Arcane Research:比特币矿工如何让电网更稳定

作者 | Jaran Mellerud

编译 | TSE(擎速能源)Kate Li

吴说区块链授权翻译转载

本文由北美矿场服务商 TSE 冠名,内容不构成财务建议,不代表吴说观点与立场。

为了安全地将更多的风能和太阳能整合到电力系统中,电网需要更灵活的电力需求。本文阐述了比特币挖矿的独特灵活性将如何加强电网。

Source: IEA (Net Zero Scenario)

本文节选自我们题为《比特币挖矿如何改变能源行业》的研究报告。该研究报告列出了比特币矿工的五个特征,这些特征使他们成为独一无二的灵活的能源消费者,并阐述了比特币矿工可以帮助解决的四个能源问题。本文解释了其中一个问题:比特币挖矿如何加强电网。让我们开始吧。

电网变得越来越脆弱

在电力系统中,需求必须始终与供应相匹配,因为即使不平衡程度十分轻微,也会影响到系统的可靠性。除了改变电力供应或需求外,储能和输电线路也可以提供系统灵活性。从历史上看,我们主要依靠供电侧,去调整发电量以满足预期需求。

不同的电力能源在可控性方面差异很大。天然气和水力发电可控性最强,能源生产商可以很容易地调整其产量。煤炭和核能也是可控的,但可控性较弱。它们非常可靠,但微调负荷的效率相对较低。传统上,电网用燃煤和核电站提供基本负荷,再用天然气或水力发电厂微调负荷,以应对波动的用户需求。

Source: Arcane Research

当今最大的能源挑战之一是供电侧提供系统灵活性的能力正在下降。我们正处于试图用风能和太阳能等可再生能源取代化石燃料的能源转型中期。然而,风能和太阳能等都是不可控的能源,它们的发电能力取决于天气条件。而系统灵活性不能依赖于不可控的能源。

国际能源署(IEA)为能源转型构想了几种情景。其中可持续发展情景是实现《巴黎协定》的一个途径,这意味着到 2040 年,不可控能源在发电结构中所占的份额将从 11% 大幅增长到 42%。

Source: IEA (Sustainable Development Scenario)

该情景假设可控能源被不可控能源大量取代。届时我们将如何弥补所失去的系统灵活性?可以选择增加用电侧的灵活性、提高储能容量或输电线路容量。

我们需要将这些选项组合,但更需要利用的,是用电侧的灵活性,因为它比其他替代方案更便宜,且更具可扩展性。

灵活的电力用户可以提供需求响应

需求响应是指为使电力需求与供应相匹配而让电力消费者作出响应,改变其用电模式。该过程通常涉及向同意在电力供应不足时减少用电的消费者支付费用或提供其他经济激励。

需求响应存在于全球大多数发达的电力系统中。德克萨斯州的电力系统 ERCOT 处于需求响应的最前沿,比特币矿工已成为他们最信赖的系统稳定性来源之一。

德克萨斯州的电力系统被称为 ERCOT,这也是其系统运营商的名称。ERCOT 面临着一系列独特的挑战,激励着他们寻找创新方法来保持电力系统的可靠性。ERCOT 电力系统是孤岛式的,与其他电网几乎没有连接。因此,他们不可能通过输电线输入或输出电力以提供系统灵活性。

由于德克萨斯州拥有地球上最好的风能和太阳能条件,ERCOT 的风能份额很高,太阳能份额也在迅速增长。不过,对风能和太阳能发电的严重依赖往往意味着供电侧是不稳定的,它们必须越来越多地依赖用电侧的灵活性。

德州的电网是孤岛电网,风能和太阳能的占比很高且增长迅速,不过德州的天气有时极端且不可预测的,导致需求时常波动。例如,2021 年 2 月的冬季风暴导致德州用电需求飙升、供应中断。

Source: Arcane Research

这些考验系统稳定性的组合激励 ERCOT 开发出全球最先进的需求响应市场之一。ERCOT 有两大类需求响应方式,具体使用取决于需求侧响应资源调整其用电量的速度。第一类为负荷资源指令,另一类为应急响应服务。

负荷资源指令利用符合条件的需求侧响应资源帮助稳定电网的频率。在北美,电网频率在 60 Hz 左右波动,保持频率尽可能稳定在此水平十分重要。高负荷会降低频率,反之则会提高频率。系统运营商会持续监控,并借助各种工具来稳定频率。

Source: ERCOT

我们可以将负荷资源指令分为两类:可控负荷资源 (CLR) 和不可控负荷资源 (NCLR)。为了获得这些指令,负荷必须通过多项关于其可控性的测试。顾名思义,可控负荷资源比不可控负荷资源有更严格的接入要求。

可控负荷资源是指可以在几秒钟内精细调整负荷的负荷资源,它们能在稳定电网频率方面发挥积极作用。不可控负荷资源也有助于稳定频率,但只能通过当频率低于某水平时,断开整个负荷这种二元方式实现。可控负荷资源具有较高的可控性,这意味着其在稳定电网方面比不可控负荷资源要高效得多。到目前为止,只有加密矿工获得了可控负荷资源的称号。

Source: ERCOT

负荷资源通过在几秒钟内调整负荷以稳定频率,来为电网提供第一层保护,如果负荷资源不足,则使用额外的一层保护。这种电网保险的最后一级被称为紧急响应服务 (ERS),由可以在 10 或 30 分钟内减少用电量的负荷组成,具体情况取决于协议规则。

需求响应经常通过电力消费者在各种提供辅助服务的电力日前交易市场出售其关停业务的能力来实现。之后,如果系统运营商给他们下达指令,他们将根据协议减少电力消耗。这种交易可以被视为出售需求侧响应资源来为电网提供保险。

需求响应也可以通过对价格信号直接做出反应来实现。如果电价在特定时期很高,那么灵活的消费者可以减少在该时期的购买量。通过避免在电价昂贵时消费,消费者能有效地响应需求并减轻系统压力。

比特币挖矿是需求响应的最佳选择

ERCOT 于 2004 年创建了可控负荷指令。直到 2020 年,需求响应技术公司 Lancium 和一个比特币矿场负荷通过了必要的测试,才出现满足可控负荷指令要求的电力消费者。Lancium 的专利智能响应®软件让比特币矿工有了成为可控负荷资源的能力。

被指定为可控负荷资源的比特币矿工被允许参与 ERCOT 的所有辅助服务市场,根据 ERCOT 的指示出售自身调节功耗的能力。他们还可以参与实时电力市场,在其电力购买协议中加入条款,即停止供电并以实时电价将电“卖”回电网。

根据 ERCOT 的数据,目前有总容量为 750 兆瓦的八个加密矿工,被指定为可控负荷资源,另有 2,600 兆瓦正在等待批准。然而,德克萨斯州比特币矿工 Rich Godwin 通过跟踪可控负荷资源的实时市场参与量,发现市场中大约只有 130 兆瓦负荷。这种差异可能是可控负荷资源没有全部同时参与市场造成的。

Source: ERCOT

为什么只有加密矿工通过了 ERCOT 的可控负荷资源要求?这一切归结于比特币挖矿作为可中断负荷的独特性,我们在本文中对此进行了解释。现在,我们将通过对使负荷可中断的四个因素来进行分析,并将比特币挖矿在这些因素上的得分与另外两个能源密集型消费者(传统的数据中心和钢铁厂)的得分进行比较。

Source: Arcane Research

响应成本

响应成本是指需求侧响应资源关闭其业务的成本。对于传统的数据中心来说,这个数字非常高,因为它为依赖于有效数据的客户提供服务,因此不适合提供需求响应。

对于比特币矿工来说,做出响应的唯一成本是不生产比特币的替代成本,这给予他们很高的经济激励来参与需求响应。假设每兆瓦时的电价超过了矿工将此兆瓦时用于挖掘比特币所能赚取的收入。在这种情况下,矿工应该停止挖矿,因为关闭机器会比挖比特币赚得更多。

Source: Hashrate Index

上图显示,到 2022 年,不将 1 MWh 用于比特币挖矿的替代成本在 150 美元至 300 美元之间波动。而在电网压力时期,当电网需要需求响应时,实时电价可以达到每兆瓦时数千美元,远高于挖矿替代成本,这意味着有经济理性的比特币矿工将关闭他们的机器。

响应时间

第二个因素是响应时间,即需求侧响应资源花费多长时间才能关停其业务活动。钢铁厂的响应时间很长,因为它需要大量的协调工作才能关闭包含着许多不同流程和员工的工厂。另一方面,比特币挖矿设施只执行一个功能,即解决 SHA – 256 哈希算法问题。这个单一过程可以迅速中断,让比特币矿工能够参与需要快速响应时间的需求响应项目。

可用性

由于比特币矿工负荷的稳定性,系统运营商始终可以依靠比特币挖矿负荷提供的需求响应。可用性低的工业负荷案例之一是钢铁厂。钢铁生产包括许多过程;只有少数能源密集型企业能够提供需求响应。由于生产过程需要不同的能量,钢铁厂的负荷每天至每周都会波动。因此不能总是依靠它来提供需求响应。

粒度

粒度此处是指需求侧响应资源可调整负荷的增量数。比特币矿工能够以几乎无限的增量调整其负荷,因此在向电网出售电量方面具有高度灵活性。比特币矿工的高粒度与钢铁厂形成鲜明对比,钢铁厂要么运行电弧炉,要么不运行。

比特币挖矿在响应成本、响应时间、可用性和粒度方面得分很高,这使得比特币挖矿成为一种高度可中断的负荷,这也是为什么它是 ERCOT 目前唯一的可控负荷资源。

比特币矿工稳定电网案例

需求响应的要点是在高压力事件期间保护电网,与此时的负荷相比,电网不具备充足的发电量。让我们看看比特币矿工在德克萨斯州电网历史上压力最大的事件 —— 2021 年的冬季风暴 Uri —— 期间做了什么。

从 2 月 13 日到 19 日,一场严重的冬季风暴袭击了德克萨斯州。ERCOT 没有为这样的黑天鹅事件做好准备,冬季风暴导致发电和天然气供应大范围中断。发电的中断加上飙升的家庭电力供暖需求,致使供需严重失衡。实时电价飙升至每兆瓦时 9,000 美元以上。

为了减少电力需求并减轻灾难的影响,ERCOT 部署了所有的需求侧响应资源,其中有许多是比特币矿工。这些比特币矿工自愿关闭机器,并将未使用的电力卖回电网。与此同时,该州的传统数据中心并没有关闭。

Source: Lancium

上图对比了 2021 年 2 月西德克萨斯州每天的平均实时电价以及比特币矿场和居民客户的关停点。住宅客户对价格不敏感,因为他们有如供暖等必需的能源需求,这意味着即使价格飙升,他们通常也不会停止消费。另一方面,因为比特币矿工确切地知道每兆瓦时赚了多少钱,他们对价格反应非常敏感。

在为期 7 天的冬季风暴中,ERCOT 的平均电价为每兆瓦时 5,972 美元,远高于每兆瓦时 480 美元的比特币挖矿收入。经济激励是显而易见的:如果一个比特币矿工在冬季暴风雪期间没有关闭他的机器,那么他在电费上的花费将是他所能获得的收入的近十倍。

ERCOT 在 2022 年也遭遇了一场冬季风暴,虽然没有前一年那么糟糕,但系统运营商仍然不得不部署一些需求侧响应资源。Riot Blockchain 是关闭其业务的矿企之一。20 家比特币矿企已成为 ERCOT 最值得信赖的需求侧响应资源,ERCOT 临时首席执行官布拉德·琼斯 (Brad Jones) 在接受 CNBC 采访时表示,“加密矿工帮助 ERCOT 保持了可再生能源的运行。”

比特币挖矿提供了安全地整合可再生能源所需的需求灵活性

当我们继续整合风能和太阳能等可变可再生能源时,需求响应将成为保证电力系统可靠性的不可或缺的工具。国际能源署估计,要实现《巴黎协定》目标,我们必须在 2030 年之前将总量为 500 吉瓦的需求响应能力推向市场,而这相当于 2020 年的 10 倍。

Source: IEA (Net Zero Scenario)

比特币挖矿是一种稳定的能源密集型的负荷,可以做到精确且快速的调整,除了付出不挖掘比特币的替代成本外,无需额外费用。这些特征的结合使比特币挖矿成为一种独特的可中断负荷,也是我们需求响应的最佳替代方案,它提供了安全地整合可再生能源所需的需求灵活性。
 

深耕北美天然气行业多年(原业务官网:www.topspeedenergy.com),TSE 可自产自用天然气,建设100% 天然气孤网矿场,具有成本优势亦保证业务多元化,利用加拿大 100% 清洁水电能源,以及美国德州、俄亥俄州、北达科州等地混合网电资源,建设世界一级矿场,三班倒运维团队,承诺 1 小时响应时间,全天候保证矿工的设备稳定。

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