mit den bisherigen anthropoge-
20 = 1,0 bis 2,0 Mrd. US$
nen CO2-Emissionen von rund 2.140 Mrd. t skizzieren
= 2,0 bis 2,7 Mrd. US$
die Autoren diese Zwei-Grad-Schwelle anhand des 5 %-
0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 Quantils aus dem IPCC-Datensatz.
⌀-Strompreis in US-cent/kWh [2] Ausgangspunkt ist für sämtliche Fälle die bisheri-
gen kumulierten anthropo-genen CO2-Emissionen von
Abb. 3 Kumulierte Deckungsbeiträge für im Jahr 2017 geschürfte Bitcoins in Abhängigkeit des durch- rund 2.140 Mrd. t.
schnittlichen Bitcoin-Strompreises in US-Cent/kWh und des Bitcoin-Jahresstromverbrauchs in TWh
4 ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN 69. Jg. (2019) Heft 12DIGITALISIERUNG – BLOCKCHAIN
Quellen
Bitcoin: Ein elektronisches Peer-to-Peer Bezahlsystem basierend auf der
Mora, C.; Rollins, R.; Taladay, K.; Kantar, M.; Chock, Blockchain-Technologie
M.; Shimida, M.; Franklin, C.: Bitcoin Emissions Alone
Could Push Global Warming Above 2°C, Nature Climate Bitcoin ist der wohl bekannteste Vertreter der Blockchain-Technologie. Das Bitcoin-Netzwerk ist als
Change 8 (2018), 931-933. Peer-to-Peer-Netzwerk ohne zentrale Kontrollinstanz organisiert. Jede neue Bitcoin-Transaktion wird
Nakamoto, S.: Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash mit einem Zeitstempel versehen, netzwerkweit registriert und in sog. Blöcken gruppiert. Die Blöcke
System, 2008. sind jeweils kryptografisch mit den Vorgängerblöcken bis zum ersten (Genesis-)Block verknüpft. Diese
Dittmar, L.; Praktiknjo, A.: Could Bitcoin Emissions Prozedur erzeugt eine irreversible Kette von Blöcken, die Blockchain. Die kryptografische Verbindung
Push Global Warming Above 2°C?, Nature Climate zwischen den Blöcken in der Kette basiert auf einem sog. Proof-of-Work-Algorithmus (PoW). Bevor
Change 9 (2019), 656-657. ein neuer Block zur Blockchain hinzugefügt wird, muss daher ein mathematisches Puzzle (sog. Hash-
Dick C. I.; Praktiknjo A.: Blockchain Technology and Funktion) gelöst werden, um die Blockchain vor Manipulationen und Angriffen abzusichern.
Electricity Wholesale Markets: Expert Insights on Po-
tentials and Challenges for OTC Trading in Europe, Miner werden durch die Ausgabe von Bitcoins (sog. Mining-Rewards) dazu motiviert, sich am Netz-
Energies, 12(5) (2019), 832. werk zu beteiligen und ihre Computerressourcen für das Lösen des kryptografischen Puzzles bereit-
Dittmar, L.; Praktiknjo, A.: The Electricity Intensity of zustellen. Somit stehen Miner in Konkurrenz um die Mining-Rewards, indem sie als erste erfolgreich
Bitcoin Mining. 41st International Conference of the die Hash-Funktion lösen und somit einen neuen Bitcoin-Block abbauen. Als Ergebnis ergibt sich der
IAEE in Groningen 2018. Stromverbrauch von Bitcoin pro Block als Produkt aus der Energieintensität der Mining-Hardware
International Energy Agency: World Energy Outlook und der erwarteten Anzahl an Hashes, die es für den erfolgreichen Abbau eines Blockes zu lösen gilt.
2018, World Energy Outlook. OECD, 2018.
Weiterhin ist Bitcoin so konzipiert, dass im Durchschnitt nur alle 10 Minuten ein Block mit Transaktio-
nen zur Blockchain hinzugefügt wird. Um dieses definierte Blockintervall konstant zu halten, wird der
L. Dittmar, Wissenschaftlicher Referent Schwierigkeitsgrad zur Lösung der Hash-Funktion (sog. Difficulty) und damit der benötigten Hashes
und Projektleiter, Institut für Klima- automatisch vom Bitcoin-Netzwerk angepasst, indem das Verhältnis zwischen erwarteter Anzahl an
schutz, Energie und Mobilität (IKEM), Hashes und Difficulty konstant definiert ist mit 2³² (also knapp 4,3 Mrd.). Wenn sich die Rechen-
Berlin; A. Praktiknjo, Leiter der Junior- leistung des Bitcoin-Netzwerks (sog. Hashrate) erhöht, steigt deshalb gleichzeitig die Difficulty und
professur für Energieressourcen- und In- umgekehrt. Dabei ist zu beachten, dass die Anzahl der Bitcoin-Transaktionen in einem Block somit
novationsökonomik, RWTH Aachen den Stromverbrauch für den Abbau dieses Blocks nicht verändert. Vielmehr ergibt sich der Bitcoin-
lars.dittmar@ikem.de Stromverbrauch ausschließlich aus der sich mit der Difficulty verändernden Anzahl der zu lösenden
apraktiknjo@eonerc.rwth-aachen.de Hashes und der Energieintensität der Miner.
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