Wieso verbrauchen Kryptowährungen so viel Strom?

Kryptowährungen, insbesondere Bitcoin, sind in den letzten Jahren in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt, nicht nur wegen ihrer finanziellen Potenziale, sondern auch wegen ihres erheblichen Energieverbrauchs. Doch warum sind diese digitalen Währungen so energieintensiv? Der Hauptgrund liegt in den Mechanismen, die zur Sicherung und Validierung von Transaktionen verwendet werden. Diese Mechanismen, oft als „Mining“ bezeichnet, erfordern komplexe Rechenprozesse und spezialisierte Hardware, die rund um die Uhr laufen. Wie das genau funktioniert und wie hoch der Stromverbrauch beim Bitcoin-Mining wirklich ist, erfahren Sie in diesem Beitrag.

So hoch ist der Stromverbrauch beim Bitcoin-Mining

Im Jahr 2022 führten drei Wirtschaftsprofessoren der University of New Mexico in Albuquerque eine Studie über die klimatischen Auswirkungen von Bitcoin-Mining durch, die im Fachmagazin „Scientific Reports“ veröffentlicht wurde. Ihre Untersuchung ergab:

• 2020 belief sich der Stromverbrauch durch weltweite Bitcoin-Mining-Aktivitäten auf 75,4 Terawattstunden, ein Wert, der über dem Jahresstromverbrauch von Ländern wie Österreich (69,9 TWh) und Portugal (48,4 TWh) liegt.
• Von 2016 bis 2021 nahmen die Klimaschäden pro geschürftem Bitcoin kontinuierlich zu. Ein bedeutender Faktor hierbei ist, dass laut Schätzungen der Universität Cambridge etwa 61 Prozent des für das Mining verwendeten Stroms aus nicht-erneuerbaren Quellen, insbesondere Kohle und Erdgas, stammen.
• Besonders alarmierend: Ein im Jahr 2021 geschürfter Bitcoin verursachte basierend auf den Berechnungen der Forscher 126-mal mehr CO₂-Emissionen als ein im Jahr 2016 geschürfter Bitcoin. Dies bedeutet einen rasanten Anstieg von lediglich 0,9 auf 113 Tonnen CO₂ pro Bitcoin innerhalb von nur fünf Jahren.
• Die kumulierten Klimaschäden durch Bitcoin von 2016 bis 2021 belaufen sich auf schätzungsweise 12 Milliarden US-Dollar. Interessanterweise überstiegen die Klimaschäden 2020 an mehr als einem Drittel der Tage den eigentlichen Marktwert der geschürften Bitcoins. Das Extrem wurde im Mai 2020 erreicht, als die Klimaschäden 156 Prozent des Marktwertes eines Bitcoins betrugen. Dies bedeutet, dass jeder im Mai 2020 geschürfte Dollar an Bitcoin-Wert für 1,56 Dollar an globalen Klimaschäden verantwortlich war.

Seit der Studie sind nun auch wieder zwei Jahre ins Land gezogen, es ist daher zu befürchten, dass die Klimaschäden durch das Mining von Kryptowährungen noch weiter zugenommen haben. Kommen wir daher zu den Gründen, warum der Energiehunger von Bitcoin und Co. so hoch ist.

So kommt der hohe Stromverbrauch zustande

Das zentrale Dilemma digitaler Währungen, wie Bitcoin, besteht darin, dass sie keinen zentralen Organismus haben, der Bankkonten zuweist oder das Guthaben ihrer Benutzerinnen und Benutzer kontrolliert. Dies unterscheidet sie maßgeblich von herkömmlichen Währungen wie dem Euro oder Dollar. Anstelle einer zentralen Verwaltung werden alle Daten in einem dezentralen Netzwerk gespeichert. Um sicherzustellen, dass dabei keine Unregelmäßigkeiten auftreten – beispielsweise eine doppelte Ausgabe eines Guthabens – sind raffinierte mathematische Protokolle erforderlich. Jedoch sind nicht alle dieser Protokolle energieeffizient.

Als Bitcoin 2009 eingeführt wurde, zielte das Konzept darauf ab, eine dezentrale Datenbank zu etablieren. Jeder, der Teil des Bitcoin-Netzwerks werden wollte, konnte diese Datenbank herunterladen. Obwohl dies unkompliziert klingt, ist die sichere Implementierung einer solchen Datenbank tatsächlich eine große Herausforderung. Sie kann rasch unübersichtlich und enorm groß werden und muss zudem gegen Fälschungen geschützt sein. Dies führte zu Einschränkungen in der ursprünglichen Idee, wodurch das Blockchain-Prinzip entstand, um diese Probleme zu überwinden.

So funktioniert der Blockchain

Wenn man eine große Menge an Daten, beispielsweise Zahlungen von A nach B, in einer Datenbank speichern möchte, bietet der Blockchain eine strukturierte Lösung. Stellen Sie sich vor, man bündelt einen Teil dieser Daten zu einem „Block“. Nach demselben Prinzip wird ein weiterer Block aus den nächsten Daten erstellt und so fortgesetzt. Bis hierhin erscheint der Prozess noch nicht besonders effizient, da man zur Überprüfung jeder Transaktion jeden Block einzeln durchgehen müsste. Doch hier kommt die Kryptografie ins Spiel.

Die geniale Eigenschaft der Blockchain ist die Art und Weise, wie die Blöcke miteinander verknüpft sind: Man kann die gesamten Daten eines Blocks in eine eindeutige Zeichenfolge umwandeln und diese dann dem nachfolgenden Block hinzufügen. Beim Erstellen des dritten Blocks wird die Zeichenfolge des zweiten Blocks (die bereits die Zeichenfolge des ersten Blocks enthält) in den dritten Block integriert. So entsteht eine fortlaufende Kette von Blöcken, die durch diese einzigartigen Zeichenfolgen eng miteinander verbunden sind.

Herausforderungen der Blockchains

Der Blockchain mag zunächst wie eine Lösung für alle Probleme erscheinen, aber in der Praxis gibt es immer noch Herausforderungen. Eine zentrale Frage ist, wie man sicherstellt, dass neue Blöcke in der richtigen Reihenfolge hinzugefügt werden und alle Teilnehmer die gleiche Version der Blockchain sehen.

Ein Hauptproblem besteht darin, dass neue Blöcke oft schneller erstellt werden, als sie im Netzwerk mit anderen Benutzern kommuniziert werden können. Die Lösung? Überraschenderweise wird versucht, den Blockerstellungsprozess absichtlich zu verlangsamen.

Stellen Sie sich vor, es entsteht eine Gabelung in der Blockchain, weil zwei unterschiedliche Blöcke fast gleichzeitig erzeugt werden. Um dies zu verwalten, wird jedem Computer im Netzwerk ein zufälliger Timer zugewiesen. Erst wenn dieser Timer abgelaufen ist, darf ein neuer Block hinzugefügt werden.

Durch diese zeitliche Verzögerung kann es passieren, dass während der Übertragung und Verifizierung eines Blocks ein anderer hinzugefügt wird, was erneut zu Gabelungen führt. Allerdings sind diese nicht endlos. Wenn ein Zweig der Gabel mehr Blöcke enthält als der andere, wird der kürzere Zweig verworfen. Dies stellt sicher, dass alle Netzwerkteilnehmer schließlich einen gemeinsamen Konsens über die Blockchain erreichen.

Miner rechnen um die Wette

Die im vorherigen Abschnitt beschriebenen Timer basieren auf komplizierten Rechenprozessen. Dabei konkurrieren Computer, die als „Miner“ bezeichnet werden, darum, diese mathematischen Rätsel als Erste zu lösen. Im Durchschnitt alle zehn Minuten – ein für Bitcoin festgelegter Zeitraum – findet ein Miner die Lösung und hat somit das Recht, einen neuen Block zur Blockchain hinzuzufügen. Das Ergebnis seiner Rechnung wird ebenfalls hinzugefügt, sodass jeder die Richtigkeit seiner Arbeit überprüfen kann. Als Belohnung für seine Mühe erhält der Miner Bitcoin.

Doch dieser Prozess hat einen Nachteil: Er ist energieintensiv. Der genaue Energieverbrauch variiert je nach Anzahl der Miner und deren Rechenleistung. Ungefähr alle 14 Tage wird überprüft, wie lange es im Durchschnitt gedauert hat, einen neuen Block zur Blockchain hinzuzufügen. Wenn dieser Zeitraum weniger als zehn Minuten beträgt, wird die Rechenaufgabe schwieriger gemacht. Andernfalls wird sie vereinfacht. Dadurch wird der Energieverbrauch sowohl von der Menge als auch von der Effizienz der teilnehmenden Computer beeinflusst.

Energiesparende Berechnungsmethoden

Es gibt mittlerweile alternative Verfahren, um einen Konsens in der Blockchain herzustellen. Ein prominentes Beispiel ist der „Proof of Stake“, den die Ethereum-Blockchain seit September 2022 verwendet. Hierbei erhalten Teilnehmer mit einem größeren Anteil der Kryptowährung „Ether“ ein bevorzugtes Recht, neue Blöcke zu erstellen und Transaktionen zu bestätigen. Das bedeutet, dass Personen mit einem größeren Ether-Vermögen eine zentrale Rolle im Validierungsprozess einnehmen.

Dieses Verfahren erfordert erheblich weniger Energie als herkömmliche Methoden. Ein ausgewählter Kreis von Validierern prüft dann, ob der vorgeschlagene Block den Anforderungen entspricht. Anschließend entscheiden sie kollektiv, ob der Block zur Blockchain hinzugefügt wird.