Wie funktioniert Bitcoin Mining? – Business und Energiebedarf

Bitcoin funktioniert grundsätzlich anders als die meisten anderen Blockchain-Projekte. Im letzten Blog-Beitrag über die technischen Basics von Bitcoin, haben wir bereits den Unterschied zwischen Proof-of-Work und Proof-of-Stake besprochen. Mining ist dabei von zentraler Wichtigkeit, um das Bitcoin-Netzwerk zu sichern und die Dezentralität zu gewährleisten. Zur Erinnerung: Beim Mining werden Transaktionen in Blöcke zusammengefasst und der Blockchain hinzugefügt. Dadurch erhalten Miner eine Belohnung von aktuell 6,25 Bitcoin + Transaktionsgebühren (auch Block-Reward genannt).

Heute soll es darum gehen, warum um das Bitcoin Mining eine ganze Industrie entstanden ist, was SHA-256 ist und wie es sich mit dem Stromverbrauch des Bitcoin Netzwerks wirklich verhält.

Wie sich Mining in den letzten Jahren verändert hat

Ab dem ersten geschürften Block im Januar 2009 durch Satoshi selbst, kamen nach und nach mehr Menschen (und mit ihnen Rechenleistung) zum Bitcoin Netzwerk hinzu. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass es durch das Difficulty Adjustment immer schwieriger wurde, neue Blöcke zu finden. Vom Mining per Computer CPU über das Mining mit Grafikkarten spezialisierte sich die Szene immer weiter. Heute werden vor allem ASIC-Miner verwendet. Ein ASIC-Miner (ASIC = Appilication-Specific Integrated Circuit) ist nur einem Zweck dienlich – dem Mining für einen bestimmten Algorithmus. Bitcoin ASICs nutzen beispielsweise den SHA-256. Wie dieser Algorithmus funktioniert, erklären wir dir gleich.

Früher war unter bestimmten Umständen das Mining im heimischen noch profitabel. In Teilen der Welt ist es das heute noch. Durch steigende Energiekosten und die höhere Schwierigkeit des Minings musste man sich immer weiter professionalisieren. Die grössten Player im Mining Business sind heute börsennotierte Firmen, die ihre internen Vorgänge transparent nach aussen kommunizieren.

Was ist SHA-256?

Der SHA-256 (Secure Hash Algorithm) ist ein Algorithmus mit dem primären Ziel, ein Hash (digitaler Fingerabdruck) zu erzeugen, der resistent gegen Kollisionen ist. Die Berechnung des Hashs funktioniert nur in eine Richtung und hat eine feste Länge. Kleine Änderungen im Input generieren einen komplett anderen Output.

Beispiel:
Input BitcoinReise mit SHA-256 ergibt
Output 6d3f55f556952cd23f91bbe9297832a6ad2e13b3187456ed2486fd3044190820

Input bitcoinreise mit SHA-256 ergibt
Output eefc797db6ddf2efa736056267e84c870807d21edb0245e34b150a74b31b4423

Das Mining ist nichts anderes, als den richtigen Input zu einem vorgegebenen Output zu finden. Achtung: Es werden lediglich Anforderungen an den Hash (Output) vorgegeben. Beispielsweise: Der Hash muss mit 10 Nullen starten. Einen Input zu einem genauen Output mit Versuchen herauszufinden, ist so gut wie unmöglich. Auch mit den Anforderungen werden bereits Trillionen von Versuchen benötigt. Dies ist sehr aufwändig und benötigt sehr viel Rechenleistung.

Wie funktioniert das Mining Business?

Die Bitcoin Miner finden sich in sogenannten Mining Pools zusammen. Sie arbeiten also gemeinsam. Aber wieso ist das ein Vorteil gegenüber dem individuellen Mining? Bitcoin Mining, (also das Finden neuer Blöcke) ist im Grunde ein Ratespiel. Die Miner produzieren aus Programmiercode sogenannte Hashes. Das passiert so lange bis die Miner den gültigen Hash des nächsten Blocks finden (siehe Beispiel oben). Im Durchschnitt dauert dieser Vorgang 10 Minuten.

Moderne ASIC Miner können Billionen von Hashs generieren – pro Sekunde. Trotzdem ist die Chance eines einzelnen Miners verschwindend gering den gültigen Hash zu finden. Der Grund dafür ist die hohe kollektive Rechenleistung des Bitcoin Netzwerks. Natürlich ist es dennoch möglich, dass der Miner in deinem Keller den nächsten gültigen Block findet und du die Belohnung für diesen gefundenen Block allein erhältst. Allerdings ist es durchaus wahrscheinlicher, dass ein einzelner Miner im Laufe seines gesamten Lebens keinen einzigen gültigen Block findet.

Da all das eine grosse Wahrscheinlichkeitsrechnung ist und es im Interesse von allen Spielern ist, die Varianz zu senken, bilden sich grosse Zusammenschlüsse von mehreren Minern. Sie agieren dann wie ein einziger grosser Miner. Die Teilnehmer des Pools teilen die Belohnung für jeden gefundenen Block untereinander auf. Dabei ist es irrelevant, wer von ihnen den Block gefunden hat. Der Betreiber des Pools nimmt eine kleine Gebühr für die Organisation des Pools in der Grössenordnung von 1-3% der Umsätze. Der grösste Mining Pool ist momentan Foundry Digital.

Auch grosse Mining-Unternehmen wie Marathon Digital, Riot Blockchain oder Hut 8 Mining nehmen an diesen Pools teil. Die momentane Hashrate (also wie viele Versuche den nächsten Block zu finden, pro Sekunde durchgeführt werden) liegt bei ~200 EH/s. als Zahl sieht das übrigens so aus: 200'000'000'000'000'000'000. Das Bitcoin Netzwerk errechnet demnach 200 Trillionen mögliche Hashes pro Sekunde. In 10 Minuten sind das 120 Trilliarden Versuche, die momentan im Durchschnitt benötigt werden, um den nächsten Block zu finden. Das entspricht etwa der Menge der (geschätzten) vorhandenen Sandkörner auf der Welt.

Das Mining Business ist heute hoch professionalisiert und trotzdem dezentral auf der Welt verteilt. Nachdem China im Mai 2021 das Mining verboten hatte, brach die Hashrate zwar ein, die Miner verteilten sich aber neu. Noch vor Ablauf des Jahres war die Hashrate wieder auf alte Höhen geklettert. Und das obwohl nach dem Verbot kurzzeitig mehr als die Hälfte verloren gegangen war.

Der Stromverbrauch des Bitcoin Netzwerks

Das Rechner Strom verbrauchen ist kein Geheimnis. Und sehr oft wird der Stromverbrauch von Bitcoin auch negativ in der Öffentlichkeit dargestellt. Werfen wir mal einen Blick auf die 2 Hauptvorwürfe, die immer wieder vorgebracht werden: Bitcoin Mining verbraucht allgemein zu viel Strom und Bitcoin Mining destabilisiert die Stromnetze.

Das Bitcoin Netzwerk verbraucht pro Jahr etwa 100 bis 125 TWh an Strom. Nüchtern betrachtet ist das so viel, wie die Niederlande oder Pakistan im Jahr insgesamt verbrauchen. Was man dabei nicht verschweigen sollte: Der Anteil nachhaltiger Energien ist im Bitcoin Netzwerk bei knapp 60%. Pakistan liegt bei 36%, die Niederlande bei 17%. Bitcoin setzt also zum grossen Teil auf nachhaltig erzeugte Energie. Wieso Bitcoin hier einen Anreiz bietet, besprechen wir noch.

Wenn man hier die Frage nach der Notwendigkeit des Bitcoin Netzwerkes stellen will, darf man nicht den Vergleich mit anderen Industrien und Abnehmern scheuen. Die Produktion von Gold benötigt immer noch etwa 10% mehr Energie als das Bitcoin Netzwerk. Dazu kommen die direkten Folgen für die Umwelt aus der Förderung von Gold. Die gesamten Kühlschränke in den USA benötigen etwa gleich viel Energie wie das Bitcoin Netzwerk und alle Klimaanlagen dieser Welt benötigen mehr als 20-mal so viel Energie wie Bitcoin.

Dabei sichert Bitcoin bereits heute das Vermögen von schätzungsweise 100 Millionen Menschen vor willkürlicher Geldpolitik.

Das grosse Problem an der Erzeugung nachhaltiger Energie ist, dass unser technologischer Fortschritt noch nicht weit genug ist, um Energie aus Spitzenproduktion nachhaltig zu speichern. Am Beispiel der Photovoltaik lässt sich dieses Problem leicht verdeutlichen: Wenn am Tag die Sonne scheint, gibt es viel Strom. Nachts dagegen Keinen. Hier kommt Bitcoin ins Spiel und sorgt für einen Abnehmer zu Spitzenzeiten.

Eine sehr gute Metapher, um deutlich zu machen wie Bitcoin das Stromnetz stärkt, ist die eines Flugzeugs: Nehmen wir an, eine Airline bietet einen Flug an und verkauft Tickets für diesen. Dieser Flug und die offenen Plätze stellen das Angebot an Strom in einem Netzwerk dar. Wenn sich wenige Menschen für den Flug interessieren, bleiben viele Plätze im Flugzeug leer und die Käufer der wenigen Tickets müssen den ganzen Flug finanzieren (oder die Airline zahlt für den Flug drauf). Das ist die Situation im Stromnetzwerk bei Spitzenproduktion.

Nun gehen die Miner zur Airline und bieten an, alle verbleibenden Tickets zu einem vergünstigten Preis abzunehmen. Die Miner nehmen alle freien Plätze ein, während die restlichen Tickets für alle günstiger werden. Die Airline macht einen Flug mit Gewinn und kann Ihr Geschäft ausbauen. Alle gewinnen.

Dieser Deal zwischen der Airline und den Minern läuft so lange, bis sich wieder mehr normale Gäste für den Flug interessieren. Da die Miner nur bereit sind einen günstigen Preis zu zahlen, wird jeder Miner ersetzt durch einen normal zahlenden Gast. Der Preis bleibt aber generell niedrig, da der Flug immer voll besetzt ist. Das ist dann die Situation bei hoher Nachfrage, bzw. verringertem Angebot im Stromnetzwerk.

Das Stromnetzwerk bleibt so immer ausgelastet. Gleichzeitig sind alle Abnehmer mit Strom versorgt, da die Miner ihre Geräte abschalten, wenn die Nachfrage im Netz zu gross ist. Steigen die Stromkosten durch eine höhere Nachfrage, würden die Miner unprofitabel werden. Die Stromkosten könnten nicht mehr mit den Einnahmen durch den Block-Reward gedeckt werden.

Miner sind also immer auf der Suche nach dem günstigsten Strom. Das ist auch der Grund, weshalb Bitcoin Mining entgegen aller Märchen der Medien ein Gewinn für das Stromnetz ist und erneuerbare Energien fördert.

Fazit

Das Mining Business ist heutzutage sehr professionell. Auf der ganzen Welt versuchen Einzelpersonen und Unternehmen, das Ratespiel zu lösen bzw. den gültigen Hash des nächsten Blocks zu finden. Die Sicherung des Netzwerks verbraucht daher natürlich sehr viel Strom. Stromverbrauch ist aber per se nicht schlecht. Vor allem nicht, wenn dadurch erneuerbare Energien und die Netzstabilität gefördert werden.

Zusätzlich muss der Energiebedarf auch gegen den Nutzen abgewogen werden. Schau einen Blick in unsere älteren Beiträge, falls du in Bitcoin noch keinen Nutzen siehst. Wir von BitcoinReise sind uns einig: Die Schaffung eines Geldsystems unabhängig vom Staat ist der Stromverbrauch auf jeden Fall wert.

Geniess die BitcoinReise und bis zum nächsten Mal.

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