50 Mülldeponien, die Bitcoin minen = ein Bitcoin-Netzwerk mit Netto-Null-Emissionen

Wie viel Methan, was sonst in die Atmosphäre abgelassen würde, müsste das Bitcoin-Netzwerk nutzen, um Netto-Null-Emissionen zu emittieren. Autor: Daniel Batten

50 Mülldeponien, die Bitcoin minen = ein Bitcoin-Netzwerk mit Netto-Null-Emissionen

Der Artikel ist erschienen auf Daniel Battens Webseite.

Autor: Daniel Batten
Übersetzt von: BitBoxer

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Kurzfassung

183,6 Megawatt (MW) Strom aus Kohlenstoff-negativen Quellen wie zum Beispiel Deponiegas würden das gesamte Bitcoin-Netzwerk Kohlenstoff-neutral machen.

Um den Kontext zu verdeutlichen, wie realisierbar dies ist: Wenn sich Bitcoin-Mining Unternehmen auf die Nutzung von Quellen von zuvor abgefackelten Methan (zum Beispiel: abgefackeltes Deponiegas) konzentrieren würden, bräuchte es nur rund 122 × 1,5 Mega Watt (MW) Module (etwa 50 mittelgroße Deponien in den USA, die ihr Methan für das Bitcoin-Mining vollständig verbrennen), um das gesamte Bitcoin-Netzwerk Kohlenstoff-neutral zu machen.

In einem Zeitraum von 16 Monaten wurden Bitcoin-Mining Anlagen, die 132,5 MW Methan aus abgefackeltem Gas nutzen (Englisch/Deutsch), in Betrieb genommen. Dies entspricht einem Zuwachs von 8,3 MW/Monat. Wir gehen davon aus, dass das Bitcoin-Mining, bei dem Methan als Energieträger verwendet wird, anfänglich nur mit 83 % der Wachstumsrate des Fackelgas-Minings (6,9 MW/Monat) wachsen wird. Auf der Grundlage dieser bescheideneren Wachstumsrate prognostizieren wir, dass das Bitcoin-Netzwerk im vierten Quartal 2024 [i] vollständig kohlenstoffneutral sein wird.

Damit ist Bitcoin auf dem besten Weg, die erste Kryptowährung der Welt und das erste Geldsystem zu werden, das Netto-Null-Emissionen erreicht (ohne den Kauf von Kompensationen).

Methodik

Die Verbrennung von Methan aus Quellen wie Biogas oder Deponiegas, das in die Atmosphäre gelangt wäre, ist eine der vier anerkannten Formen der Kohlenstoff-Abscheidungstechnologie und „eine der wenigen Kohlenstoff-negativen Brennstoffquellen“ der Welt.

Diese kontraintuitive Tatsache ergibt sich aus der Tatsache, dass Methan ein 84-mal stärker wärmendes Treibhausgas ist als CO₂. Im Gegensatz zur Verbrennung von Erdgas aus einer Pipeline ist die Verbrennung von Methan, das andernfalls in die Luft gelangt wäre (zum Beispiel Biogas und Deponiegas), also äußerst Kohlenstoff-negativ.

Dies ist wichtig, denn laut dem Umweltprogramm der Vereinten Nationen ist die Verringerung der Methanemissionen der stärkste Hebel, den wir haben, um den Klimawandel in den nächsten 25 Jahren zu bremsen.

Die derzeitigen Techniken zum Beispiel des Abfackelns sind teuer, belasten die Regulierungsbehörden stark und sind vor allem sehr ineffizient (sie entfernen das Methan nicht vollständig, selbst unter perfekten Bedingungen). Aus diesem Grund haben sich UNEP, IPCC und EDG zusammengeschlossen, um ein weltweites Verbot des routinemäßigen Abfackelns durchzusetzen. Die IEA gibt an, dass Abfackeln nur zu 92 % effizient ist (8 % werden immer noch in die Atmosphäre freigesetzt).

Anhand dieser Fakten haben wir:

  1. Die Menge an Energie berechnet die Bitcoin nutzt, die derzeit aus Kohlenstoff-positiven Quellen stammt.
  2. die Menge der dadurch verursachten Emissionen berechnet (positive Kohlenstoffmenge).
  3. Umgekehrt berechnet, wie viel Methan durch Verbrennung aus der Atmosphäre entfernt werden müsste, um diese Emissionen auszugleichen (negative Kohlenstoffmenge). Wir haben berücksichtigt, dass bei der Verbrennung von Methan CO₂ entsteht, das natürlich immer noch ein Treibhausgas ist, wenn auch 84-mal weniger wärmend, um eine echte Netto-Emissionsreduzierung unter Verwendung der Standardmethoden für Kohlenstoffemissionen zu erhalten, die von der US EPA und den Carbon-Credits verwendet werden.

Berechnung

1. Berechnung der gesamten Energie, die Bitcoin nutzt und aus fossilen Brennstoffen stammt

Derzeitige geschätzte jährliche Stromnutzung von Bitcoin: 96,28 TWh

Quelle: Cambridge University (die Daten sind dynamisch und entsprechen dem Stand vom 29. August '22)

Prozentualer Anteil an Strom aus fossilen Brennstoffen: 41,5 %

59,5 % des Bitcoin-Netzwerks basieren nicht auf fossilen Brennstoffen.

Quelle: Bitcoin Mining Council. Also fossile Brennstoffquellen: = 41,5 %

⇨ 96,28 × 0,415 = 39,96 TWh an Energie stammt aus fossilen Brennstoffen

2. Berechnung, wie viele Tonnen CO₂-Emissionen dies ausmacht

Ansatz:

Gleichgewicht zwischen Kohle und Gas (unter der Annahme eines standardmäßigen globalen Netzmischungsverhältnisses): 36,7 zu 23,5 =

Erdgas 23,5 %, Kohle 36,7 % der weltweiten Stromerzeugung Quelle: Our World in Data

(36,7/60,2) % zu (23,5/60,2) %; 60,2 % = 63,3 % - 3,1 %

= 61,0 % zu 39,0 % Verhältnis Kohle zu Gas

⇨ 24,34 TWh aus Kohle, 15,58 TWh aus Gas

  • 0,986 t CO₂/MWh für kohlebefeuerte Anlagen
  • 0,429 t CO₂/MWh für gasbefeuerte Anlagen

Quelle

Prozentualer Anteil an der globalen Hash-Rate

  • USA: 42 %
  • Kasachstan+Iran: 9,7 %
  • Rest 4,57 % (Kanada, China, Rest der Welt)

Quelle

Wir gehen von einer Standardaufteilung von 61 % zu 39 % zwischen Kohle/Gas für die fossile Brennstoffkomponente der übrigen Welt aus, während Kasachstan und der Iran ihre fossilen Brennstoffe zu 100 % auf Kohlebasis nutzen.

Begrenzt man den Prozentsatz der globalen Hash-Rate auf diese 3 Regionen, so ergibt sich folgende prozentuale Aufteilung.

  • USA: (42/56,27) % = 74,64 %
  • Kasachstan+Iran: (42/56,27) % = 17,24 %
  • Rest: (4,57/56,27) = 8,12 %

Verhältnis von Gas zu Kohle.

  • In den USA ist es 38,3 % zu 21,8 % = 0,637 zu 0,363.
  • In Kasachstan/Iran ist es 0,0 zu 1,0.
  • Rest der Welt ist es 0,39 zu 0,61.

Aus Punkt 1 ergibt sich eine Strommenge von 39,96 TWh aus fossilen Brennstoffen.

In den USA sind das also 29,83 TWh.

  • 0,7464 × 39,96 × 0,637 = 19,00 TWh aus Gas
  • 0,7464 × 39,96 × 0,363 = 10,83 TWh aus Kohle

In Kasachstan/Iran beträgt der fossile Brennstoff Anteil 6,89 TWh.

  • 100 % Kohle ⇨ 0,1724 × 39,96 TWh = 6,89 TWh aus Kohle

Für den Rest der Welt beträgt der Standardmix 61,0 zu 39,0 für das Verhältnis von Kohle zu Gas.

  • Das sind also 39,96 TWh × 0,0457 = 1,82 TWh
  • 1,82 TWh × 0,39 = 0,71 TWh aus Gas
  • 1,82 TWh × 0,61 = 1,11 TWh aus Kohle

Gesamt aus Gas = 19,71 TWh

Gesamt aus Kohle = 18,83 TWh

Gesamtemissionen aus Gas = 19,71 TWh × 0,429 t CO₂/MWh × 10⁶ MWh/TWh

Gesamtemissionen aus Kohle = 18,83 TWh × 0,986 t CO₂/MWh × 10⁶ MWh/TWh

⇨ Gesamtemissionen des Bitcoin-Netzwerks = (19,71 × 429.000) t CO₂ + (18,83 × 986.000) t CO₂

= (8,456 + 18,566 = 27,02) Mt CO₂-eq. pro Jahr. (Mt steht für Megatonnen – eine Million metrische Tonnen)

*CO2-eq. = CO₂-Äquivalent. Da Methan über einen Zeitraum von 20 Jahren eine 84-mal stärkere Erwärmung bewirkt als CO₂ (86-mal, wenn Rückkopplungen berücksichtigt werden), bedeutet 1 t Methanemissionen = 84 t CO₂-eq.)

3. Rückrechnung um zu zeigen wie viel Deponiegas erzeugt werden müsste um diese 27,02 Mt CO₂-eq. auszugleichen

  1. Methan hat ein 20-jähriges GWP (Global Warming Potential) von 84 ⇨ 27,02 Millionen Tonnen CO₂-eq. entsprechen 321.667 t Methan (pro Jahr).
  2. Wenn entlüftetes Deponiegas, Biogas aus Abwässern oder landwirtschaftlichen Betrieben verbrannt wird, reduziert dies die Netto-CO₂-eq. Emissionen um 95,8 %. Um also 321.667 t Methan auszugleichen, sind 321.667/0,958 = 335.768 t Methan erforderlich.
  3. 1 t Methan erzeugt bei der Verbrennung 4,79 MWh*.

* Methan erzeugt 9,81 kWh/m³. Mikroturbinen und Generatoren haben einen Wirkungsgrad von bis zu 35 %. Das bedeutet, dass man zur Erzeugung von 1 MWh 1000/(9,81 × 0,35) = 291 m³ benötigt. Die Dichte von Methan beträgt 0,717 kg/m³. Also 291 m³ = 0,291 ×0,717 = 0,208 t (Tonnen). 1 t erzeugt also 4,79 MWh.

Also erzeugen 335.768 t Methan × 4,79 t/MWh = 1.608.329 MWh (pro Jahr).

Ein Jahr hat 8760 Stunden, also 1.608.329 MWh/8760 h = 183,6 MW [ii].

Wenn die Methan-Quelle das durchschnittliche Verhältnis von abgefackeltem zu entlüftetem Deponiegas (30 % abgefackelt/70 % entlüftet) einschließt, wird erheblich mehr Energie benötigt, um die gleiche Reduzierung zu erreichen. Die Berechnung ist auch komplexer, da der abgefackelte und der abgeleitete Anteil getrennt betrachtet werden müssen. Für alle Interessierten habe ich die Berechnung am Ende des Dokuments eingefügt. [iii] Für diejenigen, die eine Zusammenfassung wünschen: Die Antwort lautet, dass 251,3 MW an Energie benötigt werden würden.

Wenn wir versuchen würden, das Bitcoin-Netzwerk nur durch die Verwendung von zuvor abgefackeltem Gas emissionsfrei zu machen, würde sich die Menge der benötigten Kohlenstoff-negativen Bitcoin-Mining Energie um eine Größenordnung erhöhen, da der Abfackelungsprozess bereits 92 % des Methans eliminiert hat. In diesem Fall werden 2254 MW [iv] an Energie benötigt.

4. Zukunftsprojektionen

Die Nutzung von abgefackeltem Gas für das Bitcoin-Mining hat seit Mai 2021 jeden Monat um 8,3 MW Leistung zugenommen.

Wir prognostizieren, dass die Nutzung von Abfackelgas für das Bitcoin-Mining nur um 80–85 % zunehmen wird, was auf den bescheidenen zusätzlichen Kapitalbedarf für das Mining mit Abfackelgas zurückzuführen ist (Notwendigkeit von Reinigungsanlagen für das gesamte Deponiegas). Dadurch erhöht sich der Zeitrahmen für die Projektbeschaffung bis zur Installation um etwa 15 % und der Kapitalbedarf eines Bitcoin-Mining Betreibers, der Deponiegas als Energiequelle nutzt, um 20 % (Quelle: Adam Wright, Vespene).

Neben Vespene gibt es meines Wissens noch 4 weitere Unternehmen, die sich auf Deponiegas spezialisiert haben und derzeit Kapital beschaffen oder kürzlich Kapitalbeschaffungen abgeschlossen haben. 5 von 10 Mining-Betrieben, die auf erneuerbaren Energien basieren und mit denen ich direkten Kontakt hatte, haben ebenfalls erklärt, dass sie aktiv die Machbarkeit der Nutzung von Deponiegas für ihr nächstes Projekt prüfen. Die Situation ähnelt also der Situation bei abgefackeltem Gas vor zwei Jahren, wenngleich das Interesse an der Pipeline deutlich größer ist, was vielleicht auf das 13-fach höhere Niveau der Kohlenstoffreduzierung zurückzuführen ist.

Basierend auf der geschätzten durchschnittlichen Wachstumsrate von Bitcoin-Mining-Betreibern, die abgefackeltes Methan verwenden, von 6,9 MW/Monat, wird das Bitcoin-Netzwerk im Dezember 2024 Kohlenstoff-negativ werden.

Fußnoten

[i] Während die Hash-Rate und damit die Energienutzung gestiegen sind, nehmen auch die Nutzung erneuerbarer Energien im Netzwerk und die Effizienz der Miner zu, was ein Gegengewicht zum Anstieg der Hash-Rate darstellt. Anhand von Trendkarten werden wir das wahrscheinliche Datum der Bitcoin-Netto-Null-Emissionen in einem separaten Artikel näher beleuchten.

[ii] Es gibt eine akademische Debatte darüber, ob das 20-Jahres-GWP von Methan von 84 bis 86 oder das 100-Jahres-GWP von 28 bis 36 für die Berechnung der CO₂-Äquivalent-Emissionen verwendet werden soll. In letzter Zeit plädieren immer mehr Wissenschaftler für die Verwendung des 20-Jahres-GWP, da der Zeithorizont für die Bekämpfung der Methanemissionen dringend erforderlich ist. Das UNEP und der Weltklimarat IPCC verwenden zunehmend diesen Maßstab, da sie ihren Schwerpunkt auf die dringende Reduzierung der Methanemissionen legen. Darüber hinaus gibt es deutliche Hinweise darauf, dass selbst das derzeitige GWP20 von 84 inzwischen stark unterschätzt werden könnte. Dies liegt daran, dass Methan aufgrund einer Reihe von Faktoren nun viel länger in der Atmosphäre verweilt. Zu diesen Faktoren gehört die Freisetzung von CO durch Waldbrände, auf die das atmosphärische Hydroxyl jetzt eher abzielt als auf den Abbau von Methan. Selbst wenn wir den unbereinigten und zunehmend ungünstigeren GWP100-Wert für Methan von 30 verwenden würden, bräuchten wir nur 492,9 MW Leistung, um das Bitcoin-Netzwerk kohlenstoffneutral zu machen.

[iii] Weitere Berechnungen:

Berechnung der Menge an CO2-eq., die durch das Bitcoin-Mining mit 1 MW bei 30 % abgefackelten und 70 % entlüfteten Quellen reduziert wird.

Aus den obigen Berechnungen 3.3 wissen wir, dass die Verbrennung von 321.916 t Methan ausreicht, um das Bitcoin-Netzwerk auf null Emissionen zu bringen, wenn es aus 100 % entlüfteten Quellen stammt. Beginnen wir mit dieser Zahl und sehen wir uns an, wie hoch der CO₂-eq. Wert ist, wenn das Methan aus 30 zu 70 von abgefackelten zu entlüfteten Quellen stammt.

CO₂-eq. Reduktion durch Verbrennung = CO2-eq. Reduktion durch Abfackeln + CO₂-eq. Reduktion durch Entlüften.

CO2-eq. Reduktion abgefackeln:

Beginnen wir mit 0,3 × 100.000 t

= 30.000 × 84 = 2.520.000 CO₂-eq. (da Methan über einen Zeitraum von 20 Jahren das 84-fache des GWP von CO₂ hat).

CO₂-eq. Reduktion durch Verbrennung von abgefackeltem Gas = (Ausgangswert CO₂-eq. Reduktion durch Abfackeln) – (CO2-eq. Reduktion durch Verbrennung).

= [(0,08 × 84 × 30.000) + (0,92 × 2,75 × 30.000)] - (2,75 × 30.000) = (6.72 + 2.53 - 2.75) x 30,000

= 6,5 × 30.000 = 195.000 t CO₂-eq.

CO₂-eq. Reduktion entlüften:

Beginnen wir mit 0,7 x 100.000 t

= 70.000 × 84 = 5.880.000 CO₂-eq.

CO₂-eq. Reduktion durch Verbrennung von entlüfteten Gas = Entlüftete Gesamtmenge - verbrannte Gesamtmenge

= (84 × 70,000) - (2.75 × 70,000)

= 81,25 × 70.000 = 5.697.500 t CO₂-eq.

⇨ CO₂-eq. Reduktion durch Verbrennung = 195.000 t + 5.697.500 t = 5.882.500 t CO₂-eq.

Aus den obigen Berechnungen 2 ergibt sich, dass wir 27,02 Mt CO₂-eq. benötigen, um das Bitcoin-Netzwerk netto emissionsfrei zu machen. Wir würden also 100.000 × 27,02/5,88 = 459.524 t Methan benötigen. Jede Tonne erzeugt 4,79 MWh, also 2.201.119 MWh in einem Jahr, oder 2.201.119/8760 = 251,3 MW.

* Hinweis: Die Logik für jede Formel ist in den Fußnoten in diesem Artikel (Englisch/Deutsch)  beschrieben.

[iv] Berechnen wir die Energiemenge, die benötigt wird, um das Bitcoin-Netzwerk netto emissionsfrei zu machen, indem wir 100 % des zuvor abgefackelten Gases verwenden.

Aus unserer obigen Gleichung wissen wir, dass 30.000 t zuvor abgefackeltes Methan, wenn es verbrannt wird, einen negativen Netto-Kohlenstoff-Effekt hat, indem es 195.000 t CO₂-Äquivalent-Emissionen reduziert, was 30.000 × 4,75/8760 = 16,27 MW Energie erzeugt. Wir benötigen jedoch eine Reduzierung der CO₂-Äquivalent-Emissionen um 27,02 Mio. t. Dies würde also 27,02/0,195 × 16,27 = 2254 MW Energie erfordern.


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