Bitcoin : minage, consommation d'énergie et écologie

Nous entendons souvent que le bitcoin consomme, que le bitcoin pollue, que le bitcoin est un désastre pour l'écologie. Son procédé de validation des transactions, appelé minage, serait une menace pour l'humanité et il faudrait l'interdire.

La question écologique revient sans cesse, avec les même idées pré-conçues qui persistent dans l'opinion. Aujourd'hui nous allons tenter d'aller au-delà du catastrophisme primaire relayé par certains médias et essayer de distinguer le vrai du faux dans ce qui est dit. Nous allons parler de Bitcoin mais cela peut s'appliquer à toutes les cryptomonnaies et à leurs blockchains basées sur de la preuve de travail.

Qu'est-ce que le minage ?

Le minage est le procédé crypto-économique qui permet de garantir le consensus sur le registre des transactions dans Bitcoin. Il est réalisé par l'intermédiaire de ce qu'on appelle la preuve de travail (proof-of-work). Pour valider des transactions et les rajouter au registre, un mineur doit les rassembler dans un bloc et utiliser sa puissance de calcul pour rattacher ce bloc à la chaîne. Cela revient grosso modo à trouver la solution à un problème qui est uniquement résoluble par l'essai d'un très grand nombre de possibilités. Dès qu'il trouve une solution, le mineur la partage avec le réseau et obtient une récompense composée de bitcoins issus de la création monétaire (12,5 bitcoins par bloc aujourd'hui) et des frais de transactions.

Plus précisément, le problème résolu par les mineurs consiste à utiliser la fonction SHA-256 pour hacher le bloc et à faire en sorte que le résultat (qui est un nombre) soit plus petit qu'une valeur cible définie par le protocole. C'est pour cela qu'on parle de taux de hachage (ou hashrate) pour se référer à la puissance de calcul du réseau : il s'agit du nombre de tentatives de résolution du problème par seconde. Le taux de hachage est exprimé en hachages par seconde (H/s), ou plus communément dans le cas de Bitcoin, en exahachages par seconde (EH/s, 1 EH/s = 10¹⁸ H/s).

Il est important de savoir que la valeur cible du problème résolu par les mineurs est ajustée par le protocole en fonction de la puissance utilisée sur le réseau : c'est ce qu'on appelle l'ajustement de la difficulté. Ce recalibrage a lieu toutes les deux semaines pour que le temps moyen entre chaque bloc soit de 10 minutes. La valeur cible diminue (et la difficulté augmente) lorsque la puissance de calcul totale augmente ; et inversement si cette puissance diminue. Cela diffère donc du minage d'or : l'émission de bitcoins est fixée et une plus grande puissance de calcul globale ne permettra de produire plus de bitcoins.

L'industrie minière

Aux débuts de Bitcoin en 2009, le minage était effectué uniquement avec des processeurs simples (CPU) et le nombre de mineurs était très réduit. Puis progressivement, il s'est étendu aux cartes graphiques (GPU), bien plus efficaces, et aux circuits logiques programmables (FGPA), encore un niveau au-dessus. Enfin, à partir de 2013, ces moyens ont été remplacés par circuits intégrés spécialisés (les ASIC). Le minage s'est professionnalisé au cours du temps, tant dans la construction des machines permettant de miner (Bitmain étant le leader) que dans les installations autour du monde, appelées fermes de minage.

Satoshi Nakamoto prévoyait d'ailleurs cette évolution dès le début, dans l'un de ses tout premiers courriels de 2008 :

Au début, la plupart des utilisateurs feraient tourner des nœuds [miniers], mais à mesure que le réseau grandirait, cette tâche serait déléguée de plus en plus à des spécialistes possédant des fermes de serveurs composées de matériel spécialisé. (source : 1, 2)

Cette industrialisation du minage fait que la puissance de la calcul totale du réseau a énormément augmenté au cours du temps. Le taux de hachage, dont l'évolution est visible ci-dessous, représentait de moins de 100 MH/s en 2010, valait autour de 10 TH/s en 2012 et avoisine aujourd'hui les 65 EH/s.

S'il y a de la dépense énergétique ailleurs, c'est ce hachage perpétuel et son refroidissement qui consomme la quasi-totalité de l'énergie nécessaire au fonctionnement du réseau.

Le minage n'est pas un « gaspillage »

Il arrive parfois que certaines personnes parle du minage comme un gaspillage d'énergie. L'argumentaire souvent invoqué est que la concurrence du minage fait que les mineurs qui ne trouvent pas le bloc ont travaillé « pour rien ». Cependant, c'est tout le principe du procédé : bien que certaines solutions moins énergivores soient envisagées, le consensus de Nakamoto par la preuve de travail a aujourd'hui 10 ans d'existence, et constitue un modèle fiable dont profitent des millions de personnes.

Car, bien entendu, Bitcoin rend service, et c'est ce que semblent oublier beaucoup de critiques, qui ne parlent pas de la consommation énergétique du système bancaire actuel ou de celle de certains services sur Internet comme Netflix, les sites pornographiques ou les vidéos de chats. Bitcoin permet d'avoir un système monétaire non inflationniste et non censurable, et la consommation d'énergie est le moyen d'y parvenir. Si le taux de hachage baissait, alors le réseau serait plus sensible aux attaques, celles provenant d'un acteur étatique par exemple.

Rajoutons, pour les écologistes qui seraient tentés par une interdiction du minage, que Bitcoin existe aujourd'hui (c'est un fait) et que cette interdiction n'aurait sans doute qu'un effet limité et temporaire. Seul un gouvernement mondial pourrait peut-être avoir un vrai impact, et encore : le coût énergétique et l'empreinte carbone de la lutte anti-minage pourrait surpasser le coût énergétique et l'empreinte carbone du minage lui-même.

Comparaison avec le système bancaire actuel

Bitcoin n'est pas qu'un système de paiement, mais un système monétaire à part entière. Il convient donc de la comparer à ce à quoi il est comparable, c'est-à-dire au système bancaire actuel. Nous verrons ici quelle est la consommation du réseau Bitcoin, pourquoi elle n'a pas vocation à exploser et en quoi elle pourrait être moindre que le système traditionnel.

Quelle est la consommation énergétique du réseau Bitcoin ?

Il est assez difficile de connaître précisément la consommation d'énergie de Bitcoin, car le nombre évolue rapidement et les mineurs ne communiquent pas forcément leurs chiffres. Heureusement, quelques estimations générales existent. D'après le Bitcoin Energy Consumption Index de Digiconomist, la consommation énergétique du minage serait aujourd'hui de 73,12 térawattheures (TWh) par an. D'après le Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index, elle serait de 60 TWh par an. Selon une analyse récente de George Kamiya, la consommation énergétique avoisinait les 45 TWh en 2018, et sera sans doute plus élevée en 2019.

Une rapide estimation, basée uniquement sur le taux de hachage, nous permet d'arriver à des chiffres similaires. Si l'on prend un taux de hachage de 65 EH/s (valeur haute) et une efficacité énergétique de 100 J/TH (Antminer S9i), l'énergie annuelle dépensée (hors refroidissement des machines et autres coûts) approche les 57 TWh.

On peut comparer cette consommation à la consommation d'électricité de pays entiers : l'exemple le plus cité est l'Irlande (26 TWh), mais aujourd'hui, avec l'augmentation du taux de hachage, on prend plutôt celui de la Suisse (58 TWh) comme référence. On peut également la mettre en l'énergie utilisée par les véhicules électriques : 58 TWh en 2018.

Du côté du coût énergétique par transaction, on atteint également des niveaux théoriquement très élevés : si l'on suppose que la capacité transactionnelle du réseau est de 12 transactions par secondes (grâce à SegWit) et le taux de hachage de 65 EH/s, on obtient un coût énergétique de 150 kWh par transaction, ce qui correspond à l'énergie utilisée par un réfrigérateur moderne en un an !

Le 20 avril 2022, une étude complète et très fournie de Michel Khazzaka est publiée. Cette étude va plus loin que les données de l'Université de Cambridge en prenant en compte la durée de vie des différents ASICs utilisés pour le minage, les techniques utilisées par les mineurs pour consommer le moins d'énergie possible etc. Nous y apprenons que Bitcoin consommerait 88,95 TWh par an. Si on compare cela aux données de l'Université de Cambridge nous tombons proche de leur estimation.

C'est donc un fait : Bitcoin consomme beaucoup d'énergie. Et il n'est pas étonnant que les médias, qui ne voient pas l'utilité de Bitcoin, s'en émeuvent. Cependant, ce coût énergétique n'a pas forcément vocation à augmenter drastiquement, comme on va le voir.

À l'échelle Bitcoin ne consommera pas énormément plus

Les détracteurs de Bitcoin utilisent souvent une extrapolation douteuse qui consiste à se baser sur les chiffres actuels pour estimer linéairement ce que consommera Bitcoin s'il est utilisé mondialement. En effet si l'on suppose une transaction par jour et par personne pour 10 milliards d'êtres humains, l'énergie annuelle consommée atteindrait le chiffre absurde de 548 000 TWh, ce qui représente 5 fois l'énergie consommée en 2016 dans le monde. C'est ce qui fait dire à Alex de Vries, le créateur de Digiconomist, à propos de Bitcoin :

Si nous commençons à utiliser cela à l'échelle mondiale, il tuera la planète.

Ce qu'il faut savoir, c'est que la puissance de calcul totale suit la récompense en jeu. Sur du court terme donc, le taux de hachage est corrélé au prix du bitcoin. Quand le prix monte, la puissance de calcul augmente progressivement. Quand il descend, c'est l'inverse qui se produit : certains mineurs abandonnent et cessent leur activité car ils ne sont plus rentables. Ainsi, la consommation monstrueuse d'électricité est liée à la spéculation derrière le bitcoin : le bitcoin est pour l'instant très surévalué par rapport à son utilité réelle.

De plus, cet effet est maximisé par un volume transationnel maintenu artificiellement bas par un poids limite des blocs de 4 MWU qui est atteint de manière quasi-permanente. Cette limite basse est censée garantir une décentralisation maximale.

À plus long terme, la récompense sera également influencée par le nombre de bitcoins émis par le protocole : celui-ci décroît en effet de façon régulière (c'est le halving qui a lieu tous les quatre ans). Cette baisse de la récompense influencera également le minage : de cette manière, même si le prix atteint des sommets, il est fort probable que l'énergie dépensée se stabilise au cours du temps, reposant de plus en plus sur les frais payés par les utilisateurs.

Le coût énergétique par transaction a également vocation à évoluer en raison du passage à l'échelle de Bitcoin. Tout d'abord, on peut imaginer que la capacité transactionnelle sur la chaîne soit augmentée à un moment ou un autre, ce qui permettrait de traiter plus de transactions pour un coût énergétique total identique. Ensuite, même si la limite sur le poids des blocs n'est pas augmentée, il existe des solutions de seconde couche permettant de gérer une grande quantité de transactions en dehors de la chaîne : celles-ci peuvent être décentralisées comme le réseau Lightning et les chaînes latérales, ou centralisées comme ce qui se fait avec les plateformes d'échange ou les casinos en ligne.

Ainsi, quelle que soit la méthode utilisée (augmentation de la capacité de la chaîne, secondes couches décentralisées, ou système de « monnaie de réserve » entre les banques), il y a fort à parier que Bitcoin passera à l'échelle et réduira considérablement son coût énergétique par transaction.

Comment comparer Bitcoin au système bancaire ?

Il arrive qu'on compare Bitcoin à un système de paiement par carte bancaire comme Visa. En 2016, Visa a consommé 0,188 TWh. De plus, si l'on estime à 100 milliards le nombre de transactions traitées, cela veut dire qu'une transaction Visa consomme environ 100 000 fois moins qu'une transaction Bitcoin !

Mais cette comparaison n'est pas pertinente : puisque Bitcoin est à la fois un système de paiement et un système monétaire, il faut le comparer à l'ensemble du système monétaire traditionnel. Plus précisément, l'idéal serait de comparer l'écosystème autour de Bitcoin (compagnies minières, plateformes d'échange, développeurs, etc.) à l'écosystème monétaire actuel, c'est-à-dire l'ensemble du système bancaire (banques centrales, banques commerciales, etc.), des systèmes de paiement (Visa, Mastercard, American Express, etc.) et des bourses comme le Forex, en prenant bien évidemment en compte le coût énergétique du fonctionnement annexe de ces entités (bureaux, etc.)

D'après une estimation de Carlos Domingo, rien qu'en se restreignant aux serveurs des banques, à leurs succursales et aux guichets automatiques, on arrive déjà à 100 TWh par an (contre 57 TWh pour Bitcoin actuellement).

L'argent liquide lui-même est un gouffre énergétique. Si l'on pense à la production des pièces et des billets, à leur distribution (par exemple les véhicules blindés transportant les fonds), et à leur destruction, on se rend tout de suite à l'évidence. Bien qu'un argent liquide physique indexé sur le bitcoin pourrait exister en cas de succès, celui-ci serait sans doute moins utilisé, car Bitcoin est en lui-même « un système de liquide électronique », incensurable et (relativement) confidentiel.

À tout ceci, il faut ajouter le coût énergétique de la fraude : combien d'énergie est dépensée pour sécuriser le système ? Des cartes bancaires volées à la contrefaçon de billets de banque, il paraît évident que ce problème consomme énormément d'énergie (remboursements, etc.), alors que dans le cas de Bitcoin il ne se pose pas.

En cela, il paraît tout à fait plausible que Bitcoin, une fois à l'échelle, soit en réalité énergétiquement plus efficace que le système financier actuel.

Nous l'évoquions plus haut, l'étude sortie en avril 2022 et publiée par Michel Khazzaka indique que Bitcoin serait 56 fois plus efficace que le système bancaire traditionnel. Pour comparer ces deux systèmes, Michel Khazzaka, qui connaît bien Bitcoin et le système bancaire traditionnel, a calculé l'impact du trajet des salariés, de la consommation des bureaux, la consommation de la création et de la gestion des billets et pièces (stockage, création, distribution...). Cela ne prend pas en compte l'utilisation du Lightning Network sur lequel une transaction serait des milliers de fois plus efficace qu'un paiement bancaire instantané.

La cryptomonnaie consomme de l'énergie renouvelable

Les opposants à Bitcoin se servent bien souvent de sa consommation énergétique massive à des fins écologistes. Cependant, il pourrait en être tout autrement, et il se pourrait bien que Bitcoin et les autres crypto-monnaies soient en réalité le meilleur moyen de préserver l'environnement.

Le bitcoin consomme de l'énergie renouvelable

Le minage c'est vert ! C'est en tout cas la thèse de Sébastien Gouspillou, président de Bigblock Datacenter, qu'il exprime par exemple dans son article L’empreinte carbone de bitcoin, légende ou réalité ?.

Cette affirmation se base sur deux constations : les mineurs recherchent les sources d'énergie les moins chères, et l'électricité se stocke mal. Le minage est très mobile et permet donc de récupérer l'énergie fatale pour optimiser le processus, par exemple en profitant des périodes creuses ou des lieux isolés des grands centres de population. Cela concerne en particulier le nucléaire et les énergies renouvelables comme celle provenant des barrages hydroélectriques, qui sont plus difficilement modulables que les énergies fossiles comme le charbon, le pétrole ou le gaz.

Il est ainsi possible pour les mineurs de négocier un tarif avantageux avec les entreprises productrices d'électricité pour récupérer ce surplus d'énergie. C'est d'ailleurs ce que fait Bigblock Datacenter : la société de minage a ouvert récemment une ferme de minage près d'un barrage à Almaty au Kazakhstan et bénéficie d'une électricité à 0,026 € / kWh. Selon Sébastien Gouspillou, en rendant rentable des installations qui ne l'étaient pas, le minage pourrait en réalité accélérer la transition écologique :

Cette industrie nouvelle, capable de venir s’installer là où on surproduit est une aubaine économique pour des pays et leurs compagnies électriques appelées à investir dans une transition énergétique que nous appelons tous de nos vœux.

Aujourd'hui, certaines analyses estiment que 75 % de l'énergie consommée par le minage est renouvelable. On peut citer la géothermie en Islande, l'hydroélectrique en Chine et au Canada, ou encore le photovoltaïque en Californie.

C'est également ce que fait Feel-Mining qui s'est implanté dans les Alpes afin d'utiliser l'énergie hydraulique.

Une monnaie non inflationniste est bonne pour la planète

Aujourd'hui, nous vivons dans une économie basée sur l'inflation, c'est-à-dire sur la hausse des prix, ou la baisse progressive du pouvoir d'achat de la monnaie. Cela n'est pas forcément perceptible mais les banques centrales des pays développés s'efforcent de maintenir un taux d'inflation qui avoisine les 2 % par an, par le biais de la création monétaire (taux directeurs bas, assouplissement quantitatif). Cette politique monétaire keynésienne a pour but affiché de « stimuler l'économie » en encourageant la dépense (consommation) et l'emprunt. Cela a pour effet d'exacerber la surconsommation actuelle : il vaut mieux consommer qu'épargner puisque la monnaie perd de son pouvoir d'achat. Et ceci ne prend pas en compte les graves crises économiques qui seraient la conséquence directe de la distribution d'argent gratuit aux acteurs financiers...

Le bitcoin, à l'inverse des monnaies fiat inflationnistes, est programmé pour être déflationniste. Le taux de création monétaire diminue au fil des années (halvings) pour tendre vers zéro, ce qui fait qu'il est fort probable que la monnaie bitcoin gagne en pouvoir d'achat au cours du temps, ou du moins n'en perde pas. Cela encouragerait l'épargne plutôt que la dépense et l'emprunt. L'offre limitée de bitcoins (21 millions en 2140) serait donc bien plus adaptée à une période de stabilisation économique (ou même de décroissance) souhaitable pour limiter la consommation des ressources.

Les alternatives à la preuve de travail

Si tous ces arguments ne vous ont pas convaincu et que vous rechignez toujours à utiliser Bitcoin, sachez qu'il existe des alternatives au minage qui sont moins énergivores. C'est le cas par exemple de tous les algorithmes basés sur de la preuve d'enjeu.

Le principe de la preuve d'enjeu est de se baser, non pas sur la puissance de calcul, mais sur la possession de jetons pour déterminer qui peut participer à la validation du consensus. Parmi les algorithmes qui utilisent le preuve d'enjeu, on peut citer Emmy actuellement utilisé dans Tezos, ou Casper, qui devrait être prochainement intégré dans Ethereum.

Conclusion

Ainsi, le minage, le procédé nécessaire au bon fonctionnement de Bitcoin, consomme bel et bien beaucoup d'énergie. Cependant, l'argument selon lequel il serait un désastre écologique est remis en question par un certain nombre de points.

Premièrement, si on le compare à son équivalent traditionnel, c'est-à-dire au système bancaire et à ce qui s'y rattache, alors il n'est pas certain qu'il consomme beaucoup plus à la même échelle, et pourrait même être plus efficace. Deuxièmement, Bitcoin est en réalité bien plus écologique qu'on ne le pense : les incitations économiques poussent les mineurs à consommer les énergies de surplus, et par là des énergies renouvelables. Troisièmement, par sa nature non inflationniste, le bitcoin pourrait, en tant que monnaie, assainir la consommation mondiale.

Enfin, il faut garder en tête que la technologie n'a que dix ans, et qu'elle est sujette à évolution. C'est ainsi que d'autres algorithmes de consensus moins énergivores pourraient bien prendre la place du minage, bien que ce dernier reste un modèle éprouvé qu'il convient de ne pas sous-estimer.

Je suis fasciné par les cryptomonnaies et par l’impact qu’elles pourraient avoir sur nos vies. De formation scientifique, je m’attache à décrire leur fonctionnement technique de la façon la plus fidèle possible. Sur Cryptoast, je me propose de vous aider à mieux comprendre comment fonctionnent les cryptomonnaies (principalement Bitcoin, Bitcoin Cash et Ethereum) et quels sont les enjeux qui animent cet écosystème fascinant.

Ludovic Lars

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