Energiewende und Bitcoin-Mining: Ein effizienter Weg zur Netzstabilität?

Strom kann derzeit im Übertragungsnetz nur schlecht und ineffizient gespeichert werden. Für einen sicheren und stabilen Netzbetrieb muss die eingespeiste Strommenge jederzeit genau der entnommenen Strommenge entsprechen. Die Energiewende in Deutschland und Europa stellt das Stromnetz vor große Herausforderungen, denn erneuerbare Energien sind wetterabhängig und führen zu Schwankungen in der Einspeisung. Insbesondere die Regelung von Wind- und Solarenergie ist schwieriger als bei herkömmlichen Energiequellen. In diesem Blog-Beitrag untersuche ich in einem Gedankenexperiment, ob Bitcoin-Mining als flexible Last zur Stabilisierung des Netzes beitragen kann, indem es Zeiten mit Energieüberschuss nutzt und bei Bedarf schnell heruntergefahren werden kann.

Herausforderungen an die Netzstabilität durch die Energiewende

Die Energiewende in Deutschland und Europa verfolgt das Ziel, den Anteil erneuerbarer Energien am Strommix deutlich zu erhöhen. Dies hat in den letzten Jahren unter anderem zu einem deutlichen Ausbau der Wind- und Solarenergie geführt. Diese Energiequellen sind jedoch wetterabhängig und unterliegen starken Schwankungen. Bei starkem Wind oder intensiver Sonneneinstrahlung kann es zu einer Überproduktion von Strom bei geringer Nachfrage kommen, während an windstillen oder bewölkten Tagen weniger Strom produziert wird. Um dennoch auch an ertragsschwachen Tagen eine zuverlässige Versorgung mit Erneuerbaren Energien zu gewährleisten, müssen viele Wind- und Solaranlagen installiert werden. Dies verschärft das Problem der Überproduktion, insbesondere wenn die Anlagen aufgrund günstiger Wetterbedingungen ihre Nennleistung erreichen.

An den Strombörsen führen unflexible Kraftwerke wie Braun- oder Steinkohlekraftwerke, die Überproduktion erneuerbarer Energien und das Fehlen ausreichender Speicherkapazitäten zu negativen Strompreisen. Diese Preise signalisieren die Notwendigkeit, die Stromproduktion zu drosseln oder den Stromverbrauch zu erhöhen. Im Jahr 2023 lag die Anzahl negativer Preise mit 301 Stunden am Day-Ahead-Markt deutlich über den Vorjahren und markierte einen neuen Rekord nach 2020 mit 298 Stunden.

Kann der Markt das Ungleichgewicht zwischen Stromangebot und -nachfrage nicht ausgleichen, kommt es zu einer Über- oder Unterspeisung der Netzfrequenz, die immer bei 50Hertz +/- fünf Prozent liegen muss. Dies stellt das Stromnetz vor große Herausforderungen. Die Netzbetreiber müssen sicherstellen, dass zu jedem Zeitpunkt genau so viel Strom ins Netz eingespeist wird, wie verbraucht wird. Andernfalls drohen Instabilitäten, die im schlimmsten Fall zu Stromausfällen führen können. Bei Überspeisung werden daher vor allem Wind- und Solarkraftwerke abgeregelt. Das bedeutet, dass Anlagen gezielt abgeschaltet werden, um Angebot und Nachfrage im Stromnetz im Gleichgewicht zu halten. Die Abregelung erneuerbarer Energien mag derzeit eine effiziente Lösung sein, ist aber in Zeiten des Klimawandels schwer vermittelbar und allenfalls kurzfristig eine gute Lösung.

Eine aktuelle Initiative der Bundesnetzagentur verfolgt mit dem Ansatz „Nutzen statt Abregeln 2.0“ das Ziel, die Abregelung von erneuerbaren Energieanlagen aufgrund von Netzengpässen zu reduzieren. Dazu sollen vor allem flexibel steuerbare Verbraucher wie Batteriespeicher, Elektrolyseure zur Erzeugung von grünem Wasserstoff oder große Wärmepumpen die zusätzliche Nachfrage decken und den sonst abgeregelten Strom effektiv nutzen.

Genau hier setzt unser Gedankenexperiment an, denn ein weiterer flexibler Verbraucher kann durch das sogenannte Bitcoin-Mining erreicht werden.

Zwischenimpuls – Ein paar Definitionen…

Was ist eine Blockchain und was ist Bitcoin?

Blockchain ist eine digitale Technologie, die Daten dezentral, unveränderbar und transparent speichert. Jede Information wird in sogenannten Blöcken zusammengefasst und mit kryptographischen Methoden gesichert. Bitcoin ist eine digitale Währung, die auf der Blockchain-Technologie basiert. Sie ermöglicht es, Werte direkt von Person zu Person zu übertragen, ohne eine zentrale Institution wie eine Bank zu benötigen.

Was versteht man unter Bitcoin-Mining?

Bitcoin-Mining ist der Prozess, bei dem neue Bitcoins erzeugt und Transaktionen im Bitcoin-Netzwerk bestätigt werden. Dies geschieht nach dem Proof-of-Work-Konsens-Algorithmus und erfordert eine enorme Rechenleistung sowie einen hohen Energieverbrauch. Mining-Hardware besteht aus speziellen Computern, sogenannten Application-Specific Integrated Circuits (kurz ASICs), die komplexe mathematische Probleme lösen. Für die Bereitstellung der Rechenleistung erhalten die Miner Bitcoins als Belohnung. Die Wirtschaftlichkeit des Bitcoin-Minings hängt stark von den Energiekosten im Verhältnis zum erzielten Verkaufspreis ab. Grundsätzlich gilt: Je günstiger die Energie für das Mining ist, desto profitabler kann ein Bitcoin-Miner arbeiten.

Bitcoin-Mining als flexible Last

Ein interessanter Aspekt des Bitcoin-Minings ist die Flexibilität des Stromverbrauchs. Mining-Anlagen können schnell hoch- und heruntergefahren werden, was sie zu einer potenziell nützlichen flexiblen Last für das Stromnetz macht. In Zeiten der Überproduktion könnten die Miner den überschüssigen Strom nutzen, der sonst abgeregelt werden müsste. Bei Strommangel könnten sie ihre Aktivitäten reduzieren und so zur Stabilisierung des Netzes beitragen. Zudem erfolgt die Auszahlung (der sogenannte Mining Reward) in einer weltweit liquiden Währung (dem $Bitcoin) und das Mining selbst kann völlig ortsunabhängig durchgeführt werden.

Das energieintensive Bitcoin-Mining ist daher besonders geeignet, Antworten auf die Herausforderungen der Netzstabilität in der Energiewende zu geben:

• Ausgleich von Schwankungen in der Energieverfügbarkeit und Entschärfung von Netzengpässen.
• Erhöhung der Flexibilität und Planbarkeit erneuerbarer Energieerzeugung.
• Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien.
• Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien am Strommix.
• Einführung einer künstlichen Preisuntergrenze im Strommarkt.

Wer sollte das Mining betreiben?

Bitcoin-Mining könnte somit theoretisch eine ökonomisch effiziente Lösung für das Problem der Überspeisung bieten. Eine zentrale Frage ist, wer das Bitcoin-Mining zur Netzstabilisierung betreiben sollte - Stromerzeuger oder Netzbetreiber?

Erzeuger als Betreiber

Erzeuger erneuerbarer Energien könnten Bergbauanlagen betreiben, um überschüssige Energie, die andernfalls abgeregelt werden müsste, wirtschaftlich zu nutzen. Dies könnte ihre Einnahmen erhöhen und ihre Rentabilität verbessern. Insbesondere bei niedrigen oder gar negativen Strompreisen würde das Bitcoin-Mining eine neue Wirtschaftlichkeitsperspektive eröffnen. Unabhängige Stromerzeuger oder -lieferanten könnten zudem flexibel auf Marktbedingungen reagieren und das Mining je nach Verfügbarkeit und Preis des Stroms hoch- oder herunterfahren.

Netzbetreiber als Betreiber

Netzbetreiber könnten Mining-Anlagen betreiben, um kurzfristig auf Schwankungen im Stromnetz zu reagieren und die Netzstabilität zu gewährleisten. Sie verfügen über das technische Know-how und die notwendige Infrastruktur, um Mining-Anlagen effizient in das Netz zu integrieren und deren Betrieb optimal zu steuern. Dies könnte insbesondere für die Bereitstellung von Regelenergie und die Erhöhung der Netzsicherheit von Nutzen sein.

Hybride Modelle und Kooperationen

Kooperationen zwischen Erzeugern und Netzbetreibern könnten die Vorteile beider Ansätze kombinieren. Die Erzeuger könnten die überschüssige Energie liefern, während die Netzbetreiber das operative Management und die Netzintegration übernehmen. Gemeinsame Investitionen in die Erzeugungsinfrastruktur könnten die Kosten teilen und die Wirtschaftlichkeit verbessern. Auch die Einbindung spezialisierter Dienstleister, die im Auftrag von Erzeugern oder Netzbetreibern die Erzeugungsanlagen betreiben, könnte eine sinnvolle Lösung sein.

Beispiele aus anderen Ländern

In einigen Ländern wird Bitcoin-Mining bereits erfolgreich zur Netzstabilisierung und zur Nutzung überschüssiger erneuerbarer Energien eingesetzt. Diese Best Practices können als Vorbild für mögliche Umsetzungen in Deutschland dienen.

• USA (Texas): In Texas nutzen Bitcoin-Miner überschüssige Windenergie und nehmen an Lastmanagementprogrammen teil. Bei hoher Nachfrage oder geringer Stromproduktion reduzieren sie ihre Aktivitäten, um das Netz zu entlasten.
• Kanada (Quebec): Die reichlich vorhandene Wasserkraft in Quebec erzeugt häufig Überschüsse, die von Bitcoin-Minern genutzt werden. Diese flexible Last hilft, das Netz stabil zu halten und die Wirtschaftlichkeit der Wasserkraftwerke zu verbessern.
• Island: Mit einer stabilen und kostengünstigen Energieversorgung durch Geothermie und Wasserkraft ist Island ein attraktiver Standort für das Bitcoin-Mining. Miner nutzen überschüssige Energie und tragen zur Effizienz der Energieerzeugung bei.
• Norwegen: Norwegen produziert große Mengen an Wasserkraft und nutzt Bitcoin-Mining, um das Netz zu stabilisieren und die Wirtschaftlichkeit der Wasserkraftwerke zu erhöhen.

Diese Beispiele zeigen, dass das Bitcoin-Mining flexibel und schnell auf Schwankungen im Stromnetz reagieren kann und damit zur Netzstabilität beiträgt. Diese Erfahrungen könnten als Vorbild für Deutschland dienen, um die Integration erneuerbarer Energien zu optimieren und das Stromnetz zu stabilisieren.

Ist Bitcoin-Mining sinnvoller als der Einsatz von Energiespeichern?

Um eine hohe Ausfallsicherheit der Stromnetze zu gewährleisten, ist es entscheidend, Anlagen und Netze optimal aufeinander abzustimmen. Speichertechnologien spielen dabei bisher eine zentrale Rolle für die Netzstabilität, da sie überschüssige Energie aus Spitzenzeiten speichern und bei Bedarf wieder ins Netz einspeisen. Es stellt sich die Frage, inwieweit der Einsatz von Bitcoin-Minern Vorteile gegenüber Energiespeichern bietet. Theoretisch lässt sich folgendes ableiten:

• Durch Bitcoin-Mining kann unbegrenzt Energie aus dem Netz entnommen werden, während selbst der größte Energiespeicher nur begrenzte Kapazitäten hat.
• Energie, die durch Bitcoin-Mining in digitale Währung umgewandelt wurde, kann nicht mehr in das Netz zurückgespeist werden. In Speichern gespeicherte Energie kann dagegen bei Bedarf fast vollständig wieder ins Netz eingespeist werden.
• Bitcoin-Miner können ihren Betrieb durch Hinzufügen weiterer Rechenleistung relativ einfach und unbegrenzt skalieren. Je nach Art des Energiespeichers ( zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerk) ist eine Skalierung oft nicht ohne weiteres möglich und meist begrenzt.
• Bei den energieintensiven Rechenoperationen des Bitcoin-Minings entsteht Abwärme, die aufgefangen und zur Reduzierung des Heizenergiebedarfs genutzt werden kann. Bei Energiespeichern fällt dieser positive Nebeneffekt weg.

Herausforderungen für den Einsatz von Bitcoin-Mining zur Netzstabilisierung

Regulierung

Die regulatorische Landschaft in Deutschland und Europa muss sorgfältig geprüft werden, um sicherzustellen, dass der Betrieb von Bitcoin-Mining-Anlagen mit den gesetzlichen Anforderungen und Netzsicherheitsstandards vereinbar ist.

Volatilität des Bitcoin-Preises

Die wirtschaftliche Rentabilität des Mining hängt stark vom Bitcoin-Preis ab, der sehr volatil ist. Starke Preisschwankungen können langfristige Planungen und Investitionen in die Mining-Infrastruktur erschweren.

Ideologische Differenzen

Eine der größten Hürden für das Mining von Bitcoin ist wahrscheinlich weniger die Technologie als vielmehr die Vorurteile, mit denen die Kryptowährung behaftet ist. Trotz der möglichen Vorteile für das Klima und des potenziellen Beitrags der Blockchain-Technologie zur Energiewende wird die Technologie häufig als klimaschädlich abgetan und es werden sogar Verbotsforderungen laut.

Energiewende und Bitcoin-Mining – Ein vielversprechender Ansatz zur Netzstabilität?

Unabhängig davon, ob Bitcoin-Mining oder eine andere Technologie zum Einsatz kommt, steht fest: Mit der zunehmenden Integration erneuerbarer Energien wird das Stromnetz starken Schwankungen ausgesetzt sein, die ausgeglichen werden müssen. Bitcoin-Mining könnte hier eine interessante Lösung bieten, um Netzengpässe abzufedern und diese wirtschaftlich und effizient zu lösen.

Ein kooperativer Ansatz zwischen Energieerzeugern, Netzbetreibern und spezialisierten Dienstleistern könnte die effektivste Strategie darstellen. Um das Potenzial des Bitcoin-Minings zur Netzstabilisierung in Deutschland und Europa optimal auszuschöpfen, ist eine umfassende Analyse der lokalen Marktbedingungen, regulatorischen Rahmenbedingungen und technischen Anforderungen entscheidend. Während das Bitcoin-Mining im Vergleich zu herkömmlichen Energiespeichern den Vorteil der nahezu unbegrenzten Skalierbarkeit und der nutzbaren Abwärme bietet, stehen Herausforderungen wie regulatorische Vorgaben, Preisvolatilität und ideologische Vorbehalte gegenüber.

Ob Bitcoin-Mining tatsächlich einen effizienten Beitrag zur Netzstabilität leisten kann, bedarf weiterer Forschung und durchdachter Pilotprojekte. Insgesamt zeigt das Gedankenexperiment, dass Bitcoin-Mining das Potenzial hat, einen Beitrag zur Netzstabilität und zur Optimierung der Energiewende zu leisten, wenn die bestehenden Hürden überwunden werden können.

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