Anwendung von Zero-Knowledge Proofs zum Beweis von Dateneigenschaften oder korrekter Berechnung

Im vierten Teil der Beitragsserie „Blockchain – Deep Dives“ wagen wir einen Blick auf unterschiedliche Anwendungen von Zero-Knowledge Proofs (ZKPs). Im Rahmen des Projektes InDEED wird der Einsatz von Zero–Knowledge Proofs zum Beweis von Dateneigenschaften und korrekter Berechnung gemeinsam mit dem Fraunhofer Blockchain-Labor an der Universität Bayreuth umgesetzt und technisch erprobt. 

Allgemeine Anwendung von Zero-Knowledge Proofs

Zero-Knowledge Proofs sind in der Lage, Anonymisierungs-Anforderungen effizient zu lösen. Die Kryptowährung Zcash verwendet sie beispielsweise, um eine stärkere Anonymität für ihre Nutzer zu schaffen. Doch auch, um bestehende Probleme bei der Skalierung in den Griff zu bekommen, erhält das Konzept in Form sog. „Layer 2 Rollups“ u. a. in Ethereum weitreichende Aufmerksamkeit 1 . 

Im Diskussionspapier „Welche Zukunft hat die Blockchain-Technologie in der Energiewirtschaft?“ wurden die Potenziale von Zero-Knowledge Proofs in These 10 wie folgt beschrieben:  

Die Möglichkeit, Berechnungen nachweisbar auf externe Systeme auszulagern und nur den Beweis über die Validität dieser Berechnungen auf einer Blockchain abzulegen, bietet relevante Möglichkeiten zur Beschleunigung der Netzwerk-Performanz. So werden Transaktionen zwischen Netzwerkteilnehmern über einen bestimmten Zeitraum aggregiert. Anschließend sendet der Operator einen Beweis über die Veränderung der Salden an einen Smart Contract, über welchen dieser verifiziert wird. Konkret errechnet der Operator den Endsaldenstand auf Basis des Anfangssaldos und den in der Zeitperiode angefallenen Transaktionen und führt diese in zwei Merkle-Trees (Anfangs- und Endsaldo) zusammen. Anschließend erstellt der Operator den Beweis in Form eines Zero-Knowledge Proofs, der sich aus den zwei Merkle-Trees und den einzelnen Transaktionen zusammensetzt. Der Beweis wird danach, inklusive der Veränderung der Kontenstände (Delta), an einen Smart Contract zu dessen Verifizierung gesendet. Insbesondere durch die „Komprimierung“ bzw. aggregierte Verifizierung der digitalen Signaturen im Beweis beinhaltet dieser eine weitaus geringere Datenmenge als die Gesamtmenge der anfallenden Transaktionen. 

Der Einsatz von ZK-Rollups ermöglicht es, Blockchain-Systeme zu skalieren und den Grad der Anonymität zu erhöhen, um letztlich eine signifikante Steigerung der Performanz zu erreichen. Dies zeigt, dass die Blockchain-Technologie keine isoliert zu betrachtende Technologie ist: Um die Performanz zu maximieren, muss innerhalb eines Ökosystems die vorhandene Rechenleistung optimiert werden. Dies kann beispielsweise mithilfe kryptografischer Techniken wie ZK-Rollups geschehen 2 .  

Zero-Knowledge Proofs in der Energiewirtschaft 

Zero-Knowledge Proofs ermöglichen die Prüfung von Datenintegrität (z. B. durch Prüfung digitaler Signaturen) oder Prozessen, ohne die zugrunde liegenden Daten aufzudecken. In der Energiewirtschaft existieren viele Prozesse, in denen die Erbringung einer Leistung o. ä. geprüft wird (z. B. Nachweis der Bilanzneutralität, Herkunftsnachweise, Erbringung von Regelleistung). Dabei werden beispielsweise Lastgänge an Kontrollinstanzen gemeldet, welche diese Daten wiederum prüfen (z. B. durch Bilden einer Summe beim Nachweis der Bilanzneutralität) 1. ZKPs können diese Prozesse automatisiert abbilden, ohne einen Datenaustausch erforderlich zu machen und personenbezogene Daten oder Betriebsgeheimnisse preiszugeben. Die juristische Analyse legt offen, dass das „Recht auf Löschung“ in Art. 17 DSGVO die direkte Ablage personenbezogener Daten auf einer Blockchain grundsätzlich untersagt. Ist eine vollständige Anonymisierung dieser Daten nicht möglich, dürfen sie aus datenschutzrechtlichen Gründen nicht auf eine Blockchain geschrieben werden. Zero-Knowledge Proofs bieten hier eine datenschutzkonforme Lösung. Des Weiteren ermöglicht das Verfahren den in der DSGVO verorteten Grundsatz der Datensparsamkeit, also nur die Speicherung des für den jeweiligen Prozess notwendigen Datenumfangs. Jedoch ist die Technologie noch nicht voll ausgreift. Der Einsatz von ZKPs ist dabei grundsätzlich unabhängig von einer Blockchain. Die Blockchain-Technologie kann jedoch genutzt werden, um vielen Parteien die Prüfung der ZKPs zu ermöglichen. 2 

Mögliche und untersuchte Anwendungen von ZKPs in der Energiewirtschaft beinhalten zum Beispiel: 

• Labeling: Im Projekt InDEED werden Zero-Knowledge Proofs im Anwendungsfall Labeling zum Nachweis der korrekten Zuordnung von Erzeugern zu Verbrauchern genutzt. Der entwickelte Prototyp überprüft hierbei die Zuordnung von Erzeugungs- und Verbauchsdaten unter der Gewährleistung von einerseits Transparenz und andererseits der Konformität mit den Richtlinien der DSGVO. In ihrem Beitrag „The Next Stage of Green Electricity Labeling: Using Zero-Knowledge Proofs for Blockchain-based Certificates of Origin and Use“ zeigen die in InDEED beteiligten Kollegen:innen der Universität Bayreuth auf, wie dies technisch mittels ZKP umgesetzt werden kann.. 
• Automatisierter Nachweis von Regelreserve: Mit zunehmender dezentraler Bereitstellung von Ausgleichsenergie wird eine steigende Anzahl von Aggregatoren und Dienstleistern benötigt, um deren korrekte Nutzung sachgemäß zu orchestrieren. Für den ÜNB ist die Validierung jeder einzelnen Regelleistungsanforderung zeitaufwendig und nicht praktikabel3 . Eine Blockchain-basierte Nachweiserbringung zur manipulationsresistenten Speicherung unter Zuhilfenahme von ZKPs wird im Projekt InDEED erarbeitet. 
• Präqualifikation für die Bereitstellung von Betriebsreserve: In Deutschland müssen Anlagen, die Teil der Betriebsreserve sind, eine Präqualifikation durchlaufen, die alle 5 Jahre erneuert werden sollte. Mit Hilfe von ZKPs könnte überprüft werden, ob die Präqualifikationskriterien erfüllt sind, ohne den normalen Betrieb der Anlage zu beeinträchtigen.  

Insbesondere Kontrollprozesse, wie sie in der Branche an vielen Stellen zu finden sind (z. B. Leistungserbringung, Bilanzausgleich etc.), könnten in Zukunft mit Hilfe der Technologie stark vereinfacht werden. Eine besondere Stärke der Branche ist die geeichte, standardisierte und auf Sicherheit ausgelegte Smart-Meter-Infrastruktur. Diese bietet eine geeignete Grundlage zur Datenerfassung, die im Rahmen einer Blockchain-Architektur genutzt werden kann. Nachteilig ist jedoch der aktuelle allgemeine Grad der Digitalisierung, die fehlende Interoperabilität.