1. 引言
由於波動性可再生能源的高滲透率，現代電力系統在平衡供需方面面臨重大挑戰。輔助服務，特別是頻率調節，對於維持電網穩定至關重要。本文研究了一種新穎的電網靈活性來源：基於工作量證明的加密貨幣挖礦設施。這些設施代表了增長最快的柔性電力負荷之一，其特點是具有競爭力的爬坡能力和快速調整功耗的能力。核心研究問題是這些設施能否被有效用於提供頻率調節服務，從而在支持電網可靠性的同時增加其自身的營運收入。本研究以德克薩斯州電力可靠性委員會電網作為現實世界的案例研究對象。
2. 方法論與框架
本研究採用物理與經濟相結合的分析方法來評估可行性。
2.1. 決策框架
提出咗一個框架，用於指導礦場營運商喺考慮電價、加密貨幣價格同調節市場價格等因素嘅情況下，決定參與輔助服務市場嘅最佳策略。
2.2. 經濟模型
量化咗礦場嘅營運利潤。該模型考慮咗嚟自加密貨幣挖礦嘅收入（算力同幣價嘅函數）同提供頻率調節服務嘅收入，並同電力消耗成本進行平衡。
2.3. 技術可行性
本文評估咗挖礦負荷跟隨快速調節信號嘅物理能力，強調咗其相對於傳統火力發電機甚至某些數據中心嘅優勢，原因在於佢哋冇時間敏感嘅計算任務。
3. 案例研究：ERCOT德薩斯州電網
使用來自ERCOT市場的真實數據應用了理論框架。
ERCOT 2022年輔助服務市場概覽
- 上调调节容量价格（平均）： 21.67美元/兆瓦
- 下调调节容量价格（平均）： 8.46美元/兆瓦
- 上調調節容量採購量： 359兆瓦
- 上調調節調用率： 16%
3.1. 数据与市场背景
利用了ERCOT輔助服務價格（上調調節、下調調節、響應備用服務、非旋轉備用服務）和調用率的歷史數據。本文指出，響應備用服務和非旋轉備用服務的調用率較低（≈0%），這與調節服務的活躍調用形成對比。
3.2. 盈利能力分析
該分析確定了在德克薩斯州提供頻率調節對礦工有利可圖的條件。它探討了在負荷削減期間損失的挖礦收入與從電網營運商獲得的補償之間的權衡。
3.3. 暫態仿真結果
在一個合成的德克萨斯電網模型上進行的暫態仿真表明，挖礦設施在提供快速頻率響應方面具有競爭力，驗證了其在電網擾動期間支持電網穩定的技術能力。
4. 核心見解與對比分析
5. 技術細節與數學公式
核心經濟模型可以用一個利潤最大化函數表示。挖礦設施在一段時間內的總利潤 $Π$ 是挖礦收入和電網服務收入的函數，減去成本。
利潤函數：
$Π = R_{crypto} + R_{grid} - C_{electricity}$
其中：
- $R_{crypto} = f(P_{coin}, H(t), η)$ 係加密貨幣挖礦收入，取決於幣價 $P_{coin}$、算力 $H(t)$ 同挖礦效率 $η$。
- $R_{grid} = \int (\lambda_{reg}(t) \cdot P_{reg}(t)) \, dt$ 係提供調節服務嘅收入，其中 $\lambda_{reg}(t)$ 係調節市場價格，$P_{reg}(t)$ 係承諾用於調節嘅功率。
- $C_{electricity} = \int (\lambda_{elec}(t) \cdot P_{load}(t)) \, dt$ 係電力成本，其中 $\lambda_{elec}(t)$ 係實時電價，$P_{load}(t)$ 係設施總負荷。
關鍵決策變量係設施功率容量 $P_{max}$ 喺基線挖礦負荷 $P_{mine}$ 同調節容量 $P_{reg}$ 之間嘅分配：$P_{max} \geq P_{mine} + P_{reg}$。當收到調節「上調」信號（電網需要減少功率）時，礦工必須將負荷降低到 $P_{mine}$ 以下，犧牲挖礦收入。優化過程會喺給定預測價格嘅情況下，搵到令 $Π$ 最大化嘅 $P_{reg}$。
6. 分析框架：示例案例
場景： ERCOT地區一個100兆瓦的比特幣挖礦設施正在評估參與4小時的上調調節服務。
輸入參數：
- 設施功率容量：100兆瓦
- 平均電價：50美元/兆瓦時
- 平均上調調節容量價格：22美元/兆瓦
- 預估上調調節調用率：16%
- 每消耗1兆瓦時電力的挖礦收入：65美元（扣除礦池費用，基於特定比特幣價格和算力）
決策分析（簡化版）：
- 選項A（僅挖礦）： 以100兆瓦功率挖礦。
收入 = 100兆瓦 * 4小時 * 65美元/兆瓦時 = 26,000美元
成本 = 100兆瓦 * 4小時 * 50美元/兆瓦時 = 20,000美元
利潤 = 6,000美元 - 選項B（提供20兆瓦上調調節）： 設定基線挖礦功率為80兆瓦，承諾20兆瓦用於上調調節。
挖礦收入 = 80兆瓦 * 4小時 * 65美元/兆瓦時 = 20,800美元
上調調節容量收入 = 20兆瓦 * 22美元/兆瓦 * 4小時 = 1,760美元
上調調節調用能量收入（被調用時）：20兆瓦 * 16%調用率 * 4小時 * $[事件期間能量價格]（假設為60美元/兆瓦時）≈ 76.80美元
總收入 ≈ 22,636.80美元
電力成本：（80兆瓦基線 + 可能的調用調整）≈ 80兆瓦 * 4小時 * 50美元/兆瓦時 = 16,000美元
利潤 ≈ 6,636.80美元
結論： 喺呢個簡化示例中，提供調節服務令利潤增加咗約10.6%，證明咗潛在嘅經濟效益。最優承諾水平（本例中為20兆瓦）係透過求解第5節中嘅利潤最大化函數得出嘅。
7. 未來應用與方向
- 超越頻率調節： 應用於其他輔助服務，如電壓支撐、合成慣性和高可再生能源滲透率電網中的爬坡產品。
- 混合系統： 將挖礦設施與現場可再生能源發電（太陽能、風能）及/或電池儲能相結合，創建具彈性、支援電網的「能源-數據中心」，可在停電時以孤島模式運行。
- 權益證明及其他共識機制： 探索運行權益證明驗證或人工智能訓練工作負載的數據中心的靈活性，這些負載可能具有不同的可中斷性特徵。
- 標準化與市場設計： 制定通訊、遙測和性能驗證的行業標準（類似於逆變器的IEEE 1547標準），以實現靈活計算負荷的可擴展參與。
- 與可持續性掛鈎的合約： 將電網服務參與同採購無碳能源嘅要求結合，將高能耗負荷轉變為可再生能源投資嘅驅動力，呢個係麻省理工學院能源倡議等機構探索嘅概念。
8. 參考文獻
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- ERCOT. (2023). 2022年輔助服務年度報告.
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- National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2021). Market Designs for High Penetrations of Distributed Energy Resources.
- Zhou, Y., 等. (2022). 電池儲能用於頻率調節的經濟可行性：綜述。 Applied Energy.
- MIT Energy Initiative. (2022). 脫碳能源系統的靈活需求.
行業分析師評論
核心見解： 本文不僅僅是關於需求響應；它是一份將電網「寄生」行為貨幣化的藍圖。常被批評為純粹能源消耗的加密貨幣挖礦，被重新定義為具有卓越響應特性的潛在電網資產。真正的洞見在於創建了一個雙重收入流模型，礦工可以在加密貨幣市場和電網服務市場之間進行套利。
邏輯脈絡： 論證過程清晰：確立電網對快速靈活性的需求 → 識別加密貨幣挖礦獨特的技術屬性（速度、非關鍵負荷）→ 建立經濟模型以證明盈利能力 → 用現實世界的ERCOT數據進行驗證。將2022年冬季風暴「埃利奧特」作為一個自然實驗，其中礦工提供了1,475兆瓦的負荷削減，這是一個強而有力的現實世界證明。
優勢與不足： 優勢在於其使用實際市場價格的具體、數據驅動方法，超越了理論推測。然而，一個主要不足是其狹隘地關注礦工嘅經濟可行性，而對電網嘅系統性影響探討較淺。激勵呢種負荷會唔會為更多能源密集型挖礦創造不當激勵？佢亦忽略咗監管同市場設計嘅障礙。ERCOT獨特嘅純能量市場結構並唔能夠直接移植到容量市場或者受監管嘅公用事業公司，呢一點喺美國國家可再生能源實驗室在關於分佈式資源市場設計的研究中得到強調。
可操作的見解： 對於電網營運商：制定加密貨幣礦工可以滿足的快速響應需求響應產品規範。對於礦工：使用本文的決策框架構建實時競價算法。對於政策制定者：考慮為「超快速需求響應」創建一個單獨的資產類別或性能要求，以正確評估和整合這一資源，同時可能實施可持續性標準以避免鎖定高碳足跡負荷。這裏的模型類似於電池儲能在頻率調節中的作用，正如《電池儲能在電網應用中的經濟可行性》等研究所分析的那樣，但成本和可持續性動態不同。