Die Vision eines integrierten Energiemarktes Wie die Verknüpfung der Technologien Smart Meter, Blockchain und Echtzeitauktionen einen effizienten Markt schafft und die notwendige Regelleistung drastisch reduziert Ingo Fiedler*, Frank Fiedler**, Lennart Ante*** Kurzzusammenfassung In einem störungsfreien Verbundnetz müssen Versorger flexibel auf die zeitlichen Schwankungen von nachgefragter und bereitgestellter Leistung reagieren und etwaige Differenzen ausgleichen. Die dafür nötige Regelleistung wird insbesondere für kurzfristige Schwankungen zu sehr hohen Preisen gehandelt. Die hierbei bestehenden Ineffizienzen können durch eine Beteiligung aller Verbraucher am kurzfristigen Ausgleich zwischen Last und Bereitstellung drastisch reduziert werden. Durch die Verknüpfung von drei neuen Technologien – Smart Meter, Blockchain und Echtzeitaktionen – kann ein integrierter und standardisierter Energiemarkt geschaffen werden. Dessen Preismechanismus bietet allen Verbrauchern den Anreiz, sich am Ausgleich zu beteiligen. Hierdurch können Lastspitzen verringert und Bereitstellungslücken umgangen werden. Als Folge kann die Regelleistung ohne Kompromisse bei der Versorgungssicherheit verringert werden. Das Ergebnis sind Kosteneinsparungen und eine Verbesserung der Umweltbilanz. Korrespondenz: [email protected]; 040/42838-6454 * Dr. Ingo Fiedler forscht als Betriebs- und Volkswirt an der Universität Hamburg zu Anwendungsmöglichkeiten der Blockchaintechnologie. ** Prof. Dr. Frank Fiedler arbeitet an der Universität Mainz aus der Sicht des Physikers an der Energiewende. *** Lennart Ante schreibt im Rahmen eines BWL-Studiums an der Universität Hamburg seine Masterabeit zu Blockchain und Smart Contracts. 1 1. Einleitung und Problemdarstellung Schon heute ist bei einer vermehrt auf regenerativen Energien, insbesondere Windenergie und Photovoltaik, basierenden Elektrizitätsversorgung nicht nur die Energienachfrage (Last), sondern auch das Energieangebot zeit- und umweltabhängig. Dabei ist nicht nur ein Großteil des Angebots an regenerativer Energie kaum steuerbar (nur etwa durch Terminierung von Wartungszeiten); auch konventionelle Kraftwerke können nur begrenzt auf den relevanten Zeitskalen (Minuten, Stunden) geregelt werden (Sachverständigenrat für Umweltfragen, 2014). Angebot und Nachfrage elektrischer Leistung müssen sich im Verbundnetz zu jedem Zeitpunkt decken. Weil sie jedoch zeitlich variabel sind, müsste sich eigentlich ein zeitabhängiger Preis für elektrische Energie (und damit auch für Energie im Allgemeinen) ergeben. Die Tatsache, dass zumindest bei Haushalten und kleinen Unternehmen derzeit zeitunabhängige „flatrate“-Tarife mit garantierter Leistung üblich sind, verschärft die Lage, indem ein Preisbewusstsein bei Verbrauchern fehlt. Die Folge sind Ineffizienzen im Markt, die sich im Extremfall durch zeitlich begrenzte negative Börsenpreise für elektrische Energie äußern. Differenzen zwischen Last und Angebot elektrischer Energie werden durch sogenannte Regelleistung ausgeglichen. Deren Bereitstellung ist, insbesondere auf kurzen Zeitskalen, teuer; nicht ausreichende Regelleistung kann im Extremfall zu einem Blackout führen. Um Spitzen in der Differenz zwischen Last und dem Angebot regenerativer Energie abzumildern, wird derzeit in der Öffentlichkeit vor allem über einen räumlichen Ausgleich durch Ausbau der Hochspannungsübertragung diskutiert. Trotz der kontrovers geführten Debatte werden die großen Potentiale von zeitlichen Lastverschiebungen demgegenüber kaum wahrgenommen. Um letztere zu erschließen, ist eine zeitlich flexible Preisgestaltung unabdingbar. Nur hierdurch kann der marktwirtschaftliche Steuerungsmechanismus zwischen Angebot und Nachfrage und dem Preis seine effiziente Allokationswirkung entfalten. Der Nutzen zeitlich flexibler Preise ist offensichtlich: Versorger können erwarten, dass sich die Last der zeitlich variablen bereitgestellten Leistung zumindest teilweise anpasst, wodurch weniger Regelenergie bereitgehalten werden muss. Verbraucher können bei Differenzen zwischen Bereitstellung und Last Preisvorteile nutzen (Ernst/Young, 2013). Das nötige Regelleistungsangebot kann reduziert werden, wodurch sich weitere Preisvorteile ergeben. Das Ausmaß des Ausbaus von Hochspannungstrassen kann zumindest begrenzt werden. Das Effizienzpotential einer Optimierung der Energieallokation lässt sich auch sehr gut anhand der in Tabelle 1 dargestellten großen Preisdifferenzen zwischen den Märkten für Primär- (Bereitstellung binnen Sekunden), Sekundär- (Bereitstellung innerhalb von 5 Minuten) und Minutenregelleistung (Bereitstellung innerhalb von einer Stunde oder länger) ablesen. 2 Pilotprojekte zum Demand Side Management (DSM) werden inzwischen auch in Deutschland durchgeführt. Sie wenden sich bislang in der Regel an ausgewählte Unternehmen, die als Großverbraucher zur Lastverschiebung beitragen können.1 Tabelle 1: Preis für Regelleistung pro MW in Abhängigkeit der Bereitstellungszeit (Hille et. al 2015) Primärregelleistung (Sekunden) Sekundärregelleistung* negativ (5 Minuten) Sekundärregelleistung positiv (5 Minuten) Minutenregelleistung** negativ (1 Stunde) Minutenregelleistung** positiv (1 Stunde) *Haupttarif, ** 16-20Uhr (Hauptlast) 2011 je MW 3.541€ 1.545€ 965€ 5€ 2€ 2012 je MW 2.763€ 1.432€ 316€ 7€ 5€ 2013 je MW 2.991€ 1.208€ 753€ 23€ 7€ Durch die Verknüpfung von intelligenten Stromzählern (Smart Metern), der Bereitstellung eines Smart Grids auf Basis einer Blockchain sowie von Echtzeitauktionen ist es möglich, Verbrauchern, und perspektivisch auch Kleinverbrauchern, einen einfachen Zugang zum Regelleistungsmarkt zu ermöglichen und so einen wesentlichen Teil des Effizienzpotentials auszuschöpfen. Ein über Smart Meter und Blockchain verbundener Energiemarkt ist in der Lage, die komplette Energieverteilung und -nutzung aller vernetzten Erzeuger, Speicherkapazitäten und Verbraucher dezentral und in Echtzeit darzustellen. Etwaige Über- und Unterversorgung könnte in Sekundenschnelle erfasst und verarbeitet werden. Bei Unterversorgung müssten zusätzliche Kraftwerke erst deutlich später hochgefahren werden, da das Potential zur kurzfristigen Lastsenkung wie auch die Menge an verfügbarer gespeicherter Energie dezentral über die Blockchain einsehbar wären. Bei Überversorgung wäre ebenfalls einsehbar, wie die Last effizient gesteigert werden kann bzw. wie viel freie Speicherkapazitäten noch verfügbar sind, sodass der Einsatz der ansonsten überschüssigen Energie optimiert wird. Im Folgenden wird für diese Idee ein konkreter Vorschlag ausgearbeitet. Hierzu wird zunächst in Kapitel 2 grundsätzlich dargestellt, wie ein Markt geschaffen werden kann, um Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie optimal auszugleichen. In Kapitel 3 werden die Technologien Smart Meter, Smart Grid, Blockchain und Smart Contract sowie Echtzeitauktionen vorgestellt. In Kapitel 4 erfolgt die Verknüpfung dieser Technologien und die Darstellung eines integrierten Energiemarktes. In Kapitel wird sodann ein Vorschlag zur praktischen Umsetzung gemacht. Kapitel 6 enthält eine Zusammenfassung und einen Ausblick. 1 Informationen zu Pilotprojekten der Deutschen Energie-Agentur (dena) zum Demand Side Management (DSM) finden sich z.B. auf http://www.dsm-bw.de/ oder http://www.dsm-bayern.de/ 3 2. Ein Markt zum Ausgleich von Stromerzeugung und -verbrauch Abgesehen von extremen Fällen, für deren Regelung eine externe Instanz zuständig und befugt sein muss, ist davon auszugehen, dass die Preisfindung in einem möglichst freien Markt den optimalen Ausgleich zwischen Stromerzeugung und -verbrauch zu jeder Zeit ergibt. Dadurch, dass kleine und mittlere Verbraucher bis heute effektiv keine Regelleistungsangebote durch Lastverschiebungen machen können, entstehen im Gegensatz dazu allen Marktbeteiligten Nachteile. Das Potential für Lastverschiebungen (Demand Side Management, DSM) auf beliebigen Zeitskalen kann jedoch durch den Preisfindungsmechanismus auf effektive, unbürokratische Art zu aktiviert werden. Eine variable Preisgestaltung ist hierfür Voraussetzung. In einem ersten Schritt genügt es, wenn die Versorger die Information über ihre aktuellen Preise zu jeder Zeit öffentlich abrufbar halten, so dass jeder Verbraucher entscheiden kann, wie viel Leistung er abnehmen möchte. Längerfristig sollte dieses einseitige Kommunikationsmodell, in dem die Versorger die Verbraucherreaktion auf eine bestimmte Preisgestaltung antizipieren müssen, durch bidirektionale Kommunikation in einem System mit Echtzeitauktionen ersetzt werden – zum einen, um die Effizienz des Systems zu maximieren; zum anderen, um es auch den klassischen Verbrauchern zu ermöglichen, (in Kleinanlagen erzeugte oder zuvor gespeicherte) elektrische Energie anzubieten. Der entscheidende Vorteil eines Modells mit variabler Preisgestaltung besteht darin, dass jeder Verbraucher selbst zu jeder Zeit über seinen Verbrauch entscheidet. Hierfür ist mit einer hohen Akzeptanz bei den Verbrauchern (privaten wie gewerblichen) zu rechnen. Modelle, die nicht direkt über einen zeitlich variablen Energiepreis gesteuert sind, sondern in denen der Versorger einen Verbraucher bei zu hoher Last z. B. „abschalten“ kann, lassen im Gegensatz dazu wegen der fehlenden Entscheidungshoheit der Verbraucher keine hohe Akzeptanz erwarten, selbst bei einer entsprechenden Entlohnung durch den Versorger. Für diesen Markt müssen Stromzähler beim Verbraucher lediglich registrieren, wie viel elektrische Energie zu welchem Strompreis (den der Stromzähler immer aktuell vom Versorger erfragt) abgenommen wurde. Auf diese Weise ist eine sekundengenaue Abrechnung auch bei schnell variierenden Preisen möglich, ohne dass sekundengenaue Daten über die tatsächliche Lastkurve des Verbrauchers überhaupt erhoben werden müssen. Eine Auslese der Stromzähler und eine Datenübertragung zur Abrechnung müssen nicht zwingend öfter als jährlich erfolgen. Datenschutz ist automatisch gewährleistet, denn bei einer begrenzten Zahl von Strompreisen ist ein Rückschluss auf die Zeit, zu der der Verbrauch stattgefunden hat, nicht mehr möglich. Eine vorgegebene Menge verschiedener möglicher Strompreise bietet dem Verbraucher zudem die Sicherheit eines von vornherein bekannten maximalen Preises. Die weitestgehende Ausbaustufe eines integrierten Marktes für elektrische Energie geht von Marktteilnehmern aus, die alle miteinander vernetzt sind und zu jeder Zeit Daten über aktuelle und zukünftige Werte von Energieverbrauch oder -bereitstellung austauschen. Wir plädieren für den stufenweisen Aufbau eines integrierten Energiemarktes in mehreren Schritten. Im ersten Schritt wird beim Verbraucher ein Stromzähler installiert, der auf Daten des Versorgers zugreifen kann, um den aktuellen Verbrauch immer dem richtigen Preisniveau zuordnen zu können. Existierende elektrische Geräte wie Maschinen, Kühlsysteme, Kühlschränke, Waschmaschinen oder Ladestationen für Elektroautos, die sich zur Lastverschiebung eignen, müssen nicht ausgetauscht 4 werden, sondern können jeweils durch eine neue vorgeschaltete Kommunikationseinheit, die Entscheidungen anhand von abgerufenen Preisen fällt, bei Bedarf ausgeschaltet werden. Auf diese Weise kann der Verbraucher ohne große Investitionen aktiv auf die Preisentwicklungen reagieren, ist dazu aber nicht gezwungen. Durch die transparente Preisgestaltung sparen die Verbraucher Kosten, und die Versorger verringern die notwendige Regelleistung selbst auf kurzen Zeitskalen. Zu bidirektionaler Kommunikation ist es ausgehend hiervon ein kleiner Schritt. Neue elektrische Geräte oder Kommunikationseinheiten können vom Verbraucher so programmiert werden, dass sie nach seinen Vorstellungen an Echtzeitauktionen für elektrische Energie teilnehmen. So können Verbraucher nicht mehr nur passiv, sondern auch aktiv an der Preisgestaltung teilnehmen. Vor allem aber wird die Einschränkung aufgehoben, dass sie nur als Verbraucher fungieren: Sie bieten nun nicht mehr nur effektive Speicherkapazität durch Lastverschiebung an, sondern können in Speichern (z. B. Akkus) vorgehaltene Energie oder in Kleinanlagen selbst generierte Leistung am Markt verkaufen. Das Regelleistungsangebot wird deutlich größer und damit kostengünstiger. Kommunikation zwischen Erzeugern und Verbrauchern in Echtzeit-Auktionen mit Hilfe der Blockchain-Technologie organisiert werden. Nur die Grundlagen für die Ausgestaltung dieses letzten Schritts werden in den folgenden Kapiteln ausführlicher dargestellt; dennoch ist eine schrittweise Einführung, wie oben beschrieben, wichtig. Ein solcher, auf Auktionen basierender Markt, lässt sich so organisieren, dass auch die Geräte aus Schritt 1 weiterhin passiv an ihm teilnehmen können, so dass ein gleitender Übergang zu Auktionen möglich ist. Dies ist ein entscheidendes Merkmal bei der Einführung. Außerdem können Verbraucher, die nicht aktiv an der Preisgestaltung teilnehmen möchten, jederzeit weiterhin über einen zeitunabhängigen „flatrate“-Tarif versorgt werden; es ist keine unnatürliche Trennung in verschiedene Klassen von Verbrauchern nötig. Bereits heute ist es üblich, dass intelligente Stromzähler nicht nur die über einen langen Zeitraum (beispielsweise ein Jahr) verbrauchte Gesamtenergie messen, sondern die in verschiedenen Zeiten verbrauchte Energie erfassen und zur Abrechnung nutzen können. Die Ausstattung von Haushalten mit solchen Geräten ist in Deutschland allerdings noch nicht so weit fortgeschritten wie in anderen europäischen Ländern. Diese Stromzähler werden im folgenden Kapitel in ihrer Funktionalität grob beschrieben, auch wenn sie für ein effizientes Demand Side Management, wie es oben skizziert wurde, mehrere Schwachstellen aufweisen: eine Teilnahme am Primär- und Sekundärregelleistungsmarkt ist nicht möglich, wenn der Verbrauch maximal im 15-Minuten-Rhythmus erfasst wird es sind zuvor festgelegte tageszeitabhängige Tarife üblich, die wetterabhängige Schwankungen in den Preisen nicht abbilden können, was die Teilnahme auch am Minutenregelleistungsmarkt ausschließt Geräte, die auf Informationen des intelligenten Stromzählers reagieren, sind so gut wie gar nicht vorhanden, so dass es einer bewussten Entscheidung für eine Lastverschiebung bedarf; dies ist im Alltag für langsame Entscheidungen (Tag/Nacht oder Werktag/Wochenende) unrealistisch und für kurzfristige (Minutenregelleistungsmarkt oder schneller) unmöglich. Zur Realisierung des vollen Potentials durch zeitliche Lastverschiebungen ist ein Ausbau intelligenter Stromzähler notwendig, die untereinander vernetzt kommunizieren und handeln können. Für die 5 Vernetzung sind einheitliche Standards notwendig. Eine derartige Vernetzung zu einem Smart Grid funktioniert am besten auf Basis einer Blockchain (Konashevych, 2016), wie sie neben den anderen angesprochenen Technologien im nächsten Abschnitt dargestellt wird. 6 3. Technologiedarstellung 2.1 Smart Meter Smart Meter sind intelligente Strom- und Gaszähler, die in der Schnittstelle zwischen Verbraucher und Energienetz agieren. Ein Smart Meter ermittelt den Energieverbrauch innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls und überträgt die erhobenen Daten unmittelbar weiter. Abbildung 1: Smart Meter Informationsfluss (vereinfacht) Abbildung 1 zeigt, wie ein Smart Meter die Verbrauchsdaten eines Endkunden erfasst und an den Energieversorger weitergibt. Smart Meter für Endverbraucher kommunizieren nach innen mit allen energieverbrauchenden Geräten und Maschinen eines Energienachfragers und nach außen mit allen Energiebereitstellern. Der Verbrauch eines Haushaltes wird durch den Smart Meter erfasst und automatisiert an den Energielieferanten weitergeleitet. Dieser kann diese Daten, unter der Berücksichtigung rechtlicher Rahmenbedingungen, dann nutzen. Produzenten von Energie teilen die derzeitige und zukünftige Energiebereitstellung mit anderen Energiebereitstellern sowie mit den Verbrauchern. Abbildung 2: Smart Meter Funktionsweise Wie in Abbildung 2 dargestellt, lässt sich die fundamentale Funktionsweise von Smart Metern anhand von vier Schritten vereinfacht beschreiben. Zuerst ermittelt ein Smart Meter den entsprechenden Energieverbrauch. Dann werden diese ermittelten Daten direkt an die IT übertragen. Danach werden die Daten verarbeitet und zuletzt Marktpartnern und Endkunden bereitgestellt. Der Endnutzer kann mit Hilfe der bereitgestellten Daten genau erkennen, zu welchem Zeitpunkt er welche Menge an welchem Punkt verbraucht hat. Durch ihre Transparenz ermöglichen die Smart Meter variable Tarife und somit Energieeinsparungen im Gewerbe und Unternehmen. Durch die zur Verfügung stehende Auswertung ist es möglich, schnell auf Änderungen im Markt zu reagieren und speziell auf jeden Vorfall zugeschnittene, individuelle Tarife anzubieten. Die Abrechnung von Kosten wird durch die zentrale elektronische Erfassung erleichtert und führt dadurch zu Kostensenkungen im Abrechnungssystem. Smart Meter Gateways stellen Kommunikationseinheiten dar, die auf Datenschutz und Sicherheit spezialisiert die Anbindung der intelligenten Messsysteme an das Stromnetz ermöglichen. Dies 7 gestattet es, mittels des Einsatzes von Gateways verschiedene Erzeuger an ein intelligentes Energienetz anzubinden. Elektroautos, Wärmepumpen oder Kleinerzeugeranlagen geben entsprechende Informationen über ein Gateway an das Meter Data Management (MDM) weiter. Das MDM verarbeitet die zur Verfügung gestellten Informationen, validiert und speichert diese und leitet Zählerdaten an weiterführende Anwendungen weiter. Über das MDM erhalten Verteilnetzbetreiber die Informationen und sind in der Lage, Engineering Data Management (EDM) zu betreiben. EDM umfasst die ganzheitliche Verwaltung sämtlicher übermittelter Daten und Abläufe. Tabelle 2: Fernüberwachung Überblick (Enversum, 2016) D A T E N Umwelt Energieparamter Operative Technik Sicherheit Wind Stromverbräuche Beleuchtung Schranken Temperatur Gasverbräuche Infoterminals Türen Bewegungen Wärmeverbrauch Solar Anlagen Fester Licht Energieverbräuche einzelner Anlagen BHKW Zutrittskontrolle Wind CCT Kameras Klimaanlagen Rauchmelder … … Rauchentwicklung … … Tabelle 2 stellt einen Überblick über diverse Gruppen, beziehungsweise Datenblöcke, die mittels Fernüberwachung gemessen werden, dar. Smart Meter sind in der Lage Daten aus dem Block Energieparameter zu erfassen, während andere Hardware in der Lage ist Umweltparameter, operative Technik oder Sicherheit zu überwachen und zu steuern. Viele Anlagen verfügen zum heutigen Zeitpunkt über diverse Überwachungshardware. Smart Meter besitzen das Potential durch Vereinheitlichung der Fernwirktechnik andere Überwachungshardware redundant zu machen. Ein Problem stellt hierbei die Übertragungsgeschwindigkeit dar. Zum jetzigen Zeitpunkt übertragen Smart Meter Daten in Zeitintervallen von jeweils 15 Minuten. Ein so hohes Zeitintervall schließt eine Vereinheitlichung kurzfristig aus, da andere Methoden der Fernüberwachung und -steuerung innerhalb von Sekunden erfolgen (Clean Energy Sourcing, 2015). Vor dem Hintergrund der in Folge (Kapitel 3.3) beschriebenen Blockchain Technologie und Smart Contracts stellt ein möglichst niedriges Zeitintervall der Datenübertragung via Smart Meter ebenfalls einen wünschenswerten Zustand dar. 8 2.2 Smart Grid Im Rahmen der Energiewende und der damit verbundenen Förderung durch das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) nimmt die breitflächige Nutzung und das Angebot von Photovoltaik-Anlagen zu. Wie Windenergie zeichnet sich Solarenergie durch eine hohe Volatilität in der Erzeugung aus. Spannungsnetze stehen somit vor der Herausforderung Lastschwankungen soweit entgegenzuwirken, dass die Einhaltung des Spannungsbandes (EN50160) sichergestellt wird. Ein Smart Grid ist ein intelligentes Energienetzwerk, das Verbrauch und Einspeisung sämtlicher verbundener Marktteilnehmer in ein effizientes und nachhaltiges System integriert um niedrigere Energieverluste und höhere Verfügbarkeit sicherzustellen. Eine Voraussetzung zur erfolgreichen Einführung eines Smart Grids stellt die Aktualität von Informationen über das Stromnetz dar. Nur, wenn aktuelle Informationen zeitnah vorliegen, ist es möglich, Lasten sinnvoll zu steuern oder die Auslastung einzelner Segmente zu bewerten. Somit stellt eine zugrundeliegende Sensorik sowie entsprechende IT-Infrastruktur eine Grundlage für intelligente Stromnetze dar. Smart Meter ermöglichen die Fernablesung von Zählerständen, sodass sich der Energieverbrauch bis hin zu einzelnen Geräten in einem Haushalt bestimmen lässt. Hieraus ergeben sich Möglichkeiten zur Optimierung von Verbrauchsprofilen, Demand-Side-Management oder EnergieeffizienzDienstleistungen. Durch Kenntnis von aktuellen Verbrauchsprofilen und –zuständen können systemstabilisierende Maßnahmen eingeleitet werden (bdew, 2012). Abbildung 3 zeigt Unterschiede zwischen einem traditionellem und einem intelligenten Stromnetz auf. In einem traditionellen Stromnetz erfolgt ein periodischer Informationsfluss zwischen den Erzeugern und den Konsumenten von Energie. In einem Smart Grid erfolgt kontinuierlicher Informationsaustausch zwischen sämtlichen beteiligten Erzeugern und Konsumenten. Zusätzlich können durch die Netzintegration von Energiespeichern sowie lokaler, kleinerer Erzeuger Effizienzgewinne erzeugt werden. Anwendungsfälle und Gründe für einen Aufbau eines intelligenten Stromnetzes umfassen daher beispielsweise (bdew, 2012): Dezentralisierung von Verteilernetzen Verbesserung der Zuverlässigkeit und Qualität von Verteilnetzen / Vermeidung negativer Einflüsse auf Verteilnetze Fehleranalyse Infrastruktur-Überwachung Transparenz. 9 Intelligentes Netz / Smart Grid Konventionelles Netz/ Grid Energieversorgung Solar Energieversorgung Solar Wind Energiespeicher Elektroauto Wind Energiespeicher Konsumenten Energiefluss Periodischer Informationsfluss Kontinuierlicher Informationsfluss Abbildung 3: Grid versus Smart Grid (in Anlehnung an AT&T, 2016) 10 2.3 Blockchain & Smart Contracts Eine Blockchain ist ein dezentrales Register, mit dessen Hilfe Eigentumsverhältnisse transparent abgebildet und transferiert werden können. Die Dezentralität ermöglicht es allen Netzwerkteilnehmern das Register herunterzuladen und somit die darauf befindlichen Informationen zu beobachten oder zu überprüfen. Auf einer Blockchain lassen sich Token, digitale Verrechnungseinheiten, denen ein bestimmter Wert zugeordnet werden kann, erstellen, die Anwender zum Handel nutzen können. So sieht die Bitcoin Blockchain beispielsweise vor, dass Token den Wert von elektronischem Geld – Bitcoin – besitzen. Analog dazu lassen sich Token auch als Einheiten an Energie klassifizieren, die tatsächliche Energieeinheiten in einem System repräsentieren. Blockchain Technologie zeichnet sich dadurch aus, dass die Notwendigkeit von Intermediären zu großen Teilen aufgehoben wird. Netzwerkteilnehmer sind in der Lage peer-to-peer Token untereinander zu versenden. Mittels einer Transaktion lassen sich Eigentumsverhältnisse auf der Blockchain verändern. Wenn ein Anwender einen Token an einen anderen Anwender verschickt erfolgt eine Überprüfung auf Richtigkeit dieser Transaktion. Dies kann beispielsweise in Form von komplexen kryptografischen Berechnungen (Proof-of-Work) oder in Form der Validierung durch eine Kontrollinstanz (Proof-of-Stake) erfolgen. Je nach Art der Validierung ergeben sich unterschiedliche Vor- und Nachteile des Systems. So ist die Sicherheit des Systems bei Validierung via Proof-of-Stake sehr stark von der Glaubwürdigkeit der Kontrollinstanz abhängig. Nach erfolgreicher Validierung werden alle Transaktionen eines bestimmten Zeitintervalls zu einem Block gebündelt, der zusätzlich eine Referenz zum Block des vorherigen Zeitintervalls beinhaltet. So entsteht eine Kette von Blöcken, die jeweils eine Referenz zum vorherigen Block beinhalten. Diese Blockchain speichern Anwender nun lokal auf ihren Rechnern, sodass jedem Netzwerkteilnehmer eine aktuelle, vollständige Kopie aller jemals erfolgten Transaktionen, zeitlich zusammenhängend, vorliegt. Abbildung 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Blöcke eins bis neun einer Blockchain. Anwender im Netzwerk speichern lokal Kopien des Registers. Die Blöcke vier und fünf sind vergrößert dargestellt. Block fünf besitzt in Form des Hashwertes eine Referenz zu Block vier. Genauso besitzt Block 4 eine Referenz zu Block drei. Der Hashwert ist ein Beiprodukt der kryptografischen Verifizierung. In Verbindung mit der jeweiligen Erstellungszeit ergibt sich so ein sicheres Datenregister. Am Erstellungszeitpunkt der Blöcke ist zu erkennen, dass der Validierungsprozess etwa 10 Minuten beträgt, was der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Bitcoin Blockchain entspricht. Andere Blockchains, wie beispielsweise Ethereum oder Protokoll-Erweiterungen der Bitcoin Blockchain, verifizieren Transaktionen deutlich schneller. 11 Abbildung 4: Blockchain System Im Rahmen einer Blockchain-Anwendung durch ein Unternehmen kann dieses Unternehmen als Kontrollinstanz auftreten, die jegliche Transaktionen auf der Blockchain bestätigt. Ein Zusammenschluss von Unternehmen kann beispielsweise festlegen, dass 7 von 10 Unternehmen eine Transaktion bestätigen müssen, bevor diese als bestätigt gekennzeichnet wird. Da sich existente öffentliche Blockchains wie Bitcoin oder Ethereum ebenfalls für Businessanwendungen nutzen lassen, können auch andere Validierungsmöglichkeiten genutzt werden. Durch den Einsatz von Smart Contracts auf der Blockchain könnte der An- und Verkauf beziehungsweise die Verteilung von Energie zu großen Teilen automatisiert werden. Verträge könnten bei Überversorgung (und niedrigen Preisen) automatisch das Speichern von Energie veranlassen und dementsprechend bei Unterversorgung Energie abgeben. Dies ermöglicht es Anwendern nach einem einmaligen Aufbau und der Programmierung eines Systems mit äußerst geringem Aufwand Energiehandel zu betreiben. 12 Blockchain Technologie ermöglicht es, mittels der Integration von Codestrukturen Smart Contracts auf einem dezentralen Datenregister auszuführen. So können selbstausführende Programme auf einer Blockchain installiert werden, die Einflüsse auf andere on-chain Assets, wie beispielsweise einen Strom-Token, ausüben können. Smart Contracts können als selbstausführende, vordefinierte Vereinbarungen zwischen verschiedenen Akteuren definiert werden, die auf einer Blockchain über Computerprotokolle ausgeführt werden. Smart Contracts werden von der zugrundeliegenden Blockchain ausgeführt. So ruft eine Blockchain-Transaktion einen Smart Contract ab, ähnlich wie eine HTTP-Anfrage eine Website abruft. Hierbei ist der Begriff Contract irreführend und könnte gegebenenfalls durch Agent ersetzt werden, da Verträge eine, aber keineswegs alle Anwendungsmöglichkeiten beschreiben. Der Begriff und das Konzept wurden in den Neunzigerjahren von dem Informatiker und Juristen Nick Szabo geprägt. Zu dieser Zeit existierte keine passende Technologie, ein solches Konzept sicher umzusetzen, weshalb erst mit Auftreten der BlockchainTechnologie Smart Contracts wieder an Bedeutung zunahmen. Zusammengefasst handelt es sich bei Smart Contracts um gewöhnliches Software-Script, das keineswegs eine Blockchain benötigen würde, um ausgeführt zu werden. Dadurch, dass dieses Script über die Blockchain ausgeführt wird, entstehen allerdings diverse Vorteile wie Sicherheit, Automatisierung und Transparenz, die zum jetzigen Zeitpunkt keine andere Infrastruktur in dem Maß gewährleisten kann. Abbildung 5: Vereinfachte Darstellung von Smart Contracts Abbildung 5 zeigt eine vereinfachte Darstellung von Smart Contracts. Eingehende Information löst eine simple Wenn/Dann-Beziehungen aus. Eine Hürde bei der Nutzung von Smart Contracts stellen die Interaktion zwischen virtueller und realer Welt dar. Sollte ein Smart Contract Informationen wie Strompreis und Speicherkapazitäten von externen Entitäten benötigen, ist unter anderem sicherzustellen, dass diesem keine falschen Informationen mitgeteilt werden, oder dass die Informationen ohne Zeitverzögerung mitgeteilt werden. Smart Oracles stellen Möglichkeiten dar, einer Blockchain externe Informationen zukommen zu lassen. Hier bestehen diverse Modelle, wie die Sicherheit eines solches Oracles gewährleistet werden kann. Diese umfassen beispielsweise einzelne vertrauenswürdige Entitäten, die möglicherweise dafür entlohnt werden, Informationen an die Blockchain weiterzugeben oder Modelle, in denen beispielsweise sieben von zehn Orakeln einen Zustand bestätigen müssen, bevor die entsprechende Information der Blockchain mitgeteilt wird. Eine solche erfolgreiche Validierung schließt allerdings nicht Betrug wie beispielsweise die Manipulation eines Smart Meters aus. 13 2.4 Echtzeitauktionen Eine Echtzeitauktion, oder Real Time Bidding (RTB), stellt eine automatisierte Auktion dar, mit der Werbeplätze im Internet in Echtzeit versteigert werden. Während ein Internetnutzer eine Website (und Werbung) lädt, wird der Werbeplatz auf einer Plattform in Echtzeit versteigert. Bietende Werbeunternehmen bekommen Informationen über den Nutzer und die Seite, die dieser öffnet. Die Werbung des Auktionsgewinners wird dann fast augenblicklich der sich ladenenden Website hinzugefügt. Dieses Prinzip lässt sich ebenfalls auf den Strommarkt übertragen. Durch den Einsatz von intelligenten Stromzählern kann in kürzester Zeit über eine Blockchain abgebildet werden, wie hoch der jeweilige Strombedarf des Gesamtmarktes oder von Teilmärkten ist. Dies ermöglicht es wiederum, mit Hilfe von Smart Contracts Echtzeitauktionen durchführen. Eine solche Anwendung kauft automatisiert günstigen Strom und verkauft automatisiert teuren Strom. Abbildung 6: Echtzeitauktionen System RTB zeichnet sich dadurch aus, dass Waren oder Dienstleistungen in Echtzeit mittels eines dynamischen Gebotes versteigert werden. Dies ermöglicht es, keine festen Abnahmevolumina vorgeben zu müssen, sondern gezielte frei wählbare Mengen ein- und verkaufen zu können. Die technologischen Grundlagen einer solchen Auktion bestehen aus der Demand-Side-Plattform (DSP) sowie einer Sell-Side-Plattform (SSP). Auf den Energiemarkt übertragen wird auf der SSP wird die verfügbare Energie erfasst, gebündelt und angeboten. Erzeuger von Energie bieten produzierte Energie auf der SSP zum Verkauf und stellen zeitgleich Informationen über das Produkt zur Verfügung. Diese könnten beispielsweise eine Deklaration als erneuerbare Energie oder den Produktionsstandort umfassen. Es ist ebenfalls möglich als Erzeugernetzwerk oder Händler von Energie auf der SSP aufzutreten. Auf den DSPs können interessierte Bieter entsprechende TargetingEinstellungen vornehmen und in Folge über einen Biet-Algorithmus Gebote auf Energie abgeben. Die beiden Plattformarten sind so verbunden, dass die SSD sämtliche Gebote der DSPs bündelt, verarbeitet, und anschließend dem Höchstbietenden den Zuschlag erteilt. Der Gewinner der Auktion zahlt, gemäß der Methodik einer Vickrey-Auktion, nicht sein eigenes Gebot, sondern den Preis des zweithöchsten Gebots zuzüglich eines Aufschlags (von beispielsweise einem Cent). Da die Idee von 14 RTB auf dem Energiemarkt zum jetzigen Zeitpunkt nur ein Konzept darstellt, kann die tatsächliche Preisfindung eine Energieauktion zukünftig auch anderes gestaltet werden (Blue Summit, 2013). 15 4. Verknüpfung der Technologien: Entwurf einer lokalen Optimierung von Energieerzeugung und Energieverbrauch Mittels der Verknüpfung der Technologien Smart Meter, Blockchain sowie Echtzeitauktionen lässt sich die Stromversorgung dezentral darstellen und teilautomatisieren. Mit Hilfe einer direkten Anbindung der Erzeuger und Nutzer von Energie an eine Blockchain ergeben sich diverse potentielle Vorteile. Smart Meter ermöglichen eine automatisierte aktuelle Benachrichtigung über benötigte oder abzugebende Energie an die Blockchain. Dadurch werden Smart Contracts ausgelöst, die automatisiert Energie zur Auktion auf einer SSP einstellen oder auf einer DSP Gebote abgeben. Dadurch, dass über die Blockchain Preise, Produktion und Bedarf an Energie transparent abgebildet werden, können Smart Contracts auf entsprechende Veränderungen auf dem Markt reagieren. Am Beispiel eines Kühlhauses könnte so mit Hilfe günstiger Energie das Kühlhaus stärker als notwendig abgekühlt werden, um Phasen teurerer Energiepreise auszusitzen. Ebenfalls könnten Smart Contracts gespeicherte Energie erst auf einer SSP anbieten, sobald eine hohe Nachfrage beziehungsweise ein hoher Preis von Energie auf dem Markt auftritt. Abbildung 7: Intelligenter, dezentraler Energiemarkt 16 Abbildung 7 stellt eine mögliche Anwendung der vorgestellten Technologien dar. Sämtliche Energie eines verwalteten Netzes wird auf einer Blockchain digitalisiert und in Echtzeit dargestellt. Smart Meter teilen dem Energielieferanten aktuelle Informationen zu Erzeugung, Verbrauch und Speicherkapazitäten mit. Über den Strommarkt erhält der Energielieferant den aktuellen externen Strombedarf und entsprechende Preise. Als Oracle agierend, validiert der Energielieferant sämtliche Informationen und gibt diese an die Blockchain weiter. Smart Contracts auf der Blockchain reagieren auf entsprechende Informationen und beauftragen automatisiert die Verteilung oder den Handel von Energie über Echtzeitauktionen. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit via Smart Meter freie und belegte Speicherkapazitäten im verwalteten Stromnetz dezentral zu nutzen. Energiespeicher in Einfamilienhäusern werden oftmals in Verbindung mit einer Photovoltaik–Anlage eingesetzt. Ohne die Möglichkeit des Energiehandels via Blockchain ist die Größe eines solchen Speichers klar von dem Energieverbrauch und der Größe des Solarsystems abhängig. Mit der Möglichkeit, einen Energiespeicher dezentral über eine Blockchain zu verwalten, entfällt eine solche Notwendigkeit der Beachtung des Eigenverbrauchs, da Strom extern zum Marktpreis verkauft werden kann. Über die Blockchain wird der Energiespeicher dezentral verwaltet und organisiert. Energiespeichersysteme wären, unabhängig ihrer zugrundeliegenden Technik, mittels einer Blockchain-basierten Anwendung in der Lage, auf sämtlichen Energiemärkten zu partizipieren. Mittels einer Anbindung an den Spotmarkt kann die Gefahr eines Speicherverlustes von Energie nahezu ausgeschlossen werden. Insbesondere auf dem Intraday-Markt, ohne Beschränkung durch einen Market-Clearing-Preis, ließen sich aufgrund auftretender Preisspitzen hohe Gewinne mit dem Verkauf gespeicherter Energie erzielen. Abhängig von Wetterprognosen ließen sich außerdem Strompreise frühzeitig abschätzen und entsprechende Strategien zur Speicherung von Energie erstellen. Um den Stromkreislauf über eine Blockchain abbilden zu können müssen diverse Smart Oracles erstellt werden, die (automatisiert) Informationen an die Blockchain liefern. Ausgehend von diesen Informationen ruft die Blockchain dann Smart Contracts ab, welche wiederum Informationen weiterverarbeiten und über Echtzeitauktionen Stromhandel veranlassen. Tabelle 3: Smart Oracle Informationen Information Aktueller Verbrauch des verwalteten Stromnetzes Aktuelle Produktion des verwalteten Stromnetzes Aktuelle freie und belegte Speichkapazitäten zum automatisierten Handel von Energie Aktueller externer Strombedarf und –preis *(Wetter-)Daten zur Abschätzung zukünftiger Energieproduktion und –preise Informationsquelle Smart Meter Smart Meter Smart Meter Externer Strommarkt Externer Dienst (automatisierte Abfrage einer geeigneten Website) *nicht zwangsläufig notwendig Um automatisierten Handel etablieren zu können, müsste einer Blockchain die in Tabelle 3 aufgeführten Informationen vorliegen. Um die Richtigkeit der Informationen zu gewährleisten könnte ein Energieversorger als Intermediär die Rolle des Smart Oracle übernehmen. Sämtliche eingehenden Informationen werden (automatisch) auf Richtigkeit überprüft und daraufhin der Blockchain mitgeteilt. So könnte die Geschwindigkeit und Automatisierung des Systems Schritt für Schritt erhöht werden. Aufbauend auf Erfahrungswerten könnte der Energieversorger Information 17 automatisiert validieren und ausschließlich bei Eintreffen unüblicher oder kritischer Information weitere Schritt einleiten. Andere Möglichkeiten bestünden darin, einen externen Dienstleister zu beauftragen eine Validierung und Informationsübermittlung durchzuführen. Über die dezentrale Architektur der Blockchain kann sämtliche relevante Energieverteilung abgebildet werden. Jegliche Energie, die im Blockchain System auftaucht, wird über Smart Oracles erfasst und via Smart Contract einem Energietoken zugeordnet. Dieser Token wird dann je nach Verwendung der Energie automatisiert verschoben, sodass für jede Energieeinheit transparent nachvollziehbar ist, zu welchem Preis sie gekauft wurde, wie lange oder ob sie im Blockchain System verweilt oder wo genau sie sich befindet. Jede reale Energieeinheit wird somit durch einen virtuellen Energietoken dargestellt. Wenn beispielsweise 1000 kWh elektrische Energie dem Blockchain-System zugeführt wird, teilt ein Smart Oracle dies der Blockchain mit. Diese validierte Information löst Smart Contracts aus, welche wiederum 1000 Energietoken (1 Token pro kWh) erstellen. Automatisiert analysieren die Smart Contracts, was die optimale Verwendung der Energie ist. Auf Basis des aktuellen Strompreises, des externen und internen Bedarfs sowie der Belegung des verwalteten Energiespeichers könnte ein Smart Contract verfügen, dass 300 kWh dem direkten Verbrauch von Kunden zugeführt wird, 500 kWh freien Stromspeichern zugeführt wird und die restlichen 200 kWh (gewinnbringend) auf dem Strommarkt verkauft werden. Beim Verkauf von Energie agieren Smart Contracts ihrerseits ähnlich der Funktionsweise eines Smart Oracle, indem sie die Ausführung von Echtzeitauktionen abseits der Blockchain beauftragen. Sobald dies geschieht, verschieben die Smart Contracts die zugehörigen Energietoken entsprechend, sodass 300 Token (direkter Verbrauch) inaktiv, beziehungsweise als verbraucht deklariert werden und weitere 200 Token (Verkauf) als inaktiv, beziehungsweise als verkauft deklariert werden. Die restlichen 500 Token werden als gespeichert verbucht, sodass die Smart Contracts automatisiert einen Verkauf veranlassen können, sobald ein gewünschter Preis auf dem Strommarkt angeboten wird. Somit entsteht eine dezentrale, sichere Datenbank, die alle elektrische Energie erfasst und automatisiert auf Signale von Oracles reagiert. Dies lässt sich als simple Wenn/Dann-Beziehung verstehen. Zusätzlich lassen sich so alle Transaktionen automatisiert darstellen, sodass eine Datengrundlage entsteht, die beispielsweise Regulierungsinstanzen zugänglich gemacht werden könnte. Die Einbettung von Echtzeitauktionen setzt voraus, dass neben den von Smart Contracts ausgelösten Angeboten und Geboten externe Marktteilnehmer an SSP und DSP partizipieren. Externe Erzeuger, Verbraucher und Anbieter müssten im Kollektiv eine Plattform für Energiehandel nutzen, die unter anderem Echtzeitauktionen ermöglicht. Echtzeitauktionen setzen Informationen über die Differenz aus Energiebereitstellung und Nachfrage optimal in Preise um. Der Preismechanismus kann dann zur optimalen Steuerung der Nachfrage nach Energie genutzt werden. Die Kommunikation und Entscheidungen erfolgen über Smart Meter, während die Abwicklung der Kaufverträge für Energie auf der Blockchain erfolgt. Der Automatisierungsgrad des vorgestellten Modells kann theoretisch beliebig variiert werden. Smart Contracts, die auf einer Blockchain agieren, die die Anwendung komplexer Codestrukturen ermöglicht (Turing-complete), können vollkommen automatisiert werden, sodass ein DAO (Decentralized Autonomous Organization) entsteht, welcher vollkommen autonom auf der Blockchain agiert. Dies ermöglicht es theoretisch ein komplett autonomes Energiesystem auf einer 18 Blockchain zu erstellen, welches eine optimale Energieverteilung gewährleistet. Ein solches Stromnetz-DAO könnte als Non-Profit-Unternehmen ohne externe Einflüsse die optimale Verteilung von Energie gewährleisten. Eine solche Entwicklung ist vor dem Hintergrund rechtlicher und regulatorischer Rahmenbedingungen sowie der sehr hohen Komplexität des Codes mittelfristig allerdings nicht realistisch. 19 5. Umsetzung Die technologische Umsetzung des beschriebenen Konzeptes ist von dem Einbau intelligenter Stromzähler abhängig. Hier ist es besonders relevant, dass alle an die Blockchain angebundenen Netzwerkteilnehmer über solche Stromzähler verfügen und die erhobenen Daten weitergeben. Ein flächendeckender Einbau ebensolcher Stromzähler ist im Rahmen des Gesetzes zur Digitalisierung der Energiewende2 zukünftig absehbar, sollte allerdings die in Kapitel 2 genannten Kriterien erfüllen, um eine möglichst effiziente Teilnahme am Markt zu ermöglichen. Als Blockchain-Infrastruktur bietet sich kurzfristig Ethereum (Buterin, 2014) an. Hierbei handelt es sich um eine Plattform, die insbesondere die Anwendung von Smart Contracts ermöglicht und zum jetzigen Zeitpunkt die zweitgrößte Blockchain weltweit darstellt. Mittelfristig ließe sich ebenfalls die Bitcoin (Nakamoto, 2008) Blockchain nutzen, da diverse technische Neuerungen ebenfalls die Anwendung von komplexen Smart Contract Anwendungen ermöglichen. Die Bitcoin Blockchain stellt die weltweit größte Blockchain (ausgehend von der Marktkapitalisierung) dar, was ein Indiz für die Sicherheit eines solches Systems sein kann. Unabhängig der Wahl der Blockchain stellt Solidity (Reitwiessner & Wood, 2015) eine speziell für Smart Contracts entwickelte Programmiersprache dar, die sich zur Gestaltung eines entsprechenden Gefüges von Smart Contracts anbietet. Die Umsetzung eines solchen Geschäftsplans könnte in einem kleinen Rahmen erfolgen, da sich ein programmierter Smart Contract ohne Probleme auf ein weiteres Umfeld anwenden ließe, wenn ein erfolgreiches Pilotprojekt erfolgreich abgeschlossen wäre. Es bietet sich an, eine erste Umsetzung auf passive Teilnahme der Verbraucher am Markt durch Lastverschiebung zu beschränken. Hier könnten insbesondere gewerbliche und industrielle Kühleinrichtungen eine interessante Anwendung darstellen. Möglichst zügig sollte auch die aktive Teilnahme der Verbraucher am Markt realisiert werden. Hier ist eine anfängliche Fokussierung auf die Auf- und Entladung der Akkus von Elektroautos sinnvoll, da zu diesem Thema bereits aktiv geforscht wird und diverse Pilotprojekte im deutschen Raum durchgeführt werden (Richter & Steiner 2011). Ebenfalls kooperiert das Energieunternehmen RWE mit dem Blockchain Startup slock.it, um eine Blockchain-Anwendung zum Aufladen von Elektroautos aufzubauen.3 Eine Ausweitung auf andere Speichergeräte ist danach problemlos machbar. Alternativ könnte ein Pilotprojekt mit einem gewerblichen Anbieter von Energiespeichern oder einer Forschungseinrichtung durchgeführt werden. Vor dem Hintergrund, dass intelligente Stromzähler in absehbarer Zeit flächendeckend eingesetzt werden, bietet es sich an, Vorarbeit zu leisten, um mit diesen Stromzählern ein Geschäftsmodell starten zu können und um sicherzustellen, dass die Geräte alle Anforderungen erfüllen. Hierzu sollte ein Blockchain-Netzwerk auf der Ethereum Blockchain aufgebaut werden, welches in einem kleinen Rahmen Energiehandel durchführt. Ein existentes, funktionierendes System könnte augenblicklich 2 Gesetzesentwurf der Bundesregierung. Entwurf eines Gesetzes zur Digitalisierung der Energiewende. https://www.bmwi.de/BMWi/Redaktion/PDF/E/entwurf-eines-gesetztes-zur-digitalisierung-derenergiewende,property=pdf,bereich=bmwi2012,sprache=de,rwb=true.pdf 3 Blockcharge – EV Charging via the Ethereum Blockchain (HQ). https://www.youtube.com/watch?v=0A0LqJ9oYNg 20 auf technischen Fortschritt reagieren und in einen größeren Markt eintreten. Möglicherweise stellt sich auch heraus, dass ein solches System schon jetzt profitabel ist. 5.1 Abschätzung der Kosten Eine seriöse Abschätzung der Kosten ist klar vom Ausmaß des Projektes abhängig und daher schwer zu beurteilen. Unabhängig der Größe des aufzubauenden Netzwerkes fallen Kosten im Bereich der IT an. Auch wenn eine bestehende Blockchain-Infrastruktur wie Ethereum genutzt wird, müssen Smart Contracts programmiert werden, intelligente Stromzähler als Oracles an die Blockchain angebunden werden und eine entsprechende technische Möglichkeit für automatisierte Echtzeitauktionen erstellt werden. Auch wenn die Programmiersprache Solidity der allgemeinen Programmiersprache JavaScript ähnelt, müssen Programmierer sich erst entsprechend anpassen, beziehungsweise Lernaufwand betreiben. Aufgrund der technischen Komplexität ist davon abzuraten sämtliche Smart Contracts in Eigenleistung zu erstellen. Zusätzlich zu Kosten der IT fallen rechtliche Fragestellungen, wie beispielsweise Datenschutz, an. Intelligente Stromzähler müssen an sämtlichen Knotenpunkten des Netzwerkes, also bei allen Verbrauchern, angebracht werden, so dass Kapazitäten und Verbrauch einsehbar sind. Es fallen Hardware- und Servicekosten für die Anbringung von Stromzählern an privaten Energiespeichern an. Hier variieren die Kosten je nach Zahl der Netzwerkteilnehmer. 5.2 Umsätze und Erträge Im Rahmen eines Pilotprojektes lassen sich Erträge generieren, die allerdings vergleichsweise hohen einmaligen Entwicklungskosten gegenüberstehen (diese Entwicklungskosten fallen bei einer Ausweitung des Projekts allerdings kein zweites Mal an). Aus diesem Grund sind im Rahmen des Pilotprojekts kurzfristig positive Erträge unrealistisch. Das hier aufgeführte Geschäftsmodell basiert auf diversen innovativen Technologien und würde auch von technischem Fortschritt im Bereich der Speichertechnologie profitieren. Der weitläufige Einbau von intelligenten Stromzählern bietet dem Blockchain-System die Möglichkeit den Strommarkt transparent zu beobachten und entsprechend auf Über- und Unterversorgung zu reagieren. Mit hohen Umsätzen ist daher erst mit tatsächlicher flächendeckender Implementierung intelligenter Stromzähler zu rechnen. Sobald ein weitläufiger Geschäftsplan umgesetzt wird, ist aufgrund der erbrachten Vorleistungen mit äußerst geringen laufenden Kosten zu rechnen. Diese zu planen ist zum jetzigen Zeitpunkt jedoch nicht möglich. 21 6. Schlussbetrachtung und Ausblick Ein integrativ vernetzter und standardisierter Energiemarkt bietet im Vergleich zur heutigen Situation ein enormes Effizienzpotential. Durch einen variablen Preis in Abhängigkeit von Energienachfrage und Energieangebot bieten sich Anreize den eigenen Energiebedarf zeitlich zu verschieben – zum Beispiel in die Nacht, wenn Energie tendenziell am kostengünstigsten ist. Ein weiteres Beispiel sind Energiespeicher. Variable Preise bieten bei ausreichenden Preisdifferenzen Anreize für den Bau von intelligenten Energiespeichern. Solche Speicher fragen die Energie zum preisgünstigsten Moment nach, speichern sie und geben sie in den Momenten ab, in denen der Energiebedarf und damit der Preis am größten sind. Durch die Anbindung an die Blockchain können Potentiale zur Lastverschiebung und Energiespeicher dezentral abgebildet werden. Dies ermöglicht es Besitzern entsprechender Anlagen, diese extern zugänglich zu machen und verwalten zu lassen. So könnte ein Stromanbieter neben dem traditionellen Vertrag über den Bezug von Strom seinen Kunden die Anbindung privater Energiespeicher an die Blockchain anbieten. Vehicle-to-Grid (V2G) und Grid-to-Vehicle (G2V) (Kempton, W. & Letendre, 1997) stellt ein Konzept dar, je nach Bedarf die Batterie eines Elektroautos dazu zu nutzen, Energie einem Stromnetz zuzuführen oder zu entnehmen. Durch Anwendung der Blockchain-Technologie und intelligenter Stromzähler können Besitzer eines Elektroautos den Akku ihres Autos mit der Blockchain verbinden, woraufhin das Auto bei Nichtnutzung automatisiert Energie kauft und verkauft (beziehungsweise speichert und abgibt). Wie viel Akkukapazitäten zu diesem Zweck genutzt werden, lässt sich über einen Smart Contract einfach bestimmen. Anwender können eine volle Nutzung des Akkus veranlassen, falls sie das Auto gar nicht benötigen oder eine eingeschränkte Nutzung einstellen, sodass das Auto jederzeit mindestens zu 50 Prozent geladen ist. Dieses Konzept lässt sich theoretisch auf jedes elektrische Speichergerät und jedes Gerät, dessen Einsatz zeitlich variabel gestaltet werden kann, übertragen, Neben dem Angebot für Privatkunden stellt ein solches Konzept auch ein Geschäftsmodell für Unternehmenskunden dar. Ein über eine Blockchain und Smart Meter vernetzter Energiemarkt erlaubt Lastverschiebungen und effiziente Energiespeicherung und ermöglicht damit eine Senkung der Energieverbrauchskosten, eine Steigerung der Anbietergewinne und zugleich eine Verbesserung der Umweltbilanz. Gleichwohl bestehen auf dem Weg dorthin verschiedene Hürden. Hier seien beispielhaft zu nennen: Bestehende Geschäftsmodelle könnten abgelöst werden und sich hierdurch Gegenwehr bilden Existierende Geräte sind insbesondere in Haushalten nicht darauf ausgelegt, auf zeitabhängige Stromkosten zu reagieren; ein Austausch intakter Geräte lohnt sich in der Regel nicht Verbraucher sind skeptisch gegenüber einer Veröffentlichung ihrer Verbrauchsdaten Die Taktung der Regelleistung ist zeitlich noch zu unflexibel, um das volle Potential ausschöpfen zu lassen Kurzfristig ist es daher unrealistisch den gesamten Energiemarkt zu integrieren. Wir haben jedoch Ansätze zur schrittweisen Einführung eines integrierten Energiemarkts aufgezeigt, die einige der oben genannten Hürden relativieren, und langfristig ist ein integrierter Energiemarkt die Zukunft der Energiewende. 22 Literatur AT&T (2016) Smart Grid Solutions. https://www.business.att.com/enterprise/Service/internet-ofthings/smart-cities/iot-smart-grid bdew (2012). Smart Grids in Deutschland – Handlungsfelder für Verteilnetzbetreiber auf dem Weg zu intelligenten Netzen. https://www.bdew.de/internet.nsf/res86B8189509AE3126C12579CE0035F374/$file/120327%20BDE W%20ZVEI%20Smart-Grids-Broschuere%20final.pdf Blue Summit (2013). Real Time Bidding – Next Level Performance. https://www.bluesummit.de/wpcontent/uploads/2015/07/Real-Time-Bidding.pdf Buterin, V. (2014). Ethereum: A next-generation smart contract and decentralized application platform. https://www.weusecoins.com/assets/pdf/library/Ethereum_white_papera_Next_generation_smart_ contract_and_decentralized_application_platform-vitalik-buterin.pdf Clean Energy Sourcing (2015). Messtechnische Fragen aus Sicht der Direktvermarkter – Fachgespräch “Technische Aspekte im EEG: Messung und Technik”. https://www.clearingstelleeeg.de/files/node/2684/Hoelder.pdf Christian Hille, Sören Schrader, Dirk Magnor, Thomas Pollok, Philipp Goergens, Simon Koopmann, Fabian Potratz, Dominik Schulte, Technische und wirtschaftliche Potenziale von Speichersystemen in Verteilungsnetzen, Schlussbericht – Aachen, 06.01.2015 Ernst & Young (2013), Kosten-Nutzen-Anlayse für einen flächendeckenden Einsatz intelligenter Zähler Kempton, W. & Letendre, S. (1997). Electric Vehicles As A New Power Source for Electric Utilities. Transportation Research, 2(3), 157-175. Î.I. Konashevych, 2016, Advantages and Current Issues of Blockchain Use in Microgrids, , 38 (2). Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A peer-to-peer electronic http://www.cryptovest.co.uk/resources/Bitcoin%20paper%20Original.pdf cash system. Reitwiessner, C & Wood, G. (2015). Solidity. http://solidity.readthedocs.org/ Richter, M & Steiner, L. (2011). Begleitforschungs-Studie Elektromobilität: Potentialermittlung der Rückspeisefähigkeit von Elektrofahrzeugen und der sich daraus ergebenden Vorteile. Technische Universität Darmstadt Fachbereich regenerative Energien. http://www.baumgroup.de/fileadmin/interface/files/XNTFCUYFUV-1102011413557IPJDTOWQKM.pdf Sachverständigenrat für Umweltfragen, Sondergutachten "Den Strommarkt der Zukunft gestalten" (2014), Erich Schmidt-Verlag, http://www.esv.info/download/katalog/inhvzch/9783503156252.pdf 23
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