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May 28, 2023

L'estimation économique des dommages climatiques de l'exploitation minière de Bitcoin montre une ressemblance plus étroite avec le brut numérique qu'avec l'or numérique

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14512 (2022) Citer cet article

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Cet article fournit des estimations économiques des dommages climatiques liés à l'énergie de l'extraction de Bitcoin (BTC), la principale crypto-monnaie de preuve de travail. Nous fournissons trois critères de durabilité pour signaler quand les dommages climatiques peuvent être insoutenables. L'exploitation minière BTC échoue tous les trois. Nous constatons que pour 2016-2021 : (i) les dommages climatiques par pièce de BTC ont augmenté au lieu de diminuer avec la maturation de l'industrie ; (ii) pendant certaines périodes, les dommages climatiques du BTC dépassent le prix de chaque pièce créée ; (iii) en moyenne, chaque dollar de valeur marchande BTC créé était responsable de 0,35 $ de dommages climatiques mondiaux, ce qui, en tant que part de la valeur marchande, se situe entre la production de bœuf et le pétrole brut brûlé comme essence, et un ordre de grandeur supérieur à l'énergie éolienne et solaire. Pris ensemble, ces résultats représentent un ensemble de signaux d'alarme en matière de durabilité. Alors que les partisans ont présenté le BTC comme représentant «l'or numérique», du point de vue des dommages climatiques, il fonctionne davantage comme du «brut numérique».

Compte tenu du développement rapide de la technologie blockchain et de l'utilisation du cryptage et des registres publics décentralisés et sans autorisation, l'évolution actuelle d'Internet a permis l'émergence de divers biens numériques rares1. Cette économie numérique comprend des actifs non fongibles comme des jetons pour divers médias numériques2, ainsi que des actifs fongibles et divisibles comme les plusieurs milliers de crypto-monnaies prises en charge par des centaines de plateformes d'échange3. Certains biens numériques rares utilisent des schémas de production à forte consommation d'énergie4,5. Il s'agit notamment de plusieurs crypto-monnaies importantes (par exemple, Bitcoin, Ether), qui à ce jour sont basées sur des schémas de production de type tournoi hautement énergivores et compétitifs connus sous le nom d'extraction de preuve de travail (POW) pour fournir la validation cryptée dans des registres publics décentralisés6,7.

Les crypto-monnaies basées sur POW sont une tranche du plus grand ensemble de technologies de blockchain qui ont pénétré de manière perturbatrice sur les marchés mondiaux au cours de la dernière décennie ou plus8. La production de crypto-monnaies a été relativement décentralisée et largement non réglementée car elles ont d'abord pris pied puis occupé un espace plus grand9. Les crypto-monnaies sont cotées et négociées sur les marchés, mais présentent souvent une volatilité considérable10 et des anomalies financières telles que des bulles spéculatives11 ou des preuves de manipulation des prix12,13. Pourtant, divers partisans soutiennent que ces innovations apportent une valeur significative ou sont particulièrement nécessaires dans le monde en développement (par exemple, de la fourniture de nouveaux biens financiers ou moyens d'échange durables aux personnes mal desservies14, la diversification des investissements15 ou les voies de contournement de la corruption gouvernementale16). D'autres s'interrogent sur les avantages de telles perturbations, en particulier si les nouvelles technologies (par exemple, les technologies de type POW) ont une consommation d'énergie intensive, avec des coûts sociaux potentiellement importants dus aux émissions de carbone associées17,18. Potentiellement, il peut y avoir une marge importante d'apprentissage19 et de passage à des voies de production alternatives qui utilisent beaucoup moins d'énergie, tout en offrant les avantages supposés20. Cependant, la réalisation de réductions nettes de la consommation d'énergie est intrinsèquement difficile, en raison des redondances (par exemple, le nombre de nœuds impliqués ou la charge de travail des opérations) dans tous les types de technologie blockchain21. Dans ce contexte et dans le cadre d'efforts plus larges pour atténuer le changement climatique, le défi politique consiste à créer des mécanismes de gouvernance pour une industrie émergente et décentralisée, qui comprend des crypto-monnaies POW à forte intensité énergétique22,23. De tels efforts seraient aidés par des signaux empiriques mesurables concernant les dommages climatiques potentiellement non durables.

En prenant Bitcoin (BTC) comme objectif, cette analyse estime les dommages climatiques des pièces minières et explore plusieurs critères pour signaler quand ces dommages pourraient être insoutenables. Premièrement, la tendance des dommages climatiques estimés par BTC extrait ne devrait pas augmenter, à mesure que l'industrie mûrit. Deuxièmement, par BTC extrait, son prix de marché devrait toujours dépasser ses dommages climatiques estimés ; c'est-à-dire que l'exploitation minière BTC ne devrait pas être "sous-marine" dans laquelle les dommages climatiques par unité sont supérieurs aux prix du marché des pièces pour toute période appréciable. Troisièmement, pour contextualiser la durabilité de la CTB sur une période donnée, les dommages climatiques estimés par pièce extraite devraient se comparer favorablement à un pourcentage de référence de référence des dommages climatiques par valeur marchande unitaire d'autres secteurs et produits ; par exemple, ceux que nous réglementons ou considérons comme non durables. Nous proposons ces critères mesurables à considérer comme des "drapeaux rouges" des dommages climatiques naissants d'une industrie émergente. Ils signalent le besoin de changement (par exemple, des alternatives de production). En l'absence d'un tel changement, il est peut-être temps de renoncer à une approche « du statu quo » et d'envisager une action collective (par exemple, une réglementation accrue).

La technologie blockchain de preuve de travail (POW) utilisée par Bitcoin (BTC) est énergivore5,24. Pour le contexte, BTC est une crypto-monnaie avec une blockchain open source décentralisée dont le grand livre public a commencé en 200925 et est négociée de pair à pair sans aucune autorité centrale (par exemple, banque ou gouvernement). Jusqu'en décembre 2021, BTC avait une capitalisation boursière d'environ 960 milliards de dollars (US$) et une part de marché mondiale d'environ 41 % parmi toutes les crypto-monnaies 26.

La technologie de la blockchain POW est énergivore car de nouveaux blocs sont ajoutés à la blockchain via un processus de vérification concurrentiel basé sur le consensus effectué par des individus ou des groupes de «mineurs». Les mineurs vérifient les transactions effectuées sur la blockchain et rivalisent simultanément pour fournir correctement un identifiant de transaction unique, ou "hachage", pour un bloc27. Les mineurs qui sont les premiers à vérifier un nombre donné de transactions et à fournir le bon identifiant de hachage sont récompensés par une nouvelle crypto-monnaie et un nouveau bloc est ajouté à la chaîne28.

La fourniture de l'identifiant de hachage correct utilise d'énormes quantités d'énergie en raison du processus de production décentralisé, qui encourage la concurrence et crée un jeu « gagnant-gagnant »27. Alors que les mineurs du monde entier se font concurrence, aussi rapidement que possible, pour ajouter de nouveaux blocs à la chaîne (c'est-à-dire en générant des suppositions sur l'identifiant de hachage cible ["hash rate"]), ils utilisent des équipements et des machines informatiques hautement spécialisés (appelés "plates-formes minières") qui utilisent des quantités importantes d'électricité pour fonctionner de manière compétitive4. Au fur et à mesure que les mineurs rivalisent avec toujours plus de puissance de calcul (par exemple, à mesure que de plus en plus de mineurs participent au réseau, ou à mesure que des plates-formes minières plus efficaces sont utilisées, ou les deux), le taux de hachage global du réseau augmente, augmentant de manière endogène la difficulté de calcul nécessaire pour deviner correctement le hachage cible, augmentant ainsi la consommation énergétique globale de l'activité minière29.

En utilisant les données de taux de hachage du réseau de janvier 2016 à décembre 2021 et les données sur la consommation d'énergie et l'efficacité des équipements miniers5,30, la figure 1 présente la consommation mondiale d'électricité du BTC minier et les prix par pièce. Sur la base de ces estimations, en 2020, l'exploitation minière du BTC a utilisé 75,4 TWh an-1 d'électricité, soit plus d'énergie que l'Autriche (69,9 TWh an-1 en 2020) ou le Portugal (48,4 TWh an-1 en 2020)31. Il existe une tendance générale à la hausse de la consommation d'électricité du BTC et une corrélation étroite entre les prix du BTC et la consommation d'énergie minière. La baisse des prix d'échange du BTC et de la consommation d'énergie minière à l'été 2021 est probablement due en partie à l'interdiction par la Chine des institutions financières et des sociétés de paiement de fournir des transactions liées à la crypto-monnaie32.

Consommation d'électricité quotidienne moyenne mondiale sur 7 jours de l'activité minière (axe de droite) et prix d'échange des pièces en dollars américains (axe de gauche) pour Bitcoin (BTC). Données du 1er janvier 2016 au 31 décembre 2021 présentées. La consommation d'électricité est calculée sur la base des données de taux de hachage du réseau téléchargées à partir de Blockchain Charts (https://www.blockchain.com/charts) et de l'efficacité de la plate-forme minière (voir la section Méthodes). Les prix téléchargés depuis Yahoo! Finances (https://finance.yahoo.com/cryptocurrencies/). Toutes les données de taux de hachage et de prix du réseau sont fournies dans les données supplémentaires.

Les estimations de l'Université de Cambridge suggèrent que la majorité de l'électricité utilisée pour extraire les crypto-monnaies POW provient du charbon et du gaz naturel, bien que l'utilisation de l'hydroélectricité ait probablement été importante en Chine jusqu'à ce que l'extraction de crypto-monnaie y soit interdite32,33. À l'échelle mondiale, on estime que 39 % de l'exploitation minière des prisonniers de guerre est alimentée par des énergies renouvelables, ce qui signifie que les énergies non renouvelables, telles que les combustibles fossiles, alimentent la majorité (~ 61 %)33. En raison de sa consommation considérable d'énergie fossile, l'extraction de crypto-monnaie contribue aux émissions mondiales de carbone30,34 avec les dommages environnementaux associés35. Goodkind et al.29 ont estimé qu'en 2018, chaque dollar (US$) de valeur marchande du BTC créé par l'exploitation minière était associé à 0,49 $ (US$) de dommages combinés pour la santé et le climat aux États-Unis et à 0,37 $ (US$) en Chine. Krause et Tolaymat5 ont estimé que les pièces BTC, Ether, Litecoin et Monero étaient responsables de 3 à 15 millions de tonnes d'émissions de CO2 entre janvier 2016 et juin 2018. À titre de comparaison, en 2018, des quantités similaires de CO2 ont été émises par l'Afghanistan (7,44 millions de tonnes), la Slovénie (14,1 millions de tonnes) et l'Uruguay (6,52 millions de tonnes)36.

Comme les efforts miniers ont augmenté au fil du temps, nous estimons une forte augmentation des émissions de CO2e (équivalent dioxyde de carbone) par pièce créée. En utilisant une estimation mondiale de l'emplacement des mineurs de BTC et du mix électrique local, et des coefficients d'émission de CO2e régionaux par type de génération37, un BTC extrait en 2021 est responsable d'émettre 126 fois le CO2e d'un BTC extrait en 2016, passant de 0,9 à 113 tonnes (t) CO2e par pièce de 2016 à 2021 (Fig. 2A).

Estimations mondiales des dommages climatiques de l'exploitation minière Bitcoin (BTC), des émissions de CO2e et des dommages climatiques en tant que part du prix des pièces. (A) Dommages climatiques estimés ($/pièce extraite) et émissions de CO2e (t/pièce extraite ; graphique à barres) de BTC. Une ligne de tendance non linéaire a été ajustée aux données sur les dommages par pièce pour illustrer les tendances temporelles (ligne pointillée). (B) Dommages climatiques en tant que part du prix de la pièce pour BTC. Les valeurs affichées sont la moyenne mobile sur 7 jours. Les dommages climatiques par pièce extraite en (A) ont été divisés par le prix du marché quotidien de la pièce et multipliés par 100 pour être exprimés en pourcentage pour le calcul en (B). Coefficient de dommages de 100 $ t−1 utilisé pour les émissions de CO2e basé sur les plages de la littérature évaluée par des pairs. Les dommages sont en US$. Les estimations s'étendent du 1er janvier 2016 au 31 décembre 2021. Voir les données supplémentaires pour les facteurs d'émissions utilisés et les données sur les dommages climatiques.

Avec l'augmentation des émissions de CO2e par pièce créée, les dommages climatiques de la production de BTC ont augmenté au fil du temps (Fig. 2A). En utilisant un coefficient de dommages de 100 $ t−1 pour les émissions de CO2e (valeurs en dollars américains (US $) sauf indication contraire), communément appelé le coût social du carbone (SCC), chaque BTC créé en 2021 a entraîné 11 314 $ de dommages climatiques, en moyenne, avec des dommages mondiaux totaux de toutes les pièces extraites en 2021 dépassant 3,7 milliards de dollars. Entre 2016 et 2021, les dommages climatiques mondiaux totaux du BTC sont estimés à 12 milliards de dollars. Avec des augmentations rapides des prix du BTC fin 2020, les dommages climatiques de l'exploitation minière représentaient 25 % des prix du marché pour 2021 (Fig. 2B). Ce pourcentage est utile pour normaliser l'échelle des externalités au prix de marché du produit. Nous proposons deux plages de préoccupations potentielles sur la figure 2B : lorsque les dommages climatiques en tant que part du prix des pièces se situent entre 50 et 100 % (indiqués en ambre) et lorsqu'ils sont > 100 % (indiqués en rouge). Le premier serait supérieur à ceux trouvés en moyenne dans Goodkind et al.29, tandis que le second représente les moments où le BTC était "sous-marin" par pièce (c'est-à-dire, les dommages climatiques dépassant le prix du marché de la pièce). Avec des prix beaucoup plus bas en 2019 et 2020, les dommages climatiques du BTC représentaient en moyenne 64 % du prix du marché. Pendant plus d'un tiers des jours en 2020, les dommages climatiques du BTC ont dépassé le prix des pièces vendues. Les dommages ont culminé à 156 % du prix des pièces en mai 2020, ce qui suggère que chaque dollar de valeur marchande du BTC créé au cours de ce mois était responsable de 1,56 $ de dommages climatiques mondiaux.

Selon notre premier critère de durabilité selon lequel "la tendance des dommages climatiques estimés par BTC extrait ne devrait pas augmenter, à mesure que l'industrie mûrit", BTC échoue. Il existe une trajectoire ascendante claire des dommages climatiques estimés par pièce, comme le montre la ligne de tendance non linéaire de la Fig. 2A. Plutôt que de décliner à mesure que l'industrie mûrit, chaque nouvelle pièce de monnaie BTC extraite est, en moyenne, associée à une augmentation des dommages climatiques.

Le BTC échoue également à notre deuxième critère de durabilité selon lequel "par BTC extrait, son prix de marché devrait toujours dépasser ses dommages climatiques estimés". D'après la figure 2B, à plusieurs périodes de temps en 2020, les dommages climatiques du BTC en tant que part du prix de la pièce étaient supérieurs à 100 % (zones indiquées en rouge). Le BTC était "sous l'eau" à ces intervalles, ce qui signifie que chaque pièce extraite produisait des dommages climatiques dépassant le prix du marché de la pièce. De 2016 à 2021, BTC était sous l'eau 6,4 % des jours et les dommages dépassaient 50 % du prix des pièces 30,6 % des jours.

Un paramètre clé pour lequel nous supposons une plage de valeurs à partir des preuves disponibles est le CCS. Pour notre estimation de base, nous suivons Pindyck38 en choisissant 100 $ t−1. Le CSC est la valeur actualisée estimée des dommages monétaires résultant de l'émission d'une tonne supplémentaire de carbone aujourd'hui et monétise les externalités sociales négatives des émissions de carbone38. D'un point de vue politique et réglementaire, le CSC est un paramètre clé pour évaluer les coûts sociaux (c'est-à-dire ceux qui ne sont pas pris en compte dans le prix du marché) d'un produit ou service à forte consommation d'énergie. Carleton et Greenstone39 notent le rôle central de l'estimation officielle du CSC du gouvernement des États-Unis (É.-U.) dans la politique climatique nationale et internationale. L'estimation du CSC a une longue histoire en économie40,41,42, et ces valeurs sont largement utilisées39.

Cependant, alors que les analyses qui utilisent des estimations du CSC doivent faire des hypothèses sur sa valeur ou sa fourchette, il n'y a pas de consensus38. Il existe une littérature croissante sur l'estimation du CSC et la modélisation du CSC optimal pour la tarification de l'externalité43. La valeur actuelle du CSC estimée par le gouvernement américain est de 51 $ t−1 éq. CO2 en dollars 2020 corrigés de l'inflation44. Cependant, le décret présidentiel #13 990 (20 janvier 2021) du président Biden a ordonné une mise à jour de cette valeur45.

Même un examen sélectif des récentes études d'estimation du CSC englobe un large éventail de valeurs38,40,43. Selon diverses hypothèses et approches, des études empiriques récentes peuvent facilement prendre en charge une plage de valeurs autour de notre coefficient de base de CCS de 100 $ t−1 CO2e, à partir de + /−$ 50 t−1 de chaque côté. Ainsi, pour représenter une partie de cette variabilité, nous utilisons deux valeurs SCC alternatives pour augmenter la valeur de référence de 100 $ t−1 : (i) 50 $ t−1 CO2e (essentiellement équivalente à la valeur 2020 de l'estimation du gouvernement américain de 2010), et ; (ii) 150 $ t−1 CO2e.

Nous réestimons les dommages climatiques du BTC en utilisant ces valeurs SCC alternatives (tableau supplémentaire 1). Les valeurs haute et basse du CSC ajustent les dommages climatiques estimés proportionnellement à la valeur de référence de 100 $ t−1 éq. CO2, et ont un impact important sur l'ampleur des dommages estimés. À 150 $ t−1 CO2e, les dommages climatiques BTC par pièce extraite étaient en moyenne de 4632 $ sur la période 2016-2021, contre 1544 $ à 50 $ t−1 CO2e, contre 3088 $ à 100 $ t−1 CO2e d'après les résultats de la Fig. 2A. Avec le SCC élevé, les dommages climatiques ont été sous l'eau 17 % du temps entre 2016 et 2021 (69 % des jours en 2020), alors qu'avec le SCC faible, les dommages climatiques n'ont jamais été sous l'eau. Indépendamment de la valeur SCC, les dommages climatiques de l'exploitation minière BTC ont considérablement augmenté de 2016 à 2021, avec une trajectoire ascendante continue.

Les estimations des émissions de CO2e et des dommages climatiques dépendent, de manière essentielle, des hypothèses sur la part des sources d'électricité renouvelables utilisées dans l'extraction de crypto-monnaie. En raison de la nature décentralisée et anonymisée de l'extraction de crypto-monnaie, la détermination des sources d'énergie réelles est un défi et aucune source de données primaire n'existe30. Cela a conduit à une série d'estimations dans la littérature. Des travaux antérieurs suggèrent que la part des énergies renouvelables (par exemple, solaire, éolienne, hydroélectrique) utilisée par les procédés miniers POW peut varier considérablement, de 25,1 % de la consommation totale d'électricité37 à 39 %33 et même jusqu'à 73 %46. Certaines des différences dans les estimations sont dues aux périodes étudiées. La Chine, autrefois une grande source mondiale d'exploitation minière de Bitcoin qui utilisait probablement d'importantes quantités d'hydroélectricité renouvelable30, a interdit toute exploitation minière de crypto-monnaie en 202132. Cela semble avoir radicalement modifié la part mondiale des énergies renouvelables utilisées par les mineurs de Bitcoin, entraînant une utilisation accrue des combustibles fossiles37. Ainsi, les estimations de la part des énergies renouvelables avant et après l'interdiction de la Chine devraient être différentes, et peut-être considérablement. D'autres différences, telles que les méthodes utilisées pour localiser les mineurs, les hypothèses sur l'efficacité des plates-formes minières et les besoins de refroidissement, et les hypothèses sur les sources d'électricité peuvent également entraîner des différences dans la fourchette des estimations trouvées dans les travaux antérieurs30,37.

Compte tenu des larges plages trouvées, nous élargissons notre analyse avec un scénario alternatif plus élevé d'électricité renouvelable. Dans ce scénario, nous augmentons la part de la production d'énergie renouvelable utilisée pour extraire les crypto-monnaies de la base de 38,5 % (plus 5,2 % d'énergie nucléaire) à un scénario avec 50 % d'énergies renouvelables supplémentaires (à 57,8 % au total plus 5,2 % de nucléaire). Ce scénario représente une situation hypothétique dans laquelle les mineurs de crypto-monnaie utilisent beaucoup plus d'énergies renouvelables que la référence et une grande majorité (63%) d'électricité provenant de sources directement sans carbone (énergies renouvelables et nucléaire combinées).

Par rapport à la part renouvelable de référence, l'augmentation de l'utilisation des énergies renouvelables dans l'exploitation minière du BTC réduit les dommages climatiques associés par pièce extraite (tableau supplémentaire 2). Avec une augmentation de 50 % de la part des énergies renouvelables, les dommages climatiques du BTC représentent environ les deux tiers de l'ampleur de référence. Pourtant, même pour ce scénario à haute énergie renouvelable, les dommages climatiques représentent toujours en moyenne 23 % du prix de la pièce (2016-2021), bien que les mineurs n'utilisent que 37 % de leur électricité à partir de combustibles fossiles. Ainsi, même si les mineurs de BTC ont obtenu la majorité de leur électricité à partir d'énergies renouvelables et de sources directement sans carbone, il y a encore des dommages climatiques importants et croissants.

Rappelez-vous de la Fig. 2B, qui a montré les dommages climatiques par prix du marché des pièces, que le rapport des dommages BTC au prix a diminué de 2020 à 2021. Cela n'implique pas nécessairement que le processus d'extraction POW est durable. Pour contextualiser ces ratios, nous comparons les dommages climatiques à d'autres produits de base et produits économiques pertinents : (i) production d'électricité par source (hydroélectricité, éolienne, solaire, nucléaire, gaz naturel et charbon), (ii) pétrole brut traité et brûlé comme essence, (iii) utilisation et fabrication d'automobiles (véhicules utilitaires sport (SUV) et berlines de taille moyenne), (iv) production de viande agricole (poulet, porc et bœuf) et ; (v) extraction de métaux précieux (oxydes de terres rares (REO), cuivre, métaux du groupe du platine (MGP) et or). La figure 3 montre les dommages climatiques par prix de marché unitaire (% du prix) pour le BTC par rapport aux dommages climatiques du cycle de vie de ces 16 autres produits.

Les dommages climatiques de l'exploitation minière de Bitcoin (BTC) en tant que part du prix du marché des pièces (2016-2021), par rapport aux dommages climatiques de l'analyse du cycle de vie complet en tant que part du prix du marché pour d'autres matières premières (pour une seule année). Les dommages sont exprimés en termes de pourcentage (% du prix du marché). Les dommages climatiques BTC incluent uniquement la consommation d'énergie et les émissions provenant des plates-formes minières en fonctionnement, et n'incluent pas les dommages climatiques associés au refroidissement et à la fabrication des plates-formes minières ou d'autres sources potentielles d'émissions d'équivalent carbone. Cela fait des dommages estimés du BTC une limite inférieure par rapport aux dommages du cycle de vie complet pour les autres produits indiqués. Les dommages climatiques pour les autres matières premières et produits économiques présentés sont calculés à l'aide d'estimations du cycle de vie tirées de la littérature évaluée par des pairs et d'agences gouvernementales américaines combinées à des données de prix accessibles au public. Tous les prix des produits de base et les données sur les dommages climatiques du cycle de vie se trouvent dans les données supplémentaires.

Les dommages climatiques du BTC représentaient en moyenne 35 % de sa valeur marchande (2016-2021) et 58 % (2020-2021). Cela place le BTC dans la catégorie des autres produits de base énergivores ou très polluants tels que la production de bœuf, la production d'électricité au gaz naturel ou l'essence à partir de pétrole brut, et nettement plus dommageables que ce que nous pourrions considérer comme des produits plus durables comme la production de poulet et de porc et les sources d'électricité renouvelables comme l'énergie solaire et éolienne. Pour le solaire et l'éolien en particulier, les dommages climatiques de leur cycle de vie complet en tant que part de leurs prix de marché sont d'un ordre de grandeur inférieurs à ceux du BTC sur la période 2016-2021. L'exploitation minière de BTC génère également des dommages climatiques par prix unitaire qui sont d'un ordre de grandeur supérieur à ceux générés par l'extraction de métaux précieux tels que l'or, le cuivre, les PGM et les REO, qui sont tous en moyenne < 10 % par valeur marchande unitaire par rapport à la moyenne de 35 % de BTC sur la période 2016-2021. Pour le cas spécifique de l'or, qui est considéré par certains comme une importante réserve de valeur et une couverture contre la volatilité des actions, des obligations et du dollar américain47, les dommages climatiques de la BTC sont une valeur aberrante relative. En part du prix du marché de l'or, ses dommages climatiques s'élèvent en moyenne à 4 % ; Les dommages climatiques moyens de la CTB sur la période 2016-2021 sont 8,75 fois plus importants.

Compte tenu de la part élevée des dommages climatiques dans le prix du marché du BTC, nous demandons : "Quelle part d'utilisation des sources d'électricité renouvelables rendrait la production de BTC similaire en termes d'impact des dommages climatiques à des produits plus durables ?" Nos résultats suggèrent que si la part des sources d'électricité renouvelables pour 2016-2021 augmentait de 38,5 à 88,4 % (avec 5,2 % supplémentaires provenant du nucléaire) - une augmentation de 129 % - les dommages climatiques en tant que part du prix des pièces pour le BTC chuteraient de 35 à 4,0 % ; similaire en ampleur aux dommages climatiques de l'énergie solaire ou de l'or.

En l'absence d'une augmentation aussi extrême de la part de l'électricité renouvelable utilisée dans l'exploitation minière, les dommages climatiques de la BTC resteront une valeur aberrante par rapport aux produits de base plus durables. Ainsi, l'exploitation minière BTC échoue actuellement à notre troisième critère de durabilité selon lequel "les dommages climatiques estimés par pièce extraite devraient se comparer favorablement à un pourcentage de référence de référence des dommages climatiques par valeur marchande unitaire d'autres secteurs et matières premières". Bien qu'elle ne soit pas aussi dommageable pour le climat que la production d'électricité au charbon, l'exploitation minière du BTC génère des dommages similaires à ceux de l'essence, de la production de gaz naturel et de la production de viande bovine, en tant que part des prix du marché ; dont aucun ne serait généralement considéré comme durable48,49.

Les biens numériques rares sont susceptibles de rester et apporteront l'innovation à une variété de dimensions économiques générant de la valeur pour les gens. Il est important de trier ce contexte plus large des éléments de cette économie numérique qui peuvent avoir des préoccupations particulièrement importantes en matière de durabilité et de climat (voir le décret exécutif du président Biden de mars 2022 sur les crypto-monnaies pour les États-Unis50). Nous nous concentrons sur la crypto-monnaie dominante, BTC, qui utilise un système de minage de prisonniers de guerre hautement énergivore et compétitif. Alors que la société et les nations évaluent les avantages et les coûts de divers biens numériques rares, nous proposons une approche empirique pour évaluer les préoccupations en matière de durabilité de la BTC.

Nous constatons que pour 2016-2021 : (i) les dommages climatiques par pièce de BTC ont augmenté ; (ii) en tant que part de son prix de marché, les dommages climatiques du BTC étaient sous l'eau 6,4 % des jours, et les dommages dépassaient 50 % du prix de la pièce 30,6 % des jours ; et (iii) la part moyenne des dommages climatiques du BTC était de 35 % sur la période, ce qui se situe dans la fourchette entre la production de viande bovine et la consommation d'essence (telle que transformée à partir de pétrole brut), mais est inférieure à la production d'électricité au charbon. Les dommages climatiques de la BTC par prix unitaire du marché sont à peu près d'un ordre de grandeur supérieur à la production éolienne et solaire ; c'est-à-dire qu'il fonctionne bien au-dessus de toute référence renouvelable qui pourrait être offerte. Pris ensemble, les résultats représentent un ensemble de signaux d'alarme pour toute considération en tant que secteur durable (investissement ou autre). Alors que les partisans présentent régulièrement le BTC comme représentant une sorte d '«or numérique»51,52, du point de vue des dommages climatiques, le BTC fonctionne davantage comme du «brut numérique».

Il y a un certain nombre de mises en garde importantes concernant nos critères proposés. Tout d'abord, en ce qui concerne notre deuxième critère, la pertinence de notre benchmark "sous-marin" (où le ratio des dommages climatiques par pièce en part du prix du marché ne dépasse pas 100%) pourrait être remise en question. Ce dépassement se produit 6,4% de la période d'étude pour BTC. Bien que cela puisse être un seuil d'alarme clair, pourrait-il être trop faible ? Pourquoi pas 50 %, voire rester en dessous de 25 % ? Pour aider à considérer cela, nous nous tournons vers notre troisième critère, où nous faisons des comparaisons avec d'autres produits et secteurs. Ce faisant, rester en dessous d'une part de 10 % pour une technologie émergente pourrait être un critère de durabilité préférable, un niveau dépassé par BTC 96 % des jours de notre étude.

Nous soulignons que pour nos produits de comparaison, les parts représentent toutes des estimations de dommages du cycle de vie complet, mais pas pour BTC. Ainsi, les parts de BTC sont déflatées dans cette recherche initiale, ignorant les émissions de carbone provenant du refroidissement des plates-formes minières, de la fabrication des plates-formes, des déchets électroniques, de la construction de bâtiments, etc., où seules des estimations d'impact très préliminaires émergent dans la littérature35. Une autre mise en garde, en ce qui concerne nos deuxième et troisième critères, concerne l'accumulation de preuves que certains prix de la crypto-monnaie peuvent être gonflés par une spéculation importante, voire une manipulation (appelée « crypto-lavage ») 13. Naturellement, un prix gonflé réduira artificiellement le rapport estimé entre les dommages climatiques et le prix. Dans la mesure où une inflation artificielle des prix se produit, le ratio de dommages avec un prix non manipulé peut être supérieur à ceux présentés ici. Enfin, nous nous sommes strictement concentrés sur les dommages climatiques, mais de nombreuses évaluations technologiques incluent également les dommages sanitaires causés par les émissions. Ainsi, pour plusieurs raisons, nos évaluations de durabilité pour BTC sont très conservatrices.

Bien que n'étant pas l'objet de cet article, un processus de production de crypto-monnaie alternatif au POW, connu sous le nom de preuve de participation (POS), pourrait être utilisé pour réduire la consommation d'énergie de l'extraction de crypto-monnaie. Le point de vente fonctionne en exigeant des validateurs qu'ils détiennent et mettent en jeu des pièces, le prochain rédacteur de bloc sur la blockchain étant sélectionné au hasard, les cotes les plus élevées étant attribuées à ceux qui ont des positions de mise plus importantes53. POS, en s'appuyant sur la randomisation et le partage de validation, ne nécessite pas de puissance de calcul importante et utilise donc une fraction de l'électricité que l'extraction de POW. Ethereum, la deuxième plus grande crypto-monnaie par capitalisation boursière26, devrait passer du POW au POS dans le courant de 2022, réduisant sa consommation d'énergie estimée de 99,95 %54. Si Bitcoin, la crypto-monnaie mondiale dominante, pouvait également passer du POW au POS, sa consommation d'énergie, et, par extension, ses dommages climatiques estimés dans ce travail, deviendraient probablement négligeables. Cependant, la probabilité que le BTC passe au POS semble faible à l'heure actuelle55.

Les défenseurs des biens numériques rares et de l'innovation qu'ils offrent ne manquent pas. Même dans les pages de Nature Climate Change, Howson20 soutient : "Rester trop obsédé par l'inefficacité de certaines crypto-monnaies est susceptible d'encourager à jeter le bébé blockchain avec l'eau du bain de Bitcoin." Mais le danger de dépendance au sentier et de verrouillage technologique avec une industrie émergente56,57 soutient l'argument selon lequel les crypto-monnaies basées sur les prisonniers de guerre, qui dominent la part de marché, méritent en effet une attention particulière. Nos contrefactuels montrent que des changements extrêmes seraient nécessaires pour rendre le BTC durable (par exemple, sur le mix renouvelable). Les crypto-monnaies basées sur POW sont sur une voie non durable. Si l'industrie ne s'éloigne pas de la voie de production du POW ou ne s'oriente pas vers le POS, cette classe de biens numériques rares devra peut-être être réglementée, et tout retard entraînera probablement une augmentation des dommages climatiques mondiaux.

Les estimations des dommages climatiques causés par l'exploitation minière de Bitcoin suivent les méthodes décrites dans la littérature existante dans cet espace5,29. La principale estimation intéressante est la consommation d'électricité par pièce BTC extraite (en kWh par pièce), telle que dérivée du taux de hachage quotidien du réseau de la blockchain BTC58 ; c'est le nombre de calculs sur le réseau en gigahashes par seconde (GH/s). En utilisant une estimation de l'efficacité moyenne des plates-formes minières BTC, en joules (J) par GH, nous avons calculé la consommation totale d'électricité (en kWh/jour) du réseau en Eq. (1), après avoir converti J/s en kilowatts (kW) et multiplié par 24 h par jour :

Nous avons calculé le total des pièces BTC extraites par jour en Eq. (2) en utilisant le temps moyen en minutes pour qu'un bloc soit ajouté à la blockchain par jour59 et la récompense du mineur en pièces BTC par bloc :

En divisant la consommation d'électricité du réseau par le nombre de pièces, on obtient l'électricité par pièce en éq. (3):

En multipliant l'électricité par pièce par une estimation moyenne mondiale du facteur d'émission de gaz à effet de serre (FE) pour l'électricité dans le réseau BTC (en kg CO2e/kWh), nous obtenons notre estimation des émissions par pièce en Eq. (4). Les facteurs d'émission utilisés sont fournis dans les données supplémentaires.

Les dommages climatiques par pièce sont calculés comme les émissions par pièce multipliées par le SCC (en $/t CO2e) en éq. (5):

Les dommages en tant que part du prix des pièces prennent les dommages par pièce et les divisent par le prix du marché quotidien de BTC60. Toutes les estimations des dommages annuels ou pluriannuels par pièce ou des dommages par part du prix de la pièce prennent une moyenne pondérée générée quotidiennement par les pièces sur plusieurs jours (c'est-à-dire pondérée par le nombre de pièces générées chaque jour).

Les plates-formes minières ont amélioré l'efficacité des calculs de hachage par unité d'énergie au cours de notre période d'étude. Pour BTC, nous avons calculé l'efficacité annuelle moyenne de la plate-forme à partir des données de vente en 30 pour 2016-2018, puis avons utilisé l'efficacité du populaire ANTminer s15 pour l'efficacité de la plate-forme pour 2021. Nous avons ajusté une relation non linéaire (Eq. 6) entre ces données pour calculer une consommation d'énergie de la plate-forme en baisse mais qui s'aplatit par hachage pour n'importe quel jour de notre période d'étude :

où jours est le nombre de jours depuis le 01/01/1900.

Les émissions de gaz à effet de serre de la production d'électricité du réseau de mineurs BTC proviennent37. Nous avons fait la moyenne de leurs estimations mensuelles des facteurs d'émission mondiaux (kg CO2e/kWh) de septembre 2019 à août 2021, et avons appliqué cette moyenne sur toute la période de notre étude. Les facteurs d'émission in37 sont basés sur les emplacements des gisements miniers et les mix électriques des pays et des sous-pays (Chine et États-Unis) et les facteurs d'émission spécifiques à la source de production. Comme analyses de sensibilité, nous avons utilisé des facteurs d'émission provenant de deux autres sources : (i) de30, et ; (ii) le mix électrique moyen des États-Unis par année en utilisant les estimations de la source d'électricité et du mix de production de diverses agences gouvernementales américaines61,62. Les résultats de ces analyses sont fournis dans le tableau supplémentaire 3 et sont qualitativement similaires à nos résultats de référence.

Les dommages climatiques de 16 produits de comparaison sont calculés : production d'électricité par source (hydroélectricité, éolien, solaire, nucléaire, gaz naturel et charbon) ; pétrole brut traité et brûlé comme essence; l'utilisation et la fabrication d'automobiles (véhicules utilitaires sport (VUS) et berlines intermédiaires); la production de viande agricole (poulet, porc et bœuf) et ; extraction de métaux précieux (oxydes de terres rares (REO), cuivre, métaux du groupe du platine (MGP) et or). Pour chaque produit, nous utilisons des estimations des émissions de CO2e du cycle de vie complet par unité de production, et multiplions cela par le CSC pour obtenir les dommages climatiques par unité. Les dommages climatiques par unité sont divisés par le prix du marché pour obtenir des dommages en tant que part de la valeur de la marchandise. Toutes les données sur les prix des produits de base et les émissions de CO2e par unité de production sont fournies dans les données supplémentaires.

Pour le secteur de l'électricité, nous avons utilisé les émissions moyennes de CO2e du cycle de vie par kWh d'électricité produite aux États-Unis à partir du NREL61, par type de source, et le mix de production d'électricité par type de source pour chaque année de l'US EIA62. Pour le prix du marché de l'électricité, nous utilisons le prix de détail moyen 2016-2021 dans les secteurs résidentiel, commercial, industriel et des transports de l'EIA américaine63.

Pour le secteur de la viande agricole, nous avons obtenu des estimations des émissions de CO2e du cycle de vie par tête de la FAO64,65 ; pour l'Amérique du Nord (porc), pour l'Amérique du Nord (poulets de chair), pour l'Amérique du Nord (bœuf). Nous avons ajusté la quantité moyenne de viande par carcasse pour obtenir les émissions par kg de viande (porc : 65 %, bœuf : 65 %, poulet : 100 %) en utilisant les données des services universitaires de vulgarisation de l'État66,67. Le prix du poulet est par carcasse (et non par kg de viande) et donc 100% de la carcasse est utilisée. Les données sur les prix sont moyennées de 2016 à 2020, obtenues auprès du service de recherche économique de l'USDA pour le porc, le bœuf et le poulet68.

Pour l'essence produite à partir de pétrole brut, nous utilisons une estimation des émissions du cycle de vie du puits à la roue tirée de la littérature69 et le prix de détail moyen de l'essence 2016-2021 de l'EIA des États-Unis70.

Pour les véhicules, sur une durée de vie de 15 ans, nous utilisons des estimations du coût total de possession et des émissions de fonctionnement du véhicule, en supposant 14 263 miles par an71 sur la base d'un Ford Explorer 2019 pour un véhicule utilitaire sport (SUV) et d'une Toyota Camry 2019 pour une berline de taille moyenne. Nous ajoutons les émissions des véhicules provenant de la fabrication et de la production et de l'extraction des matériaux en utilisant les données de la littérature évaluée par des pairs72.

Pour les métaux précieux, les prix annuels (USD par once troy, USD par livre ou USD par kg) pour les oxydes de terres rares (REO), le cuivre, les métaux du groupe du platine (MGP) et l'or ont été obtenus à partir des 2021 USGS Mineral Commodity Summaries pour 2016-202073. Les émissions de CO2e du cycle de vie complet par unité de masse proviennent de74 pour l'or, de l'International Platinum Group Metals Association75 pour les MGP, de76 pour le cuivre et de77 pour les REO.

Toutes les données utilisées dans cet article sont incluses dans l'article et dans le fichier d'informations supplémentaires ou sont accessibles au public en ligne, comme indiqué.

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Les auteurs tiennent à remercier Eytan Libedinsky pour ses contributions en tant qu'assistant de recherche sur ce projet.

Département d'économie, Université du Nouveau-Mexique, 1 Université du Nouveau-Mexique, MSC 05 3060, Albuquerque, NM, 87131, États-Unis

Benjamin A. Jones, Andrew L. Goodkind et Robert P. Berrens

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Conceptualisation : BAJ, ALG, RPB ; méthodologie : BAJ, ALG, RPB ; enquête : BAJ, ALG, RPB ; visualisation : ALG ; rédaction du projet original : BAJ, RPB ; rédaction, révision et édition : BAJ, ALG, RPB

Correspondance à Benjamin A. Jones.

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Jones, BA, Goodkind, AL & Berrens, RP L'estimation économique des dommages climatiques de l'exploitation minière de Bitcoin montre une ressemblance plus étroite avec le brut numérique qu'avec l'or numérique. Sci Rep 12, 14512 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18686-8

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Reçu : 13 avril 2022

Accepté : 17 août 2022

Publié: 29 septembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-18686-8

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