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Dr. Dina Barbian & Eric Gorzolla 18. Juni 2019

Kryptogeld und kein Ende des Energieverbrauchs?!

In einer frühen Epoche der Menschheit wurden Waren durch Tauschvorgänge erworben. So wurden zum Beispiel 15 Muscheln gegen einen Laib Brot getauscht. Mit der Zeit kamen dann Münzen sowie Geldscheine hinzu. Im Zeitalter der Computer und immer modernerer Infrastruktur wurden dann auch EC-Karten und weiteres "Plastikgeld" entwickelt. Dies ermöglichte schließlich das bargeldlose Bezahlen, welches von Banken verwaltet wird. Anders sind die Mechanismen beim Kryptogeld: Hier wird keine Bank benötigt, denn der Preis regelt sich nach dem Angebot-Nachfrage-Prinzip komplett selbständig.

Die wohl bekannteste Kryptowährung ist der Bitcoin. Dieser erschien im Jahr 2009. Diese virtuelle Währung wird durch sogenannte Miner "geschürft". Die Verschlüsselung erfolgt durch die Blockchain-Technologie, welche als sehr sicher gilt und deswegen zur Stabilität der Währung beiträgt und das Vertrauen bei Bezahlvorgängen erhöht. Neben der Kryptowährung Bitcoin gibt es noch diverse andere, die im Abschnitt "Kryptowährungen" erwähnt werden.

Die Autoren gehen in diesem Artikel auf den Bitcoin und dessen Verschlüsselungstechnologie Blockchain ein. Das Zahlen mit Bitcoins geht mit einem zunehmenden Energie- und Rohstoffverbrauch einher. Abschließend erfolgt eine Einschätzung des Zukunftsszenarios für die Kryptowährung Bitcoin.

Blockchain zur Sicherung des Bitcoins

Die Grundlagen zur Blockchain-Technologie wurden im Jahr 1991 gelegt [1]. Eine Blockchain basiert auf der kryptographischen Verkettung von verschiedenen Datenblöcken mit Hilfe von Hashfunktionen (auch Streuwertfunktionen). Eine Hashfunktion ist eine Abbildungsfunktion, die eine große Datenmenge auf einen kleineren Zielwert abbildet. Dabei können die Eingabewerte unterschiedliche Längen haben, die Ausgabewerte (Hashwerte) haben jedoch immer die gleiche Länge [2]. Eine weitere Eigenschaft der Hashfunktion SHA-256 ist, dass die Hashwerte komplett unterschiedlich sind, auch wenn bei den Eingabewerten lediglich ein Buchstabe ausgetauscht wird. Das folgende Beispiel zeigt bspw. die Hashwerte für "Eric" und "Erik":

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In der ersten Zeile ist die Zeichenkette "Eric" durch die Hashfunktion SHA-256 umgewandelt. In der zweiten Zeile steht der Hashwert für das Wort "Erik". Obwohl bei den Eingabewerten lediglich ein Buchstabe anders ist, sind die beiden Hashwerte komplett unterschiedlich.

Beim Bitcoin versuchen die Miner (Personen bzw. Computer) durch mathematische Gleichungen einen Hashwert zu finden. Eine Blockchain besteht aus Blöcken, welche durch einen Hashwert dargestellt werden. Aus dem vorhergehenden Block und neuen transaktionsrelevanten Informationen werden dann neue Hashblöcke ausgerechnet. Dadurch wird die Blockchain immer länger*.

Derzeit beträgt die Größe der Bitcoin-Blockchain 216-Gigabyte (GB) (Stand: 04.05.2019). Um dieses Paket auf einem Computer zu installieren, können bis zu zwei Wochen vergehen. Die Bitcoins werden in persönlichen "digitalen Brieftaschen" (sogenannten Wallets) gespeichert. Der Wert der Kryptowährung wird durch Angebot und Nachfrage geregelt. Die Anzahl der Coins kann den Wert 21 Millionen nicht übersteigen. Dies ist durch den Erfinder, der unter dem Pseudonym Satoshi Nakamoto läuft, begrenzt worden. Laut Schätzungen wird diese Summe im Jahr 2130 erreicht sein. Zu diesem Zeitpunkt sind alle Rechenaufgaben gelöst und der Bitcoin aufgebraucht [3].

Kryptowährungen

Es gibt neben dem Bitcoin auch noch andere – weniger bekannte – Kryptowährungen. Die Top 10 der Kryptowährungen sind in Abb. 1 dargestellt.

Kryptowährungen stellen derzeit eine willkommene Alternative zu herkömmlichen Bezahlverfahren dar, denn diese regeln sich unabhängig vom Bankensystem. Verstärkt wird die Tendenz zu virtuellen Währungen durch die vorherrschende Nullzins-Politik, weil es sich nicht lohnt, Geld auf einer Bank zu halten. Hinzu kommt, dass das anonyme Bezahlen im Internet oftmals durch die Banken eingeschränkt wird, sodass viele Personen und leider auch Kriminelle auf Kryptowährungen zugreifen und daher insbesondere der Bitcoin als Währung der Kriminellen und der Spieler gilt.

Die Entwicklung der Hardware für Kryptogeld

Die für das Schürfen der Coins benötigten Hardwarekomponenten sind bedingt durch das rasante Ansteigen der Rechenoperationen immer komplexer und teurer geworden. Dies soll am Beispiel des Bitcoins veranschaulicht werden. In den Anfängen der Bitcoin-Blockchain konnte man einen Laptop oder Desktoprechner zu Hause nutzen, um nach den Bitcoins zu schürfen. Die damals eingesetzten Hardwarebausteine waren sogenannte ASIC Miner (s. Abb. 2).

Diese Hardware war sehr weit verbreitet und mit der Größe einer 2-Euro-Münze vergleichbar. Diese steckten in einem USB-Hub, welcher die Bausteine mit Strom versorgte, wobei der Energieverbrauch noch gering war und daher die Umweltauswirkungen gering waren. Mit Zunahme der Blockchain wurde es immer schwerer, einen neuen Block zu finden, deswegen wird immer mehr Rechenleistung benötigt.

In Abb. 3 ist das Modell Mining Rig aufgeführt, welches im Jahr 2016 im Einsatz war. Dieses zeigt sechs Highend-Grafikkarten der Firma Nvidia mit einem Mainboard und zwei Netzteilen zu je 1.250 Watt Leistung. Der Einsatz solcher Komponenten benötigt bereits einen hohen Energieverbrauch.

Zum aktuellen Zeitpunkt ist es nicht mehr möglich, mit Standard-Hardware am Schürfen von Bitcoins beteiligt zu sein. Damit ist jegliche Hardware gemeint, die von Privatpersonen angeschafft werden kann. Um jetzt noch etwas mit Bitcoin zu verdienen, wird ganz spezielle Hardware benötigt. In Abb. 4 ist der Antminer S9 dargestellt. Dieser ist derzeit das Spitzenmodell im Kryptomining-Geschäft [7].

Wirtschaftlichkeit, Lärmentwicklung und Energieverbrauch

Das folgende Rechenbeispiel soll in einer einfachen Einnahmen-Ausgaben-Rechnung aufzeigen, ab wann sich ein Schürfen nach Bitcoins lohnt: Ein Antminer S9 (mit 1.375 Watt Leistung) kostet in der Anschaffung ungefähr 2.000 € (ohne Netzteil). Pro Tag können ca. 9,00 bis 9,50 € erwirtschaftet werden (Annahme für die Beispielrechnung). Die Stromkosten pro Tag liegen bei einem Strompreis von 23 ct pro KWh bei ca. 7,60 € (in Deutschland). Dadurch liegt der Gewinn bei einer Betriebsdauer von 24 Stunden bei ca. 1,65 €. Damit sich die Anschaffungskosten amortisieren, müsste das Gerät 1.212 Tage (bzw. ca. 3,32 Jahre) im 24-Stunden-Betrieb laufen*.

Die Lärmentwicklung beim Betrieb des Antminer S9 liegt bei ca. 80 bis 85 dB. Zum Vergleich: Geräusche zwischen einem Schallpegel von 40 bis etwa 65 dB werden als leise, normal und angenehm empfunden. Ab 80 dB ist eine Schwelle erreicht, die als "laut" bzw. "Lärm" empfunden wird. Die Leistung bei diesem Gerät liegt bei 1.375 Watt, im 24h-Betrieb ergibt das 33.000 Wattstunden (33kWh) Energieverbrauch pro Tag und pro Jahr liegt der Verbrauch bei 12.045 Kilowattstunden (kWh). Zum Vergleich: Ein handelsüblicher leistungsstarker PC hat ca. 500 Watt Leistung. Pro Jahr sind dies 1.314 kWh (im 12h-Betrieb). Somit verbraucht ein einzelner Antminer S9 genauso viel wie 9 leistungsstarke PCs*.

Es werden immer leistungsstärkere Computer benötigt, um die Hashwerte zu finden und um die Rechenoperationen zu lösen. Deswegen schließen sich die Miner zu Netzwerken bzw. Pools zusammen (s. Abb. 5). Hinzu kommt, dass das Mining kein lukratives Geschäft mehr ist. Dies könnte sich allerdings auch ändern, denn je höher der Preis pro Bitcoin ist, umso höher werden die Gewinne der Miner ausfallen. In Abb. 6 ist zu sehen, wie stark der Bitcoin im letzten Jahr schwankte. Der niedrigste Wert war hier bei 2.844,43 € und der Top-Wert belief sich auf 8.157,91 €. Beobachtet man solche Schwankungen, merkt man, wie groß so eine Gewinnspanne werden kann.

Da die Blockchain zur Verschlüsselung des Bitcoins immer länger wird, braucht man auch immer mehr Rechenenergie. Der Stromverbrauch durch das Kryptomining ist enorm. Im November 2017 belief sich der weltweite Verbrauch auf 29,05 Terawattstunden (TWh) pro Jahr. Das entsprach ungefähr 0,13 Prozent des gesamten Weltstromverbrauchs pro Jahr und überschreitet die Menge, die z. B. Irland jährlich an Strom benötigt. Im Januar 2018 lag der aktuelle Stromverbrauch im Bitcoin-Mining bereits bei 42 Terawattstunden pro Jahr. Das entspricht einer Zunahme von 12,95 Terawattstunden (+12,95 TWh) bzw. 44 Prozent innerhalb von weniger als 3 Monaten. Der derzeitige Bitcoin-Energiebedarf (30.06.2019) liegt bei ca. 69,6 TWh/Jahr – Nicht nur der Wert des Bitcoins, sondern auch der Energiebedarf weist eine hohe Volatilität auf*.

Allein der Bitcoin gefährdet das Erreichen der Klimaziele weltweit und wird immer mehr zur Umweltkatastrophe.

Im Vergleich: Das derzeit leistungsstärkste Atomkraftwerk in Europa "Chooz" liegt in Frankreich und hat 2 Blöcke mit je einer Nettoleistung von 1.500 Megawatt und erzeugt damit pro Block maximal 13,14 TWh Energie im Jahr. Man bräuchte also ca. 5,3 solcher Kraftwerksblöcke, um den derzeitigen Bitcoin-Energiebedarf zu decken. Experten gingen in ersten Hochrechnungen davon aus, dass der Bitcoin bis Juli 2019 bis zu 140 TWh/Jahr benötigen wird (tatsächlicher Stand am 30. Juni 2019 ist 69,6 TWh/Jahr). Das wären gut 3 Prozent (bzw. 1,5 Prozent) des Stroms, der in den ganzen USA pro Jahr verbraucht wird (ca. 4.250 TWh). Damit gefährdet allein der Bitcoin das Erreichen der Klimaziele weltweit und wird immer mehr zur Umweltkatastrophe*.

Der derzeitige globale Strommix besteht zu über 60 Prozent aus fossiler Energie. Der Anteil an erneuerbaren Energien beläuft sich auf ca. 30 Prozent, der Rest ist Kernenergie. Der Großteil der Bitcoin-Minen liegt dort, wo der Strom billig ist, z. B. in der Mongolei, wo der meiste Strom durch Kohlekraft gewonnen wird. Steinkohleverbrennung erzeugt bis zu 1.080 g CO2, Braunkohle bis zu 1.230 g CO2 pro Kilowattstunde Stromerzeugung [13], d. h. ein 600-MW-Steinkohle-Kraftwerksblock erzeugt pro Stunde ca. 740 Tonnen CO2. Der Wirkungsgrad bei Kohlekraft liegt bei ca. 30 bis 40 Prozent, sodass 60 bis 70 Prozent des erzeugten CO2 auch noch für reine Verluste ohne Nutzenergie steht. Schon allein die Auswirkungen durch das CO2 sind verheerend für die Umwelt. Auch in Teilen Chinas gibt es einige Minen für Bitcoin, ebenfalls durch Kohlekraftwerke betrieben. In Chinas Großstädten herrscht zunehmend Smog, sodass man die Skyline nicht mehr sehen kann*.

Eine weitere Herausforderung stellen die Rohstoffe dar, welche für den Betrieb elektronischer Geräte benötigt werden. Neben den Rohstoffen wie Kohle oder Uran für die Kraftwerke, müssen auch die elektronischen Bauteile gefertigt werden. Dafür werden unter anderem seltene Erden gebraucht. Für die Akkus werden zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkus genutzt. Aber auch Coltan, aus dem die Hochleistungskondensatoren sind, ist sehr wertvoll. Diese Rohstoffe werden in primitiven Minen, teilweise durch Kinder gefördert. Viele Experten bemängeln eine zu undurchsichtige Lieferkette dieser Rohstoffe [9]. Ähnlich verhält es sich mit Kobalt, welches zum großen Teil aus dem Kongo kommt, wo kriegerische Auseinandersetzungen finanziert werden. Die EU hat bereits 2014 auf sogenannte kritische Rohstoffe hingewiesen. Dabei gelten diese immer dann als kritisch, wenn ein hohes Versorgungsrisiko und/oder eine große wirtschaftliche Bedeutung vorherrscht. Dies ist der Fall für insgesamt 27 Rohstoffe, von denen laut EU-Kommission weit über 90 Prozent von der EU importiert werden müssen (s. Abb. 7).

Der Abbau von seltenen Erden erfolgt bspw. mittels Säuren, die genutzt werden, um die Bohrlöcher auszuwaschen. Dabei bleiben große Mengen an giftigem Schlamm zurück und der Boden verliert dauerhaft seine biologische Aktivität und ist damit für jegliche landwirtschaftlichen Zwecke ungeeignet. Der Schlamm enthält unter anderem Thorium, Uran, Schwermetalle und Fluoride. Die Überreste werden in künstlichen Teichen gelagert. Besonders in China gibt es aufgrund fehlender Auflagen ein enormes Sicherheitsrisiko. Sollten diese Stoffe ins Grundwasser gelangen, könnte dies verheerende Folgen für die regionale Wasserversorgung haben. Abseits dieser Tatsache besteht ein erhöhtes Risiko für das Austreten von Radioaktivität, da viele seltenen Erden radioaktive Substanzen enthalten [10].

Betrachtet man den Rohstoffverbrauch durch die Kryptomining-Industrie, so erkennt man schnell folgenden Zusammenhang. Die in Abb. 2 zu sehenden ASIC-Miner, die ungefähr die Größe einer 2-Euro-Münze haben, wiegen ca. 40,8g. Ein Großteil davon entfällt auf die Hauptplatine, welche überwiegend aus Kunstharz besteht. Die Menge an seltenen Erden in solchen Chips fällt also relativ gering aus. Sieht man sich hingegen schon die nächste Generation an (vgl. Abb. 3) erkennt man, dass die Grafikkarten deutlich größer sind. Eine Nvidia Quadro P5000, welche zum Minen verwendet wird, wiegt 998g. Hat man 6 Stück davon, ergibt dies ein Gewicht von 5988g. Abb. 8 zeigt eine offene Nvidia-Grafikkarte. Solche Modelle können über eine Länge von 30cm hinausgehen. Die Breite beträgt teilweise über 10cm. Vergleicht man diese Karte mit einem 2-Euro-Stück-großen Miner, wird schnell ersichtlich, dass sehr viel mehr Rohstoffe benötigt werden, denn jedes Bauteil auf der Abbildung besitzt seltene Erden.

Ein Antminer S9 (Abb. 4) wiegt pro Einheit 4.600g. Das ist das 113-fache eines ASIC-Miners. Zu beachten ist, dass ein Großteil auf die metallene Hülle entfällt. Trotz alledem benötigt man deutlich mehr Rohstoffe für eine solche Apparatur. Um effizient zu minen, werden spezielle Chipsätze benötigt, die darauf optimiert werden, diese Berechnungen durchzuführen.

Zukunftsaussichten

Abschließend gehen wir der Frage nach, inwiefern das Kryptomining allein durch erneuerbare Energien realisiert werden kann und wie ein Trend mit der Kryptowährung dadurch aussehen könnte? Da die Bitcoin-Währung von keinem Institut oder einer offiziellen Organisation überwacht wird, regelt sich der Preis für die Coins durch das Angebot- und Nachfrage-Prinzip.

Einige Experten glauben, dass Bitcoin nur eine Modeerscheinung ist und dieser Trend sich schnell wieder ändern könnte. Angesichts der in Abb. 6 aufgezeigten Schwankungen gibt es auch allen Grund dazu. Die Goldman Sachs Group Inc. warnt eindringlich vor einer Bitcoin-Blase. Sie prangern an, dass eine Bitcoin-Transaktion bis zu zehn Tage dauern kann. Oft findet man in den einzelnen Shops, welche Bitcoin akzeptieren, sehr unterschiedliche Preise für den gleichen Artikel [12].

Mit Blick auf den aktuellen Trend stellt sich vielen die Frage, ob man die virtuelle Währung nicht auch so betreiben könnte, dass sie der Umwelt nicht so sehr schadet. Der Anteil an erneuerbaren Energien weltweit beträgt mehr als 5.000 TWh. Diese Zahl beinhaltet die geschätzten 140 TWh Energiebedarf für den Bitcoin mehrmals. Bereits nur der Anteil an Windenergie würde reichen, um den Bitcoin-Stromverbrauch zu decken*.

Einerseits ist es faszinierend und erschreckend zu sehen, wie einige Informatiker mit einer in der Theorie simplen Technik das Bankensystem auf den Kopf stellen konnten. Andererseits ist die Blockchain-Technologie sehr vielversprechend und daher auch für einen industriellen Kontext sehr interessant. Der Grund, dass z. B. Goldman Sachs den Bitcoin teilweise skeptisch sieht, liegt darin, dass man Angst vor etwas hat, dass man nicht kontrollieren kann. Einige Personen der Bitcoin-Community sehen selbst den Preis für einen Bitcoin irgendwann der einen Million nahe, was – zumindest im Bitcoin-Bereich – eine Hyperdeflation mit allen Nachteilen bedeuten würde. Ob das letzten Endes zutrifft, bleibt abzuwarten*.

Beim Bitcoin wird durch das mathematische Rätsel, welches gelöst werden muss, sichergestellt, dass immer nur alle 10 Minuten ein neuer Block gefunden wird. Dieser zeitliche Rechenaufwand für das Finden eines neuen Blocks passt sich immer an die Anzahl der Miner an, sodass die 10-Minuten-Zeitintervalle in etwa unverändert bleiben. Die Hardwareentwicklung in Richtung der Bitcoin-Mining-Devices ist erschreckend. Immer mehr Hardware wird benötigt und somit immer mehr Rohstoffe. Sollte sich an dem Abbauverfahren für viele kritische Rohstoffe nichts ändern, sind gravierende Umweltschäden vorprogrammiert. Nicht zu vergessen sind auch die Schäden, die die Menschen aufgrund der exorbitanten Nachfrage nach solchen Hardware-Devices tragen. Des Weiteren sind die Preise der Grafikkarten im Consumer-Bereich stark angestiegen. Eine Karte, die früher 250 € gekostet hat, kostet aktuell weit über 500 €. Da die Rohstoffe für solche Devices aber auch in Handys vorkommen, sind auch hier Preisanstiege nicht auszuschließen*.

Auf der anderen Seite müssen auch Münzgeld und Scheine hergestellt werden. Der Bitcoin könnte daher eine Chance für eine Zukunft sein, in der man auch diese Rohstoffe einsparen könnte. Würde man zum Beispiel mobile Payment-Systeme für Jedermann haben, wie z. B. per Smartphone, so wäre es möglich, diesen Trend in die richtige Richtung zu lenken. Des Weiteren wäre vielleicht eine nicht begrenzte oder eine extrem große Blockchain sinnvoll für so ein Vorhaben. Sollte es bis dahin vielleicht eine sinnvolle Methode geben, diese zu verwalten, so könnte man unter bestimmten Umständen die Aufsicht an eine offizielle Institution übergeben. Dies würde allerdings die Anonymität einschränken. Mit diesem Ansatz wäre es auch möglich, den Energieverbrauch für das Minen zu kontrollieren. Da die Miner nur eine begrenzte Lebensdauer haben, fällt hierbei viel Elektroschrott an, eine koordinierte Recycling-Strategie wäre sinnvoll. So könnten alte Miner die Grundlage für neue sein.

Überarbeitung des Artikels

* Der Artikel enthielt in der ursprünglichen Version einige Unklarheiten und falsche Daten. Der Text wurde daraufhin von den Autoren umfassend überarbeitet. Die geänderten Passagen wurden mit einem * gekennzeichnet.

Quellen
  1. The Economist: The great chain of being sure about things
  2. A. Czernik: Hashwerte und Hashfunktionen einfach erklärt
  3. Focus-Money: Virtuelles Geld – Bitcoins: Rasanter Aufstieg einer Phantom-Währung
  4. Statista: Die Top 10 der Kryptowährungen
  5. Youtube: DevilsBitcoins: Are USB miners profitable?
  6. techsurgeIO: GPU Mining Rig Tested CryptoCurrency
  7. bitcoin-live: Vorstellung Antminer S9 – #Lohnt sich das?!
  8. CNN Business: Inside Hong Kong‘s biggest Bitcoin mine
  9. welt.de: Nach diesem Handyrohstoff buddeln Kinder metertief
  10. D. Lohmann, N. Podbregar; 2011: Im Fokus: Bodenschätze: Die Jagd nach Seltenen Erden und anderen Rohstoffen
  11. uncertainty.com: How Much Video Memory?
  12. BTC Echo: Goldman Sachs warnt eindringlich vor Bitcoin Blase
  13. Wissenschaftliche Dienste des Deutschen Bundestages, WD 8 - 056/2007

Dr. Dina Barbian & Eric Gorzolla auf den IT-Tagen 2019

Zum gleichen Thema halten die Autoren einen Vortrag auf den diesjährigen IT-Tagen – der Jahreskonferenz der Informatik Aktuell.

Bitcoin, seine Verschlüsselung und der Aspekt der Nachhaltigkeit
(11.12.2019, 11:30 Uhr)

Autoren

Eric Gorzolla

Eric Gorzolla studiert Informatik an der Technischen Hochschule Nürnberg. Er schreibt gerade an seiner Abschlussarbeit über Hochverfügbarkeits-Servercluster im Unternehmensumfeld.
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Dr. Dina Barbian

Dr. Dina Barbian leitet das Institut für Nachhaltigkeit (Institute for Sustainability) in Nürnberg und hält Vorlesungen an der Schnittstelle zu Digitalisierung & Nachhaltigkeit.
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