本文由北美矿场服务商 TSE 冠名，内容不构成财务建议，不代表吴说观点与立场。
风能和太阳能是有可变性的能源，有时产生的电能超过电网所需，造成能源浪费。本文阐述了比特币挖矿独特的灵活性是如何将过去被浪费的风能和太阳能变现的。
Source: IEA (Sustainable Development Scenario)
本文节选自我们的研究报告《比特币挖矿如何改变能源行业》。该研究报告列出了比特币矿工的五个特征，这些特征使他们成为独一无二的灵活的能源消费者，并阐述了比特币矿工可以帮助解决的四个能源问题。本文解释了其中一个问题：比特币挖矿如何提高可再生能源的经济性。让我们开始吧。
过去几年，全球风能和太阳能的发电能力大幅提升。国际能源署估计，在其可持续发展方案中，风能和太阳能的发电能力未来仍需持续提升，到 2040 年应分别达到 2,800 吉瓦和 4,200 吉瓦，才能将全球变暖情况限制在远低于工业化前水平 2॰C 的水平。
由于可再生能源生产的可变性，风能和太阳能份额的不断增长会导致更多的能源浪费。能源浪费是一项经济挑战，如果不加以缓解，就会威胁到可再生能源经济，限制其增长。
我们以德克萨斯州为例进行研究。该州拥有全球最佳的风能和太阳能资源，但其中大部分位于德克萨斯州西部，远离东南部的人口中心。西德克萨斯拥有 24 吉瓦的风力发电容量和 7 吉瓦的太阳能发电容量，但平均负荷只有 6 吉瓦，这意味着大部分能源无法在当地消耗，必须输送到有需求的东南地区。
而连接德州西部和该州其他地区的输电线容量只有 12 吉瓦，远远不足以在风能和太阳能发电的高峰期输送所有的能源。这就是所谓的西德克萨斯出口限制。当地的低需求加上西德克萨斯州的出口限制，意味着大量的可再生能源在西德克萨斯州窝电，导致能源浪费，风能和太阳能项目的收入减少。
Source: ERCOT, Potomac Economics
ERCOT 预计，在 2023 年风能和太阳能发电容量将增长到 71 吉瓦，而输电能力却没有相应的增加，西德克萨斯的可再生能源问题只会更加严重。
推动风能和太阳能发展的主要动力是成本竞争优势。在美国，太阳能和风能的电力均衡成本 (LCOE) 目前分别为 36 美元和 40 美元，低于所有其他可选能源。除此之外，风能和太阳能的经济性支出几乎完全由资本支出构成。它们没有燃料成本，即边际生产成本为 0 美元。
Source: The U.S. Energy Information Administration
能源浪费威胁着可再生能源的经济性
由于风能和太阳能的边际生产成本为 0 美元，它们总是以每兆瓦时 0 美元的成本向市场竞价。因此，我们经常看到风电和太阳能占比较高的电力市场中的价格波动较大。在风能和太阳能产量高的时候，电价非常低，甚至为负值，而在风能和太阳能产量不高时，电价非常高。
由于生产税收抵免，某些可再生能源生产商以负价格出售电力，但仍能盈利，这加剧了上述的波动性问题。在美国，风力发电场可获得高达每兆瓦时 25 美元的联邦生产税收抵免。获得这种税收抵免的风力生产商被鼓励以每兆瓦时 24 美元的价格向电网出价。这些生产税收抵免增加了美国负电价的流行程度，尤其是在德克萨斯州。这项联邦补贴在激励西德克萨斯州建设闲置的可再生能源方面发挥了重要作用。
在过去几年里，在许多以风能和太阳能作为主要发电能源的地区，负电价越来越普遍。西德克萨斯州尤其如此，2021 年该地区约有 10% 的实时电价为负值。
Source: EMP at Berkeley Lab
上面的地图显示了从 2015 年到 2021 年，美国中部地区由于多风天气而经历了风力发电的大规模发展后，其出现负电价的频率的增加情况。日益普遍的负电价对风能和太阳能项目的收入产生了毁灭性的影响。
在像 ERCOT 这样不受管制的电力市场中，负价格是一个价格信号，表明因为能源供应相对于需求过多，发电业主将要关闭生产。这种现象被称为经济削减，这意味着风力和太阳能发电场必须定期将其产量降低到它们原本可以生产的水平以下。根据其原因分类，有两种类型的经济削减：全系统削减和局部削减。
Source: Arcane Research
全系统削减是指，当天气条件允许时，可再生能源工厂生产一定数量的电力，但由于需求不足，工厂必须避免将这些电力输送到电网。而局部削减则是由没有足够的输电能力将电力输送到有需求的地方引起的。
西德克萨斯州的问题在于局部削减。东南部的人口中心地区希望利用西部生产的所有可再生能源，但受到传输能力的限制，这一愿望无法实现。
这两种经济削减都浪费了能源，损害了可再生能源的经济效益，因为发电厂不会因削减能源而获得报酬。由于风能和太阳能在经济上资本支出比例极高，而运营成本很少甚至没有，这些项目的盈利能力取决于电厂能否在其生命周期内最大化电量的销售。因此，对风能和太阳能经济来说，被迫削减相当大一部分产能的后果十分可怕。
Source: Potomac Economics
节电是一个日益严重的全球性问题，尤其是在德克萨斯州。2021 年，ERCOT 削减了 6% 的风能生产和 8% 的太阳能生产，总削减量为 7 TWh。业内人士认为，全球共 1,000 亿瓦比特币挖矿能耗，而德州拥有其中的 8%，年化耗电量相当于 7 太瓦时。这意味着 2021 年德克萨斯州浪费的可再生能源比该州所有比特币矿工的用电量还多。
Source: Cambridge's Bitcoin Mining Map, Hashrate Index
主要有三种方法来缓解当地的电力短缺：传输线、电池以及将需求靠近供应端。传输线可以说是最具影响力的长期解决方案，但它们的建设通常成本高、耗时长。ERCOT 正在研究提高传输能力的潜力。这些线路的收支平衡成本估计为 138 亿美元，最早将在 2030 年和 2035 年投入使用。
电池可能成为解决方案的一部分，但该技术的成本还不够低，部署目前的所需规模在经济上并不可行。此外，电池的存储容量有限，所以理想情况下，风能和太阳能发电厂应该与灵活的电能用户相结合，以便在电池充满时消耗多余的能量。
比特币矿工可以在可再生能源生产后调整他们的消费
他们可以战略性地将自己安置在靠近风能和太阳能工厂的地方，以吸收多余的能源，从而帮助减少用电短缺，降低负电价出现的频率。通过利用比特币挖矿的可中断性，风能和太阳能生产商可以根据电价变动在电网和比特币挖矿之间交替供电。需要警告比特币矿工的是，他们必须接受机器不能拥有 100% 的运行时间，不过如果平均电价足够低，这会是一个可以接受的权衡。
要了解在风能和太阳能占高份额的电网中，比特币矿工如何接受缩短的正常运行时间以降低电力成本，我们可以看看 2021 年西德克萨斯州电价的累计分布。今年 2 月，德克萨斯州遭遇了毁灭性的冬季风暴，导致电价比往常波动更大。
Source: ERCOT, Lancium
我们看到大部分电价很低，其中 85% 的价格低于每兆瓦时 40 美元，而负电价占 10%。分布的右侧是少量的极高价格，当遭遇需求高峰期，但风能和太阳能输出量较低时，就会出现这种价格情况。
如果 2021 年一位比特币矿工在西德克萨斯州 100% 的时间运行其机器，那么该矿工的平均电价将是每兆瓦时 148 美元，这接近于节能机器的现金流盈亏平衡点。如果矿工在 5% 的最高价格期间关闭其机器，矿工的平均电价将从每兆瓦时 148 美元降至每兆瓦时 24 美元，这将大大提高盈利能力。这些通过避免价格峰值来降低电价的可行方法表明，比特币矿工有动力根据电价调整其功耗，使其成为波动的可再生能源份额很高的电力市场中的理想负载。
许多人会有减少正常运行时间不符合比特币矿工的最佳利益的误解。这种假设是错误的，特别是在风能和太阳能份额较高的市场中，其电价经常波动。下表证明了这一点，显示了 2021 年减少正常运行时间是如何影响西德克萨斯州比特币挖矿经济的。
Source: ERCOT, Hashrate Index, Luxor ASIC Trading Desk, Ebay
我们看到，对于新一代机器的蚂蚁矿机 S19，理想的正常运行时间为 95%，而蚂蚁矿机 S9（旧一代机器）理想情况下应该在 85% 的时间内启动并运行。你看到其中的联系了吗？较旧的机器的正常运行时间较短，因为能源效率较低，它们需要较低的能源价格才能使现金流为正。因此，旧机器更便宜，并且在适当的情况下，可以获得比新机器更好的投资回报。
大风和太阳能电网中的三种比特币挖矿运营模式
矿工可以利用三种主要的运营模式来帮助吸收大风和太阳能电网中多余的能量，其中使用的硬件类型至关重要。这些模式包括：并网 - 正常运行时间长、表后 - 正常运行时间长以及表后 - 正常运行时间短。
Source: ERCOT, Shaun Connell and Ray Cline (Lancium), Rich Goodwin (Cormint)
模式 1：并网 – 正常运行时间长
第一种模式比较传统，比特币矿工并网，并致力于最大限度地延长新一代机器的正常运行时间。如上一章所述，这些矿工通常可以通过参与加强电网的需求响应计划来降低其总体电力成本。这种模式的例子之一是 Riot 位于德克萨斯州罗克代尔的设施，其开发容量为 400 兆瓦。
模式 2：表后 – 正常运行时间长
第二种模型是混合模型，其中比特币矿工与风能或太阳能发电厂位于同一位置，并使用新一代机器。矿工在从发电厂和电网之间切换取电，以保证新一代机器所需的正常运行时间，从而摊销昂贵的机器费用。
这种设置对可再生能源工厂来说十分有利，因为它现在有两种选择：将其电力出售给电网或比特币矿工，具体选择取决于最有利可图的是哪一方。额外的比特币挖矿选项可以提高可再生能源生产商的电力价格。它还降低了开发风险，因为发电厂有一个表后客户，无论电网发生什么，他们都随时准备购买电力。
此外，正如我们之前解释的那样，许多风能和太阳能发电厂都在努力削减。风能和太阳能项目常常通过电力购买协议 (PPA) 预售很大一部分的未来电力生产量，来作为项目融资。由于购电协议的结构特点，削减意味着风能或太阳能发电厂必须出更高的价，导致购电协议的竞争力下降，此时项目可能无法获得所需的融资。通过表后的比特币矿工来消耗全部的以前削减的能源，风能或太阳能发电厂可以不再进行削减活动，使工厂在电力市场上更具竞争力。
模式 3：表后 – 正常运行时间短
第三种模式是完全离网的，矿工只使用位于同一地点的可再生能源工厂产生的电力。由于美国风能和太阳能的平均容量系数仅为 35% 和 25%，因此表后比特币采矿负荷的容量应低于发电厂的铭牌容量。对于铭牌容量为 100 兆瓦且容量系数为 35% 的风电场，35 兆瓦的表后比特币采矿负载有望接近 100% 的正常运行时间。尽管如此，运营商通常的目标仍是缩短矿机正常运行时间，因为发电厂也将向电网出售电力，因此理想情况下，此处应该使用资本支出较低的旧机器。
风能和太阳能发电厂必须申请与电网连接，这一过程可能需要很多年，并且存在一定风险。仅在 ERCOT，就有 107 吉瓦的太阳能和 20 吉瓦的风能正在等待电网互连队列。许多等待的项目可以在等待电网连接的同时用比特币挖矿来维持生存。该项目将其铭牌容量与比特币挖矿能力相匹配，这意味着由于风能和太阳能的低容量特点，离网比特币挖矿作业的正常运行时间将低于理想水平。尽管如此，如上表所示，老一代矿机维持 35-40% 的正常运行时间并不是世界末日，因为发电厂可以在日后连接到电网，之前的损失可以被视为开发成本。
比特币挖矿如何影响电力市场
这三种运营模式的共同点是它们可以稳定电价。通过在可再生能源充足且价格低廉的情况下购买电力，比特币矿工提供了可以提高最低的电价的需求压力，从而提高可再生能源工厂的经济性。
Source: Shaun Connell (Lancium)
上图说明了电力系统的负载分布以及我们操纵它的六种不同方式。比特币矿工通过一种称为“谷值填充”的机制影响系统，这种机制可以在不提升峰值负载的情况下提升基本负载，这是因为比特币矿工在电力稀缺且价格高企时会受到关闭矿机的高度激励。而更高的基本负荷提高了可再生能源的经济性，并激励了额外容量的建设。
比特币挖矿与电池和氢气的比较
虽然许多能源专业人士承认比特币挖矿有助于稳定可再生能源占高份额的电力系统的电价，但有些人提出了一个合理的想法：“为什么不使用电池或氢气生产呢？”
让我们从比较比特币挖矿和电池开始。首先，比特币挖矿在能源系统中的作用与电池有着截然不同的作用，因为比特币挖矿是一种负载，而电池是一种储能技术。电池较比特币矿工具有优势，因为它可以存储能量并在未来将其提供给电网。尽管如此，此功能也可能是一个缺点，因为电池的存储容量有限。
德克萨斯州最大的电池的铭牌容量为 260 兆瓦，存储容量为 260 兆瓦时，这意味着充电和放电需要一个小时。相比之下，比特币采矿设施可以无限小时地吸收能量。由于这种差异的存在，电池和比特币挖矿更可能是互补的技术。Block、Blockstream 和特斯拉目前正在开发一种能源系统，该系统结合了太阳能发电厂、比特币挖矿设施和电池，让太阳能发电厂根据经济情况将电力输送到电网或电池。
由于比特币挖矿和电池在能源系统中扮演着两个不同的角色，我们应该将比特币挖矿与其他发电技术（如氢气生产）进行比较。它们存在着一些区别。首先，比特币矿业完全与位置无关，而氢气生产需要市场进行销售，这意味着氢气生产过程应该位于物流网络附近。此外，氢气生产不是一个完全可中断的过程，因为生产商有合同要履行，还有物理产品要运输。
并且，考虑到氢气生产的供应链因素，与比特币矿工相比，电力可能是氢气生产商成本结构中不那么关键的部分。正因为如此，氢生产商很可能在电价上较比特币矿工更有优势，迫使矿工们寻找氢气生产商由于位置不可知论而无法利用的窝电的能源。因为双方并不互相排斥，这意味着比特币采矿和氢气生产都可以在未来承担过剩的可再生能源方面，发挥至关重要的作用。
比特币挖矿提高了可再生能源的经济性
比特币挖矿结合了位置不可知性、可中断性和模块化这三种特性，是窝电的可再生能源的完美购买者。比特币矿工可以寻找具有过量风能和太阳能的区域，并建立一个消耗多余能量所需的确切大小的数据中心。在偏远的风能和太阳能农场旁边安装比特币矿场能避免削减活动和负电价，并提高项目的经济性。
比特币挖矿对于能源转型而言，是比多数人意识到的更加不可或缺的一部分，因为风能和太阳能项目的未来经济将取决于灵活的消费者，比如可以购买多余能源的比特币矿机。
