Blockchain im Stromnetz: Wie sie dezentrale Energiesysteme stabilisieren kann

Ein stickig heisser Sommerabend. Klimaanlagen laufen auf Hochtouren, Elektroautos laden, gleichzeitig liefern Solaranlagen noch Strom ins Netz. Angebot und Nachfrage verschieben sich ständig. Das Stromnetz muss trotzdem in jeder Sekunde im Gleichgewicht bleiben. Was früher mit wenigen grossen Kraftwerken zentral gesteuert wurde, wird heute komplexer: Viele kleine, dezentrale Energiequellen kommen dazu.

Genau hier setzt die Forschung von Hongyan Sun an. Sie untersucht, wie sich ein Stromnetz, das immer stärker dezentralisiert wird, koordinieren lässt und welche Rolle Blockchain dabei spielen kann.

Mehr über Hongyan Sun

Hongyan Sun ist wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Hochschule Luzern – Informatik. Dort forscht sie zu Blockchain-Systemen und deren Anwendung in dezentralen Energiesystemen und regulierten Märkten. Ihre Forschung ist kombiniert mit einem von der HSLU finanzierten Doktorat an der Universität Bern.

Sie doktoriert an der Universität Bern im Bereich Kryptografie und Datensicherheit und arbeitet an akademischen Grundlagen von Blockchain-Systemen, unter anderem an Konsensverfahren und leistungsfähigen Protokollen. In der hier vorgestellten Arbeit verbindet sie technische Grundlagen mit einer konkreten Frage: Wie lassen sich viele kleine Akteure im Stromnetz besser koordinieren?

Sun hat Informatik an der Tianjin University in China studiert und bringt internationale Forschungserfahrung mit. Heute lebt sie in Zürich. In die Schweiz zog sie gemeinsam mit ihrem Mann, der an der ETH Zürich doktoriert.

Doktorieren an der HSLU – Informatik

An der Hochschule Luzern (HSLU) arbeiten viele Doktorierende. Da die HSLU als Fachhochschule keine Doktortitel vergeben kann, führt sie Doktorate in Kooperation mit Universitäten durch. Die Doktorierenden sind an der HSLU angestellt und werden durch sie finanziert. Sie arbeiten an der HSLU in Forschungsprojekten und sind parallel als externe Doktorierende an einer Universität eingeschrieben. Eine Betreuungsperson an der HSLU begleitet sie fachlich im Forschungsalltag. So verbindet sich akademische Verankerung mit Nähe zur Praxis.

Solar- und Windenergie bringen viele Schwankungen ins Stromnetz. Ich forsche an Lösungsansätzen, die helfen, das Netz stabil zu halten.

Hongyan Sun, Forscherin und Doktorandin, Hochschule Luzern – Informatik

Das bringt neue Chancen und Herausforderungen. Erneuerbare Energie kann vor Ort produziert und genutzt werden – mit jeder einzelnen Solaranlage auf dem Dach. Gleichzeitig entstehen neue Schwankungen. Denn Sonne und Wind produzieren je nach Witterung unterschiedlich viel Strom – ungeachtet des realen Strombedarfs. An einem heissen Abend können viele Geräte gleichzeitig Strom benötigen. An einem sonnigen Mittag produzieren Solaranlagen viel Strom, obwohl der Bedarf gerade tief ist.

Sun setzt in ihrer Forschung dafür die Blockchain als Koordinations- und Anreizsystem ein. Der zentrale Gedanke: In einem dezentralen Stromnetz handeln viele Beteiligte unabhängig voneinander und verfolgen eigene Interessen. Eine klassische zentrale Steuerung stösst hier an Grenzen.

Blockchain kann gemeinsame Regeln und Anreize schaffen. Sie kann Transaktionen nachvollziehbar festhalten und Beteiligte auf einer gemeinsamen digitalen Ebene zusammenbringen. «Sie kann helfen, diese lange Geschäfts- und Abstimmungskette zu verkürzen», sagt Sun. «Die Beteiligten arbeiten auf einer gemeinsamen Plattform zusammen.»

Blockchain kann Anreize schaffen, damit Haushalte sich an diesem System beteiligen.

Hongyan Sun, Forscherin und Doktorandin, Hochschule Luzern – Informatik

So kann ein Haushalt beispielsweise mit Solarpanels mehr Strom produzieren, als er gerade braucht. Ein anderer Haushalt oder ein anderer teilnehmender Akteur im System benötigt Strom. Blockchain könnte solche direkten Transaktionen erleichtern. «Wenn meine Solarpanels mehr Strom produzieren, als ich brauche, möchte ich diese Energie verkaufen können», sagt Sun. «Mit Hilfe der Blockchain kann ich sie direkt an andere Teilnehmende im System weitergeben, ohne die ganze lange Kette einzubeziehen.» Bestimmte Abstimmungen, Nachweise und Anreize könnten so direkter und einfacher laufen.

«Koordination» im Stromnetz: wie ein Orchester dirigieren

Koordination im Stromnetz bedeutet, dass viele kleine Akteure so zusammenwirken, dass das Netz stabil bleibt. Es geht darum, wann Strom produziert, verbraucht und gespeichert wird. Ebenso muss klar sein, wann Strom ins Netz fliesst und wann flexible Geräte Strom beziehen, speichern oder ihren Verbrauch verschieben. Das Ziel: Alle handeln so, dass das Gesamtsystem funktioniert. Wie in einem Orchester liegt die Herausforderung darin, die einzelnen Instrumente zu einem harmonischen Spiel zusammenzubringen. Spielen viele gleichzeitig, ohne aufeinander zu hören, gerät das Musikstück aus dem Takt. Im Stromnetz ist es ähnlich: Wenn Solaranlagen, Batterien oder Ladestationen unkoordiniert wirken, gerät das System unter Druck. Entscheidend ist ihr geschickt dirigiertes Zusammenspiel.

Die Idee dahinter: Das System wird nicht nur zentral gesteuert, sondern auch über Anreize. Haushalte, Geräte und lokale Energiesysteme reagieren auf Signale und tragen so zur Stabilität bei. «Blockchain kann Haushalte mit Token belohnen», sagt Sun. Im Modell steht der Token für einen digitalen Anreiz: Wer Stromverbrauch oder Stromproduktion gut vorhersagt, kann belohnt werden. So sollen Haushalte, Geräte und lokale Energiesysteme besser zusammenspielen.

Damit solche Anreize funktionieren, braucht es gute Prognosen. Haushalte sollen nicht selbst ständig berechnen müssen, wann sie Strom verbrauchen, speichern oder verkaufen sollen. Diese Aufgabe wäre im Alltag zu aufwendig.

Wer von Menschen gute Energieprognosen erhalten möchte, muss deren Aufwand klein halten.

Tim Weingärtner, Blockchain-Experte, Hochschule Luzern – Informatik

Tim Weingärtner, der Suns Forschung an der HSLU fachlich eng begleitet, ergänzt: «Wer von Menschen gute Prognosen erhalten möchte, muss deren Aufwand klein halten. Gleichzeitig entsteht eine neue Frage: Wie können wir solchen Agenten vertrauen?» Darum prüft das HSLU-Forschungsteam auch lokale KI-Lösungen. «Die Daten sollten möglichst lokal bleiben und nicht auf entfernte Server wandern», sagt Sun. «So behalten die Menschen mehr Kontrolle über ihre Daten.»

Tim Weingärtner: Brückenbauer für Blockchain in der Praxis

Tim Weingärtner begleitet Suns Forschung fachlich eng. Sie beschreibt ihn als Co-Betreuer und intellektuellen Sparringspartner. Er ist Professor an der Hochschule Luzern – Informatik und Co-Leiter des Information Systems Research Labs. Seine Arbeit konzentriert sich auf Blockchain, Smart Contracts und digitale Identität. Im Rahmen der Blockchain Zug – Joint Research Initiative verantwortet er das Thema «Blockchain and Energy». Die Studie von Sun wurde über diese Initiative finanziert.
Als Vizepräsident von DIDAS und Präsident der DEC Association engagiert sich Weingärtner für digitale Identität, Datensouveränität und Blockchain-Bildung. Weingärtner und Sun arbeiten auch gemeinsam am Projekt DaDFiR3. Es entwickelt ein datenbasiertes Framework für finanzielle Risiken, regulatorisches Reporting und Anwendungen im Energiesektor.

Suns Arbeit betrifft nicht nur eine konkrete Anwendung im Energiesektor. Ein Teil ihrer Doktorarbeit an der Universität Bern liegt stärker auf der akademischen Ebene. Dort beschäftigt sie sich mit den Grundlagen von Blockchain-Systemen, besonders mit Konsensverfahren und leistungsfähigen Protokollen. Diese Grundlagen können später auch in anderen regulierten Bereichen wichtig werden, etwa im Finanzsektor.

Konsensverfahren sichern Einigkeit, Mehrparteienprotokolle verteilen Vertrauen

Ein Teil von Suns Doktorarbeit an der Universität Bern liegt auf der technischen Grundlagenebene. Dort beschäftigt sie sich mit Blockchain-Systemen selbst. Im Zentrum stehen besonders Konsensverfahren und Mehrparteienprotokolle.

• Konsensverfahren: Viele Computer einigen sich auf denselben Stand
  Konsensverfahren regeln, wie sich viele Computer in einem Blockchain-Netzwerk auf denselben gültigen Datenstand einigen. Bekannt wurden sie durch Kryptowährungen wie Bitcoin. Dort legen die Beteiligten eines Netzwerks gemeinsam fest, welche Transaktionen gelten. Das Prinzip lässt sich aber auch in anderen Bereichen nutzen: Es hilft überall dort, wo viele Beteiligte Daten teilen, Regeln absichern oder Transaktionen gemeinsam prüfen wollen.
• Mehrparteienprotokolle: Vertrauen verteilt sich auf mehrere BeteiligteMehrparteienprotokolle sind Verfahren, bei denen mehrere Beteiligte gemeinsam Daten verarbeiten, prüfen oder Entscheidungen absichern. Dabei kontrolliert keine einzelne Stelle alles allein. Vertrauen verteilt sich auf mehrere Beteiligte.
• Technische Bausteine für ein verlässliches Energiesystem
  Für die Anwendung im Energiesystem sind diese Grundlagen wichtig, weil viele Akteure zuverlässig zusammenarbeiten müssen: Haushalte, Netzbetreiber, Produzenten, Geräte und digitale Systeme. Konsensverfahren und Mehrparteienprotokolle liefern technische Bausteine, damit solche Lösungen später sicherer, schneller und besser skalierbar werden können.

Simulationen der HSLU zeigen weniger Lastspitzen im Microgrid
In Simulationen zeigte der Ansatz des HSLU-Forschungsteams Folgendes:

• Das Modell erreichte eine «Peak-Shaving-Rate» von bis zu 29,6 Prozent. Das heisst: Lastspitzen im Stromnetz liessen sich um fast 30 Prozent senken.
• Die durchschnittliche Abweichung zwischen Angebot und Nachfrage lag bei rund 5 Prozent.
• Die Ergebnisse stammen aus einem Ethereum-basierten Prototyp in einer Microgrid-Testumgebung.

Was bedeutet eine tiefere Lastspitze konkret? Wenn viele Geräte gleichzeitig Strom brauchen, entsteht Druck auf das Netz. Eine tiefere Lastspitze bedeutet, dass das System solche kritischen Momente besser abfedern kann. Das kann helfen, erneuerbare Energie verlässlicher zu integrieren und das Netz stabiler zu halten.

Oft gibt es eine Lücke zwischen Forschung und Anwendung. Meine Arbeit verbindet beide Seiten.

Hongyan Sun, Forscherin und Doktorandin, Hochschule Luzern – Informatik