Im folgenden Kapitel werden die wichtigsten Begriffe und Modelle im Zusammenhang mit dem Anwendungsfall erklärt. Die Blockchain-Technologie ist in aller Munde und wird größtenteils mit dem Bitcoin in Verbindung gebracht. Allerdings ist die Blockchain nur ein Teil innerhalb des Bitcoin-Ökosystems und stellt die notwendigen technischen Anforderungen zur Verfügung. Infolgedessen ist der Bitcoin lediglich eine Anwendung der vielfältigen Technologie. Die Blockchain basiert grundsätzlich auf dem Konzept der Distributed-Ledger-Technologien und birgt weitere interessante Ausprägungen.
3.3.2 Blockchain
Die Blockchain ist die bekannteste Ausprägung der Distributed-Ledger-Technologie. Hierbei werden alle Datensätze resp. Transaktionen mittels der Kryptografie miteinander verkettet. Die Datensätze werden hierfür in verschiedenen Blocks zusammengeführt. Da nicht jede DLT in Blöcke zusammengeführt wird, ist demzufolge auch nicht jede DLT eine Blockchain. Umgekehrt gehört aber jede Blockchain zu den Distributed-Ledger-Technologien. In dieser Arbeit wird die Blockchain als gesamtes Ökosystem angeschaut. Dies beinhaltet zum einen die Blockgenerierung sowie die Art und Weise, wie der Konsens innerhalb des Netzwerks zustande kommt. Zum anderen umfasst die Blockchain auch die jeweiligen Akteure und deren Berechtigungen (Richard
2019, S. 29–31).
3.3.2.1 Konsensfindung
In einem dezentralen Netzwerk gibt es weder eine Geschäftsführung noch eine öffentliche Instanz, welche für alle Teilnehmer Entscheidungen trifft. Deswegen müssen Entscheidungen, um beispielsweise eine Transaktion zu validieren und freizugeben, im Konsens des gesamten Netzwerks getroffen werden. Dies kann mit unterschiedlichen Methoden durchgeführt werden. In diesem Beitrag werden die zurzeit drei wichtigsten Verfahren beschrieben: Proof-of-Work, Proof-of-Stake und Proof-of-Authority (Peter
2017, S. 19).
3.3.2.1.1 Proof-of-Work
Die wohl bekannteste und auch von Bitcoin angewendete Methode ist die sogenannte Proof-of-Work-Konsensfindung. Diese Art von Konsensfindung geht von einem hohen Vertrauensmissbrauch aus und generiert eine große Last hinsichtlich Rechnerleistung. Aus diesem Grund werden durch Verwendung dieser Konsensfindung vergleichsweise große Mengen an Energie und Ressourcen verbraucht. Bei diesem Konzept versuchen sogenannte Miner des Netzwerks eine komplexe Rechnungsaufgabe in kurzer Zeit zu lösen, auch bekannt als Mining. Der erste Miner, welcher die Aufgabe korrekt gelöst hat, wird in Form von der jeweiligen Kryptowährung belohnt. Beim Bitcoin wird diese Belohnung alle 210.000 Blöcke halbiert. Mit der Proof-of-Work-Berechnung versuchen die Miner, eine bestimmte Transaktion zu validieren und die Korrektheit zu überprüfen. Dies wird mit den sogenannten Hash-Funktionen durchgeführt, welche schließlich einen Hash-Wert generieren. Ein Hash-Wert reduziert eine große Datenmenge auf eine kleinere Zeichenfolge. Ist die Berechnung erfolgt, werden die validierten Transaktionen zu einem Block zusammengefasst und der Blockchain angehängt. Peter (
2017, S. 19) beschreibt das dem Proof-of-Work-Verfahren zugrunde liegende Prinzip und die Vertrauensmotivation aus Sicht des Miners folgendermaßen:
„Ich habe gearbeitet, um die Transaktion zu validieren. Dabei war ich schneller und daher besser als meine Konkurrenten. Die Lösung ist richtig und dafür erhalte ich Geld. Wieso sollte ich einen falschen oder manipulierten Block generieren? Dann würde ich ja nichts an meiner Arbeit verdienen.“
Da sich sämtliche Miner im Netzwerk mit der Berechnung der Aufgabe resp. mit der Hash-Funktion beschäftigen, liegt das Vertrauen nicht bei einer einzelnen Gruppe oder einer Person, sondern im gesamten Netzwerk. Dies verringert die Chance eines Missbrauchs. Allerdings zeichnen sich der hohe Energieverbrauch und die relativ geringe Geschwindigkeit der Blockgenerierung als Nachteil aus.
3.3.2.1.2 Proof-of-Stake
Im Gegensatz zum Proof-of-Work-Verfahren benötigt das Proof-of-Stake-Verfahren weniger Energie und soll die Blöcke schneller generieren. Hierbei werden die Miner aufgrund des Vermögens gewichtet. Das Vermögen richtet sich nach dem Anteil der Token, welcher ein Miner besitzt. Im Zufallsverfahren wird schließlich ein Miner bestimmt, welcher die Aufgabe löst. Der Anteil der Tokens erhöht hierfür die Wahrscheinlichkeit, dass der Miner gewählt wird. Der Nachteil dabei ist, dass Teilnehmerinnen und Teilnehmer mit größeren Mengen an Tokens bevorzugt werden und die Chance, einen Block zu generieren, höher ist als bei Teilnehmerinnen und Teilnehmern mit einem kleineren Anteil. Peter (
2017, S. 19) erläutert die Sicht des Miners folgendermaßen:
„Ich habe sehr viel in diese Blockchain investiert, ihr Fortbestand und ihre Funktionsfähigkeit sind mir wichtig, daher kannst du mir vertrauen. Ich baue dir einen neuen Block und bürge mit meinem in diese Blockchain investierten Vermögen für die Richtigkeit. Sollte der Block falsch oder manipuliert sein, verliere ich mein Vermögen“
3.3.2.1.3 Proof-of-Authority
Die Proof-of-Authority-Konsensfindung knüpft an der Proof-of-Stake-Methode an und wurde im März 2017 entwickelt. Beim Proof-of-Authority gibt es keine herkömmlichen Miner, sondern die sogenannten Validatoren. Nebst der Anzahl an Coins und Tokens wird auch die Reputation der Validatoren bewertet. Beim Proof-of-Authority-Verfahren gibt es nur eine begrenzte Anzahl an Validatoren, welche einen Bewerbungsprozess durchlaufen müssen. Folgende Punkte werden dabei untersucht und spielen eine zentrale Rolle:
-
Identität mit einer öffentlichen Datenbank überprüfen
-
Gründliche Untersuchung der potenziellen Validatoren
-
Überprüfung der finanziellen Lage und der Reputation der Validatoren
Für das Vertrauen der Netzwerkteilnehmerinnen und -teilnehmer erläutert Peter (
2017, S. 19) die Sicht der Validatoren folgendermaßen:
„Bei der Konzeption dieser Blockchain wurde ich als Autorität festgelegt. Du kennst mich und vertraust mir. Wieso sollte ich also falsche Blöcke erzeugen?“
3.3.2.2 Blockchain-Arten
Die nachfolgend besprochenen Ausprägungen der Blockchain stellen vor allem den Grad der Dezentralität dar und haben ebenfalls einen Zusammenhang mit dem Konsensmechanismus. Das heißt, die Verteilung der Datenblöcke im Netzwerk und die Konsensfindung von einzelnen Entscheidungen. Dabei wird zwischen den öffentlichen, den privaten und den konsortialen Blockchains differenziert. Die öffentlichen Blockchains haben unbeschränkten Zugang und kommen mit dem Proof-of-Work-Verfahren zu einem Konsens. Die Datenblöcke werden auf der ganzen Welt durch unbegrenzt teilnehmende Nodes und Miners abgespeichert. Jeder kann sich einen entsprechenden Client kaufen und sämtlichen Datensatz lokal abspeichern. Infolgedessen spiegelt diese Art von Blockchain ein hohes Sicherheitsniveau in Bezug auf die Änderungen und Integrität der Daten sowie die Nachvollziehbarkeit wider.
Wie der Name sagt, bezieht sich eine private Blockchain auf einen geschlossenen Teilnehmerinnen- und Teilnehmerkreis, beispielsweise einer Unternehmung oder eines vordefinierten Kreises. Dadurch können auch Anwendungen mit sensiblen Daten schnell und flexibel eingesetzt werden. Zudem ist es möglich, verschiedene Perioden abzuschließen und zu archivieren. Dies führt dazu, dass sich die Datenmengen verringern und die Blockchain folglich durch mehr Kapazität und weniger benötigte Rechnerleistung schneller wird.
Eine weitere Art ist die sogenannte konsortiale Blockchain als Mischform zwischen einer privaten und öffentlichen Blockchain. Sie kann beispielsweise durch den Zusammenschluss mehrerer Firmen entstehen. Die Ausprägung kann sich an eine bestimmte Anwendung oder Branche richten. Der Vorteil besteht darin, daß ein bestimmter Teilnehmerkreis, wie beispielsweise die Energiebranche, abgeschirmten Zugriff auf die Blockchain habt und die Art und Weise der Konsensfindung maßgebend bestimmt.
3.3.3 Netznutzungsmodell
Im Zusammenhang mit dem später beschriebenen Anwendungsfall, welcher zur Vereinfachung des zukünftigen Netznutzungsmodells beitragen soll, wird in diesem Kapitel näher auf das bestehende Modell eingegangen.
Das Netznutzungsmodell der Strombranche Schweiz NNMV-CH 2018 (VSE, Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen
2018) verfolgt vor allem zwei Ziele. Zum einen stellt dieses Modell sicher, dass die Nutzung der Netze diskriminierungsfrei ist. Jeder hat das Recht auf den Bezug von Elektrizität und muss für die von ihm verursachten Kosten einen verursachergerechten Beitrag leisten. Zum anderen muss das Modell dafür sorgen, dass die nötigen Mittel für den Betrieb, Instandhaltung, Ersatz und Ausbau für eine netzseitig hohe Versorgungsqualität sichergestellt sind. Dies wird mit der Erhebung der sogenannten Netznutzungsentgelte (siehe Abschn.
3.3.1) realisiert. Aus volkswirtschaftlichem Interesse sollen diese Entgelte möglichst tief gehalten werden, weswegen parallele Leitungsführungen und Anlagen zu vermeiden sind. Die Beurteilung der Netzkapazität basiert grundsätzlich auf der Aus- beziehungsweise Einspeisung von elektrischer Energie (VSE, Ver-band Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen
2018, S. 12). Im Zusammenhang mit dem Netznutzungsmodell werden nach dem Branchendokument „Netznutzungsmodell für das schweizerische Verteilnetz“ (VSE, Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen
2018, S. 13–14) und dem Branchendokument „Anbindung von Regelpools an den Schweizer SDL-Markt“ (VSE, Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen
2013, S. 8–10) sowie dem Netznutzungsmodell Swissgrid (swissgrid ag
2012, S. 10) verschiedene Marktakteure unterschieden, welche nachfolgend kurz erläutert werden.
3.3.3.1 Netznutzungsentgelt
Das Netznutzungsmodell beinhaltet unter anderem auch das Netznutzungsentgelt, welches durch den geografisch zuständigen Verteilnetzbetreiber erhoben wird. In diesem Kapitel sollen nun die wichtigsten Anforderungen beziehungsweise die übergeordneten Ziele des Netznutzungsentgelts betrachtet werden. Das Netznutzungsentgelt wird insgesamt in vier Komponenten unterteilt, nämlich in den Netznutzungstarif, die Systemdienstleistungen, die Abgaben an das Gemeinwesen und in die Bundesabgaben (siehe Abschn.
3.3.2). Die Netznutzungsentgelte müssen verursachergerecht und diskriminierungsfrei sein. Die anfallende Netzbelastung und die daraus entstehenden Kosten sollen durch die jeweilige Verursacherin bzw. den Verursacher getragen werden. Weiter sollen sie zur Energieeffizienz und zur Ressourcenschonung beitragen sowie dezentrale Energieerzeugungsanlagen integrieren. Die Netznutzungsentgelte spiegeln ebenfalls einen Steuerungsmechanismus im Sinne einer Anreizschaffung zu netzdienlichem Verhalten wider. Dieses soll zur Effizienz beitragen, wodurch unnötige Netzausbauten verhindert werden können. Besonders zu beachten ist, dass die Entgelte einfache und verständliche Strukturen aufweisen müssen (Eidgenössische Elektrizitätskommission ElCom
2019).
3.3.3.2 Stromtarifierung
Der größte Teil der Schweizer VNB bestimmt seine Stromtarife jährlich und muss diese immer per 31. August für das folgende Jahr publizieren (Eidgenössische Elektrizitätskommission ElCom
2019). Zudem sind die VNB verpflichtet, deren Bestandteile jährlich anhand von standardisierten Berichten dem Regulator ElCom zu kommunizieren. Die zu übermittelnden Hauptbestandteile sind die Herleitung der anrechenbaren Kosten für die Bestimmung der Netznutzungsentgelte, die Kalkulation der Gestehungskosten für die Energie und die Kalkulation der Tarife. Die Tarifierung erfolgt jeweils auf der Datenbasis des vergangenen Jahres.
Der Stromtarif besteht aus den fünf Komponenten Netznutzungstarif, Energieliefertarif, Systemdienstleistungen, Abgaben und Leistungen an das Gemeinwesen sowie die Bundesabgaben. Der Netznutzungstarif wird für den Energietransport vom Ort der Produktion bis zum Verbraucher erhoben. Diese Komponente beinhaltet vor allem die kalkulatorischen Kapitalkosten der Netzinfrastruktur des jeweiligen VNB und sämtliche Kosten, welche durch den Transport anfallen. Die Netzinfrastrukturrendite ist reguliert und wird mit dem vorgegebenen WACC berechnet. Der Energieliefertarif ist der eigentliche Anteil, der bei einer vollkommenen Marktöffnung von der Endverbraucherin bzw. dem Endverbraucher frei ausgewählt werden kann. Er spiegelt die tatsächliche Energielieferung wider. Zurzeit wird dieser allerdings aufgrund der Gestehungskosten und den Verwaltungs- und Vertriebsgemeinkosten (VVGK) sowie einem regulierten Gewinnanteil berechnet. Sobald der Markt auch für Kleinkundeninnen und -kunden (< 100 MWh) geöffnet ist, kann dieser Preis frei durch das EVU bestimmt werden resp. er wird sich dem Markt anpassen müssen. Für den ständigen Ausgleich von Verbrauch und Produktion, resp. um die Netzstabilität zu garantieren, werden vom übergeordneten Netzbetreiber (Swissgrid) die sogenannten Systemdienstleistungen erhoben. Unter den Abgaben und Leistungen an das Gemeinwesen sind die kantonalen und kommunalen Beiträge zu verstehen, welche für allgemeine Leistungen wie beispielsweise Konzessionsgebühren für die Sondernutzung von öffentlichem Grund erhoben werden. Gemäß Art. 35ff. der Energieverordnung wird ein allgemeiner Netzzuschlag für den Bund erhoben, welcher im Stromtarif als Bundesabgabe gekennzeichnet ist.
Im Jahr 2019 betrug der Stromtarif des Netznutzungsgebietes von Energie Wasser Bern mit dem Energielieferprodukt „ewb.NATUR.Strom“ und der Netznutzungskategorie „Home“, welche dem Einfachtarif entspricht, gerundet insgesamt 21,50 Rp/kWh. (Eidgenössische Elektrizitätskommission ElCom
2020) Davon gehen 7,70 Rp/kWh zulasten des Netznutzungstarifs und lediglich 8,60 Rp/kWh zulasten des Energieliefertarifs. Die restlichen 5,20 Rp/kWh müssen dem übergeordneten Verteilnetzbetreiber, dem Gemeinwesen sowie dem Bund vergütet werden.
Die Öffnung des Strommarktes würde bedeuten, dass jede Endverbraucherin bzw. jeder Endverbraucher und Prosumer den Lieferanten für den Energieteil frei wählen könnte, sprich im vorherigen Beispiel wären dies die 8,60 Rp/kWh. Die vier anderen Komponenten bleiben im regulierten Bereich und werden durch den geografisch zuständigen Verteilnetzbetreiber erhoben.
Der Beitrag sowie der folgende Anwendungsfall fokussiert sich vor allem auf den regulierten Teil des gesamten Stromtarifs.
3.3.4 Ein Blick in die Zukunft
Grundsätzlich ist die Gestaltung von flexiblen Netznutzungstarifen gemäß der ElCom Mitteilung vom 27.02.2019 (Eidgenössische Elektrizitätskommission ElCom
2019) zulässig. Das heißt, neben einem Einfachtarif darf der Verteilnetzbetreiber dem Endkunden verschiedene Wahltarife anbieten, welche beispielsweise das netzdienliche Verhalten fördern sollen. Die Zuordnung eines Wahltarifs erfolgt dabei immer im gegenseitigen Einverständnis. Sämtliche Tarife müssen allerdings stets den Kriterien aus dem Abschn.
3.3.1 entsprechen. Deswegen müssen Regeln, wie ein Tarif zustande kommt, vorher definiert und klar kommuniziert werden. Dabei sind Flexibilitäten, welche von der Endverbraucherin bzw. dem Endverbraucher oder Prosumer zur Verfügung gestellt werden, in Form eines Entgelts zu entrichten (Eidgenössische Elektrizitätskommission ElCom
2019). Zusammengefasst eröffnet sich für den Verteilnetzbetreiber ein großer Handlungsraum, wie er seine Netznutzungstarife gestaltet und wie er seine Endverbraucherinnen bzw. -verbraucher und Prosumer dazu motivieren kann, das Netz möglichst optimal zu belasten. Diese Faktoren und die beschriebenen übergeordneten Ziele aus dem Abschn.
3.3.1 stellen die gesamte Strombranche vor diverse Herausforderungen. Einerseits ist der Verteilnetzbetreiber gewillt, die Endverbraucherinnen bzw. -verbraucher und Prosumer mit unterschiedlichen Wahltarifen zu steuern, damit Engpässe vermieden werden können. Andererseits ist er verpflichtet, die Strukturen der Tarifierung einfach und verständlich zu halten. Vom Regulator wird ebenfalls ein effizienter Netzbetrieb gefordert, was effiziente Prozesse impliziert. Des Weiteren sind in der Schweiz über 600 VNB zu verzeichnen, wodurch eine vielfältige Palette aus kreativen Netznutzungstarifen entstehen könnte. Diesbezüglich besteht die Gefahr eines unübersichtlichen Tarifdschungels. Auch im Hinblick auf die Strommarktöffnung und die vermehrte Dezentralisierung der Produktion wird sich die Abwicklung der Verrechnung und des Datenmanagements vermehrt erschweren.
Die DLT resp. Blockchain könnte hier eine mögliche Lösung darstellen, wie solche Wahltarife, das netzdienliche Verhalten und das Datenmanagement abgewickelt bzw. abgebildet werden könnten. Automatische Abläufe könnten zudem zur Verbesserung der Prozesseffizienz beitragen.