الانتقال نحو الاستدامة البيئية لتعدين العملات المشفرة

جدول المحتويات

• 1 المقدمة
• 2 وصف حدود الطاقة
  • 2.1 نظرة عامة على تقنية Blockchain
  • 2.2 البنية التحتية والاقتصاديات للتعدين
• 3 التحليل الفني ومؤشرات الأداء
  • 3.1 مؤشرات أداء الطاقة (EPI)
  • 3.2 مؤشرات جودة الطاقة (PQI)
• 4 النتائج التجريبية والتحسين
• 5 مثال تنفيذ الكود
• 6 التطبيقات والاتجاهات المستقبلية
• 7 التحليل الأصلي
• 8 مراجع

1 المقدمة

شهد تعدين العملات المشفرة نموًا هائلاً، حيث تجاوز عدد العملات المشفرة المختلفة 5392 عملة بنهاية عام 2020 بإجمالي قوة سوقية تزيد عن 201 مليار دولار. يعتمد هذا النظام اللامركزي على أجهزة التعدين لحل المعادلات التشفيرية والتحقق من معاملات سلسلة الكتل. من المتوقع أن يصل مؤشر استهلاك البيتكوين للطاقة إلى 77.782 تيراواط ساعي/سنوياً في 2021، أي ما يعادل حوالي 1.5 ضعف إجمالي استهلاك رومانيا من الكهرباء في 2020. تحلل هذه الورقة الانتقال نحو استدامة بيئية لعمليات تعدين العملات المشفرة من خلال تقييم مؤشرات أداء الطاقة (EPI) ومؤشرات جودة الطاقة (PQI).

2 وصف حدود الطاقة

2.1 نظرة عامة على تقنية Blockchain

تستخدم معاملات العملات المشفرة التشفير بالمفتاح العام وتقنية blockchain اللامركزية. تتكون سلسلة الكتل من كتل بيانات متسلسلة تحتوي على تجزئات تشفير. تشمل المكونات الرئيسية العقد، المعدنين، المعاملات، التجزئات، خوارزميات الإجماع (Proof of Work)، والكتل. تتضمن عملية التعدين التحقق من الكلات غير المؤكدة من خلال حل معادلات التشفير، حيث يحصل المعدنون على مكافآت عملة مشفرة مقابل التحقق الناجح.

2.2 البنية التحتية والاقتصاديات للتعدين

تدرس دراسة الحالة مزرعة عملات رقمية في بوخارست بمساحة سطحية مفيدة تبلغ 4000 متر مربع. بلغت النفقات الرأسمالية الإجمالية 450000 يورو، بما في ذلك 100000 يورو لتكاليف التنفيذ (إعادة تجهيز الكهرباء، التهوية، شبكات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات) و 300000 يورو لمنصات التعدين. تضم المزرعة 100 منصة، منها 30 منصة تحتوي كل منها على 13 وحدة معالجة رسومية من نوع Nvidia P104-100، تقوم بتعدين عملة Ethereum بسرعة 470 ميغاهيرتز/ثانية وباستهلاك كهرباء يبلغ 2 كيلوواط/ساعة، وتنتج 0.9 ETH شهريًا لكل منصة.

3 التحليل الفني ومؤشرات الأداء

3.1 مؤشرات أداء الطاقة (EPI)

تشمل مقاييس EPI مؤشر فعالية استخدام الطاقة (PUE)، الذي يقيس كفاءة الطاقة في مراكز البيانات: $PUE = \frac{Total\ Facility\ Energy}{IT\ Equipment\ Energy}$. يقترب مؤشر PUE الأمثل من 1.0. تشمل المقاييس الإضافية كفاءة معدل التجزئة ($J/MH$) وكثافة الكربون ($gCO_2/kWh$).

3.2 مؤشرات جودة الطاقة (PQI)

يركز تحليل PQI على استقرار الجهد، والتشويه التوافقي (THD)، ومعامل القدرة. يتم حساب إجمالي التشويه التوافقي كالتالي: $THD = \frac{\sqrt{\sum_{h=2}^{\infty} V_h^2}}{V_1} \times 100\%$ حيث تمثل $V_h$ مركبات الجهد التوافقية. يقلل تصحيح معامل القدرة من القدرة غير الفعالة: $PF = \frac{P}{S}$، حيث $P$ هي القدرة الفعالة و$S$ هي القدرة الظاهرية.

4 النتائج التجريبية والتحسين

قيمت الدراسة أنماط استهلاك الطاقة في المزرعة، مع تحديد فرص التحسين من خلال جدولة الأحمال ودمج الطاقة المتجددة. خفض تنفيذ أنظمة التبريد المتقدمة PUE من 1.45 إلى 1.28. تحسن تصحيح معامل القدرة من 0.82 إلى 0.95، مما قلل من فاقد الطاقة. زادت استراتيجية التحسين كفاءة التعدين الإجمالية بنسبة 18٪ مع خفض الانبعاثات الكربونية بنسبة 22٪ من خلال موازنة الأحمال الاستراتيجية واستعادة الحرارة المهدورة.

5 مثال تنفيذ الكود

import numpy as np

6 التطبيقات والاتجاهات المستقبلية

تشمل التطورات المستقبلية الانتقال إلى آليات إجماع إثبات الحصة، والتكامل مع الشبكات الذكية لإدارة الحمل الديناميكي، وعمليات التعدين المُحسنة بالذكاء الاصطناعي. تمثل الشبكات الصغيرة للطاقة المتجددة المصممة خصيصًا لعمليات التعدين اتجاهًا واعدًا، مما قد يقلل البصمة الكربونية بنسبة 40-60%. يمكن لأنظمة التعدين الهجينة التي تجمع بين خوارزميات عملات مشفرة متعددة تحسين استخدام الأجهزة والعائد على الاستثمار.

7 التحليل الأصلي

تواجه صناعة تعدين العملات المشفرة مفترق طرق حاسمًا حيث يجب أن تصبح الاستدامة البيئية اعتبارًا أساسيًا وليس فكرة لاحقة. يوضح هذا البحث أنه من خلال التقييم المنهجي لمؤشرات أداء الطاقة ومؤشرات جودة الطاقة، يمكن تحقيق تحسينات كبيرة في الكفاءة الاقتصادية والأثر البيئي على حد سواء. تتوافق نتائج دراسة الحالة مع الاتجاهات الأوسع في الصناعة التي تم تحديدها في مؤشر كامبريدج لاستهلاك الكهرباء للبيتكوين، الذي يتتبع البصمة الطاقة الكبيرة للبيتكوين على مستوى العالم.

مقارنة بمراكز البيانات التقليدية، تظهر عمليات تعدين العملات المشفرة خصائص فريدة تتطلب منهجيات تحسين متخصصة. يخلق الحمل الحسابي الثابت والعالي الكثافة تحديات في إدارة الحرارة تعاني أنظمة التبريد التقليدية من معالجتها بكفاءة. كما لوحظ في ورقة CycleGAN (Zhu et al., 2017)، يمكن لمناهجات التعلم غير الخاضع للإشراف تحسين عمليات التعدين بشكل محتمل من خلال تحديد الأنماط في استهلاك الطاقة وأداء الأجهزة التي قد يتجاهلها المحللون البشريون.

يمثل الانتقال من إثبات العمل إلى آليات الإجماع البديلة المسار الأكثر وعودًا نحو عمليات عملة معماة مستدامة. فهجرة إيثيريوم الجارية إلى إثبات الحصة (Eth2) تُمثل هذا الاتجاه، مما قد يقلل استهلاك الطاقة بنحو 99.95% وفقًا لمؤسسة إيثيريوم. ومع ذلك، يتطلب هذا الانتقال تنفيذًا دقيقًا للحفاظ على أمان الشبكة ومبادئ اللامركزية.

من منظور تقني، يُظهر الأساس الرياضي لتعدين العملات المعماة قيودًا جوهرية على الكفاءة. فعملية التجزئة الأساسية لأمان سلسلة الكتل تستهلك بالضرورة موارد حاسوبية كبيرة. يمكن التعبير عن احتمالية العثور على تجزئة صالحة بالعلاقة $P = \frac{target}{2^{256}}$، حيث تقوم قيم الهدف الأقل بزيادة الصعوبة ومتطلبات الطاقة. تشير هذه العلاقة الأساسية إلى أنه دون ابتكارات خوارزمية، فإن تحسينات الكفاءة البحتة ستواجه عوائد متناقصة.

يمثل دمج مصادر الطاقة المتجددة استراتيجية حاسمة للتخفيف من الأثر البيئي لتعدين العملات المشفرة. يمكن للطاقة الشمسية وطاقة الرياح، إلى جانب أنظمة تخزين الطاقة المتقدمة، توفير كهرباء مستدامة لعمليات التعدين. وفقًا للوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA)، فقد انخفضت تكاليف الطاقة المتجددة بشكل كبير، مما يجعل عمليات الدمج هذه مجدية اقتصاديًا على نحو متزايد. علاوة على ذلك، يمكن أن تعمل عمليات التعدين كأحمال مرنة تساعد في تحقيق التوازن في عمليات الشبكة، من خلال امتصاص الطاقة المتجددة الفائضة التي قد يتم تقييدها لولا ذلك.

بالنظر إلى المستقبل، سيكون تطوير أجهزة متخصصة مُحسَّنة لكل من الكفاءة الحسابية والأداء الحراري أمرًا بالغ الأهمية. يمكن لدوائر التطبيقات المتخصصة (ASICs) المصممة مع اعتبار كفاءة الطاقة قيدًا أساسيًا أن تقلل بشكل كبير من كثافة الكربون لعمليات التعدين. بالإضافة إلى ذلك، فإن إعادة استخدام الحرارة المهدورة من عمليات التعدين لأغراض التدفئة السكنية أو الصناعية تمثل فرصة غير مستغلة لتحسين كفاءة الطاقة الإجمالية، على غرار النهج المستخدم في أنظمة التدفئة المناطقية في دول الشمال.

8 مراجع

1. Cambridge Centre for Alternative Finance. (2021). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index.
2. Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE International Conference on Computer Vision.
3. Ethereum Foundation. (2021). Ethereum 2.0 Specifications.
4. International Renewable Energy Agency. (2020). Renewable Power Generation Costs in 2019.
5. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
6. Digiconomist. (2021). Bitcoin Energy Consumption Index.