مطالعه امکان‌سنجی فیزیکی و اقتصادی مشارکت استخراج رمزارز در تنظیم فرکانس شبکه برق: مطالعه موردی تگزاس

1. مقدمه

با نفوذ بالای منابع انرژی تجدیدپذیر متغیر، سیستم‌های قدرت مدرن با چالش‌های قابل توجهی در متعادل‌سازی عرضه و تقاضا مواجه هستند. خدمات جانبی، به ویژه تنظیم فرکانس، برای حفظ پایداری شبکه حیاتی می‌باشند. این مقاله یک منبع نوآورانه انعطاف‌پذیری شبکه را بررسی می‌کند: تأسیسات استخراج ارزهای دیجیتال مبتنی بر اثبات کار. این تأسیسات یکی از سریع‌ترین بارهای الکتریکی انعطاف‌پذیر در حال رشد را نشان می‌دهند که با قابلیت رقابتی در تغییر بار و توانایی تنظیم سریع مصرف توان مشخص می‌شوند. سؤال پژوهشی محوری این است که آیا می‌توان از این تأسیسات به طور مؤثر برای ارائه خدمات تنظیم فرکانس استفاده کرد و در نتیجه ضمن پشتیبانی از قابلیت اطمینان شبکه، درآمد عملیاتی خود را نیز افزایش داد. این مطالعه، شبکه شورای قابلیت اطمینان برق تگزاس را به عنوان یک مطالعه موردی واقعی در نظر می‌گیرد.

2. روش‌شناسی و چارچوب

این پژوهش از روش تحلیلی تلفیقی فیزیکی و اقتصادی برای ارزیابی امکان‌سنجی استفاده می‌کند.

3. مطالعه موردی: شبکه برق تگزاس ERCOT

چارچوب نظری با استفاده از داده‌های واقعی از بازار ERCOT اعمال شد.

4. بینش‌های کلیدی و تحلیل مقایسه‌ای

5. جزئیات فنی و فرمول‌های ریاضی

مدل اقتصادی اصلی را می‌توان با یک تابع بیشینه‌سازی سود نشان داد. کل سود $Π$ یک تأسیسات استخراج در یک دوره زمانی، تابعی از درآمد استخراج و درآمد خدمات شبکه برق، منهای هزینه‌ها است.

تابع سود:

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

که در آن:

• $R_{crypto} = f(P_{coin}, H(t), η)$ درآمد استخراج ارز دیجیتال است که به قیمت سکه $P_{coin}$، قدرت هش $H(t)$ و بازده استخراج $η$ بستگی دارد.
• $R_{grid} = \int (\lambda_{reg}(t) \cdot P_{reg}(t)) \, dt$ درآمد حاصل از ارائه خدمات تنظیمی است که در آن $\lambda_{reg}(t)$ قیمت بازار تنظیم و $P_{reg}(t)$ توان متعهد شده برای تنظیم است.
• $C_{electricity} = \int (\lambda_{elec}(t) \cdot P_{load}(t)) \, dt$ هزینه برق است که در آن $\lambda_{elec}(t)$ قیمت برق لحظه‌ای و $P_{load}(t)$ بار کل تأسیسات است.

متغیر تصمیم‌گیری کلیدی، تخصیص ظرفیت توان تأسیسات $P_{max}$ بین بار پایه استخراج $P_{mine}$ و ظرفیت تنظیم‌گری $P_{reg}$ است: $P_{max} \geq P_{mine} + P_{reg}$. هنگام دریافت سیگنال "افزایش" تنظیم‌گری (زمانی که شبکه نیاز به کاهش توان دارد)، استخراج‌کننده باید بار را به زیر $P_{mine}$ کاهش دهد و از درآمد استخراج بگذرد. فرآیند بهینه‌سازی، با توجه به قیمت‌های پیش‌بینی شده، $P_{reg}$ را به گونه‌ای می‌یابد که $Π$ را حداکثر کند.

6. چارچوب تحلیلی: نمونه‌های موردی

سناریو: یک تأسیسات استخراج بیت‌کوین ۱۰۰ مگاواتی در منطقه ERCOT در حال ارزیابی مشارکت در خدمات تنظیم‌سازی افزایشی ۴ ساعته است.

پارامترهای ورودی:

• ظرفیت توان تأسیسات: 100 مگاوات
• میانگین قیمت برق: 50 دلار به ازای هر مگاوات‌ساعت
• میانگین قیمت ظرفیت تنظیم‌پذیری افزایشی: 22 دلار به ازای هر مگاوات
• نرخ تخمینی فراخوانی تنظیم افزایشی: 16%
• درآمد استخراج به ازای هر مگاوات‌ساعت مصرف برق: 65 دلار (پس از کسر هزینه‌های استخر، بر اساس قیمت خاص بیت‌کوین و نرخ هش)

تحلیل تصمیم (نسخه ساده‌شده):

1. گزینه A (فقط استخراج): استخراج با قدرت 100 مگاوات.
   درآمد = 100 مگاوات * 4 ساعت * 65 دلار بر مگاوات-ساعت = 26,000 دلار
   هزینه = 100 مگاوات * 4 ساعت * 50 دلار بر مگاوات-ساعت = 20,000 دلار
   سود = 6000 دلار
2. گزینه B (ارائه 20 مگاوات تنظیم‌پذیری افزایشی): تعیین قدرت پایه استخراج 80 مگاوات، متعهد به 20 مگاوات برای تنظیم‌پذیری افزایشی.
   درآمد استخراج = 80 مگاوات * 4 ساعت * 65 دلار بر مگاوات‌ساعت = 20800 دلار
   درآمد ظرفیت تنظیم افزایشی = 20 مگاوات * 22 دلار/مگاوات * 4 ساعت = 1,760 دلار
   درآمد انرژی تنظیم افزایشی فراخوانی‌شده (هنگام فراخوانی): 20 مگاوات * نرخ فراخوانی 16% * 4 ساعت * $[قیمت انرژی در طول رویداد] (فرضاً 60 دلار بر مگاوات‌ساعت) ≈ 76.80 دلار
   کل درآمد ≈ 22,636.80 دلار
   هزینه برق: (خط پایه 80 مگاوات + تعدیل احتمالی ناشی از فراخوانی) ≈ 80 مگاوات * 4 ساعت * 50 دلار/مگاوات‌ساعت = 16,000 دلار
   سود ≈ 6,636.80 دلار

نتیجه‌گیری: در این مثال ساده‌شده، ارائه خدمات تنظیم‌کننده سود را تقریباً ۶/۱۰ درصد افزایش داد که منافع اقتصادی بالقوه را نشان می‌دهد. سطح تعهد بهینه (در این مورد ۲۰ مگاوات) با حل تابع بیشینه‌سازی سود در بخش ۵ به دست آمده است.

7. کاربردها و جهت‌های آتی

• فراتر از تنظیم فرکانس: استفاده در سایر خدمات جانبی، مانند پشتیبانی ولتاژ، اینرسی مصنوعی و محصولات رامپ در شبکه‌های با نفوذ بالای انرژی‌های تجدیدپذیر.
• سیستم‌های ترکیبی: ترکیب تأسیسات استخراج با تولید انرژی تجدیدپذیر محلی (خورشیدی، بادی) و/یا ذخیره‌سازی باتری برای ایجاد «مراکز داده-انرژی» انعطاف‌پذیر و حامی شبکه که قادر به کار در حالت جزیره‌ای در زمان قطعی برق هستند.
• اثبات سهام و سایر مکانیسم‌های اجماع: بررسی انعطاف‌پذیری مراکز داده‌ای که بارهای کاری اعتبارسنجی اثبات سهام یا آموزش هوش مصنوعی را اجرا می‌کنند، که ممکن است ویژگی‌های قطع‌پذیری متفاوتی داشته باشند.
• استانداردسازی و طراحی بازار: تدوین استانداردهای صنعتی برای ارتباطات، تلهمتری و تأیید عملکرد (مشابه استاندارد IEEE 1547 برای اینورترها) برای امکان‌پذیر کردن مشارکت مقیاس‌پذیر بارهای محاسباتی انعطاف‌پذیر.
• قراردادهای مرتبط با پایداری: ترکیب مشارکت در خدمات شبکه برق با الزامات خرید انرژی بدون کربن، بارهای با مصرف انرژی بالا را به محرکی برای سرمایه‌گذاری در انرژی‌های تجدیدپذیر تبدیل می‌کند.Massachusetts Institute of Technology Energy Initiativeمفهومی است که توسط نهادهایی مانند این مورد بررسی قرار گرفته است.

8. مراجع

1. Xie, L., et al. (2020). Wind Integration in Power Systems: Operational Challenges and Solutions. Proceedings of the IEEE.
2. Kirby, B. J. (2007). مبانی و روندهای تنظیم فرکانس. Oak Ridge National Laboratory.
3. ERCOT. (2023). گزارش سالانه 2022 خدمات جانبی.
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.