Comment Exploitation Minière du Bitcoin Peut Transformer Le Secteur de L'énergie

Les mineurs de bitcoins sont des consommateurs d'énergie d'une souplesse unique qui peuvent contribuer à résoudre certains de nos plus gros problèmes énergétiques. | Arcane Research | Jaran Mellerud | Anders Helseth

Comment Exploitation Minière du Bitcoin Peut Transformer Le Secteur de L'énergie

Ce rapport a été initialement publié par Arcane Research et ses auteurs, Jaran Mellerud et Anders Helseth le 1er septembre 2022. Il n'est conservé qu'à des fins de recherche et d'information sur le site web de European Bitcoiners.

Résumé

Exploitation minière du bitcoin est une industrie très critiquée en raison de sa grande consommation d'énergie. Les critiques s'appuient largement sur l'hypothèse selon laquelle les mineurs de bitcoins n'apportent aucune externalité positive aux systèmes énergétiques et ne servent qu'à accaparer l'énergie, ce qui oblige à produire davantage d'énergie non renouvelable.

Bon nombre des critiques les plus sévères ne comprennent pas le bitcoin ni les systèmes énergétiques. Dans ce rapport, nous soulignons comment l'extraction de bitcoins peut améliorer les systèmes énergétiques.

Nous reconnaissons que l'essentiel des opérations minières actuelles ne fonctionne pas de la manière décrite dans ce rapport. Cependant, nous pensons que par nécessité, les opérations minières s'orienteront de plus en plus dans cette direction. L'exploitation minière professionnelle est une activité jeune. La montée en flèche du prix du bitcoin combinée aux limitations de la production de machines a rendu le minage super-profitable en 2020 et 2021. Par conséquent, la plupart des mineurs se sont concentrés pendant cette période sur l'acquisition et le branchement d'autant de machines que possible, sans tenir compte du coût de l'électricité.

Ne pas tenir compte du coût de l'électricité n'est pas un mode de fonctionnement durable pour les mineurs. La concurrence accrue au fil du temps, même dans les marchés haussiers, réduira les marges bénéficiaires et obligera les mineurs à réduire leurs coûts. En outre, l'exploitation minière est une industrie cyclique et n'est pas toujours super rentable. Pendant les périodes de ralentissement, comme au cours de l'été 2022, la compression des marges oblige les mineurs à faire preuve de créativité pour réduire leurs coûts. Pour un mineur, le moyen le plus simple de réduire les coûts d'électricité est de coopérer avec l'industrie de l'énergie pour résoudre certains de nos problèmes les plus urgents. Nous abordons quatre domaines dans lesquels les mineurs de bitcoins peuvent affecter les systèmes énergétiques de manière souhaitée et/ou améliorer l'économie de la production d'énergie.

  1. Renforcer les réseaux électriques grâce à l'extraction de bitcoins
  2. Améliorer l'économie des énergies renouvelables grâce à l'extraction de bitcoins
  3. Atténuer le torchage du gaz naturel grâce à l'extraction de bitcoins
  4. Réutiliser la chaleur résiduelle de l'extraction de bitcoins

Renforcer les réseaux électriques grâce au minage de bitcoins

L'offre et la demande dans les systèmes électriques doivent toujours être équilibrées, car même un léger décalage peut affecter la fiabilité du système. Historiquement, l'offre, alimentée par des combustibles fossiles, a fourni l'essentiel de la flexibilité nécessaire en ajustant la production d'électricité en fonction de la demande prévue. L'un des plus grands défis énergétiques actuels consiste à remplacer la flexibilité perdue des réseaux électriques en raison de la part croissante des sources d'énergie non contrôlables comme l'éolien et le solaire. Dans le scénario de développement durable de l'AIE, le pourcentage d'énergie éolienne et solaire dans la production mondiale d'électricité passera de 11 % en 2020 à 42 % en 2040.

Figure 1 - Part combinée de l'énergie éolienne et solaire dans la production mondiale d'électricité

La croissance de l'éolien et du solaire augmente le besoin d'une demande d'électricité flexible, car l'offre est instable et non contrôlable. Cette demande d'électricité flexible est appelée réponse à la demande, et selon l'AIE, nous devons augmenter sa capacité mondiale d'un facteur 10 d'ici 2030 pour atteindre l'Accord de Paris. Le minage de bitcoins est la meilleure alternative pour la réponse à la demande en raison de son faible coût de réaction, de la possibilité de répondre immédiatement à la granularité nécessaire et de la demande constante d'électricité.

Figure 2 - Interruptibilité : Mineur de bitcoins, centre de données et usine sidérurgique

Le minage de bitcoins en tant que réponse à la demande n'est pas seulement une possibilité - c'est déjà le cas. Dans le système ERCOT du Texas, les mineurs de bitcoins fournissent une réponse à la demande qui renforce un réseau électrique vulnérable alimenté par l'énergie éolienne et solaire. D'autres secteurs servent également de réponse à la demande au Texas, mais à ce jour, l'opérateur du réseau n'a autorisé que les mineurs de bitcoins à participer aux programmes de réponse à la demande les plus avancés.

Améliorer l'économie des énergies renouvelables grâce à l'extraction de bitcoins

La part croissante de l'éolien et du solaire entraînera une augmentation du gaspillage d'énergie en raison de la nature variable de la production d'énergie renouvelable. Le gaspillage d'énergie est un défi économique qui, s'il n'est pas maîtrisé, peut menacer l'économie des énergies renouvelables et donc limiter leur croissance.

Figure 3 - Fréquence des prix négatifs de l'électricité aux États-Unis

La carte ci-dessus montre comment la fréquence des prix négatifs de l'électricité a augmenté dans le centre des États-Unis entre 2015 et 2021, car cette région venteuse a connu un développement massif de l'énergie éolienne. Cet effet a un impact dévastateur sur les revenus des projets éoliens et solaires.

La combinaison de l'agnosticisme géographique, de l'interruptibilité et de la modularité du minage de bitcoins en fait l'acheteur parfait d'énergie renouvelable rare. Les mineurs de bitcoins peuvent rechercher des zones avec un excès d'énergie éolienne et solaire et construire un centre de données de la taille exacte nécessaire pour consommer l'énergie excédentaire. Le fait d'avoir une charge de minage de bitcoins juste à côté de centrales éoliennes et solaires situées à distance évite le gaspillage d'énergie et améliore l'économie de ces projets.

L'exploitation minière de bitcoins peut devenir une partie plus importante de la transition énergétique que la plupart des gens ne le pensent, car l'économie future des projets éoliens et solaires dépend de consommateurs flexibles comme les mineurs de bitcoins qui peuvent acheter l'énergie excédentaire.

Atténuer le torchage du gaz naturel grâce à l'exploitation minière des bitcoins

Le gaz naturel est produit en tant que sous-produit du forage pétrolier. L'exploitation de ce gaz pour la consommation n'est pas toujours économiquement viable pour les producteurs de pétrole. Dans ces cas, le producteur de pétrole finit par brûler le gaz sur place dans un processus appelé torchage.

Le torchage du gaz crée des émissions sans en tirer aucune utilité. En outre, le processus de torchage libère des quantités plus importantes de méthane, un puissant gaz à effet de serre, que la combustion du gaz dans l'environnement contrôlé d'un générateur électrique.

Le minage de bitcoins est apparu comme la meilleure technologie pour réduire le torchage du gaz naturel. L'agnosticisme géographique, la modularité et la portabilité du processus d'extraction de bitcoins permettent de placer une opération d'extraction de bitcoins directement sur le puits de pétrole afin d'absorber l'excès de gaz naturel et de limiter le brûlage à la torche.

Nous avons assisté à une croissance massive de l'exploitation minière de bitcoins dans les champs de pétrole au cours des dernières années. Cette croissance s'est concentrée aux États-Unis et au Canada, mais nous avons également vu des projets dans d'autres régions où le torchage est un gros problème, comme la Russie et le Moyen-Orient.

Les forces économiques et environnementales sont à l'origine de la croissance de l'exploitation minière de bitcoins dans les champs pétrolifères. Le torchage du gaz gaspille une ressource économique que le producteur de pétrole aurait pu vendre pour générer des revenus. En exploitant des bitcoins, soit par lui-même, soit par l'intermédiaire d'un tiers, le producteur de pétrole peut gagner de l'argent avec le gaz au lieu de le laisser se perdre.

Si les incitations économiques sont importantes, le principal moteur est la possibilité de réduire les émissions. Les chiffres montrent que l'atténuation du brûlage de gaz par le minage de bitcoins est de loin le moyen le plus rentable de réduire les émissions. Pour un investissement de 1 000 dollars, un système de minage de bitcoins réduit les émissions de 6,32 tonnes d'équivalents CO₂ par an, contre 1,3 pour l'éolien et 0,98 pour le solaire.

Figure 4 - Évitement des émissions par 1000 $ d'investissement

Réutilisation de la chaleur résiduelle des mines de bitcoins

Le chauffage des habitations, des industries et d'autres applications est la principale utilisation finale de l'énergie dans le monde, représentant près de la moitié de la consommation finale d'énergie en 2021.

Sans surprise, le chauffage est également la plus grande source d'émissions de gaz à effet de serre, représentant environ 40 % des émissions mondiales de CO2 et 30 % des émissions d'équivalent CO2.

La chaleur est un sous-produit de l'extraction de bitcoins, et les mineurs commencent à voir le potentiel de la récupération de chaleur. Cette attention croissante est principalement motivée par l'opportunité de réduire les coûts alors que l'industrie devient de plus en plus compétitive, mais la possibilité de réduire les émissions de carbone est également une force motrice. Sans surprise, la plupart des innovations en matière de récupération de chaleur dans l'extraction de bitcoins ont lieu dans des régions plus froides comme le Canada et la Scandinavie, où la chaleur a plus de valeur que dans les centres d'extraction de bitcoins plus chauds comme le Texas.

La réutilisation de la chaleur issue de l'extraction de bitcoins présente trois avantages principaux. Premièrement, les revenus tirés de l'extraction de bitcoins subventionnent le coût de l'électricité utilisée pour produire la chaleur. En plus de réduire les coûts de chauffage, l'utilisation de l'extraction de bitcoins pour le chauffage urbain peut réduire les émissions de carbone si les machines sont alimentées par de l'électricité renouvelable. Troisièmement, la réutilisation de la chaleur issue de l'extraction de bitcoins revient à utiliser deux fois la même énergie. Cela compense l'énergie utilisée par le secteur de l'extraction de bitcoins puisqu'il surpasse les autres mineurs qui ne réutilisent pas leur chaleur.

Figure 5 - Chauffage urbain avec extraction de bitcoins : Réduction annuelle des émissions de carbone

1. Pourquoi et comment le Bitcoin utilise-t-il de l'énergie ?

Pour comprendre le minage de Bitcoin, il faut comprendre superficiellement Bitcoin. Dans ce chapitre, nous expliquons les parties nécessaires pour avoir une idée de ce qu'est Bitcoin et pourquoi le minage est une partie essentielle de Bitcoin.

1.1 La consommation d'énergie est une propriété fondamentale et importante du bitcoin.

Bitcoin est un réseau d'ordinateurs (souvent appelés "nœuds"). Les nœuds communiquent entre eux via l'internet. En principe, les nœuds peuvent communiquer ce qu'ils veulent. En pratique, tous les autres nœuds vous ignoreront tout simplement si vous vous écartez des règles de consensus du réseau Bitcoin.

Figure 6 – La combinaison de nombreux attributs et l'effet de réseau font du bitcoin un bitcoin.

Les règles de consensus du réseau Bitcoin sont juste un ensemble de règles que les gens choisissent de suivre. Il n'y a pas de lois naturelles ni rien qui doive être ainsi. Les incitations, combinées au pouvoir de la décentralisation, permettent au réseau Bitcoin de fonctionner et aux règles de consensus de tenir.

Les fonctions du réseau Bitcoin peuvent être divisées en deux groupes principaux.

  1. À tout moment : Vérifier que toutes les transactions nouvelles et précédentes sont légales. Ceci est fait par cryptographie en accord avec les règles de consensus.
  2. Ordonner les transactions dans le temps : Cette tâche est essentielle pour le réseau Bitcoin afin de s'assurer que personne ne dépense plus que ce qu'il a. Le réseau Bitcoin résout la tâche monumentale d'ordonner les transactions de manière décentralisée en utilisant la preuve de travail.
    Le réseau Bitcoin utilise des fonctions de hachage de manière intelligente pour que les participants puissent prouver leur travail et ainsi ordonner les transactions.
Figure 7 – La fonction de hachage Sha-256

Le réseau Bitcoin ordonne les transactions par lots à la fois. Ces lots sont souvent appelés blocs pour une représentation visuellement compréhensible. Pour produire un nouveau bloc qui sera accepté par le réseau, un participant doit diffuser un en-tête de bloc valide sous la forme d'une chaîne de hachage du bloc précédent, d'un hachage produit à partir des nouvelles transactions, d'un horodatage, d'un paramètre de difficulté, de la version du bloc et d'un nonce (Un nonce peut sembler mystérieux mais ne l'est pas. Dans ce contexte, le nonce est simplement un nombre décimal compris entre 0 et 4.294.967.296). L'insertion de cette chaîne dans la fonction de hachage SHA256 doit produire un nombre inférieur à un certain seuil, qui est déterminé par le paramètre de difficulté.

Toutes les entrées de l'en-tête, sauf le nonce, peuvent être considérées comme données, ce qui signifie qu'elles ne doivent être insérées ou calculées qu'une seule fois. Mais pour produire un en-tête de bloc valide, il faut deviner un nonce qui produit un hachage inférieur au seuil limite. Ce n'est pas une tâche facile. Le nonce est un nombre compris entre 0 et 2³² (4 294 967 296), et trouver un nonce "correct" ne peut se faire qu'au hasard. Trouver un nonce correct prouve donc que vous avez fourni un effort significatif en devinant une quantité énorme de nombres, c'est-à-dire qu'il sert de preuve de travail.

Le minage de bitcoins est le processus qui consiste à utiliser des ordinateurs pour trouver un nonce qui produit un en-tête de bloc valide par essais et erreurs. Plus vous êtes capable de deviner de chiffres, plus vous avez de chances de trouver un nonce valide.

Les mineurs ne sont pas altruistes. Ils sont incités à miner par l'émission de nouveaux bitcoins et par des frais de transaction s'ils sont les premiers à trouver un nonce valide. Pour chaque nouveau bloc, le mineur qui a deviné le premier un nonce correct est actuellement récompensé par 6,25 bitcoins. Cette récompense est divisée par deux tous les quatre ans, et la prochaine division par deux aura lieu en 2024.

La quantité de travail nécessaire au minage de bitcoins se mesure en hachages par seconde. En d'autres termes, elle mesure le nombre de nonces que les mineurs sont capables de vérifier par seconde. La production de hashs a un coût en termes de dépenses d'investissement et d'électricité.

La sécurité du réseau Bitcoin peut être mesurée par le coût de l'obtention de la majorité du pouvoir de hachage. La quantité de travail, c'est-à-dire l'activité minière, est donc d'une grande importance pour la sécurité du réseau Bitcoin.

Un bloc sera accepté par le réseau Bitcoin s'il satisfait aux propriétés suivantes :

  1. Vérifier si le bloc précédent référencé par le bloc existe et est valide.
  2. Vérifier que l'horodatage du bloc est plus grand que celui du bloc précédent et moins de 2 heures dans le futur.
  3. Vérifier que la preuve de travail sur le bloc est valide (production d'un hash inférieur au seuil limite).
  4. Vérifier que chaque transaction est légitime, c'est-à-dire que les bitcoins envoyés le sont depuis des comptes dont le solde est suffisamment élevé pour justifier cette transaction.
    Si des versions concurrentes et valides de la blockchain Bitcoin sont diffusées, le réseau choisira la blockchain la plus longue, celle qui contient le plus de preuves de travail. Pour pouvoir créer elle-même la blockchain la plus longue, une entité doit disposer de plus de la moitié du hashrate du réseau Bitcoin (souvent appelée attaque à 51 %).
Figure 8 – Comment la référence au hachage du bloc précédent crée une blockchain qu'il est coûteux de modifier.

Peu importe qui détient la majorité du pouvoir de hachage, une transaction valide nécessite une preuve cryptographique valide. Il existe donc des limites claires à ce qu'une entité contrôlant le pouvoir de hachage peut réellement faire.

Ils peuvent :

  • Annuler les paiements antérieurs pour lesquels ils ont les clés privées.
    prendre la récompense du minage (qu'ils auraient obtenue s'ils avaient été "bons" également).
  • Les gains obtenus en "attaquant" le réseau Bitcoin sont donc limités à l'annulation de vos transactions précédentes, créant ainsi ce que l'on appelle une opportunité de double dépense, c'est-à-dire que vous pouvez dépenser vos bitcoins plus d'une fois.

Comme indiqué précédemment, le coût d'une attaque de 51 % dépend directement de la quantité de minage. Plus il y a de minage, plus il est coûteux d'effectuer une attaque à 51 %. Si l'on ajoute que tous les blocs à partir du bloc trafiqué doivent trouver un nouveau nonce valide, l'attaque devient extrêmement coûteuse.

1.2 Les mineurs de bitcoins sont des consommateurs d'énergie uniques

Le minage de bitcoins a parcouru un long chemin depuis ses humbles débuts il y a quelques années. Ce qui n'était au départ qu'une activité de hobby avec des processeurs d'ordinateurs ordinaires s'est transformé en installations de taille industrielle remplies de machines minières spécialisées appelées ASIC.

Bien que la consommation d'énergie de l'extraction de bitcoins ait considérablement augmenté au fur et à mesure de la croissance du secteur, il s'agit toujours d'une industrie relativement insignifiante au niveau mondial. Le réseau minier Bitcoin consomme environ 100 TWh² par an, soit 0,06 % de la consommation énergétique mondiale.³ Cela signifie que l'industrie minière du bitcoin consomme un peu moins d'énergie que les jeux vidéo. Nous pouvons également comparer la consommation d'énergie de l'extraction de bitcoins avec celle d'autres industries plus traditionnelles, comme la production de papier, qui consomme 24 fois plus d'énergie.

Figure 9 - Consommation d'énergie : Extraction de bitcoins et autres industries

La plupart des gens considèrent que l'extraction de bitcoins n'est qu'une autre industrie à forte consommation d'énergie, mais il y a une grande différence : les mineurs de bitcoins sont particulièrement flexibles en ce qui concerne le moment et l'endroit où ils consomment de l'énergie. Nous allons maintenant passer en revue cinq caractéristiques de consommation d'énergie qui font des mineurs de bitcoins des consommateurs d'électricité particulièrement flexibles.

En fonction des prix
L'électricité représente environ 80 % des coûts d'exploitation d'un mineur. En raison de l'importance de l'apport en électricité, nous considérons le minage comme un processus de raffinage de l'électricité : Le mineur envoie de l'électricité dans ses machines, qui raffinent l'électricité en bitcoins.

Figure 10 - Coûts d'exploitation des mines de bitcoin

L'industrie minière du bitcoin est mondiale et les barrières à l'entrée sont faibles, ce qui la rend très compétitive. La seule façon de rester compétitif à long terme est de minimiser les coûts. L'électricité représentant une part importante de la structure des coûts, les mineurs sont fortement incités à réagir aux variations du prix de l'électricité en ajustant leur consommation ou en déplaçant leurs opérations. Un exemple illustrant la sensibilité au prix de l'extraction de bitcoins est celui des mineurs norvégiens qui réagissent à l'augmentation des prix de l'électricité dans le sud du pays en déplaçant leurs opérations vers le nord, où l'électricité est moins chère.¹⁰

Interruptible
Un mineur de bitcoins "vend" des hachages au réseau Bitcoin. Comme chaque hachage est indépendant du précédent, un mineur de bitcoins peut interrompre sa production et sa consommation d'énergie à tout moment. Il peut non seulement interrompre sa consommation, mais aussi l'ajuster de manière granulaire à la hausse ou à la baisse par incréments de kilowatts. Étant donné que le minage de bitcoins est une charge interruptible et sensible aux prix, le processus est exceptionnellement adapté en tant qu'outil de réponse à la demande qui peut contribuer à renforcer les systèmes électriques. Nous en parlons plus en détail au chapitre 2.

Agnostique quant à l'emplacement
Alors que la plupart des autres industries à forte intensité énergétique fabriquent des produits physiques qui doivent avoir accès à des chaînes d'approvisionnement, les mineurs de bitcoins produisent des hashs, qui sont des biens d'information vendus sur Internet. Par conséquent, une installation de minage de bitcoins peut généralement être construite dans n'importe quel endroit disposant d'une énergie bon marché et d'un accès à Internet. L'agnosticisme géographique du minage de bitcoins permet d'amener le consommateur d'énergie directement à la source d'énergie. Les mineurs de bitcoins sont les clients ultimes des ressources énergétiques précédemment bloquées, ce qui explique pourquoi les producteurs de pétrole ont commencé à utiliser le gaz naturel qu'ils auraient autrement brûlé pour extraire du bitcoin. Nous reviendrons sur ce sujet au chapitre 4.

Modulaire
Les ASIC, les machines utilisées pour extraire des bitcoins, consomment entre 1 et 5 kW.¹¹ Il est possible de combiner différentes quantités de ces machines pour obtenir différents niveaux de charge. Qu'un propriétaire d'actifs énergétiques souhaite une charge de minage de bitcoins de 5 MW, 20 MW ou 100 MW n'a aucune importance : toutes les tailles de charge sont possibles en modifiant le nombre de machines.

La modularité de l'extraction de bitcoins permet de concevoir une charge d'extraction de bitcoins adaptée à la capacité de production d'énergie disponible. Ceci est particulièrement pertinent lorsqu'il s'agit de faire correspondre la charge minière de bitcoins avec la capacité de production excédentaire d'un générateur d'énergie renouvelable en panne afin d'améliorer son économie, comme nous l'expliquons au chapitre 3.

Portable
Nous pouvons concevoir une charge minière de bitcoins de manière spécifique afin de maximiser la portabilité. Le remplissage de conteneurs d'expédition spécialement conçus avec des machines minières est récemment apparu comme un moyen d'optimiser la portabilité. Ces solutions de conteneurs sont conçues selon le principe du "plug-and-play" et peuvent être rapidement expédiées vers d'autres lieux si nécessaire.

Un exemple de la portabilité de l'exploitation minière est la migration annuelle des mineurs chinois, qui déplacent leurs machines d'une région à l'autre de la Chine en raison des différences saisonnières dans la disponibilité de l'énergie hydroélectrique causées par les saisons humides et sèches..¹²

La portabilité de l'exploitation minière du bitcoin permet de déplacer facilement une installation minière pour absorber l'énergie excédentaire et de la déplacer rapidement vers un autre endroit si l'énergie cesse d'être excédentaire au premier endroit.

Source: Arcane Research

Ces caractéristiques de consommation d'énergie permettent à l'extraction de bitcoins de servir d'outil énergétique pour résoudre certains de nos plus grands défis énergétiques. L'extraction de bitcoins peut renforcer les réseaux électriques, améliorer l'économie des énergies renouvelables, atténuer le torchage du gaz naturel et réduire les coûts de chauffage en réutilisant la chaleur.

2 Renforcer les réseaux électriques grâce au minage de bitcoins

La demande doit toujours correspondre à l'offre dans les systèmes électriques, car même un léger déséquilibre peut affecter la fiabilité du système. En plus de modifier l'offre ou la demande d'électricité, le stockage de l'énergie et les lignes de transport peuvent assurer la flexibilité du système. Historiquement, nous nous sommes principalement appuyés sur l'offre pour adapter la production d'électricité à la demande prévue.

Les différentes sources d'énergie pour l'électricité varient considérablement dans leur contrôlabilité. Le gaz naturel et l'hydroélectricité sont les sources d'énergie les plus contrôlables, car le producteur d'énergie peut facilement ajuster sa production à la hausse ou à la baisse. Le charbon et le nucléaire sont également contrôlables, mais dans une moindre mesure. Ils sont très fiables, mais la modification granulaire de leur production est inefficace. Les centrales au charbon et les centrales nucléaires fournissent traditionnellement la charge de base, laissant les centrales au gaz naturel ou les centrales hydroélectriques ajuster leur production en fonction des fluctuations de la demande.

Figure 12 - Sources d'énergie par contrôlabilité

L'un des plus grands défis énergétiques actuels est la diminution de la capacité de l'offre à assurer la flexibilité du système. Nous sommes au milieu d'une transition énergétique, qui consiste à remplacer les combustibles fossiles par des sources d'énergie renouvelables comme le vent et le soleil. Il s'agit de sources d'énergie non contrôlables, car leur capacité à produire de l'électricité dépend des conditions météorologiques. On ne peut pas compter sur les sources d'énergie non contrôlables pour assurer la flexibilité du système.

L'Agence internationale de l'énergie (AIE) propose plusieurs scénarios pour la transition énergétique. Le scénario de développement durable représente une passerelle vers les résultats de l'accord de Paris, impliquant une croissance massive des sources d'énergie non contrôlables en tant que part du mix de production de 11% à 42% en 2040.¹³

Figure 13 - Part combinée de l'énergie éolienne et solaire dans la production mondiale d'électricité

Ce scénario suppose un remplacement massif des sources d'énergie contrôlables par des sources non contrôlables. Comment remplacer cette perte de flexibilité du système ? Nos options sont d'augmenter la flexibilité du côté de la demande, la capacité de stockage de l'énergie, ou la capacité des lignes de transmission.

Nous aurons besoin d'une combinaison de ces options, mais tirer parti de la flexibilité de la demande est une option intéressante, car elle est moins chère et plus évolutive que les autres.

2.1 Les consommateurs d'électricité flexibles peuvent fournir une réponse à la demande

La réponse à la demande est une modification de la consommation par les consommateurs d'électricité afin de faire correspondre la demande d'électricité à l'offre. Le processus implique généralement un paiement ou d'autres incitations financières aux consommateurs qui acceptent de réduire leur consommation d'électricité lorsque l'offre est faible.

La réponse à la demande existe dans la plupart des systèmes électriques développés dans le monde. ERCOT, le système électrique du Texas, est à la pointe de la réponse à la demande, et les mineurs de bitcoins sont devenus l'une de leurs sources les plus fiables pour la stabilité du système.

Le système électrique du Texas s'appelle ERCOT, qui est également le nom de l'opérateur du système. L'ERCOT est confronté à une combinaison unique de défis, ce qui l'incite à rechercher des moyens innovants pour maintenir la fiabilité du système électrique. Le système électrique de l'ERCOT est insulaire et n'est pratiquement pas relié à d'autres réseaux électriques. Il n'est donc pas possible d'importer ou d'exporter de l'électricité par les lignes de transmission pour assurer la flexibilité du système.

L'ERCOT a une part élevée d'énergie éolienne et une part en croissance rapide d'énergie solaire, car le Texas bénéficie de conditions éoliennes et solaires parmi les meilleures de la planète. La forte dépendance à l'égard de l'énergie éolienne et solaire signifie que l'offre est volatile et que l'ERCOT doit de plus en plus compter sur la flexibilité de la demande.

Non seulement le réseau texan est insulaire et sa part d'énergie éolienne et solaire est élevée et en croissance rapide, mais les conditions météorologiques du Texas peuvent être extrêmes et imprévisibles, ce qui entraîne une volatilité de la demande. Un exemple est la tempête hivernale de février 2021, qui a entraîné une montée en flèche de la demande et des pannes d'approvisionnement.¹⁵

Figure 14 - Trois défis de stabilité du système dans ERCOT

La désignation de ressource de charge permet aux ressources de réponse à la demande admissibles d'aider à stabiliser la fréquence du réseau. La fréquence fluctue autour de 60 Hz en Amérique du Nord, et il est essentiel de la maintenir aussi près que possible de ce niveau. Une charge élevée par rapport à la production diminue la fréquence, alors que l'inverse l'augmente. L'opérateur du réseau surveille en permanence la fréquence et utilise divers outils pour la stabiliser.

Figure 15 - Exemple d'événement de fréquence de réseau dans ERCOT

Nous pouvons diviser la désignation des ressources de charge en deux types : ressource de charge contrôlable (CLR) et ressource de charge non contrôlable (NCLR). Pour obtenir ces désignations, les charges doivent passer plusieurs tests concernant leur contrôlabilité. Comme leur nom l'indique, la désignation de ressource de charge contrôlable comporte des exigences d'entrée plus élevées que celle de ressource de charge non contrôlable.

Les ressources de charge contrôlables sont des charges qui peuvent ajuster leur charge de façon granulaire en quelques secondes, ce qui leur permet de jouer un rôle actif dans l'équilibrage de la fréquence du réseau. Les ressources de charge non contrôlables contribuent également à stabiliser la fréquence, mais uniquement de manière binaire en déclenchant l'ensemble de la charge hors ligne si la fréquence tombe en dessous d'un certain niveau. La plus grande contrôlabilité des ressources de charge contrôlables signifie que ces ressources de réponse à la demande sont beaucoup plus efficaces pour stabiliser le réseau que les ressources de charge non contrôlables. Jusqu'à présent, seuls les mineurs de cryptomonnaie ont obtenu la désignation de ressource de charge contrôlable.

Figure 16 - Types de réponse à la demande dans ERCOT

Alors que les ressources de charge fournissent la première couche de protection du réseau en régulant leur charge pour stabiliser la fréquence en quelques secondes, une couche supplémentaire de protection est utilisée si les ressources de charge sont insuffisantes. Ce dernier niveau de protection du réseau est appelé service d'intervention d'urgence (Emergency Response Service, ERS) et consiste en des charges qui peuvent réduire leur consommation d'électricité en 10 ou 30 minutes, selon les accords.

La réponse à la demande fonctionne généralement par le biais de consommateurs d'électricité qui vendent leur capacité à interrompre leurs activités sur divers marchés à terme pour des services auxiliaires. Ils réduisent ensuite leur consommation d'électricité conformément à cet accord si l'opérateur du système le leur ordonne. Nous pouvons considérer cet arrangement comme des ressources de réponse à la demande vendant une assurance au réseau.

La réponse à la demande peut également être fournie simplement en réagissant aux signaux de prix. Si le prix de l'électricité est élevé pendant certaines périodes, les consommateurs flexibles peuvent s'abstenir d'acheter pendant ces périodes. En évitant de consommer pendant les heures chères, un consommateur agit effectivement comme une réponse à la demande et allège la pression sur le système.

2.2 L'extraction de bitcoins est la meilleure solution pour répondre à la demande

L'ERCOT a créé la désignation de charge contrôlable en 2004. Aucun consommateur d'électricité n'a satisfait aux exigences jusqu'en 2020, lorsque la société Lancium, spécialisée dans la technologie de réponse à la demande, et une charge d'extraction de bitcoins ont passé les tests nécessaires.¹⁶ Le logiciel breveté Smart Response® de Lancium permet aux mineurs de bitcoins d'agir comme des ressources de charge contrôlables.

Les mineurs de bitcoins désignés comme ressources de charge contrôlables sont autorisés à participer à tous les marchés de services auxiliaires de l'ERCOT, où ils vendent leur capacité à réguler leur consommation d'électricité selon les instructions de l'ERCOT. Ils peuvent également participer aux marchés de l'électricité en temps réel, ce qui leur permet d'inclure une clause dans leurs contrats d'achat d'électricité pour mettre hors tension et "revendre" de l'électricité au réseau au prix de l'électricité en temps réel.

Selon ERCOT, il y a actuellement huit mineurs de crypto-monnaies d'une capacité totale de 750 MW désignés comme ressources de charge contrôlables, avec 2600 MW supplémentaires en attente d'approbation.¹⁷ Cependant, Rich Godwin, un mineur de bitcoins texan, suit quotidiennement la participation en temps réel des ressources de charge contrôlables et n'a vu qu'environ 130 MW. Cette différence pourrait être due au fait que toutes les ressources de charge contrôlables ne participent pas simultanément au marché.

Figure 17 - Capacité de réponse à la demande dans l'ERCOT

Pourquoi seuls les mineurs de crypto-monnaies ont-ils satisfait aux exigences de ressources de charge contrôlable de l'ERCOT ? Tout se résume au caractère unique de l'extraction de bitcoins en tant que charge interruptible, que nous avons expliqué au chapitre 1. Nous allons maintenant nous appuyer sur cette analyse en disséquant quatre facteurs qui rendent une charge interruptible, en comparant le score de l'extraction de bitcoins sur ces facteurs avec celui de deux autres consommateurs à forte consommation d'énergie : Un centre de données conventionnel et une aciérie.

Figure 18 - Interruptibility: Bitcoin Miner vs. Data Center vs. Steel Plant

Coût de la réactivité
Le coût de réaction fait référence aux coûts d'arrêt des opérations d'une ressource de réponse à la demande. Ce chiffre est très élevé pour un centre de données conventionnel, car il dessert des clients qui dépendent de la disponibilité des données, ce qui le rend inadapté à la fourniture de la réponse à la demande.

Pour les mineurs de bitcoins, le seul coût de la réaction est le coût alternatif de ne pas produire de bitcoins, ce qui leur donne une forte incitation économique à fournir une réponse à la demande. Supposons que le prix du MWh dépasse ce que le mineur aurait pu gagner en consacrant ce MWh à l'extraction de bitcoins. Dans ce cas, le mineur devrait arrêter de miner puisqu'il gagnera plus en éteignant ses machines qu'en minant des bitcoins.

Figure 19 - Extraction de bitcoins : Coût de la réaction (coût alternatif de ne pas extraire de bitcoins)

Le graphique ci-dessus montre qu'en 2022, le coût alternatif de ne pas consacrer un MWh au minage de bitcoins a fluctué entre 150 et 300 dollars. En période de tension sur le réseau, lorsque la réponse à la demande est nécessaire, le prix de l'électricité en temps réel peut atteindre des milliers de dollars par MWh, ce qui est nettement supérieur à ce coût alternatif, ce qui signifie que les mineurs de bitcoins économiquement rationnels éteindront leurs machines.

Temps de réaction
Le deuxième facteur, le temps de réaction, est la vitesse à laquelle la ressource de réponse à la demande peut interrompre ses opérations. Le temps de réaction d'une aciérie est lent, car il faut beaucoup de coordination pour mettre hors tension une usine comportant de nombreux processus et employés différents. En revanche, une installation d'extraction de bitcoins ne remplit qu'une seule fonction, la résolution de l'algorithme de hachage SHA-256. Ce processus unique peut être rapidement interrompu, ce qui permet aux mineurs de bitcoins de participer à des programmes de réponse à la demande nécessitant les temps de réaction les plus rapides.

Disponibilité
En raison de la stabilité de la charge d'un mineur de bitcoins, un opérateur de système peut toujours compter sur la disponibilité de la charge du mineur de bitcoins pour fournir une réponse à la demande en cas de besoin. Une aciérie est un exemple de charge industrielle à faible disponibilité. La production d'acier comprend de nombreux processus ; seuls quelques-uns sont suffisamment énergivores pour fournir une réponse à la demande. Comme ces processus exigent des quantités d'énergie différentes, la charge d'une aciérie fluctue quotidiennement et hebdomadairement. On ne peut pas toujours compter sur elle pour fournir une réponse à la demande.

Granularité
La granularité fait référence au nombre d'incréments dans lesquels la ressource de réponse à la demande peut ajuster sa charge. Un mineur de bitcoins peut ajuster sa charge dans des incréments presque infinis et est donc très flexible dans les quantités d'électricité qu'il peut vendre au réseau. La granularité élevée d'un mineur de bitcoins contraste fortement avec celle d'une aciérie, qui fait fonctionner ou non son four à arc électrique. Les scores élevés en matière de coût de réaction, de temps de réaction, de disponibilité et de granularité font de l'extraction de bitcoins une charge hautement interruptible, ce qui explique qu'elle soit la seule ressource de charge contrôlable dans l'ERCOT.

2.3 Exemples de mineurs de bitcoins stabilisant le réseau

Le but de la réponse à la demande est de protéger le réseau lors d'événements très stressants, lorsque la production n'est pas suffisante par rapport à la charge. Il est donc logique d'examiner ce que les mineurs de bitcoins ont fait pendant l'événement le plus stressant de l'histoire du réseau texan : la tempête hivernale Uri en 2021.

Du 13 au 19 février, une violente tempête hivernale a frappé le Texas. L'ERCOT ne s'était pas préparé à un tel événement de type cygne noir, et la tempête hivernale a entraîné des pannes généralisées de production et d'approvisionnement en gaz naturel. La combinaison des pannes de production et de la montée en flèche de la demande d'électricité des foyers ayant besoin de chauffage a provoqué un grave déséquilibre entre l'offre et la demande. Les prix de l'électricité en temps réel ont grimpé à plus de 9 000 $ par MWh.

Pour réduire la demande d'électricité et atténuer les effets de la catastrophe, l'ERCOT a déployé toutes ses ressources de réponse à la demande, dont un grand nombre de mineurs de bitcoins. Ces mineurs de bitcoins ont volontairement éteint leurs machines et revendu leur énergie inutilisée au réseau.¹⁸ Pendant ce temps, les centres de données conventionnels de l'État ne se sont pas éteints pour rester en ligne.¹⁹

Figure 20 - Tempête de neige au Texas en février 2021 : Les mineurs de bitcoin incités à éteindre leurs machines

Le graphique ci-dessus compare le prix moyen de l'électricité en temps réel dans l'ouest du Texas pour chaque jour de février 2021 avec les points d'arrêt pour l'extraction de bitcoins et les clients résidentiels. Les clients résidentiels ne sont pas sensibles aux prix car ils ont besoin de l'énergie pour des besoins essentiels comme le chauffage, ce qui signifie qu'ils ne cesseront généralement pas de consommer de l'énergie même si les prix s'envolent. En revanche, les mineurs de bitcoins sont très sensibles aux prix, car ils savent précisément combien ils gagnent par MWh.

Pendant la tempête hivernale de 7 jours, le prix moyen de l'électricité de l'ERCOT était de 5 972 $ par MWh, ce qui est bien supérieur au revenu du minage de bitcoins par MWh, qui est de 480 $. Les incitations économiques sont claires : un mineur de bitcoins qui n'aurait pas éteint ses machines pendant la tempête hivernale aurait dépensé près de dix fois plus en électricité que ce que cette électricité lui aurait rapporté.

ERCOT a également subi une tempête hivernale en 2022, qui était loin d'être aussi grave que l'année précédente, mais l'opérateur du système a tout de même dû déployer certaines de ses ressources de réponse à la demande. Riot Blockchain faisait partie des mineurs qui ont interrompu leurs opérations.²⁰ Les mineurs de bitcoins sont devenus les ressources de réponse à la demande les plus fiables de l'ERCOT, ce que confirme le PDG par intérim de l'ERCOT, Brad Jones, qui a déclaré dans une interview accordée à CNBC que "les mineurs de crypto-monnaies aident l'ERCOT à maintenir les énergies renouvelables opérationnelles."²¹

2.4 L'exploitation minière des bitcoins offre la flexibilité de la demande nécessaire pour intégrer les énergies renouvelables en toute sécurité.

La réponse à la demande sera un outil essentiel pour garantir la fiabilité des systèmes électriques à mesure que nous continuons à intégrer des sources d'énergie renouvelables variables comme l'éolien et le solaire. L'AIE estime que pour atteindre l'accord de Paris, nous devons mettre sur le marché une capacité totale de réponse à la demande de 500 GW d'ici 2030, ce qui correspond à une multiplication par 10 par rapport à 2020.²²

Figure 21 - Capacité de réponse à la demande nécessaire en 2030 selon le scénario "net zéro" de l'AIE

L'extraction de bitcoins est une charge stable et énergivore qui peut être rapidement ajustée à la hausse ou à la baisse avec une extrême précision, sans coût supplémentaire autre que celui de ne pas extraire de bitcoins. La combinaison de ces caractéristiques fait de l'extraction de bitcoins une charge uniquement interruptible et notre meilleure alternative pour la réponse à la demande, fournissant la flexibilité de la demande nécessaire pour intégrer en toute sécurité les énergies renouvelables variables.

3 Améliorer l'économie des énergies renouvelables grâce à l'extraction de bitcoins

La part croissante de l'énergie éolienne et solaire entraînera une augmentation du gaspillage d'énergie en raison de la nature variable de la production d'énergie renouvelable. Le gaspillage d'énergie est un défi économique qui, s'il n'est pas maîtrisé, peut menacer l'économie des énergies renouvelables, limitant ainsi leur croissance.

Les capacités de production mondiales d'énergie éolienne et solaire ont connu une croissance massive au cours des dernières années. Dans son scénario de développement durable, l'AIE estime que les capacités de production éolienne et solaire devront continuer à croître et atteindre 2 800 GW et 4 200 GW d'ici 2040 pour limiter le réchauffement climatique à bien moins de 2॰C au-dessus des niveaux préindustriels.²³

Figure 22 - Estimation de la croissance mondiale de la capacité de production éolienne et solaire

Comme dans le chapitre précédent, nous utiliserons le Texas comme étude de cas. Cet État possède certaines des meilleures ressources éoliennes et solaires au monde, mais la plupart d'entre elles se trouvent dans l'ouest du Texas, loin des centres de population du sud-est. L'ouest du Texas dispose d'une capacité de production éolienne de 24 GW et d'une capacité de production solaire de 7 GW, mais la charge moyenne n'est que de 6 GW, ce qui signifie que la majeure partie de cette énergie ne peut être consommée localement et doit être transportée vers le sud-est, là où se trouve la demande.

La capacité des lignes de transmission reliant l'ouest du Texas au reste de l'État n'est que de 12 G.W., ce qui est loin d'être suffisant pour transporter toute l'énergie au pic de la production éolienne et solaire. C'est ce qu'on appelle la contrainte d'exportation de l'ouest du Texas. La faible demande locale combinée à la contrainte d'exportation de l'ouest du Texas signifie qu'une quantité massive d'énergie renouvelable est bloquée dans l'ouest du Texas, ce qui entraîne un gaspillage d'énergie et moins de revenus pour les projets éoliens et solaires.

Figure 23 - Capacité de production éolienne et solaire dans l'ouest du Texas

Le problème des énergies renouvelables bloquées ne fera que s'aggraver dans l'ouest du Texas, car l'ERCOT prévoit que les capacités de production éolienne et solaire atteindront un total de 71 GW en 2023, sans augmentation correspondante de la capacité de transport.²⁴

La principale raison de l'essor du développement de l'énergie éolienne et solaire est que ces sources d'énergie sont devenues très compétitives en termes de coûts. Le coût actualisé de l'électricité (LCOE) (qui mesure le coût net actuel moyen de la production d'électricité pour un générateur pendant sa durée de vie) pour le solaire et l'éolien aux États-Unis est actuellement de 36 et 40 dollars, soit moins que toutes les autres solutions.²⁵ De plus, l'économie de l'éolien et du solaire est presque entièrement constituée de dépenses en capital. Ils n'ont aucun coût de combustible, ce qui signifie que leur coût marginal de production est de 0 $.

Figure 24 - Coût par MWh des sources d'énergie aux États-Unis

3.1 Le gaspillage d'énergie menace l'économie des énergies renouvelables

Puisque les coûts marginaux de production de l'énergie éolienne et solaire sont de 0 $, ils offriront toujours leur énergie sur le marché à 0 $ par MWh. Par conséquent, nous constatons souvent une forte volatilité des prix sur les marchés de l'électricité où la part de l'éolien et du solaire est élevée. Le prix de l'électricité est très bas, voire négatif, lorsque la production éolienne et solaire est élevée, et très élevé lorsque l'éolien et le solaire ne produisent pas.

Ce problème est exacerbé par les crédits d'impôt à la production qui permettent à certains producteurs d'énergie renouvelable de vendre de l'électricité à un prix négatif tout en réalisant des bénéfices. Aux États-Unis, les parcs éoliens bénéficient de crédits d'impôt fédéraux à la production pouvant atteindre 25 dollars par MWh produit. Un producteur éolien recevant de tels crédits d'impôt est incité à offrir l'énergie au réseau à -24 dollars par MWh. Ces crédits d'impôt à la production ont augmenté la prévalence des prix négatifs de l'électricité aux États-Unis, en particulier au Texas. Cette subvention fédérale a joué un rôle majeur dans l'incitation à la construction d'énergies renouvelables non renouvelables dans l'ouest du Texas.

Au cours des dernières années, la prévalence des prix négatifs de l'électricité a augmenté de façon spectaculaire dans de nombreuses régions où l'éolien et le solaire sont devenus des éléments importants de la capacité de production d'électricité. Cela est particulièrement vrai pour l'ouest du Texas, où environ 10 % des prix de l'électricité en temps réel étaient négatifs en 2021.²⁶

Figure 25 - Fréquence des prix négatifs de l'électricité aux États-Unis

La carte ci-dessus montre comment la fréquence des prix négatifs a augmenté dans le centre des États-Unis entre 2015 et 2021, car cette région venteuse a connu un développement massif de l'énergie éolienne. La prévalence accrue des prix négatifs de l'électricité a un impact dévastateur sur les revenus des projets éoliens et solaires.

Dans un marché de l'électricité déréglementé comme l'ERCOT, le prix négatif est un signal de prix indiquant aux propriétaires de centrales d'arrêter leur production parce que l'offre d'énergie est trop importante par rapport à la demande. Ce phénomène est appelé compression économique et signifie que les parcs éoliens et solaires doivent périodiquement réduire leur production en dessous de ce qu'ils auraient pu produire. Il existe deux types de restriction économique, en fonction de sa cause : la restriction à l'échelle du système et la restriction locale.

Figure 26 - Deux types de restrictions économiques

On parle de restriction à l'échelle du système lorsque les conditions météorologiques permettent à une centrale d'énergie renouvelable de produire une certaine quantité, mais que la centrale doit s'abstenir d'envoyer cette électricité sur le réseau car la demande est insuffisante. La réduction locale est due à une capacité de transport insuffisante pour acheminer l'électricité là où se trouve la demande.

Le problème de l'ouest du Texas est la limitation locale. Les centres de population du sud-est aimeraient profiter de toute l'énergie renouvelable produite dans l'ouest, mais ne le peuvent pas en raison de la capacité de transmission limitée.

Les deux types de restriction économique gaspillent de l'énergie, ce qui nuit à l'économie des énergies renouvelables puisque les centrales ne sont pas payées pour l'énergie restreinte. L'économie de l'éolien et du solaire étant fortement orientée vers les dépenses d'investissement (CAPEX) et les dépenses d'exploitation (OPEX), la rentabilité de ces projets dépend de la maximisation de la quantité d'électricité que la centrale peut vendre pendant sa durée de vie. Par conséquent, être contraint de réduire une partie importante de la production est terrible pour l'économie de l'éolien et du solaire.

Figure 27 - Wind and Solar Curtailed in Texas

La réduction de la production est un problème croissant à l'échelle mondiale, notamment au Texas. En 2021, 6 % de la production éolienne et 8 % de la production solaire ont été réduits dans l'ERCOT²⁷, ce qui correspond à une réduction totale de 7,4 TWh. Les initiés du secteur supposent que le Texas accueille 8 % de la capacité mondiale d'extraction de bitcoins de 10 G.W., ce qui équivaut à une consommation électrique annualisée de 7 TWh. Cela signifie que plus d'énergie renouvelable a été gaspillée au Texas en 2021 que la consommation d'électricité de tous les mineurs de bitcoins de l'État.

Figure 28 - Texas : Consommation d'énergie pour l'extraction de bitcoins par rapport à la consommation d'énergie renouvelable en 2021

Il existe principalement trois moyens d'atténuer les restrictions locales : les lignes de transmission, les batteries et le rapprochement de la demande et de l'offre. Les lignes de transmission sont sans doute la solution à long terme la plus efficace, mais leur construction est généralement coûteuse et prend du temps. L'ERCOT étudie la possibilité d'augmenter la capacité de transmission. Le coût d'équilibre de ces lignes est estimé à 13,8 milliards de dollars, et elles seront opérationnelles au plus tôt en 2030 et 2035.²⁸

Les batteries pourraient faire partie de la solution, mais la technologie n'a pas encore atteint un coût suffisamment bas pour qu'il soit économiquement viable de les déployer à l'échelle requise. En outre, les batteries ont une capacité de stockage limitée, de sorte qu'elles devraient idéalement être couplées à des consommateurs d'électricité flexibles qui peuvent consommer l'énergie excédentaire lorsque la batterie est pleine.

3.2 Les mineurs de bitcoins peuvent ajuster leur consommation après la production d'énergie renouvelable

Les mineurs de bitcoins peuvent contribuer à réduire les coupures et à atténuer la fréquence des prix négatifs de l'électricité en se plaçant stratégiquement à proximité des centrales éoliennes et solaires pour absorber leur énergie excédentaire. Pour ce faire, ils exploitent l'interruptibilité du minage de bitcoins, de sorte que les producteurs d'énergie éolienne et solaire peuvent alternativement fournir de l'énergie au réseau et aux mineurs de bitcoins en fonction des prix de l'électricité. L'inconvénient pour les mineurs de bitcoins est qu'ils doivent accepter de ne pas pouvoir faire fonctionner leurs machines 100 % du temps, mais c'est un compromis acceptable si le prix moyen de l'électricité est suffisamment bas.

Pour comprendre comment les mineurs de bitcoins opérant dans des réseaux à forte proportion d'énergie éolienne et solaire acceptent un temps de fonctionnement réduit pour des coûts d'électricité plus faibles, nous pouvons examiner la distribution cumulative des prix de l'électricité dans l'ouest du Texas en 2021. En février de cette année, le Texas a subi une tempête hivernale dévastatrice qui a entraîné des prix de l'électricité encore plus volatils que d'habitude.

Figure 29 - L'extraction de bitcoins dans l'ouest du Texas en 2021 : Distribution des prix de l'électricité par rapport au temps de fonctionnement

Nous constatons que les prix de l'électricité étaient généralement bas, 85 % des prix étant inférieurs à 40 dollars par MWh et les prix étant négatifs 10 % du temps. Sur le côté droit de la distribution se trouve un petit nombre de prix extrêmement élevés qui se sont produits lorsque le pic de demande coïncidait avec une faible production éolienne et solaire.

Si un mineur de bitcoins faisait fonctionner ses machines 100 % du temps dans l'ouest du Texas en 2021, le prix moyen de l'électricité serait de 148 dollars par MWh, ce qui est proche du seuil de rentabilité d'une machine économe en énergie. Si le mineur avait éteint ses machines pendant les 5 % de périodes où les prix sont les plus élevés, il aurait réduit le prix moyen de l'électricité de 148 à 24 dollars par MWh, ce qui aurait considérablement amélioré sa rentabilité. Ces possibilités de réduire les prix de l'électricité en évitant les pics de prix montrent que les mineurs de bitcoins sont incités à ajuster leur consommation d'électricité en fonction des prix de l'électricité, ce qui en fait les charges parfaites sur les marchés de l'électricité volatils avec une part élevée d'énergie renouvelable.

Beaucoup supposent à tort que la réduction de leur temps de fonctionnement n'est pas dans l'intérêt des mineurs de bitcoins. Cette hypothèse est fausse, en particulier sur les marchés à forte proportion d'énergie éolienne et solaire, qui correspondent souvent à des prix de l'électricité volatils. C'est ce que prouve le tableau ci-dessous, qui montre l'impact de diverses réductions du temps de fonctionnement sur l'économie du minage de bitcoins dans l'ouest du Texas en 2021.

Figure 30 - Économie de temps de fonctionnement d'un million de tonnes d'extraction de bitcoins dans l'ouest du Texas en 2021.

Nous voyons que pour l'Antminer S19 - une machine de nouvelle génération - le temps de disponibilité idéal était de 95 %, alors que l'Antminer S9 - une machine d'ancienne génération - devrait idéalement être opérationnel 85 % du temps. Vous voyez le lien ? Les machines plus anciennes ont moins de temps de fonctionnement parce qu'elles ont besoin de prix de l'énergie plus bas pour avoir un flux de trésorerie positif, car elles sont moins efficaces sur le plan énergétique. Par conséquent, les machines plus anciennes sont moins chères et peuvent avoir un meilleur retour sur investissement dans de bonnes conditions que les machines plus récentes.

3.3 Trois modèles opérationnels de minage de bitcoins dans des réseaux à forte intensité de vent et de soleil

Les mineurs peuvent utiliser trois modèles opérationnels principaux pour aider à absorber l'énergie excédentaire dans les réseaux éoliens et solaires, où le type de matériel utilisé est de la plus haute importance. Ces modèles sont les suivants : Connecté au réseau avec un temps de fonctionnement élevé, derrière le compteur avec un temps de fonctionnement élevé, et derrière le compteur avec un temps de fonctionnement faible.

Figure 31 - Trois modèles de fonctionnement de l'extraction de bitcoins avec des énergies renouvelables

Model 1: Connecté au réseau - Temps de fonctionnement élevé
Le premier modèle est le modèle traditionnel, dans lequel le mineur de bitcoins est raccordé au réseau et s'efforce de maximiser le temps de fonctionnement avec des machines de nouvelle génération. Comme indiqué dans le chapitre précédent, ces mineurs peuvent souvent réduire leurs coûts globaux d'électricité en participant à des programmes de réponse à la demande qui contribuent à renforcer le réseau électrique. Un exemple d'une telle installation est celle de Riot à Rockdale, au Texas, dont la capacité développée est de 400 MW.³⁰

Model 2: Derrière le compteur - Temps de fonctionnement élevé
Ce deuxième modèle est un modèle hybride dans lequel un mineur de bitcoins est installé au même endroit qu'une centrale éolienne ou solaire et utilise des machines de nouvelle génération. Le mineur alterne entre la fourniture d'électricité à la centrale et au réseau afin d'obtenir le temps de fonctionnement nécessaire pour amortir les coûteuses machines de nouvelle génération.

Cette configuration est avantageuse pour la centrale d'énergie renouvelable car elle a maintenant deux options : vendre son électricité au réseau ou au mineur de bitcoins, selon ce qui est le plus rentable. L'option supplémentaire de minage de bitcoins peut augmenter les prix que les producteurs d'énergie renouvelable reçoivent pour leur électricité. Elle rend également le développement moins risqué, puisque la centrale dispose d'un client derrière le compteur qui est toujours prêt à acheter de l'électricité, quoi qu'il arrive sur le réseau.

En outre, comme nous l'avons expliqué précédemment, de nombreuses centrales éoliennes et solaires sont confrontées à des restrictions. Les projets éoliens et solaires prévendent souvent une grande partie de leur future production d'électricité par le biais d'un contrat d'achat d'électricité (CAE) dans le cadre du financement du projet. En raison de la structure des contrats d'achat d'électricité, la réduction de la production signifie que la centrale éolienne ou solaire doit faire une offre plus élevée pour un contrat d'achat d'électricité, ce qui rend le contrat moins compétitif, et le projet peut ne pas obtenir le financement nécessaire. En ayant un mineur de bitcoins derrière le compteur pour consommer toute l'énergie précédemment réduite, la centrale éolienne ou solaire peut éliminer la réduction, ce qui la rend plus compétitive sur le marché de l'électricité.

Model 3: Derrière le compteur - faible temps de fonctionnement
Le troisième modèle est entièrement hors réseau, et le mineur n'utilise que l'électricité produite par la centrale d'énergie renouvelable située au même endroit. Étant donné que les facteurs de capacité moyens (le facteur de capacité d'une centrale électrique est sa production d'énergie moyenne divisée par sa capacité d'énergie maximale) pour l'énergie éolienne et l'énergie solaire aux États-Unis ne sont que de 35 % et 25 %³¹, la charge du mineur de bitcoins derrière le compteur doit avoir une capacité inférieure à la capacité nominale (la capacité nominale est la production nominale maximale d'un générateur) de la centrale électrique. Dans le cas d'un parc éolien d'une capacité nominale de 100 MW et d'un facteur de capacité de 35 %, une charge de minage de bitcoins derrière le compteur de 35 MW peut espérer un temps de fonctionnement proche de 100 %. Toutefois, les opérateurs visent généralement un temps de fonctionnement inférieur, car la centrale vendra également de l'électricité au réseau, de sorte que l'idéal est d'utiliser des machines plus anciennes avec un CAPEX inférieur.

Les centrales éoliennes et solaires doivent demander une connexion au réseau, un processus qui peut prendre plusieurs années et comporte des risques. Dans le seul ERCOT, 107 GW d'énergie solaire et 20 GW d'énergie éolienne attendent d'être raccordés au réseau.³². Un grand nombre de ces projets en attente pourraient s'amorcer avec le minage de bitcoins en attendant une connexion au réseau. Pour ce faire, le projet devra faire correspondre sa capacité nominale à la capacité d'extraction de bitcoins, ce qui signifie que l'opération d'extraction de bitcoins hors réseau aura un temps de fonctionnement moins qu'idéal en raison des facteurs de faible capacité de l'énergie éolienne et solaire. Néanmoins, comme le montre le tableau ci-dessus, un temps de fonctionnement de 35-40% avec un mineur d'ancienne génération n'est pas la fin du monde et peut être considéré comme un coût de développement, puisque la centrale peut être connectée au réseau plus tard.

3.4 L'impact de l'extraction de bitcoins sur le marché de l'électricité

Le point commun de ces trois modèles d'exploitation est qu'ils stabilisent les prix de l'électricité. En achetant de l'électricité lorsque l'énergie renouvelable est abondante et que les prix sont bas, les mineurs de bitcoins exercent une pression sur la demande qui peut faire monter les prix de l'électricité les plus bas, améliorant ainsi la rentabilité des centrales d'énergie renouvelable.

Figure 32 - Comment l'extraction de bitcoins influe sur la demande d'électricité

La figure ci-dessus illustre la répartition de la charge d'un système électrique et les six différentes façons dont nous pouvons la manipuler. Les mineurs de bitcoins ont un impact sur le système grâce à un mécanisme appelé "valley filling", qui augmente la charge de base sans augmenter la charge de pointe, car les mineurs de bitcoins sont fortement incités à éteindre leurs machines lorsque l'électricité est rare et les prix élevés. Une charge de base plus élevée améliore la rentabilité des énergies renouvelables et incite à la construction de capacités supplémentaires.

3.5 L'extraction de bitcoins comparée aux batteries et à l'hydrogène

Si de nombreux professionnels de l'énergie reconnaissent que l'extraction de bitcoins contribue à stabiliser les prix de l'électricité dans les systèmes électriques comportant une part élevée d'énergies renouvelables, certains soulèvent un point valable : "Pourquoi ne pas utiliser plutôt des batteries ou la production d'hydrogène ?"

Commençons par comparer le minage de bitcoins aux batteries. Tout d'abord, le minage de bitcoins a un rôle fondamentalement différent de celui d'une batterie dans un système énergétique, puisque le minage de bitcoins est une charge alors qu'une batterie est une technologie de stockage d'énergie. La batterie a un avantage sur le mineur de bitcoins car elle peut stocker de l'énergie et la fournir au réseau plus tard. Toutefois, cette caractéristique peut aussi être un inconvénient, car la batterie a une capacité de stockage limitée.

La plus grande batterie du Texas a une capacité nominale de 260 MW et une capacité de stockage de 260 MWh.³³ , ce qui signifie qu'il ne faut qu'une heure pour la charger et la décharger. Comparez cela à une installation d'extraction de bitcoins, qui peut absorber de l'énergie pendant des heures illimitées. En raison de leurs différences, les batteries et le minage de bitcoins pourraient être des technologies complémentaires. Block, Blockstream et Tesla développent actuellement un système énergétique qui combine une centrale solaire, une installation de minage de bitcoins et des batteries, la centrale solaire envoyant l'électricité au réseau ou à la batterie, en fonction de la rentabilité³⁴.

Étant donné que l'extraction de bitcoins et les batteries jouent deux rôles différents dans les systèmes énergétiques, nous devrions comparer l'extraction de bitcoins à d'autres technologies de production d'énergie comme la production d'hydrogène. Il existe néanmoins quelques différences. Tout d'abord, alors que les mineurs de bitcoins sont totalement indépendants du lieu, la production d'hydrogène nécessite l'accès à un marché pour vendre l'hydrogène, ce qui signifie que le processus de production doit être situé à proximité d'un réseau logistique. En outre, la production d'hydrogène n'est pas un processus entièrement interruptible puisque les producteurs ont des contrats à remplir et des produits physiques à expédier.

Enfin, les considérations relatives à la chaîne d'approvisionnement de la production d'hydrogène signifient que l'électricité sera probablement une partie moins importante de la structure des coûts pour les producteurs d'hydrogène que pour les mineurs de bitcoins. De ce fait, les producteurs d'hydrogène seront très probablement plus compétitifs que les mineurs de bitcoins sur les seuls prix de l'électricité, ce qui les obligera à rechercher les ressources énergétiques les plus rares que les producteurs d'hydrogène ne peuvent pas exploiter en raison de leur agnosticisme géographique limité. Cela signifie que l'extraction de bitcoins et la production d'hydrogène peuvent toutes deux jouer un rôle essentiel dans l'absorption de l'excédent d'énergie renouvelable à l'avenir, car l'une n'exclut pas l'autre.

3.6 L'extraction de bitcoins améliore l'économie des énergies renouvelables

La combinaison de l'agnosticisme géographique, de l'interruptibilité et de la modularité du minage de bitcoins en fait le parfait acheteur d'énergie renouvelable rare. Les mineurs de bitcoins peuvent rechercher des zones avec un excès d'énergie éolienne et solaire et construire un centre de données de la taille exacte nécessaire pour consommer l'énergie excédentaire. Le fait de disposer d'une charge d'extraction de bitcoins juste à côté de parcs éoliens et solaires situés à distance permet d'éviter les coupures et les prix négatifs de l'électricité et améliore l'économie de ces projets.

L'exploitation minière de bitcoins peut devenir une partie intégrante de la transition énergétique plus que la plupart des gens ne le pensent, car l'économie future des projets éoliens et solaires dépend de consommateurs flexibles comme les mineurs de bitcoins qui peuvent acheter l'énergie excédentaire.

4 Atténuer le torchage du gaz naturel grâce à l'extraction de bitcoins

Le gaz naturel est produit en tant que sous-produit du forage pétrolier. L'exploitation de ce gaz pour la consommation n'est pas toujours économiquement viable pour les producteurs de pétrole. Dans ces cas, le producteur de pétrole brûle le gaz sur place dans un processus appelé torchage.
Le torchage du gaz crée des émissions sans en tirer aucune utilité. En outre, le processus de torchage libère des quantités plus importantes de méthane dans l'air que l'utilisation du gaz pour produire de l'électricité.

4.1 Le torchage du gaz est un pollueur important

Lors de l'extraction du pétrole, le pétrole se dépressurise à la surface en liquides et en gaz (principalement du méthane). Le gaz vaut moins que le pétrole en volume et est plus difficile à transporter, de sorte que la plupart des compagnies pétrolières considèrent le gaz comme un centre de coûts. Si le champ pétrolifère est situé à proximité de centres de population, il peut être économiquement viable de construire des pipelines et de transporter le gaz pour qu'il soit utilisé comme électricité ou comme chauffage. Mais dans de nombreux sites de forage pétrolier, ce n'est pas le cas. Le producteur de pétrole choisit alors d'évacuer le gaz de la manière la plus rentable, c'est-à-dire en le brûlant tout simplement dans un processus appelé torchage.

Le torchage du gaz a émis plus de 500 mégatonnes d'équivalents CO2 en 2020.³⁵ En supposant qu'une voiture typique émet environ 4,6 tonnes de dioxyde de carbone par an³⁶, les émissions du torchage du gaz équivalent à celles de plus de 100 millions de voitures. En comparaison, la production de l'électricité utilisée par l'industrie minière du bitcoin a émis 41 mégatonnes de CO₂ en 2021, soit seulement 8 % de celles du torchage du gaz.

Figure 33 - Émissions de carbone dues au torchage du gaz et à l'extraction de bitcoins

S'il était utilisé, le gaz brûlé à la torche pourrait produire près de 700 TWh par an, soit plus que la consommation d'électricité de tous les pays du monde sauf cinq.

Le torchage du gaz se produit sur les sites de production pétrolière et est donc géographiquement concentré. Les régions pétrolières où le torchage est le plus intense se trouvent aux États-Unis, au Moyen-Orient, en Sibérie russe et en Afrique. La Russie est le pays qui brûle le plus de gaz à la torche, avec environ 25 milliards de mètres cubes de gaz par an.

Figure 34 – Carte thermique mondiale du torchage du gaz

L'Irak et l'Iran sont les deuxième et troisième pays en termes de volume de gaz brûlé à la torche, avec un total de près de 30 milliards de mètres cubes de gaz. Les États-Unis, où de nombreux petits producteurs de pétrole ne sont pas en mesure de coordonner la construction de pipelines, torchent environ 12 milliards de mètres cubes de gaz chaque année, tandis que l'Algérie complète le top 5 des pays par des volumes de torchage totalisant près de 10 milliards de mètres cubes par an.

4.2 L'exploitation minière des bitcoins peut contribuer à atténuer le torchage du gaz naturel

L'exploitation minière de bitcoins s'impose comme une technologie supérieure pour réduire le torchage du gaz naturel. Le torchage est dû aux difficultés d'acheminer le gaz naturel vers le marché, mais l'extraction de bitcoins résout ce problème en amenant le marché au gaz naturel. Comment cela fonctionne-t-il ?

Le gaz naturel précédemment torché est pompé dans un générateur, où il est brûlé dans un environnement contrôlé pour produire de l'électricité. Cette électricité est ensuite utilisée pour alimenter des machines qui produisent des bitcoins. Les revenus de l'opération de minage de bitcoins sont utilisés pour financer l'infrastructure.

Figure 35 - L'extraction de bitcoins est alimentée par du gaz naturel qui serait autrement brûlé à la torche.

Par exemple, en brûlant le gaz naturel dans un environnement contrôlé à l'intérieur d'un générateur électrique, la technologie Digital Flare Mitigation® de Crusoe Energy peut brûler 99,89% du méthane, contre seulement environ 93% avec le torchage³⁷. Cela réduit les émissions d'équivalent CO2 d'environ 63% par rapport à la poursuite du torchage.³⁸ En plus de réduire les émissions en évitant les fuites de méthane, les mineurs de bitcoins des champs pétrolifères sont plus performants que les mineurs de bitcoins raccordés au réseau et compensent ainsi leur consommation d'énergie.

Figure 36 - Évitement d'émissions par système de 1 M.W.

Les chiffres montrent que l'atténuation du brûlage de gaz par le minage de bitcoins est peut-être l'outil le plus puissant de notre boîte à outils pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Par mégawatt de capacité installée, un système de minage de bitcoins peut permettre une réduction annuelle de 9 482 tonnes d'émissions équivalentes de CO₂, contre 1 917 pour l'éolien et 1 278 pour le solaire.

Figure 37 - Évitement des émissions par 1000 $ d'investissement

C'est aussi de loin le moyen le plus rentable de réduire les émissions. Pour un investissement de 1 000 dollars, un système d'extraction de bitcoins réduit les émissions de 6,32 tonnes d'équivalents CO2 par an, contre 1,3 pour l'éolien et 0,98 pour le solaire.

Le minage de bitcoins est un client qui peut monétiser le gaz naturel et contribuer à financer l'infrastructure nécessaire pour réduire les émissions dues au torchage. À la fin de ce chapitre, nous expliquons pourquoi l'exploitation minière de bitcoins est le meilleur client pour ce gaz naturel rare.

Nous avons assisté à une croissance massive de l'exploitation minière de bitcoins dans les champs pétrolifères au cours des dernières années. Cette croissance est concentrée aux États-Unis et au Canada, mais nous avons également vu quelques projets dans d'autres régions où le torchage est un gros problème, comme la Russie et le Moyen-Orient.

Les forces économiques et environnementales sont à l'origine de l'essor de l'extraction de bitcoins dans les champs pétrolifères. Le torchage du gaz naturel sur place constitue un gaspillage d'une ressource économique que le producteur de pétrole souhaiterait plutôt vendre pour en tirer un revenu. En extrayant des bitcoins, soit par lui-même, soit par l'intermédiaire d'un tiers, le producteur de pétrole peut gagner de l'argent avec le gaz au lieu de le laisser se perdre.

Figure 38 - Pourcentage de gaz torché par les producteurs de pétrole avant et après l'extraction de bitcoins*

Les préoccupations environnementales et les réglementations en matière de torchage jouent le rôle le plus important en poussant les producteurs de pétrole à se lancer dans l'extraction de bitcoins. C'est particulièrement vrai aux États-Unis, où des réglementations spécifiques à chaque État limitent la quantité de pétrole que les producteurs sont autorisés à brûler en pourcentage de leur production totale.
Plusieurs des plus grands pays et sociétés pétrolières du monde ont approuvé l'initiative de la Banque mondiale "Zero Routine Flaring by 2030" et le "Global Methane Pledge". Ces initiatives sont des moteurs importants pour la réduction du torchage et entraîneront probablement une réglementation encore plus stricte à l'approche de 2030.
Plusieurs entreprises et modèles commerciaux ont vu le jour sur ce créneau en pleine expansion. La plus grande entreprise, Crusoe Energy, signe des accords d'achat de gaz avec les principaux producteurs de pétrole, installe son système de réduction des torchères à proximité des puits de pétrole et l'exploite. Crusoe Energy a baptisé ce concept "Digital Flare Mitigation".
Crusoe a aidé plusieurs compagnies pétrolières à réduire le torchage de leurs opérations aux États-Unis, notamment ExxonMobil³⁹ et Equinor.⁴⁰ Crusoe prévoit d'entrer au Moyen-Orient par le biais d'un bureau à Oman dans le cadre de son partenariat avec le gouvernement d'Oman.⁴¹.

Une autre entreprise leader sur ce créneau est Upstream Data, qui a été la première à lancer ce concept en 2017.⁴². Le modèle économique de cette entreprise canadienne diffère de celui de Crusoe car, au lieu d'acheter simplement le gaz, elle vend des équipements directement aux producteurs de pétrole afin qu'ils puissent eux-mêmes extraire des bitcoins. Parmi les autres entreprises ayant un modèle économique similaire, citons E.Z. Blockchain, Giga Energy et Jai Energy.

Quelles sont les propriétés de l'exploitation minière du bitcoin qui font de ce processus un client supérieur du gaz naturel échoué ? Les puits de pétrole sont souvent situés dans des endroits reculés où il est difficile de mettre en place et d'exploiter d'autres opérations de conversion d'énergie à forte intensité énergétique. L'extraction de bitcoins étant un processus indépendant de l'emplacement, les mineurs de bitcoins peuvent se rendre directement dans les puits de pétrole pour consommer l'excédent de gaz naturel. En outre, étant donné que les sites pétroliers produisent généralement des quantités décroissantes de gaz naturel excédentaire à mesure qu'ils arrivent à maturité, un exploitant doit être en mesure de réduire son activité de manière modulaire. L'extraction de bitcoins est un processus modulaire puisque vous pouvez combiner différents nombres de machines à des niveaux d'utilisation énergétique variables. De même, lorsque les puits de pétrole s'épuisent, le consommateur doit pouvoir suivre le producteur de pétrole vers un nouveau site. Un système de minage de bitcoins peut être intégré dans un conteneur, ce qui le rend hautement portable.
La combinaison de l'agnosticisme géographique, de la modularité et de la portabilité de l'exploitation minière en bitcoins en fait un fournisseur idéal à grande échelle pour le gaz naturel échoué. Cela en fait un outil précieux dans notre boîte à outils pour atténuer le torchage du gaz.

5 Réutilisation de la chaleur résiduelle de l'extraction du bitcoin

Le chauffage des habitations, des industries et d'autres applications est la principale utilisation finale de l'énergie dans le monde, représentant près de la moitié de la consommation finale d'énergie en 2021.

Les processus industriels sont responsables de 51 % de l'énergie consommée pour le chauffage, tandis que 46 % sont consommés dans les bâtiments pour le chauffage des locaux et de l'eau et, dans une moindre mesure, pour la cuisson. Le reste est utilisé dans l'agriculture, principalement pour le chauffage des serres.

Sans surprise, représentant la moitié de la consommation d'énergie dans le monde, le chauffage est également la plus grande source d'émissions mondiales de CO₂. Le chauffage représente environ 40 % des émissions mondiales de CO₂ et 30 % des émissions équivalentes de CO₂.

Figure 39 – Émissions mondiales d'équivalent CO2 par secteur en 2018

Les combustibles fossiles sont la source d'énergie de chauffage la plus courante, représentant environ trois quarts du bouquet énergétique. Le quart restant est réparti à parts presque égales entre l'utilisation traditionnelle de la biomasse et les énergies renouvelables modernes.

Figure 40 – Production de chaleur par source d'énergie en 2018

5.1 L'extraction de bitcoins génère beaucoup de chaleur

Vous êtes-vous déjà demandé ce qu'il advient de toute l'électricité qui alimente les machines de minage de bitcoins ? L'électricité passe par des tableaux de hachage pour produire des hachages que le mineur vend à un pool minier qui lui renvoie un flux continu de bitcoins. La machine génère non seulement des bitcoins, mais aussi une grande quantité de chaleur car l'électricité se dissipe sur les tableaux de bord résistifs.

Figure 41 - Génération de chaleur pour l'extraction de bitcoins

L'industrie minière du bitcoin génère environ 100 TWh de chaleur par an⁴³, ce qui est suffisant pour chauffer la Finlande⁴⁴. La majeure partie de la chaleur dégagée par l'extraction de bitcoins n'est pas captée et réutilisée, mais rejetée dans l'air par les centres de données.

5.2 Les mineurs de bitcoins peuvent réutiliser leur chaleur résiduelle pour le chauffage urbain ou la production alimentaire.

Les mineurs de bitcoins commencent à voir le potentiel de la récupération de la chaleur. Cette attention croissante est principalement motivée par la possibilité de réduire les coûts dans un secteur de plus en plus compétitif, mais la possibilité de réduire les émissions de carbone est également un élément moteur. Il n'est pas surprenant que la plupart des innovations aient lieu dans des régions plus froides comme le Canada et la Scandinavie, où la chaleur a plus de valeur que dans les centres d'extraction de bitcoins plus chauds comme le Texas.

L'évacuation de la chaleur est le plus grand défi technique de l'exploitation minière, c'est pourquoi les premières installations minières industrielles ont été construites dans des environnements froids. Les mineurs peuvent utiliser deux technologies différentes pour refroidir leurs machines. La plus courante est le refroidissement par air. Le refroidissement par immersion est une nouvelle méthode dans laquelle la machine est entièrement immergée dans un liquide thermoconducteur aux propriétés isolantes supérieures à celles de l'air ordinaire. La construction d'un système de refroidissement par immersion est beaucoup plus coûteuse que celle d'un système traditionnel de refroidissement par air, mais elle offre également des capacités de refroidissement supérieures.

Lors de la réutilisation de la chaleur, un mineur devrait idéalement utiliser le refroidissement par immersion car le fluide transporte la chaleur beaucoup plus efficacement et est plus facile à diriger que l'air. Il est toujours possible de réutiliser la chaleur provenant de l'extraction de bitcoins en utilisant le refroidissement par air, mais c'est beaucoup moins efficace que le refroidissement par immersion, qui peut récupérer 96 % de la chaleur.⁴⁵

Un autre facteur à retenir est que les mineurs de bitcoins génèrent de la chaleur entre 40॰C et 50॰C, bien qu'il soit possible de faire fonctionner les machines jusqu'à 80॰C. Il s'agit d'une chaleur de qualité inférieure qui ne peut pas être utilisée à des fins qui exigent des températures plus élevées. Néanmoins, les mineurs de bitcoins générant de la chaleur de faible qualité peuvent fournir un chauffage de base à de nombreuses fins, notamment pour le chauffage urbain et la production alimentaire. Nous allons maintenant passer en revue quelques exemples.

Chauffage urbain
La société canadienne Mintgreen est une pionnière dans la réutilisation de la chaleur résiduelle issue de l'extraction de bitcoins. Cette position de leader lui a permis de travailler avec la ville de North Vancouver pour fournir de la chaleur à 100 bâtiments comprenant 7000 appartements.⁴⁶. Il s'agit d'un contrat d'achat de chaleur sur 12 ans, dans lequel Lonsdale Energy Corp, la société de chauffage urbain appartenant à la ville, achète une charge de base de chaleur générée par les Digital Boilers® exclusifs de Mintgreen qui sont alimentés par des énergies renouvelables. Les Digital Boilers® contiennent des machines de minage de bitcoins qui sont refroidies par immersion. Une pompe déplace le fluide de refroidissement non conducteur vers un échangeur de chaleur, qui transmet la chaleur directement au système de chauffage urbain de Lonsdale Energy Corp.

Production alimentaire
De nombreux processus de production alimentaire nécessitent une chaleur de base de faible qualité que les mineurs de bitcoins peuvent fournir. En 2020, Mintgreen a commencé à travailler avec la distillerie Shelter Point pour alimenter leur processus de production de whisky avec la chaleur générée par les mineurs de bitcoins.⁴⁷ Le producteur de whisky a besoin d'énergie thermique pour le processus de vieillissement des fûts. Mintgreen a conçu une machine à vieillir le whisky alimentée par le minage de bitcoins qui lui permet de faire vieillir le whisky plus rapidement qu'il ne l'aurait fait sans la chaleur supplémentaire.

Plusieurs mineurs de Scandinavie réutilisent activement leur chaleur excédentaire ou prévoient de le faire. Genesis Mining participe à un projet de recherche dans le nord de la Suède qui étudie les perspectives de réutilisation de la chaleur résiduelle de l'extraction de bitcoins pour faire pousser des fruits et des légumes dans des serres. Pour ce faire, l'air chaud des machines est envoyé dans une serre. Le projet a révélé qu'un conteneur minier relativement petit de 600 kW fournit suffisamment de chaleur pour une serre de 300 m², même à des températures hivernales aussi basses que -30॰C.⁴⁸

La plupart des mineurs norvégiens envisagent de réutiliser la chaleur résiduelle de l'extraction de bitcoins pour la production alimentaire. Ils prévoient notamment de fournir de la chaleur aux serres, aux producteurs d'algues et aux éleveurs de saumons. Les mineurs norvégiens sont actuellement soumis à une forte pression politique en raison de leur consommation d'énergie, et la réutilisation de la chaleur excédentaire de leurs opérations est un moyen de montrer que l'exploitation minière présente des avantages pour l'environnement. En raison de ces incitations politiques, nous assisterons probablement à une innovation massive en matière de chaleur pour l'extraction de bitcoins en Norvège au cours des prochaines années.

5.3 La réutilisation de la chaleur résiduelle de l'extraction de bitcoins permet de réduire les coûts de chauffage et les émissions de carbone.

La réutilisation de la chaleur issue de l'extraction de bitcoins présente trois avantages principaux. Premièrement, les revenus de l'extraction de bitcoins subventionnent le coût de l'électricité utilisée pour produire la chaleur. Mintgreen peut être compétitif sur le marché du chauffage urbain et utiliser le produit de la vente de la chaleur pour réduire son tarif d'électricité, qui est l'un des plus bas du secteur de l'extraction de bitcoins.⁴⁹ Leur compétitivité en matière d'extraction de bitcoins réduit encore le risque, ce qui leur permet de conclure des contrats d'achat de chaleur d'une durée de dix ans.

La réduction des coûts de chauffage permet également d'accroître la production alimentaire dans des régions nordiques historiquement considérées comme trop froides pour une production alimentaire extensive. Selon Mattias Vesterlund, chercheur principal à RISE en Suède, qui a coopéré avec Genesis Mining dans son projet de serre, "un centre de données de 1 M.W. aurait la capacité de renforcer l'autosuffisance locale jusqu'à 8 % avec des produits compétitifs sur le marché". Une installation d'extraction de bitcoins de 1 M.W. est relativement petite, nous ne pouvons donc qu'imaginer ce que pourrait faire un centre de données de 100 MW.

En plus de réduire les coûts de chauffage, l'utilisation de l'extraction de bitcoins pour le chauffage urbain peut réduire les émissions de carbone si les machines sont alimentées par de l'électricité renouvelable. Colin Sullivan, PDG de Mintgreen, estime que l'entreprise économise 20 000 tonnes d'émissions de carbone sur les 12 ans que devrait durer le partenariat avec le chauffage urbain. Les économies de CO2 proviennent du remplacement des chaudières au gaz naturel utilisées par le système de chauffage urbain de la ville⁵⁰. Troisièmement, la réutilisation de la chaleur dégagée par l'extraction de bitcoins revient à utiliser deux fois la même énergie. Cela permet de compenser l'énergie utilisée par l'industrie minière du bitcoin, car elle surpasse les autres mineurs qui ne réutilisent pas leur chaleur.

Figure 42 - Chauffage urbain avec extraction de bitcoins : Réduction annuelle des émissions de carbone

Mintgreen estime que son système de chauffage urbain pour l'extraction de bitcoins permet une réduction annuelle de 3 100 tonnes de CO2 par MW. Sur cette quantité, 1 300 tonnes proviennent d'un MW de consommation énergétique compensée dans l'industrie de l'extraction de bitcoins et une réduction de 1 800 tonnes provient d'un MW de chauffage au gaz naturel réduit.⁵¹

Outre la réduction des coûts de chauffage et l'atténuation des émissions de carbone, la réutilisation de la chaleur excédentaire des opérations minières peut avoir un impact sur la répartition géographique de l'industrie minière du bitcoin. Actuellement, les opérations d'extraction de bitcoins sont centrées dans des régions où l'électricité est abondante et bon marché. Comme les coûts de chauffage et les prix de l'électricité sont corrélés, un mineur qui réutilise sa chaleur peut fonctionner dans des endroits auparavant considérés comme inappropriés pour l'extraction de bitcoins en raison des prix élevés de l'électricité.

Deux propriétés principales font que l'extraction de bitcoins est supérieure à d'autres industries à forte consommation d'énergie pour la récupération de chaleur. Premièrement, l'agnosticisme géographique de l'extraction de bitcoins signifie qu'un mineur de bitcoins peut fonctionner partout où de la chaleur est nécessaire. Deuxièmement, l'extraction de bitcoins est un processus modulaire qui peut être adapté pour fournir la quantité de chaleur nécessaire. Ces caractéristiques du minage de bitcoins ont permis à des entreprises comme Mintgreen de construire des chauffages alimentés par le minage de bitcoins, qui subventionnent leurs coûts de chauffage avec les revenus du minage de bitcoins.

Nous continuerons probablement à voir une innovation massive dans la réutilisation du chauffage provenant de l'extraction de bitcoins. La hausse des prix de l'électricité et des coûts de chauffage incitera les mineurs de bitcoins et les consommateurs de chauffage à rechercher des solutions créatives pour réduire les coûts.

6 L'avenir de l'exploitation minière du bitcoin

L'extraction de bitcoins possède une combinaison de propriétés qui en font un consommateur d'énergie d'une souplesse unique. Cette flexibilité permet aux mineurs de bitcoins de fournir des externalités positives à divers systèmes énergétiques dans le monde, notamment en renforçant les réseaux électriques vulnérables, en améliorant l'économie des énergies renouvelables, en atténuant le torchage du gaz naturel et en réduisant les coûts de chauffage en réutilisant la chaleur résiduelle.

Non seulement les mineurs de bitcoins ont la possibilité d'ajouter de la valeur aux systèmes énergétiques, mais ils sont économiquement incités à le faire. Au fur et à mesure que le secteur de l'exploitation minière des bitcoins gagnera en maturité, il deviendra probablement le secteur le plus compétitif de tous les temps. Les mineurs de bitcoins produisent un produit de base qui ne peut pas être différencié et qui ne peut être concurrencé que par les coûts. Il s'agit également d'une industrie mondiale, difficile à réglementer et dont les barrières à l'entrée sont faibles. En raison de ces caractéristiques, les forces concurrentielles impitoyables vont progressivement effacer les marges bénéficiaires des mineurs, sauf pour ceux qui ont accès à une électricité exceptionnellement bon marché.

En tant qu'entités maximisant leurs profits, les mineurs ne négligeront rien dans leur quête d'une électricité moins chère. En étant payé pour stabiliser le réseau, en vendant de la chaleur résiduelle ou en absorbant du gaz naturel ou des énergies renouvelables, un mineur peut obtenir des coûts d'électricité nettement inférieurs à ceux d'un mineur qui tire passivement de l'énergie du réseau.

Ce rapport a mis en évidence quatre façons dont le minage de bitcoins peut apporter de la valeur aux systèmes énergétiques, mais nous aurions pu en ajouter plusieurs autres. Nous avons choisi de limiter notre rapport à ces quatre possibilités parce qu'elles existent déjà à grande échelle. Cependant, d'autres moyens d'exploiter la flexibilité du minage de bitcoins au profit des systèmes énergétiques pourraient apparaître et devenir encore plus importants que ceux sur lesquels nous nous sommes concentrés dans ce rapport.

Par exemple, le minage de bitcoins pourrait financer des infrastructures énergétiques dans les pays en développement où la demande locale d'électricité est faible. Certaines sources d'énergie renouvelables, comme la géothermie et l'hydroélectricité, nécessitent des coûts de financement énormes, mais lorsque les centrales électriques sont construites, elles fournissent de l'énergie à un coût marginal nul. En raison de la faible demande locale d'électricité, de nombreux pays en développement disposent d'un vaste potentiel hydroélectrique ou géothermique, mais sont peu ou pas développés. La nature mondiale du minage de bitcoins signifie que ces infrastructures pourraient être partiellement financées par le minage de bitcoins.

Ce qui fait de l'extraction de bitcoins un outil énergétique si prometteur n'est pas simplement le fait qu'il s'agisse d'un consommateur d'énergie particulièrement flexible, mais aussi le fait que les incitations financières s'additionnent. Avec des incitations similaires, les secteurs de l'exploitation minière de bitcoins et de l'énergie sont appelés à travailler ensemble pour résoudre certains de nos plus gros problèmes énergétiques.


Les notes de bas de page numérotées

  1. IEA: Electricity generation by fuel and scenario 2018 - 2040
  2. Hashrate Index: Bitcoin Mining Energy Consumption Index
  3. Our World in Data: Energy Production and Consumption
  4. Hashrate Index: Bitcoin Mining Energy Consumption Index
  5. Braiins: So You Think Bitcoin Mining is Wasteful?
  6. Galaxy Digital: On Bitcoin's Energy Consumption – A Quantitative Approach to a Subjective Question
  7. The International Energy Agency: Pulp and Paper
  8. University of Cambridge: 3rd Global Cryptoasset Benchmarking Study
  9. University of Cambridge: 3rd Global Cryptoasset Benchmarking Study
  10. Arcane Research: Bitcoin mining around the world - Norway
  11. ASIC Miner Value: Miners profitability
  12. University of Cambridge: New data reveals timeline of China's bitcoin mining exodus
  13. IEA: Electricity generation by fuel and scenario 2018-2040
  14. IEA: Electricity generation by fuel and scenario 2018 - 2040
  15. The University of Texas at Austin Energy Institute: The Timeline and Events of the February 2021 Texas Electric Grid Blackouts
  16. PR Newswire: Lancium and MP2 Energy Offer Unique Energy Demand Response Solution for High-Throughput Computing and Cryptocurrency Miners
  17. ERCOT: Apr 26, 2022 – Large Flexible Load Task Force (LFLTF) Meeting
  18. CoinDesk: Bitcoin Mining Farms in Texas Offline From Winter Storm
  19. DataCenter Knowledge: Most Texas Data Centers Weathered the Storm, But Things Did Not Go Smoothly
  20. CNBC: Bitcoin miners are helping the Texas grid brace for winter storm impact
  21. CNBC: Crypto mines help ERCOT keep renewable energy operational, says interim CEO
  22. IEA: Demand Response
  23. IEA: World Energy Outlook 2018
  24. ERCOT: Long-Term West Texas Export Study (January 2022)
  25. U.S. Energy Information Administration: Levelized costs of new generation resources in the Annual Energy Outlook 2022
  26. ERCOT: Historical RTM load zone and hub prices
  27. Potomac Economics: 2021 State of the Market Report for the ERCOT Electricity Markets
  28. S&P Global: Texas support for massive transmission boost for renewables in question
  29. On the Brink with Castle Island: Stabilizing the Grid with Bitcoin Mining with Ray Cline and Shaun Connell
  30. Riot Blockchain – North America's Largest Bitcoin Mining Facility by Developed Capacity
  31. EIA: Electric Power Monthly – Capacity Factors for Utility Scale Generators Primarily Using Non-Fossil Fuels
  32. ERCOT: GIS report May 2022
  33. Energy Storage News: Texas' largest battery project to date brought online by Vistra
  34. CNBC: Tesla, Block and Blockstream team up to mine bitcoin off solar power in Texas
  35. Gas flaring emissions
  36. https://www.epa.gov/greenvehicles/greenhouse-gas-emissions-typical-passengervehicle
  37. Crusoe Energy: Understanding The Problem Crusoe Solves
  38. Crusoe Energy
  39. CNBC: Exxon is mining bitcoin in North Dakota as part of its plan to slash emissions
  40. CoinDesk: Energy Giant Equinor to Cut Gas Flaring With Bitcoin Mining
  41. Oman Backs U.S. Firm Mining Crypto to Cut Gas Flaring
  42. Upstream Data
  43. Hashrate Index: Bitcoin Mining Energy Consumption Index
  44. Our World in Data: Finland – Energy Country Profile
  45. Mintgreen
  46. Vancouver Sun: Bitcoin mining could be heating homes in North Vancouver next year
  47. Mintgreen: Shelter Point Distillery
  48. Nasdaq: How heat from crypto mining farms could be recycled into energy for greenhouses
  49. Mintgreen: Intro to Mintgreen
  50. CoinDesk: How a Startup Is Supplying a Whole City With Heat From Bitcoin Mining
  51. Mintgreen

Value for Value exchange (you can tip Sovereign Monk for translations via Bitcoin Lightning): svmonk21@ln.tips