Impact environnemental du Bitcoin : ami ou ennemi du climat ?

Février 2021
Le Bitcoin. Un terme dont tout le monde a dernièrement entendu parler, notamment lorsque ses pics de valeurs ont atteint des sommets fin 2017 et début 2021. Créée en 2009, la monnaie virtuelle a fait parler d’elle. Parmi les sujets les plus courants : la consommation énergétique d’une telle cryptomonnaie.

C’est d’ailleurs un sujet dernièrement abordé en vidéo dans l’un des épisodes de nos « 60 seconds challenge ». « Le Bitcoin consomme autant que l’Irlande ! ». « Le Bitcoin sera responsable des 2°C de réchauffement climatique d’ici 2050 ! ». Sans polémiquer, cherchons à comprendre comment fonctionne le Bitcoin, pourquoi utilise-t-il tant d’énergie et quel est son impact sur l’environnement.

Le Bitcoin, combien ça consomme ?

L’utilisation d’électricité liée au minage du Bitcoin est difficile à estimer. Les mineurs ne communiquent généralement pas leurs consommation précise. En revanche les constructeurs de machines spécialisées indiquent leur efficacité. Lors de production en fermes de minage (où plusieurs appareils sont rassemblés, parfois plusieurs centaines) il peut également y avoir un coût lié au refroidissement de l’installation.

Selon les estimations faites par l’Université de Cambridge [1] et l’Agence Internationale de l’Energie [2], le minage de Bitcoin aurait consommé aux alentours de 70 TWh d’électricité en 2020, soit l’équivalent de l’utilisation d’électricité de l’Autriche en 2015 ! [3] Un autre parallèle évocateur serait celui de l’électricité utilisée par les véhicules électriques sur la planète qui a été de 58TWh en 2018 [4].

Quel impact du Bitcoin sur les émissions de dioxyde de carbone ?

Sa consommation d’électricité se rapprochant de celle d’un pays Européen de presque 9 millions d’habitants, il est normal de s’interroger sur l’impact des cryptomonnaies sur l’environnement et de leur pertinence dans le cadre de la transition énergétique.

La quantité d’électricité consommée est une chose. Sa propreté en est une autre. Cette seconde notion est liée à la manière dont elle a été produite et de la quantité de dioxyde de carbone (CO2) émise pour une quantité donnée d’électricité produite.

Un pays utilisant des moyens de production décarbonés comme les énergies renouvelables ou encore le nucléaire, produira une énergie plus propre qu’un pays produisant son électricité à partir de pétrole ou de charbon. Il convient de prendre en compte ces données afin de calculer les émissions de CO2 engendrées par l’électricité utilisée par le Bitcoin.

 

Une étude [5] réalisée en 2019 fondée sur une utilisation de 45.8 TWh d’électricité en 2018 permet de conclure à une émission de C02 d’environ 22 500 tonnes d’équivalent CO2 (MtCO2e). Cette étude prend en compte les localisations des mineurs et de la propreté de l’énergie utilisée dans leur région.

L’Autriche (pour revenir à notre comparaison précédente) a émis en 2019 60 040 tonnes d’équivalent CO2 (MtCO2e) en 2015 [6].

Comment expliquer une telle consommation ?

Technologie de la blockchain

Les cryptomonnaies s’appuient sur la technologie de la blockchain. Cette technologie permet de gérer des transactions d’une manière différente des systèmes classiques : un groupe de transaction s’inscrit dans la chaîne au sein d’un bloc. Ce bloc est rattaché au précédent puis un autre bloc viendra s’ajouter à la chaîne et ainsi de suite.

Figure 1 – Représentation graphique d’une Blockchain.

Source : Blockchain France [14]

La blockchain présente plusieurs aspects intéressants pour les cryptomonnaies :

  • Décentralisation : le registre est redistribué à tous les contributeurs et chacun en possède une copie,
  • Traçabilité : toutes les transactions passées sont enregistrées dans la chaîne,
  • Inaltérabilité : chaque changement sur la chaîne est soumis à un consensus de toutes les parties prenantes

Le procédé de validation par « Preuve de travail »

Afin qu’un bloc de données soit intégré à la suite de la chaîne, il doit répondre à un ensemble de critères précisé dans le whitepaper de la blockchain, document décrivant sa manière de fonctionner. De manière simplifiée, il s’agit de résoudre une équation mathématique complexe afin de correspondre aux critères de validation. Le premier participant à résoudre l’équation permet d’intégrer le bloc à la suite des précédents et de mettre à jour la blockchain ainsi que de recevoir une rémunération pour sa participation. Ce procédé appelé preuve de travail permet au participant de prouver son implication dans le bon fonctionnement de la chaîne. La majeure partie des blockchain actives fonctionnent selon ce procédé. Les personnes participantes sont appelées les mineurs.

Des calculs énergivores

Chaque mineur peut alors contribuer au fonctionnement de la chaîne. Le calcul étant réalisé de manière aléatoire, cela implique qu’une plus grande puissance de calcul permet d’augmenter ses chances de valider un bloc et donc de toucher la récompense : c’est la course à la puissance de calcul.

Un calcul réalisé est appelé un « hash », terme issu fonctions de hachages utilisées lors des calculs. Ainsi le « hashrate » constitue le nombre de calculs réalisés à la seconde par un appareil noté H/s.

Lors des débuts de la blockchain Bitcoin, les capacités de calcul étaient faibles (quelques centaines de H/s) et détenues par des particuliers. Avec le temps, de plus en plus de systèmes se sont développés afin de calculer plus rapidement, augmentant les chances de récupérer les récompenses. Fin 2020, aux alentours de 140EH/s (Exa-hashes par seconde soit 140 milliards de milliards de calculs par seconde)[7] étaient effectués sur la chaîne Bitcoin.

Figure 2 - Evolution du taux de hachage du Bitcoin entre 2010 et 2018 (échelle logarithmique).

Source : Agence Internationale de l’Energie [15]

Un des points négatifs du consensus par preuve de travail est que beaucoup de machines travaillent simultanément à résoudre la même équation pour, finalement, qu’une seule valide le bloc. Cela signifie que toute l’énergie utilisée par ces machines n’a pas servi à la validation du bloc.

Toute la puissance de calcul est utile

Nous avons évoqué le fait que dans le processus de validation des blocs, plusieurs machines calculent en parallèle pour qu’in fine le bloc soit validé par une d’entre elles seulement. Cette énergie n’a donc pas directement servi à valider le bloc. Est-ce du gaspillage pour autant ? Non. L’énergie utilisée sert par ailleurs à améliorer la robustesse de la chaîne. Concrètement, plus le nombre de mineurs participants (et donc le nombre de calculs par seconde) est important, plus il sera difficile de falsifier la chaîne : la majorité sera trop difficile à atteindre pour faire valider un bloc corrompu.

Comment améliorer le bilan environnemental de la Blockchain ?

Renforcer la sobriété

Ce problème d’utilisation énergétique est connu des créateurs de blockchains. C’est pourquoi de plus en plus d’entre eux choisissent d’utiliser un autre consensus de validation des blocs : le consensus par la preuve d’enjeu (Proof of Stake en Anglais). Ce consensus permet la validation des blocs en demandant à l’intervenant de prouver son intérêt au bon fonctionnement de la chaîne. Cela peut être en possédant une certaine quantité de cryptomonnaie par exemple. Une personne ayant investi dans la chaîne ne souhaitant pas son mauvais fonctionnement.

La blockchain Ethereum portant la cryptomonnaie Ether, qui fait partie des plus connues avec le Bitcoin, prévoit de faire évoluer son mode de fonctionnement pour passer d’un consensus par la preuve de travail au profit d’une preuve d’enjeu. [8]

Améliorer l’efficacité des technologies de minage

De l’eau a coulé sous les ponts entre l’époque où le minage était effectué par des « afficionados » depuis leurs ordinateurs personnels, et aujourd’hui, où des machines spécialisées ont pris le relai. Ces dernières sont aujourd’hui autrement plus performantes que celles utilisées au début du Bitcoin. Leur efficacité a été multipliée par un million entre les premiers micro-processeurs et les machines spécialisées (ASICs) utilisées aujourd’hui.

L’efficacité énergétique des machines revêt leur capacité à exécuter un certain nombre de calcul (les hashes) pour une quantité d’énergie donnée (en Joules). Elle est exprimée par les constructeurs en Mega Hashes par Joule (MH/J) soit en million de calculs par Joule utilisée.

Figure 3 - Evolution de l'efficacité de minage de certains appareils (échelles logarithmiques).

 Source : Agence Internationale de l’Energie [15]

D’après le graphique ci-dessus, on distingue deux groupes de deux couleurs différentes

  • Les points verts représentent des composants d’ordinateurs personnels (processeurs – CPU – et cartes graphiques – GPU –).
  • Les points bleus représentent les machines spécialisées au minage (ASICs, Application-specific integrated circuit).

Le groupe bleu présente des machines pouvant non seulement calculer très rapidement (jusqu’à 10.000 millions de calculs par seconde) mais également de les effectuer en utilisant moins d’énergie que s’ils étaient réalisés avec des machines personnelles comme précédemment.

Intégrer le Bitcoin au service des réseaux de chaleur

Au vu des chiffres énoncés nous sommes en droit de continuer de penser que l’énergie investie est démesurée. Cependant certains font preuve d’ingéniosité pour utiliser cette énergie doublement.

Il est possible d’utiliser sa machine de minage pour chauffer son lieu de vie ! L’appareil le plus utilisé pour le minage [9] aujourd’hui a une puissance de 1320 W. Un radiateur électrique à rayonnement (aussi appelé « grille-pain ») utilise entre 1 000 et 1 500W en fonction du modèle. Dans ce cas précis, l’électricité aurait été utilisée de toutes façons.

Verdir l’énergie utilisée

Le minage est mobile, il est facile de déplacer une ferme. Cela permet d’utiliser le surplus de l’énergie fatale (c’est-à-dire non stockable) fournie par les sources intermittentes ou bien de rendre plus rentable une installation dont la production est isolée. Finalement, un rapport de L’Université de Cambridge[10]nous informe que 39% de l’énergie utilisée au minage serait d’origine renouvelable. A titre de comparaison, le mix énergétique de la France inclut 12%[11] d’énergie d’origine renouvelable.

Finalement, le Bitcoin : ami ou ennemi ?

Les technologies liées à la blockchain sont émergentes et prometteuses dans de nombreux domaines. Au cas particulier des cryptomonnaies, elles utilisent certes une grande quantité d’électricité, mais permettent également l’émergence de devises qui présentent de nombreux avantages : non-inflationnistes, indépendantes d’entités administratives, traçables, infalsifiables etc. Le problème étant désormais connu, les chaînes nouvellement créées prennent en compte cet impact énergétique et utilisent diverses stratégies afin d’éviter la dépense.

Outre les applications liées aux cryptomonnaies, La blockchain est également utilisée comme un levier au service de la transition énergétique. Elle permet par exemple de garantir l’origine de l’électricité verte venant renforcer le système Européen de label de garantie d’origine (LGO). La certification d’utilisation des fonds collectés dans le cadre des green bonds (émission obligataire devant financer des projets verts) est également en cours d’apparition.

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Travaux cités

[1]

Université de Cambridge, «CBECI - Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index,» [En ligne]. Available: https://www.cbeci.org/.

[2]

International Energy Agency, «Bitcoin energy use - mined the gap,» 2019.

[3]

Central Intelligence Agency, «The World Factbook,» 2016.

[4]

International Energy Agency, «Global EV Outlook 2019,» [En ligne]. Available: https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2019.

[5]

Stoll C. Klaaßen L., «The Carbon Footprint of Bitcoin,» Joule, 2019.

[6]

M. Crippa, D. Guizzardi, M. Muntean, E. Schaaf, E. Solazzo, F. Monforti-Ferrario, J. Olivier et E. Vignati, «Fossil CO2 emissions of all world countries,» Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2020.

[7]

Blockchain.com, “Taux de hash total du Bitcoin,” [Online]. Available: https://www.blockchain.com/fr/charts/hash-rate.

[8]

Ethereum, «Proof-of-stake (PoS),» [En ligne]. Available: https://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos/.

[9]

M. Köhler et S. Pizzol, «Life Cycle Assessment of Bitcoin Mining.,» Environmental science & technology, 2019.

[10]

A. Blandin, G. Pieters, Y. Wu, T. Eisermann, A. Dek, S. Taylor et D. Njoki, «3rd Global Cryptoasset Benchmark Study,» Cambridge University, 2020.

[11]

Ministère de la transition écologique, «Chiffres clés de l'énergie,» Statistique Publique, Paris, 2021.

[12]

L. Daumec et J. Hénault, «Google : grand témoin de la transition énergétique,» Mazars, 2020.

[13]

International Energy Agency, «Data and statistics - Austria : Balances for 2018,» [En ligne]. Available: https://www.iea.org/data-and-statistics/data-tables?country=AUSTRIA&energy=Balances&year=2018.

[14]

Blockchain France, «Qu'est-ce que la blockchain ?,» [En ligne]. Available: https://blockchainfrance.net/decouvrir-la-blockchain/c-est-quoi-la-blockchain/.

[15]

International Energy Agency, «Bitcoin energy use - mined the gap,» International Energy Agency, 05 07 2019. [En ligne]. Available: https://www.iea.org/commentaries/bitcoin-energy-use-mined-the-gap. [Accès le 20 01 2021].

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