Blockchain-Werkstatt

Die Entwicklungen der letzten Jahre im Energiesektor zeigten, dass die Digitalisierung eines der zentralen Herausforderungen für diesen Bereich darstellt. Durch neue intelligente Technologien wie Smart Grids und IoT-Geräte werden immer mehr Informationen nahezu in Echtzeit gesammelt, welche nur durch Digitalisierung bewältigt werden können. Diese bereitgestellten Informationen stellen für Stromkunden, Strommarkteilnehmer und Netzbetreiber systemrelevante Daten dar und könnten dabei helfen, die Effizienz der Energiemärkte und -netze zu erhöhen. Grundvoraussetzung ist jedoch, dass diese Daten manipulationssicher und vertrauensvoll zur Verfügung stehen sowie in Echtzeit verarbeitet werden können. Hier kann die Blockchain-Technologie helfen, die enorme Informationsflut automatisiert zu bewältigen und die Integrität und Vertrauenswürdigkeit der Daten zu gewährleisten. Am Fraunhofer FOKUS Institut wird daher in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern untersucht, welche konkrete Anwendungsszenarien und Geschäftsmodelle sich für den Einsatz der Blockchain im Energiesektor ergeben. Mögliche Anwendungsfelder betreffen dabei (siehe Abbildung 1):

• Peer-to-Peer Energiehandel
• Außerbörslicher und dezentraler Energiehandel
• Handel und Bereitstellung von Systemdienstleistungen (Netzkapazitäten, Engpassmanagement)
• Elektromobilität
• Prozessautomatisierung von Dienstleistungen (Abrechnung, Lieferantenwechsel, Wartung)
• Zertifizierung von Herkunftsnachweisen

Was ist die Blockchain?

Technisch gesehen ist eine Blockchain als eine stetig erweiterbare Liste von Blöcken zu verstehen, welche miteinander verkettet und durch kryptographische Verfahren vor Veränderungen gesichert sind. Dabei enthält jeder Block eine Liste von Transaktionen, welche den Transfer von digitalen Assets zwischen Nutzern beschreiben können. Durch das Konzept der Smart Contracts ist jedoch auch möglich, jede beliebige Berechnung als Transaktion abzubilden. Das Rückgrat einer Blockchain bildet dabei ein hochverteiltes peer-to-peer Netzwerkes, in dem jeder Teilnehmer alle Transaktionen verifiziert und eine komplette Kopie der Blockchain bereithält. Die technischen Vorteile dieser Technologie prädestinieren sie für den Einsatz im Energiesektor:

• Entfall einer zentralen Instanz zur Speicherung von Daten
• Vertrauen in zentrale Instanzen wird durch verteiltes Vertrauen ersetzt
• Unveränderbarkeit der Daten ist durch kryptographische Verfahren gewährleistet
• Offene, nachvollziehbare und verteilte Speicherung von Daten
• Möglichkeit der Automatisierung von Prozessen durch Smart Contracts

Was versteht man unter einem Smart Contract?

Im Blockchain-Kontext sind Smart Contracts als selbstausführende Skripte bzw. Programme zu verstehen, welche in der Blockchain bereitgestellt und durch spezielle Blockchain-Transaktionen ausgeführt werden. Dabei erlauben Smart Contracts das Formalisieren beliebiger Berechnungen und Business-Logik und werden typischerweise in einer eigens bereitgestellten Programmiersprache entwickelt.

Laufende Projekte am Fraunhofer FOKUS Institut

In Zusammenarbeit mit industriellen Partnern werden bei Fraunhofer FOKUS aktuell verschiedene Pilotprojekte durchgeführt und Anwendungsszenarien entwickelt, um den Einsatz der Blockchain-Technologie im Energiesektor zu evaluieren.
 

• Blockchain-basierter Flexibilitätenhandel

Im Rahmen des vom BMWi und der SINTEG unterstützten WindNode Projekts wurde von Fraunhofer FOKUS eine blockchain-basierte Plattform zur Umsetzung eines zukunftsweisenden Flexibilitätenhandel entwickelt. Ziel der entworfenen Plattform ist es, die Integration lokaler und erneuerbaren Energiequellen in das lokale Energienetz zu erleichtern. Gleichzeitig sollen die durch nachhaltige und erneuerbare Energiequellen kurzfristig zur Verfügung stehenden Flexibilitäten erstmalig zum Erhalt der Netzstabilität eingesetzt werden können.
 

• Blockchain-basierter Peer-to-Peer Energiehandel

Im Kontext des durch das BMWi geförderten WindNODE Projekts wurde bei Fraunhofer FOKUS Instituts eine innovative und effiziente Plattform für den Handel lokal erzeugter Energie entwickelt. Die blockchain-basierte Plattform ermöglicht es Besitzern von lokalen und erneuerbaren Energiequellen, überschüssig erzeugte Energie direkt und ohne Mittelsmänner an Verbraucher in ihrer Nachbarschaft zu günstigen Preisen zu vermarkten. Da dies für beide Handelspartner monetäre Vorteile darstellt, kann die vorgeschlagene Handelsplattform den Einsatz und die Akquise von nachhaltigen und erneuerbaren Energiequellen fördern und so einen Beitrag zur Energiewende leisten. Durch die ökonomischen sowie ökologischen Vorteile könnte die Plattform somit richtungsweisend für die Integration von Smart Grids in den Smart Cities der Zukunft sein.
 

• Blockchain Testing Lab

Das Blockchain Testing Lab des Fraunhofer FOKUS Geschäftsbereich SQC bietet die Möglichkeit, Blockchain-Technologien und deren Anwendungsfelder detailliert und praxisnah untersuchen, evaluieren und einsetzen zu können. In dem bereitgestellten Labor werden dabei verschiedene Implementierungen der Blockchain als eigenständige peer-to-peer Netzwerke zur Verfügung gestellt. Diese sind als Sandbox-Umgebungen zu verstehen und bieten einen idealen Playground zum Testen und Evaluieren von innovativen Blockchain-Anwendungen aus dem industriellen und akademischen Umfeld. Hierdurch bietet das Blockchain Testing Lab das Potential zur Evaluierung und Zertifizierung dieser neuartigen Applikationen.

Weiterhin ermöglicht der Einsatz verschiedener Blockchain-Technologien die Gelegenheit, die Grundlagen der Blockchain und ihrer vielfältigen Variationen genauer zu verstehen und bis auf die Netzwerk- und Protokollebene untersuchen zu können. Dies ermöglicht, je nach Anwendungsfall die am besten geeignetste Blockchain-Variation evaluieren und auswählen zu können.

Wie kann der Öffentliche Sektor die Blockchain nutzen?​

Aktuell häufig diskutierte Anwendungsfälle sind bspw.

• Register und Eigentumsnachweise (z. B. Grundbuch)
• Verifikation und Bestätigung (z. B. Ausbildungszeugnis)
• Herkunftsnachweise (z.B. Wertschöpfungsketten)
• Digitale Identitäten
• Wahlen und Abstimmungen
• Bereitstellung & Verifikation offener Daten
• Public IoT

Prinzipiell bietet die Blockchain folgende Eigenschaften:

• Manipulationssichere Verteilung von Informationen und Daten
• Prozessoptimierung und Kosteneinsparungen durch den Verzicht von Intermediären
• Gewährleistung von hoher Sicherheit ohne einen zentralen Dienstleister
• Hohe Einsparungspotenziale durch Prozessautomatisierung (Smart Contracts)

Ob die Blockchain für das sinnvollste Werkzeug (z.B. hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Anwenderfreundlichkeit und Datenschutz) ist, und welche konkrete Ausprägung sich eignet, lässt sich in diesem noch jungen Thema bisher nicht generalisiert sagen, sondern muss im Einzelfall betrachtet werden.

WindNODE: Blockchain-basierter Flexibilitätenhandel

Im Rahmen des vom BMWi unterstützten WindNODE Projekts wurde eine Blockchain basierte Plattform zur Umsetzung eines zukunftsweisenden Flexibilitätenhandel entwickelt. Ziel der entworfenen Plattform ist es, die Integration lokaler und erneuerbaren Energiequellen in das lokale Energienetz zu erleichtern. Gleichzeitig sollen die durch nachhaltige und erneuerbare Energiequellen kurzfristig zur Verfügung stehenden Flexibilitäten erstmalig zum Erhalt der Netzstabilität eingesetzt werden können.

In dem durchgeführten Projekt wurde der Handel von verschiebbaren Lasten durch den Einsatz von Smart Contracts umgesetzt und in einem privaten Ethereum Netzwerk bereitgestellt. Durch den Einsatz einer Blockchain sind eine dezentrale Nutzung sowie verteilte Datenhaltung möglich. Weiterhin ist durch die Verwendung eines privaten Blockchain-Netzwerkes die Privatheit und der Schutz der sensiblen Daten gewährleistet.

WindNODE: Blockchain-basierter Peer-to-Peer Energiehandel

Im Kontext des durch das BMWi geförderten WindNODE Projekts eine innovative und effiziente Plattform für den Handel lokal erzeugter Energie entwickelt. Die Blockchain basierte Plattform ermöglicht es Besitzern von lokalen und erneuerbaren Energiequellen, überschüssig erzeugte Energie direkt und ohne Mittelsmänner an Verbraucher in ihrer Nachbarschaft zu vermarkten. Da dies für beide Handelspartner monetäre Vorteile darstellen kann, kann die vorgeschlagene Handelsplattform den Einsatz und die Akquise von nachhaltigen und erneuerbaren Energiequellen fördern und so einen Beitrag zur Energiewende leisten. Durch die ökonomischen sowie ökologischen Vorteile könnte die Plattform somit richtungsweisend für die Integration von Smart Grids in den Smart Cities der Zukunft sein.

Innerhalb der Plattform wird durch die Integration verschiedener Smart-Meter-Protokolle eine minutengenaue und Blockchain basierte Abrechnung der tatsächlich gehandelten Energie zwischen den Handelspartnern gewährleistet. Dabei ist sowohl das Speichern und Bereitstellen der Zählerdaten als auch der eigentliche Peer-to-Peer Energiehandel in Form von Smart Contracts umgesetzt. Diese werden in einem privaten Ethereum Netzwerk bereitgestellt, wodurch eine Zugriffskontrolle ermöglicht wird und somit die Privatheit und der Datenschutz der Zähler- sowie Handelsdaten gewährleistet werden kann.

Blockchain Testing Lab

Das Blockchain Testing Lab bietet die Möglichkeit, Blockchain-Technologien und deren Anwendungsfelder detailliert und praxisnah untersuchen, evaluieren und einsetzen zu können. In dem bereitgestellten Labor werden dabei verschiedene Implementierungen der Blockchain als eigenständige Peer-to-Peer Netzwerke zur Verfügung gestellt. Diese sind als Sandbox-Umgebungen zu verstehen und bieten einen idealen Playground zum Testen und Evaluieren von innovativen Blockchain-Anwendungen aus dem industriellen und akademischen Umfeld. Hierdurch bietet das Blockchain Testing Lab das Potential zur Evaluierung und Zertifizierung dieser neuartigen Applikationen.

Weiterhin ermöglicht der Einsatz verschiedener Blockchain-Technologien die Gelegenheit, die Grundlagen der Blockchain und ihrer vielfältigen Variationen genauer zu verstehen und bis auf die Netzwerk- und Protokollebene untersuchen zu können. Dies ermöglicht, die für einen spezifischen Anwendungsfall am besten geeignetste Blockchain-Variation evaluieren und auswählen zu können.

Digitale Identitäten in der Blockchain

Besonders viel Potential wird der Blockchain bei der Verwaltung von digitalen Identitäten zugeschrieben. Im Rahmen des Projektes mit dem Berliner Startup Jolocom wurde ein funktionierender Prototyp für die Erstellung, Verifikation und Suche digitaler Identitäten in der Ethereum-Blockchain aufgebaut. Die Lösung wurde in das dezentrale Kommunikationsnetzwerk des Unternehmens integriert. Ziel war es, herauszufinden, inwiefern sich die Blockchain-Technologie grundsätzlich und die Ethereum-Blockchain im Speziellen für das Management von dezentral gespeicherten digitalen Identitäten eignen. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Integration etablierter dezentraler Technologien, wie Linked Data oder WebID. Darüber hinaus wurden zentrale Aspekte wie Datenschutz, Nutzerfreundlichkeit, Skalierbarkeit und Kosten analysiert. Die Ergebnisse des Projektes lieferten verwertbare Erkenntnisse und Orientierungshilfen für den Einsatz der Blockchain in unterschiedlichsten Domänen.

• Jolocom
• Download Paper: Digitale Identitäten in der Blockchain

AEGIS

AEGIS ist eine Big Data Plattform zur Speicherung, Verarbeitung, Analyse und Handel von heterogenen und mehrsprachigen Daten aus vielfältigsten Domänen. Die Lösung ermöglicht einen unkomplizierten und web-basierten Einsatz von etablierten Big Data und Machine Learning Werkzeugen, wie Spark, Tensor Flow oder Jupyter. Dateneigentümer verfügen über volle Datensouveränität und können differenziert über die Freigabe ihrer Daten bestimmen. Auf Basis der Blockchainlösung Hyperledger Fabric werden Informationen über Datentransaktionen, Rechtevergabe und Nutzungsbedingungen transparent und manipulationssicher für alle Nutzer der Plattform verwaltet.  

• AEGIS-Projektseite

Blockchain IoT-Broker

Die Blockchain und verwandte Technologien werden bei der digitalen Vernetzung eine zentrale Rolle einnehmen. Das Internet der Dinge ist konzeptionell dezentral organisiert mit vielfältigsten Teilnehmern und Akteuren. Für einen effektiven und nachhaltigen Einsatz müssen Technologie- und Domänengrenzen überwunden werden. Zentral organisierte Lösungen stoßen hier an ihre Grenzen. Im Rahmen des Projektes wurde dieser konkrete Einsatz der Blockchain praktisch erprobt. Dafür wurde eine prototypische FOKUS-weite Broker-Plattform auf Basis der Hyperledger Fabric Blockchain aufgebaut. Die grundsätzliche Funktion ist dabei ein Rollen und Rechte-basiertes Management von physischen Assets. Notebooks, Kameras, Bücher etc. werden dabei in verschließbaren Schränken aufbewahrt, deren Zugriff über NFC und die Smart Contracts in der Blockchain gesteuert wird. Dadurch ist zu jedem Zeitpunkt transparent, welche Assets von welchem Teilnehmer verwendet werden und welche Verfügbarkeiten bestehen.  

• Leistungszentrum Digitale Vernetzung

Die menschliche Blockchain

Wie funktioniert eine Blockchain? Wie sieht eine Transaktion aus und wieso kann sie nicht manipuliert werden? Um Blockchain zu verstehen muss man sie erleben. In diesem Tutorial werden Sie daher Teil eines Blockchain-Netzwerkes. Sie übernehmen die unterschiedlichen Rollen eines Blockchain-Knotens, in dem Transaktionen verteilt, verifiziert und gespeichert werden. Doch Vorsicht! Schwarze Schafe versuchen immer wieder Fälschungen einzustreuen und das System zu attackieren. Ein kurzweiliges Spiel mit Lerneffekt. Ganz nebenbei erfahren Sie, wie Konsens in einem verteilten Netzwerk entsteht und was im inneren einer Blockchain tatsächlich stattfindet.

• Kompetenzzentrum Öffentliche IT