Dies ist wahrscheinlich das kontroverseste Thema, wenn es um Bitcoin geht. Aber es ist auch eines der digitalen Themen, bei denen es nicht ausreicht, nur an der Oberfläche zu kratzen. Da Bitcoin als digitale Technologie erst 14 Jahre alt ist, gibt es ständig Neues zu erforschen und zu entdecken. Jeden Tag kommen neue Erkenntnisse hinzu.
Es geht um den Energieverbrauch beim Bitcoin-Mining-Prozess (Proof-of-Work/PoW), der wiederum für den Konsens im Netzwerk essentiell ist.
Es geht auch darum, aus welchen Energiequellen der benötigte Strom erzeugt wird. Das ist aber noch nicht das Ende der Fahnenstange. Man ist schnell dabei, in diesem Zusammenhang auch von einer effizienten Energiewende zu sprechen, denn Mining-Geräte sind dankbare Verbraucher in einem Stromnetz und man kann über sie auch Energie erzeugen. Bitcoin-Mining-Geräte werden auch als Bitcoin-Rechenzentren oder Bitcoin-Data-Center bezeichnet. Im Folgenden werde ich den Begriff „Bitcoin Data Center“ verwenden.
Der Stromverbrauch beim Mining ist bekanntlich sehr hoch – das lässt sich nicht leugnen. Das muss man auch nicht. Unser gesamtes gesellschaftliches Leben ist auf Strom aufgebaut und gerade die Digitalisierung macht den Strombedarf weltweit sehr hoch.
Digitalisierung heißt Stromverbrauch
Betrachtet man die digitale Welt, so steigt der Stromverbrauch exponentiell mit dem technologischen und digitalen Fortschritt.
Mit der Einführung des TCP/IP-Protokolls 1983 und dann Anfang der 90er Jahre mit der beginnenden Einführung des Internets an deutschen Universitäten ist die Zahl der Internetnutzer stetig gestiegen. Im Jahr 2015 waren es weltweit rund 3 Milliarden Menschen, im Jahr 2021 sogar 4,9 Milliarden, und entsprechend ist auch der Online-Besucherstrom („Internet Traffic“) gewachsen. 2021 waren es 3,4 Zettabyte. Damit steigt auch die Leistung der digitalen Rechenzentren und deren Stromverbrauch.
Interessant wird es auch, wenn wir nun zusätzlich den Stromverbrauch von AI betrachrten.
AI ist mit dem offiziellen Launch von ChatGPT im November 2021 und den seit dem bereits unüberschaubaren neuen AI Applikationen in eine Phase eingetreten, in der Stromverbrauch der AI-Datencenter noch einmal überproportional bzw. überexponentiell bereits angestiegen ist. Und es ist unvorstellbar, in welche Richtung sich dies bewegt. Es ist nicht vorstellbar, dass dieser Verbrauch jemals wieder sinken wird. Im Gegenteil, er wird weiter steigen.
Unser Lebensstandard basiert auf der Nutzung und dem Verbrauch von Elektrizität. Ein weiterer wichtiger Punkt in dieser Diskussion sollte sein, dass Energieverbrauch nicht mit CO2-Emissionen gleichgesetzt werden darf. Natürlich entstehen bei der Stromerzeugung CO2-Emissionen, wenn der Strom aus fossilen Energieträgern (z.B. Gas, Kohle) erzeugt wird, aber dem versucht man durch regenerative Energiequellen (z.B. Wind, Sonne, Wasserkraft) entgegenzuwirken.
Digitales, sicheres und hartes Geld bedeutet Stromverbrauch
Die Technologie, die den Strom für das Mining von Bitcoins benötigt, ist im Wesentlichen die Mining-Hardware. Die Mining-Hardware ermöglicht das Schürfen (Mining) und kryptographische Sichern von Bitcoins. Bei diesem Prozess werden Informationen bzw. Transaktionsdaten verifiziert, gesichert und in einem Block verankert. Dies erfordert eine hohe Rechenleistung (Hashrate), da die Informationen im Nachhinein nicht mehr verändert werden sollen. Je höher die Hashrate des Netzwerkes ist, desto sicherer ist das Netzwerk und somit besser vor Angriffen geschützt.
ein Bitcoin-Rechenzentrum
Der Energieverbrauch der Bitcoin-Miner ist oft nur eine Schätzung. Wir wissen nicht genau, wie viele Miner weltweit die notwendige Arbeit verrichten. Die Schätzung erfolgt, indem zum einen die Hashrate, also die Rechenleistung der Mining-Hardware, die für den Proof-of-Work-Konsens-Mechanismus benötigt wird, und zum anderen der dafür benötigte Energieverbrauch ermittelt werden.
Daraus ergibt sich ein Wert mit der Einheit Terrawattstunde (TWh). Eine Terawattstunde entspricht einer Billion Wattstunden.
Proof-of-Work ist ein Konzept zur Absicherung des Netzwerkes und zur Konsensfindung. Dabei lösen die Miner Rechenaufgaben per Zufallsprinzip und stellen damit dem Netzwerk Rechenleistung zur Verfügung. Dies sichert das Netzwerk ab. Für die Bereitstellung dieser Rechenleistung bekommen die Miner eine Belohnung, den sogenannten Block-Reward.
Blocktrainer
Warum braucht Proof-of-Work so viel Strom?
Beim Mining wird Arbeit aufgewendet, und zwar die Arbeit von (oft) hochwertigen Computern. Wir sprechen also von digitaler Arbeit pro Zeiteinheit, um einen Block auf der Bitcoin-Blockchain zu generieren. Um einen Datenblock zu sichern, sind im Proof-of-Work-Prozess viele Rechenversuche (Trial & Error) notwendig, um ein Rätsel zu lösen, damit ein Block mit den entsprechenden Geldtransaktionen sicher erstellt und gesichert werden kann.
Es gibt einige Instanzen, die Zahlen bereitstellen oder die Zahlen aus vielen verschiedenen Quellen bereitstellen. Die Quellen verwenden unterschiedliche Zahlen bzw. wenden unterschiedliche Methodologien zur Messung an, so dass sich momentan keine identischen Zahlen ergeben.
Zwei Quellen möchte ich hier nennen:
- Das Bitcoin Mining Council (BMC) veröffentlicht seit 2021 regelmäßig in seinen Quartalsberichten den Stand des Energieverbrauchs. Das Bitcoin Mining Council ist ein Zusammenschluss der Mining-Industrie, kann also mit realen Verbrauchszahlen arbeiten und diese veröffentlichen. Die Vereinigung des BMC macht ca. 50% der globalen Miningindustrie aus. Zentrale Kennzahlen sind der Energieverbrauch, die Herkunft des Energie im Sinnen emissionsbehafteter und -freier Energiegenerierung und die Leistung.
- Eine weitere Quelle bezüglich des Energieverbrauch von Bitcoin ist der Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (CBEI). Das CBEI ist unabhängig von der Mining-Industrie und arbeitet daher mit Schätzungen.
Es ist sinnvoll, immer mindestens diese beiden Quellen bei der Betrachtung des Energieverbrauches von Bitcoin zu betrachten, um dabei mehr als eine Perspektive einzunehmen.
Wie trägt der Stromverbrauch des Minings zur Wirtschaftlichkeit bei?
Der immense Stromverbrauch wird hauptsächlich durch die Mining-Unternehmen verursacht. Die 4 größten Unternehmen sind momentan
Alle diese Unternehmen sind in den USA ansässig und Mitglieder des Bitcoin Mining Councils.
Die Wirtschaftlichkeit dieser Unternehmen wird hauptsächlich durch drei Punkte geprägt:
- Strompreise
- Hash-Rate (also das Leistungsvermögen der Mining-Geräte)
- Bitcoin-Preis
Strompreis
Wenn wir uns die Strompreise der vergangenen Jahre anschauen, dann gab es hier viel Bewegung, wie wir selber alle erfahren konnten. Der Strompreis 2022 ist in Deutschland vergleichsweise zu 2021 explodiert. Neukunden haben im September 2022 teilweise 100% mehr als Bestandskunden für den Strompreis zahlen müssen. Im Zeitraum September bis Dezember 2022 ist der Strompreis wieder um ca. 80% gesunken.
Im Dezember 2022 war der Strompreis in Deutschland bei ca. 45 Cent pro KilowattStunde (kWh) und ist viel zu hoch für das kommerzielle Mining, jetzt liegt er bei ca. 40 Cent pro KilowattStunde. Ein Bitcoin-Mining-Rechner als Full-Node verbraucht ca. 2,8 kWh, was ca. 67,2 kWh am Tag entspricht. Das wiederum entspricht täglichen Stromkosten von ca. € 26,88 pro Tag, also ca. € 9811,- pro Jahr. Dazu kommen Initialkosten für die Hardware, Kosten für die Räumlichkeiten und weitere Opportunitätskosten. Daher gilt das Bitcoin-Mining in Deutschland nicht als lukrativ.
In den USA lag der Preis in Texas 2022 für die KilowattStunde bei ca. ¢ 13 – Strom, der durch Solar-Anlagen produziert wurde. So entstehen Kosten von nur ca. $ 8,73 pro Tag, $ 3188 pro Jahr, also ca. nur ein Drittel der Kosten, die in Deutschland entstehen würden.
Daher hat sich das Mining sehr stark auf den US-Markt verlagert. Generell kann man sagen, Miner suchen sich immer mehr den rentabelsten Strompreis und das sind die der erneuerbaren Energiequellen.
Dass das Mining in Deutschland für gewisse Industriebereiche dennoch ein lukratives Geschäft werden kann, werden wir noch weiter unten lesen.
Hash-Rate
Die Hash-Rate ist ein Ausdruck über die Leistungsvermögen eines Mining-Unternehmens oder -Pools. Laufen viele Mining-Geräte, ist die Leistung für das Netzwerk entsprechend höher als wenn wenige Geräte zur Verfügung stehen. Die Chance, Bitcoins überhaupt minen zu können, steigt mit der Größe der Infrastruktur bzw. der dem Netzwerk bereitgestellten Hash-Rate.
Bitcoin-Preis
Für jeden erfolgreich geschürften Block verdient man zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels 6,25 Bitcoin. Beim jetzigen Bitcoin-Kurs von ca. € 26.000 sind das mehr als € 162.500 Umsatz pro erfolgreich geschürften Block.
50Hz – diese Frequenz muss gehalten werden
Jetzt ist der Zeitpunkt gekommen , um noch etwas tiefer in den Kaninchenbau Bitcoins zu kriechen. Schauen wir uns jetzt ein paar Punkte zur Energiewirtschaft an, damit wir den Bogen zu Bitcoin als Innovationstreiber dieser Industrie anschauen können.
Bitcoin kann das Stromnetz, das in Deutschland mittlerweile fast zur Hälfte aus regenerativer Energie gespeist wird, unterstützen. Es kann den Wechsel zu einem grünen Strom-Mix noch weiter vorantreiben.
Das regenerative Stromnetz hat ein paar Punkte, denen man mehr Beachtung schenken muss als das durch fossile Energiequellen gespeiste Netz. Zum Beispiel spielt die Stabilisierung der Netzfrequenz von 50 Hz eine weitaus bedeutendere Rolle. 50 Hz bedeutet, dass der Strom 50 Mal pro Sekunde zwischen dem Plus- und Minus-Pol wandert.
Die Netzfrequenz ist ein Indikator für eine ausgeglichene Bilanz zwischen erzeugter und verbrauchter elektrischer Wirkleistung. Jedes Wirkleistungsungleichgewicht führt im synchronen Netzverbund der frequenzstarr gekoppelten Synchrongeneratoren unmittelbar zu einer Abweichung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz (s. Abbildung unten). Ist die erzeugte Wirkleistung größer als die verbrauchte Wirkleistung, steigt die Netzfrequenz an. Demgegenüber fällt sie ab, wenn die nachgefragte die angebotene Wirkleistung übersteigt. Die Netzfrequenz kann damit als Regelgröße herangezogen werden, um eine ausgeglichene Leistungsbilanz zu erzielen.
enagrus.de
Die Aufrechterhaltung der Netzfrequenz von 50 Hz ist also wichtig, damit das Stromnetz stabil läuft und die einzelnen Abnehmer, die mindestens europaweit 50 Hz Wechselstrom benötigen, nicht beschädigt werden. Abweichungen von nur wenigen Prozent können schon zu Schäden führen. Auch kann es zu sogenannten Blackouts, also Stromausfällen, kommen.
Das kann passieren, weil die Erzeugung und der Verbrauch von Strom asynchron läuft, d.h. der Strom wird zu einer Tageszeit durch z.B. Photovoltaik-Anlagen erzeugt, zu der der Stromverbrauch nicht so hoch ist, wie zum Beispiel Abends. Abends ist der Stromverbrauch höher, aber dann wird kein Strom durch Sonnenenergie geschaffen. So könnte es zu einem Ungleichgewicht durch diese asynchrone Wirkleistungserzeugung und -verbrauch kommen.
Bei der Windkraft ist es ähnlich. Und das Stromnetz muss konstant mit 50 Hz laufen, das heißt, je nach Auslastung muss mehr Strom generiert werden, manchmal aber auch weniger.
Die Kontrolle und Regulierung der Netzfrequenz im Stromnetz erfolgt durch die Netzbetreiber. Eine Option, eine stabile Regulierung des Stromnetzes durchzuführen, wären Batterie-ähnliche Geräte zu Speicherung von Strom bereitzustellen. Batterien mit hohen Kapazitäten, die man hierfür benötigen würde, sind jedoch enorm teuer und Ressourcen-fressend, also kaum eine nachhaltige Option.
Bitcoin kann das Stromnetz stabilisieren
Der Strom-Bedarf Bitcoins, hervorgerufen durch ein Bitcoin Daten-Center, kann ein konstanter Strom-Abnehmer in einem schwankenden Stromnetz sein. Im Jahr 2021 wurde über Windkraftanlagen, mehr Strom generiert, als abgenommen werden konnte.
„Energieversorger haben Anspruch auf Entschädigung, wenn sie ihren Strom nicht einspeisen können. 2021 erhielten sie dafür 807 Millionen Euro – so viel [wie] nie.[…]
Die Zeit – 12.12.2022
Im vergangenen Jahr [2021] konnten die Produzenten laut RND rund 5.800 Gigawattstunden Strom nicht ins Netz einspeisen.“
Noch einmal zum Verständnis: dieser Umstand hat dazu geführt, das die Windkraftanlagenbetreiber im Jahre 2022 eine stattliche Summe von über 800 Millionen Euro ausgezahlt bekommen haben. Für Strom, den sie mit Windkraftanlagen erzeugt haben, der aber aus Gründen fehlender Nachfrage nicht abgenommen werden konnte.
Diese Energie, die nicht verwendet werden kann, ist auch bekannt als „stranded energy“ („gestrandete Energie“). Diese Energie könnte jedoch vor Ort angesichts der inhärenten Vorteile des Bitcoin-Minings zu Geld gemacht werden. Das Ergebnis ist eine zusätzliche Einkommensquelle ohne zusätzliche Emissionen für Energieerzeuger, wodurch letztendlich Einnahmen aus praktisch kostenloser Energie generiert werden kann.
Ein Bitcoin-Data-Center kann als Abnehmer eingesetzt werden, sofort an- und ausgestellt werden, um positiv auf die Wirkungsleistung einzuwirken. Die Herausforderung ist, dass das Stromnetz sich mitsamt seiner Stromerzeugung, aber auch seinen Stromabnehmern, innerhalb eine kurzen Zeitfensters an die schwankende Netzfrequenz anpasst.
Nun haben wir hier mit einem Bitcoin-Data-Center einen Abnehmer, der sogar Umsatz generieren kann und gleichzeitig das Stromnetz stabilisiert.
Man stelle sich einmal vor, die Windkraftanlagen wären 2021 um Bitcoin-Data-Center erweitert worden, die als Stromabnehmer fungiert hätten und mit dem Strom, der nicht abgenommen werden konnte, Bitcoin geschürft hätten. Wäre die Nachfrage aus dem Stromnetz hoch, hätte man die Bitcoin-Data-Center einfach ausschalten können.
Mit der Investition in Bitcoin-Data-Center entstehen neue Umsatzmöglichkeiten und Möglichkeiten einer echten und effizienten Stabilisierung des Stromnetzes.
Mining erzeugt Wärme
Mining Geräte bzw. Mining-Daten-Center erzeugen durch die Leistung, die sie mit Strom erbringen, Wärme. Es gibt bereits Modelle, bei denen die Abwärme, die entsteht zum Heizen genutzt wird. Dabei werden Räumlichkeiten, die in der Nähe des Mining Daten-Centers stehen, beheizt.
Oder die Wärme wird genutzt, um sie einem weiteren Medium zuzuführen , wie zum Beispiel Wasser. So kann das Wasser oder sogar Öl erhitzt und entsprechend effizient für z.B. andere Produktionskreisläufe genutzt werden.
Strom für das Minen durch Nutzung von Gasen in Mülldeponien
Bitcoin-Mining führt auch dazu, dass über die Verbrennung von Gasen den Antrieb für eine Stromgenerierung geschafft wird.
Bei der Erdölförderung entstehen Gase, wie z.B. Methan. Bisher hat man das Methan einfach verbrannt und die Reststoffe der Atmosphäre zu geführt. In Texas werden nun die Gase einem Energiekreislauf zugeführt, verbrannt und die dann entstehende Energie erzeugt mit Hilfe eines Generators wiederum Strom für das Mining. Ölförderer haben die Gelegenheit für sich entdeckt, um so mit Produktionsabfällen in Verbindung mit erfolgreichem Mining weitere Umsätze zu schaffen.
Es gibt auch ähnliche Ansätze in der Müllverbrennung. Hier wird die Verbrennung von Gasen, die in einer Mülldeponie entstehen, genutzt, um Strom für das Mining zu generieren. Das hat eine positive Wirkung auf Treibhausgasemissionen. Gleichzeitig kann man auch hier mit dem Mining Umsätze generieren.
Weitere Innovationen im Bitcoin-Sektor kommen
Es entstehen aber noch weitere Innovationen, wie zum Beispiel bei terrahash.energy aus Augsburg, die sich mit ihrem Forschungszentrum genau die Aufgabe gestellt haben, Forschungsprojekte, aber auch Startups in ihren Projekten mit Bitcoin-Mining zu unterstützen.
Man hat hier bereits Lösungen zur Wärmerückgewinnung in dezentralen Energiesystemen parat.
Durch Wasser- und Ölkühlung ist es nicht nur möglich die Miner höher takten zu lassen, um so eine höhere Leistung (Hashrate) zu erzielen, sondern es ist gleichzeitig auch eine effiziente Methode die Abwärme der Chips nutzbar zu machen.
Terrahash.Energy
Fazit
Bitcoin fördert die Wirtschaftlichkeit von Stromerzeugungsanlagen und stabilisiert das Stromnetz. Bitcoin kann Innovationen im Bereich der erneuerbaren Energien technologisch vorantreiben, aber auch direkt für zusätzlichen Umsatz sorgen. Es ist spannend zu sehen, welche Felder sich bereits in den USA aufgetan haben, um Bitcoin Data-Center im Bereich der traditionellen und vor allem der regenerativen Energieerzeugern effizient und gewinnbringend zum Einsatz zu bringen. Es ist spannend zu beobachten, in welche Bereiche dies in Deutschland ziehen kann. Zentrale Stromerzeugungsanlagen, wie die Windkraft und Photovoltaik sollten mit Bitcoin-Datencenter als Stromabnehmer ausgestattet werden.
Es ist spannend zu beobachten, in wie weit Bitcoin-Mining hier in Europa und vor allem in Deutschland den Bereich der erneuerbaren Energien und die Energiewende vorantreibt, vielleicht sogar beschleunigt. Bitcoin in den Zusammenhang der Stromverschwendung zu bringen, ist bereits nicht mehr zeitgemäß, wir müssen hier nach den gewinnbringenden Innovationen Ausschau halten, um mit nachhaltigen Energiequellen unseren nicht endenden Hunger nach Strom effizient und nachhaltig zu stillen.
Inspirationen
Diese Referenzen habe mich inspiriert
Podcast Powering Bitcoin, „Bitcoin Mining als Anker für ungenutzte Energievorkommen„
Podcast Powering Bitcoin „Studying Bitcoin Electricity Use with Daniel Batten„
Podcast BTC-Echo Invest, „Was bedeutet die Energiekrise für Bitcoin“
Podcast Bitcoin verstehen, „Episode 134 – Hilft Bitcoin bei der Energiewende“
Yahoo Finance, Artificial Intelligence Is Booming—So Is Its Carbon Footprint
WinFutur, Stromfresser KI: Aufklärung über Energiebedarf von ChatGPT & Co
Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index
Miner Daily, How Much Power does it take to Mine a Bitcoin?
ASIC Jungle, The World’s First Biogas Bitcoin Mine
Cryptomonday, Bitcoin-Mining Deutschland: Bitcoin-Stromverbrauch und Strompreise Ländervergleich & Fakten!
enargus, Netzfrequenz
Bitcoin Mining Council, Global Bitcoin Mining Data Review Q4 2022
Havard Business Review, How Much Energy Does Bitcoin Actually Consume?
Zeit Online, Stromproduzenten erhalten Entschädigungszahlungen in Rekordhöhe
Insight DeFi (DE): Mining und die Nachhaltigkeit unserer Industrie
Verivox: Gestehungskosten