دراسة الجدوى الفيزيائية والاقتصادية لمشاركة تعدين العملات المشفرة في تنظيم تردد شبكة الكهرباء: حالة ولاية تكساس

1. المقدمة

بسبب الانتشار العالي لمصادر الطاقة المتجددة المتقطعة، تواجه أنظمة الطاقة الحديثة تحديات كبيرة في تحقيق التوازن بين العرض والطلب. تعتبر الخدمات المساعدة، وخاصة تنظيم التردد، حاسمة للحفاظ على استقرار الشبكة. تبحث هذه الورقة في مصدر جديد لمرونة الشبكة: منشآت تعدين العملات المشفرة القائمة على إثبات العمل. تمثل هذه المنشآت واحدة من أسرع أحمال الطاقة المرنة نموًا، وتتميز بقدرة تنافسية على التسلق وسرعة في ضبط استهلاك الطاقة. السؤال البحثي الأساسي هو ما إذا كان يمكن استخدام هذه المنشآت بشكل فعال لتقديم خدمات تنظيم التردد، مما يدعم موثوقية الشبكة ويزيد في الوقت نفسه من إيراداتها التشغيلية. تستخدم هذه الدراسة شبكة مجلس موثوقية كهرباء تكساس كحالة دراسة واقعية.

2. المنهجية والإطار

تستخدم هذه الدراسة نهجًا تحليليًا يجمع بين الجوانب الفيزيائية والاقتصادية لتقييم الجدوى.

3. دراسة حالة: شبكة ERCOT الكهربائية في تكساس

تم تطبيق الإطار النظري باستخدام بيانات حقيقية من سوق ERCOT.

4. الرؤى الأساسية والتحليل المقارن

5. التفاصيل التقنية والصيغ الرياضية

يمكن تمثيل النموذج الاقتصادي الأساسي بوظيفة تعظيم الربح. إجمالي الربح $Π$ لمنشأة التعدين خلال فترة زمنية هو دخل التعدين ودخل خدمات الشبكة، مطروحًا منه التكاليف.

دالة الربح:

$Π = R_{crypto} + R_{grid} - C_{electricity}$

حيث:

• $R_{crypto} = f(P_{coin}, H(t), η)$ هو دخل تعدين العملات المشفرة، ويعتمد على سعر العملة $P_{coin}$، وقوة الحوسبة $H(t)$، وكفاءة التعدين $η$.
• $R_{grid} = \int (\lambda_{reg}(t) \cdot P_{reg}(t)) \, dt$ هو دخل تقديم خدمات التنظيم، حيث $\lambda_{reg}(t)$ هو سعر السوق للتنظيم، و $P_{reg}(t)$ هو القدرة الملتزم بها للتنظيم.
• $C_{electricity} = \int (\lambda_{elec}(t) \cdot P_{load}(t)) \, dt$ هو تكلفة الكهرباء، حيث $\lambda_{elec}(t)$ هو سعر الكهرباء الفوري، و $P_{load}(t)$ هو الحمل الكلي للمنشأة.

المتغير الحاسم للقرار هو توزيع سعة الطاقة للمنشأة $P_{max}$ بين حمل التعدين الأساسي $P_{mine}$ وسعة التنظيم $P_{reg}$: $P_{max} \geq P_{mine} + P_{reg}$. عند تلقي إشارة تنظيم "لأعلى" (تحتاج الشبكة إلى تقليل الطاقة)، يجب على المعدِّن خفض الحمل إلى أقل من $P_{mine}$، مُضحياً بإيرادات التعدين. تجد عملية التحسين، في ظل أسعار متوقعة معينة، قيمة $P_{reg}$ التي تعظم $Π$.

6. إطار التحليل: حالة دراسية نموذجية

السيناريو: تقوم منشأة تعدين بيتكوين بقدرة 100 ميغاواط في منطقة ERCOT بتقييم المشاركة في خدمة التنظيم التصاعدي لمدة 4 ساعات.

معلمات الإدخال:

• سعة الطاقة للمنشأة: 100 ميغاواط
• متوسط سعر الكهرباء: 50 دولارًا أمريكيًا لكل ميغاواط ساعة
• متوسط سعر سعة التنظيم التصاعدي: 22 دولارًا أمريكيًا لكل ميغاواط
• معدل استدعاء التعديل التصاعدي المتوقع: 16%
• دخل التعديل لكل ميغاواط ساعة مستهلكة: 65 دولارًا (بعد خصم رسوم تجمع التعديل، بناءً على سعر بيتكوين وقوة حوسبة محددة)

تحليل القرار (نسخة مبسطة):

1. الخيار أ (التعدين فقط): التعدين بقدرة 100 ميجاوات.
   الإيرادات = 100 ميجاوات * 4 ساعات * 65 دولارًا/ميجاوات ساعة = 26,000 دولار
   التكلفة = 100 ميجاوات * 4 ساعات * 50 دولارًا/ميجاوات ساعة = 20,000 دولار
   الربح = 6000 دولار أمريكي
2. الخيار ب (توفير 20 ميجاواط للتنظيم التصاعدي): تعيين خط الأساس لطاقة التعدين عند 80 ميجاواط، مع تخصيص 20 ميجاواط للتنظيم التصاعدي.
   إيرادات التعدين = 80 ميجاواط * 4 ساعات * 65 دولار أمريكي/ميجاواط ساعة = 20800 دولار أمريكي
   إيرادات سعة التعديل التصاعدي = 20 ميجاواط * 22 دولارًا/ميجاواط * 4 ساعات = 1,760 دولارًا
   إيرادات طاقة التعديل التصاعدي المستدعاة (عند الاستدعاء): 20 ميجاواط * 16% معدل الاستدعاء * 4 ساعات * $[سعر الطاقة خلال الحدث] (بافتراض 60 دولارًا/ميجاواط ساعة) ≈ 76.80 دولارًا
   إجمالي الإيرادات ≈ 22,636.80 دولارًا
   تكلفة الطاقة: (80 ميجاواط خط أساس + تعديل الاستدعاء المحتمل) ≈ 80 ميجاواط * 4 ساعات * 50 دولارًا/ميجاواط ساعة = 16,000 دولار
   الربح ≈ 6,636.80 دولار أمريكي

الخلاصة: في هذا المثال المبسط، أدت توفير خدمات التعديل إلى زيادة الربح بنحو 10.6%، مما يثبت الفائدة الاقتصادية المحتملة. تم تحديد مستوى الالتزام الأمثل (20 ميجاوات في هذه الحالة) من خلال حل دالة تعظيم الربح في القسم 5.

7. التطبيقات المستقبلية والاتجاهات

• تجاوز تنظيم التردد: التطبيق في خدمات مساعدة أخرى، مثل دعم الجهد، والقصور الذاتي الاصطناعي، ومنتجات المنحدر في شبكات الاختراق العالي للطاقة المتجددة.
• الأنظمة الهجينة: دمج مرافق التعدين مع توليد الطاقة المتجددة في الموقع (الطاقة الشمسية، طاقة الرياح) و/أو تخزين البطاريات لإنشاء "مراكز طاقة-بيانات" مرنة وداعمة للشبكة، يمكنها العمل في وضع الجزيرة أثناء انقطاع التيار الكهربائي.
• إثبات الحصة وآليات الإجماع الأخرى: استكشاف مرونة مراكز البيانات التي تشغل أعباء عمل التحقق من إثبات الحصة أو تدريب الذكاء الاصطناعي، والتي قد تتميز بخصائص مختلفة من حيث القابلية للمقاطعة.
• التوحيد القياسي وتصميم السوق: وضع معايير صناعية للاتصالات والقياس عن بُعد والتحقق من الأداء (مشابهة لمعيار IEEE 1547 للمحولات) لتمكين المشاركة القابلة للتوسع لأحمال الحوسبة المرنة.
• العقود المرتبطة بالاستدامة: دمج مشاركة خدمات الشبكة الكهربائية مع متطلبات شراء الطاقة الخالية من الكربون، وتحويل الأحمال عالية الاستهلاك للطاقة إلى محرك للاستثمار في الطاقة المتجددة، هذا هومبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجياالمفهوم الذي تبحث فيه مؤسسات مثل

8. المراجع

1. Xie, L., et al. (2020). Wind Integration in Power Systems: Operational Challenges and Solutions. Proceedings of the IEEE.
2. Kirby, B. J. (2007). أساسيات وتوجهات تنظيم التردد. Oak Ridge National Laboratory.
3. ERCOT. (2023). 2022 Annual Report on Ancillary Services.
4. Ghamkhari, M., & Mohsenian-Rad, H. (2013). Optimal Integration of Renewable Energy and Flexible Data Centers in Smart Grid. IEEE Transactions on Smart Grid.
5. Goodkind, A. L., et al. (2020). Cryptocurrency Mining and its Environmental Impact. Energy Research & Social Science.
6. National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2021). Market Designs for High Penetrations of Distributed Energy Resources.
7. Zhou, Y., et al. (2022). Economic Viability of Battery Storage for Frequency Regulation: A Review. Applied Energy.
8. MIT Energy Initiative. (2022). Flexible Demand for Decarbonized Energy Systems.