1. 緒論
由於變動性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。本文研究一種新型的電網靈活性來源：基於工作量證明（PoW）的加密貨幣挖礦設施。這些設施是成長最快的彈性能源需求之一，其特點是具有競爭性的爬坡能力以及快速調整用電量的能力。核心研究問題是，這些設施能否被有效地用於提供頻率調節服務，從而增加其自身的營運收入，同時支持電網可靠性。本研究以德州電力可靠性委員會（ERCOT）電網作為實際案例進行探討。
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
本文提出一個框架，用以指導挖礦設施營運商在考量電價、加密貨幣價格和調節市場價格等因素後，決定參與輔助服務市場的最佳策略。
2.2. 經濟模型
本研究量化了挖礦設施的營運利潤。該模型考慮了來自加密貨幣挖礦的收入（為算力與幣價的函數）以及提供頻率調節服務的收入，並與電力消耗成本進行平衡。
2.3. 技術可行性
本文評估了挖礦負載跟隨快速調節信號的物理能力，並強調其相較於傳統火力發電機組，甚至某些資料中心的優勢，原因在於挖礦負載沒有時間敏感的計算義務。
3. 案例研究：德州ERCOT電網
本研究使用來自ERCOT市場的實際數據來應用此理論框架。
ERCOT 2022年輔助服務市場概覽
- 調升容量價格（平均）： $21.67/MW
- 調降容量價格（平均）： $8.46/MW
- 調升容量採購量： 359 MW
- 調升容量調度率： 16%
3.1. 數據與市場背景
本研究利用了ERCOT輔助服務價格（調升、調降、響應備轉容量服務 - RRS、非旋轉備轉容量服務 - NSRS）及調度率的歷史數據。本文指出RRS和NSRS的調度率極低（≈0%），與調節服務的活躍調度形成對比。
3.2. 獲利能力分析
此分析確定了在德州提供頻率調節服務對礦工而言具有獲利能力的條件。它探討了在負載減少期間放棄的挖礦收入與從電網營運商獲得的補償之間的權衡。
3.3. 暫態模擬結果
在一個合成的德州電網模型上進行的暫態層級模擬顯示，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. 關鍵見解與比較分析
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：
- $R_{crypto} = f(P_{coin}, H(t), η)$ 是加密貨幣挖礦收入，取決於幣價 $P_{coin}$、算力 $H(t)$ 和挖礦效率 $η$。
- $R_{grid} = \int (\lambda_{reg}(t) \cdot P_{reg}(t)) \, dt$ 是提供調節服務的收入，其中 $\lambda_{reg}(t)$ 是調節市場價格，$P_{reg}(t)$ 是承諾用於調節的功率。
- $C_{electricity} = \int (\lambda_{elec}(t) \cdot P_{load}(t)) \, dt$ 是電力成本，其中 $\lambda_{elec}(t)$ 為即時電價，$P_{load}(t)$ 為設施總負載。
關鍵決策變數是設施功率容量 $P_{max}$ 在基準挖礦負載 $P_{mine}$ 和調節容量 $P_{reg}$ 之間的分配：$P_{max} \geq P_{mine} + P_{reg}$。在收到調節「上升」信號（電網需要更少電力）時，礦工必須將負載降低至 $P_{mine}$ 以下，犧牲挖礦收入。最佳化過程在給定預測價格的情況下，找到能使 $Π$ 最大化的 $P_{reg}$。
6. 分析框架：範例案例
情境： 一個位於ERCOT的100 MW比特幣挖礦設施正在評估參與為期4小時的調升服務。
輸入參數：
- 設施功率容量：100 MW
- 平均電價：$50/MWh
- 平均調升容量價格：$22/MW
- 估計調升調度率：16%
- 每消耗MWh的挖礦收入：$65（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 MW進行挖礦。
收入 = 100 MW * 4h * $65/MWh = $26,000
成本 = 100 MW * 4h * $50/MWh = $20,000
利潤 = $6,000 - 選項B（提供20 MW調升容量）： 設定基準挖礦功率為80 MW，承諾20 MW用於調升服務。
挖礦收入 = 80 MW * 4h * $65/MWh = $20,800
調升容量收入 = 20 MW * $22/MW * 4h = $1,760
調升調度能源收入（被調用時）：20 MW * 16% 調度率 * 4h * $[事件期間能源價格]（假設為$60/MWh）≈ $76.80
總收入 ≈ $22,636.80
電力成本：（80 MW基準 + 可能的調度調整）≈ 80 MW * 4h * $50/MWh = $16,000
利潤 ≈ $6,636.80
結論： 在這個簡化的例子中，提供調節服務使利潤增加了約10.6%，展示了潛在的經濟效益。最佳承諾水平（此處為20 MW）是透過求解第5節中的利潤最大化函數得出的。
7. 未來應用與方向
- 超越頻率調節： 應用於其他輔助服務，例如在再生能源滲透率極高的電網中提供電壓支持、合成慣性和爬坡產品。
- 混合系統： 將挖礦設施與現場再生能源發電（太陽能、風能）和/或電池儲能整合，創建具有韌性、支持電網的「能源-數據中心」，可在停電時孤島運行。
- 權益證明與其他共識機制： 探索運行權益證明驗證或人工智慧訓練工作負載的資料中心的靈活性，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、遙測和性能驗證的產業標準（類似於變流器的IEEE 1547標準），以實現彈性計算負載的可擴展參與。
- 永續性連結合約： 將電網服務參與與採購無碳能源的要求結合，將高能耗負載轉變為再生能源投資的驅動力，此概念由麻省理工學院能源倡議等機構探討。
8. 參考文獻
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- Kirby, B. J. (2007). Frequency Regulation Basics and Trends. Oak Ridge National Laboratory.
- ERCOT. (2023). 2022 Annual Report on Ancillary Services.
- Ghamkhari, M., & Mohsenian-Rad, H. (2013). Optimal Integration of Renewable Energy and Flexible Data Centers in Smart Grid. IEEE Transactions on Smart Grid.
- Goodkind, A. L., et al. (2020). Cryptocurrency Mining and its Environmental Impact. Energy Research & Social Science.
- National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2021). Market Designs for High Penetrations of Distributed Energy Resources.
- Zhou, Y., et al. (2022). Economic Viability of Battery Storage for Frequency Regulation: A Review. Applied Energy.
- MIT Energy Initiative. (2022). Flexible Demand for Decarbonized Energy Systems.
產業分析師評論
核心見解： 本文不僅僅是關於需量反應；它是一份將電網寄生負載貨幣化的藍圖。經常被批評為純粹能源消耗的加密貨幣挖礦，在此被重新定位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 → 識別加密貨幣挖礦的獨特技術屬性（速度、非關鍵負載）→ 建立經濟模型以證明獲利能力 → 使用真實的ERCOT數據進行驗證。將2022年冬季風暴艾略特作為一個自然實驗，當時礦工提供了1,475 MW的負載削減，這是一個強有力的現實世界證明。
優勢與缺陷： 其優勢在於採用具體、數據驅動的方法，使用實際市場價格，超越了理論推測。然而，一個主要缺陷是其狹隘地關注礦工的經濟可行性，而對電網的系統性影響探討較淺。激勵此類負載是否會為更多能源密集型挖礦創造不良誘因？它也忽略了監管和市場設計的障礙。ERCOT獨特的純能量市場結構並不能直接套用至容量市場或受監管的公用事業，這一點在國家再生能源實驗室（NREL）關於分散式資源市場設計的研究中得到了強調。
可執行見解： 對電網營運商而言：制定加密貨幣礦工能夠符合資格的快速響應需量反應產品規格。對礦工而言：使用本文的決策框架來建立即時投標演算法。對政策制定者而言：考慮為「超快速需量反應」創建一個獨立的資產類別或性能要求，以正確評估和整合此資源，同時可能實施永續性標準，以避免鎖定高碳足跡的負載。此處的模型類似於電池儲存在頻率調節中的角色，如同《電池儲存用於電網應用的經濟可行性》等研究所分析，但具有不同的成本和永續性動態。