神秘研究：比特币矿工如何让电网更稳定

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为了将更多的风能和太阳能安全地并入电力系统，电网需要更加灵活的电力需求。 本文说明了比特币挖矿的独特灵活性将如何加强电网。

来源：IEA（净零情景）

本文摘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特的灵活能源消费者，并列出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。 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，因为即使是轻微的不平衡也会影响系统可靠性。 除了电力供应或需求的变化，储能和输电线路也可以提供系统灵活性。 从历史上看，我们主要依靠供应方来调整发电量以满足预期需求。

不同的电能源在其可控性方面差别很大。 天然气和水电是最可控的，能源生产商可以轻松调整产量。 煤炭和核电也是可管理的，但不是那么容易。 它们非常可靠，但在微调负载时效率相对较低。 传统上，电网为燃煤和核电厂提供基本负荷，并为天然气或水力发电厂提供微调负荷，以响应不断变化的用户需求。

资料来源：奥术研究

当今最大的能源挑战之一是供应方提供系统灵活性的能力下降。 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过程中。 然而，风能和太阳能是不可控的能源，其发电量取决于天气情况。 系统的灵活性不能依赖于不可控的能源。

国际能源署 (IEA) 设想了几种能源转型情景。 可持续发展情景是实现《巴黎协定》的一种方式，它意味着到 2040 年，不可控能源在发电组合中的份额将从 11% 急剧增加到 42%。

资料来源：IEA（可持续发展情景）

这种情况假设可控能源在很大程度上被不可控能源所取代。 届时我们将如何弥补失去的系统灵活性？ 您可以选择增加用电端的灵活性，增加储能容量或输电线路容量。

我们需要结合这些选项，但我们需要利用的是电力方面的灵活性，因为它比其他替代方案更便宜且更具可扩展性。

灵活用电用户可提供需求响应

需求响应是指电力消费者改变其用电方式以使电力需求与供应相匹配的响应。 该过程通常涉及向同意在电力供应不足时减少用电量的消费者支付或提供其他经济奖励。

世界上大多数发达的电力系统都存在需求响应。 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任的系统稳定性来源之一。

得克萨斯州的电力系统称为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，促使他们寻找创新方法来保持电力系统的可靠性。 ERCOT 电力系统是孤立的，与其他电网的连接很少。 因此，它们不可能通过输电线路导入或导出电力来提供系统灵活性。

由于得克萨斯州拥有地球上最好的风能和太阳能条件，因此 ERCOT 拥有很高的风能份额和快速增长的太阳能份额。 然而，对风能和太阳能的严重依赖往往意味着供应端不稳定，它们必须越来越依赖消费端的灵活性。

得克萨斯州的电网是一个岛屿电网，风能和太阳能的份额高且增长迅速，但得克萨斯州的天气有时极端且不可预测，导致需求不时波动。 例如，2021 年 2 月的冬季风暴导致德克萨斯州的需求激增和供应中断。

资料来源：奥术研究

这些测试系统稳定性的结合激发了 ERCOT 开发世界上最先进的需求响应市场之一。 ERCOT 有两大类 DR，其使用取决于 DR 资源调整其用电量的速度。 第一类是加载资源指令，第二类是应急响应服务。

负荷资源订单有助于稳定符合条件的需求侧响应资源的电网频率。 在北美，电网频率在 60 赫兹左右波动，将频率尽可能稳定地保持在这个水平非常重要。 高负载会降低频率，反之则会增加频率。 系统操作员持续监控并使用各种工具来稳定频率。

资料来源：ERCOT

我们可以将加载资源指令分为两类：可控加载资源（CLR）和不可控加载资源（NCLR）。 为了获得这些指令，负载必须通过一些关于其可控性的测试。 顾名思义，可控负载资源比不可控负载资源有更严格的访问要求。

可控负荷资源是指能够在数秒内对负荷进行微调的负荷资源，对稳定电网频率起到积极作用。 不可控的负载资源也有助于稳定频率，但只是在频率低于某个水平时通过断开整个负载的二进制方式。 可控负荷资源具有更高的可控性，这意味着它们比不可控负荷资源更有效地稳定电网。 到目前为止，只有加密矿工获得了可控负载资源的称号。

资料来源：ERCOT

负载资源通过调整负载以在数秒内稳定频率为电网提供第一层保护，并在负载资源不足时提供额外的保护层。 这种电网保险的最终级别称为紧急响应服务 (ERS)，包括可以在 10 或 30 分钟内减少用电量的负载，具体取决于协议规则。

需求响应通常是通过电力消费者在提供辅助服务的各种日前电力市场上出售其关闭业务的能力来实现的。 之后，如果系统运营商给他们指示，他们就会按照约定减少用电量。 此类交易可视为出售需求侧响应资源以确保电网安全。

需求响应也可以通过直接对价格信号做出反应来实现。 如果某个时期的电价高，灵活的消费者可以减少该时期的购买量。 通过在电力昂贵时避免消费，消费者可以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 年制定了可控负荷指令。直到 2020 年，当需求响应技术公司 Lancium 和比特币矿场负荷通过了必要的测试时，满足可控负荷指令的电力消费者才出现。 Lancium 获得专利的 Smart Response® 软件使比特币矿工能够成为负载可控的资源。

被指定为可控负载资源的比特币矿工被允许参与 ERCOT 的所有辅助服务市场，出售他们按照 ERCOT 的指示调节功耗的能力。 他们还可以通过在购电协议中加入停止供电并以实时价格“卖”回电网的条款来参与实时电力市场。

根据 ERCOT 的说法，目前有 8 个加密矿工，总容量为 750 兆瓦，被指定为负载可控资源，另有 2,600 兆瓦正在等待批准。 然而，得克萨斯州的比特币矿工 Rich Godwin 跟踪了可控负载资源的实时市场参与情况，发现市场上只有大约 130 兆瓦的负载。 这种差异可能是由于可控负载资源并非全部同时参与市场造成的。

资料来源：ERCOT

为什么只有加密矿工通过ERCOT对可控负载的资源要求？ 这一切都归结为比特币挖矿作为可中断负载的独特性质，我们在本文中对此进行了解释。 我们现在将分析导致负载中断的四个因素，并将比特币挖矿在这些因素上的得分与其他两个能源密集型消费者（传统数据中心和钢厂）的得分进行比较。

资料来源：奥术研究

反应成本

响应成本是指需求方响应资源关闭其业务的成本。 对于传统数据中心来说，这个数字非常高，不适合需求响应，因为它服务于依赖有效数据的客户。

对于比特币矿工来说，唯一的响应成本是不生产比特币的重置成本，这让他们有很高的经济动机参与需求响应。 假设每兆瓦时的电价超过了矿工用这个兆瓦时挖比特币所能赚取的收入。 在这种情况下，矿工应该停止挖矿，因为关掉机器会比挖比特币赚更多的钱。

资料来源：哈希率指数

上图显示比特币挖矿案例，到 2022 年，不使用 1 兆瓦时进行比特币挖矿的替代成本在 150 美元到 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数千美元小时，远高于采矿替代品的成本，这意味着经济上合理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，即需求方响应资源关闭其操作所需的时间。 钢厂的响应时间很长，因为它需要大量协调才能关闭具有许多不同流程和员工的工厂。 另一方面，比特币挖矿设备只执行一个功能，即解决 SHA-256 哈希算法问题。 这个单一过程可以快速中断，允许比特币矿工参与需要快速响应时间的需求响应项目。

可用性

由于比特币矿机负载的稳定性，系统运营商可以始终依赖比特币挖矿负载提供的需求响应。 可用性低的工业负载的一个例子是钢铁厂。 钢铁生产包括许多过程； 只有少数能源密集型企业可以提供需求响应。 由于生产过程的能源需求不同，钢厂的负荷每周都在波动。 因此，不能总是依赖它来提供需求响应。

粒度

这里的粒度是指需求侧响应资源可调节负载的增量。 比特币矿工能够以几乎无限的增量调整他们的负载，使他们在向电网出售电力方面具有高度的灵活性。 比特币矿工的高粒度与钢铁厂形成鲜明对比，后者要么运行电弧炉，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载比特币挖矿案例，这也是为什么它是目前 ERCOT 中唯一负载可控的资源。

比特币矿工稳定电网案例

需求响应点是在高压力事件期间保护电网，此时电网与当时的负载相比没有足够的发电能力。 让我们来看看比特币矿工在得克萨斯电网历史上压力最大的事件——2021 年的冬季风暴 Uri 中做了什么。

2 月 13 日至 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，冬季风暴会导致发电和天然气供应大范围中断。 发电中断加上家庭取暖用电需求飙升，造成供需严重失衡。 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 部署了所有需求侧响应资源，其中许多是比特币矿工。 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未关闭。

资料来源：Lancium

上图比较了 2021 年 2 月西德克萨斯州的每日平均实时电价以及比特币矿场和住宅客户的关闭点。 住宅客户对价格不敏感，因为他们有供暖等基本能源需求，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，由于比特币矿工确切地知道他们每兆瓦时能赚多少钱，所以他们对价格非常敏感。

在为期 7 天的冬季风暴期间，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。 经济动机很明显：如果比特币矿工没有在冬季暴风雪期间关闭他的机器，他将花费近十倍于他所能赚取的电费。

ERCOT在2022年也遇到了冬季风暴，虽然没有前一年那么严重，但系统运营商仍然需要部署一些需求侧响应资源。 Riot Blockchain 是已关闭其运营的矿工之一。 20 家比特币矿业公司已成为 ERCOT 最值得信赖的需求方响应资源，ERCOT 临时首席执行官布拉德琼斯在接受 CNBC 采访时表示，“加密矿工帮助 ERCOT 保持可再生能源的运行。”

比特币挖矿提供了安全整合可再生能源所需的需求灵活性

随着我们不断整合风能和太阳能等可变可再生能源，需求响应将成为确保电力系统可靠性不可或缺的工具。 国际能源署估计，要实现《巴黎协定》目标，到2030年，我们必须向市场投放总计500吉瓦的需求响应容量，是2020年的10倍以上。

来源：IEA（净零情景）

比特币挖矿是一种稳定的能源密集型负载，可以精确快速地调整，除了不挖比特币的重置成本外，无需额外成本。 这些特性的结合使比特币挖矿成为一种独特的可中断负载和我们需求响应的最佳替代方案，提供安全整合可再生能源所需的需求灵活性。

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