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La blockchain pour réduire les problèmes environnementaux

Nous publions une série de trois articles traitant de la blockchain et de l’environnement. Le premier article pose les bases : l’impact de la blockchain (consommation d’énergie, mesure de l’empreinte environnementale). Le deuxième article met en évidence la proximité du nouveau règlement de l’UE sur l’environnement et la blockchain (Digital Product Passport). Dans le troisième article, nous analysons des solutions de calcul de l’empreinte carbone : nous comparons celles propulsées par la blockchain et par d’autres outils.

60% des parties prenantes dans le monde considèrent que l’impact environnemental des blockchains est important (ou très important). Au contraire, seuls 20% des acteurs de la blockchain considèrent que cette question n’est « pas importante ».

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Vaclav Smil mène des recherches interdisciplinaires dans les domaines de l’énergie, des changements environnementaux et démographiques, de la production alimentaire, de l’histoire de l’innovation technique, de l’évaluation des risques et des politiques publiques. Il est aujourd’hui considéré comme l’un des plus grands penseurs mondiaux de l’histoire du développement et comme un maître de l’analyse statistique. Bill Gates says dit qu’il attend les nouveaux livres de Vaclav Smil comme d’autres attendent le prochain Star Wars. Le dernier en date est ‘Growth : From Microorganisms to Megacities’.

Le paradoxe de l’impact de la blockchain sur l’environnement existe-t-il encore ?

De nombreuses voix critiquent la blockchain pour sa consommation énergiques. Pourtant les experts vantent les mérites de la blockchain pour suivre, voire réduire l’impact environmental. Une cause légitime d’inquiétude dans l’utilisation des blockchains publiques est l’impact environnemental important dû à la consommation d’énergie requise.

Le minage de bitcoins consomme autant d’électricité qu’un pays comme la Finlande, soit un tiers de toutes les infrastructures numériques du monde. Cette consommation croissante a conduit certains pays, comme le Kazakhstan, à freiner le minage en raison des pénuries d’énergie. Le régulateur financier européen est même allé jusqu’à recommander l’interdiction du minage du bitcoin. La conception du protocole blockchain, et la mesure de son empreinte, reste un défi crucial à mesure que l’adoption de cette technologie se développe.

La blockchain est un système permettant de stocker des informations sur les transactions dans des blocs numériques. Le nom vient du fait que les blocs contiennent trois éléments clés : des enregistrements horodatés des transactions valides, un « hachage » ou une empreinte numérique du bloc et un hachage du bloc précédent. De cette façon, tout bloc est lié ou enchaîné au bloc précédent, formant ainsi une « chaîne de blocs ».
Grâce au système de grand livre décentralisé de la blockchain, les particuliers et les entreprises peuvent être sûrs que les informations contenues dans la blockchain sont vérifiables et immuables.

La question de l’intensité énergétique et carbone des blockchains, et donc de la conception du protocole et de la mesure de son empreinte, reste un défi crucial à mesure que l’adoption de cette technologie se développe. L’empreinte, reste un défi crucial à mesure que l’adoption de cette technologie se développe.

En France, cette tendance est beaucoup plus marquée, puisque 72% des acteurs considèrent l’impact environnemental comme important. Cette préoccupation pour l’environnement est également perceptible dans les critères de choix des blockchains à utiliser.

source : PwC 2022

La consommation énergétique de la blockchain n’est ni une boîte noire ni un tabou. De nombreux outils ont été développés pour mesurer précisément cette consommation.

Le prochain paragraphe est un peu technique, mais explique pourquoi et comment la blockchain était énergivore et ai devenu faible en consommation d’energie. Si vous souhaitez le passer, cliquez ici.

Protocoles blockchain : Preuve de travail (Proof of work) ou preuve d’enjeu (Proof of stake) ?

Proof-of-Work (PoW)

Une blockchain comme celle de Bitcoin repose sur une méthode de vérification des blocs appelée « Proof-of-Work » (PoW), qui, de par sa conception, est gourmande en énergie. Dans un protocole PoW, le producteur de blocs, appelé « mineur », est sélectionné en fonction de sa capacité à résoudre des problèmes de calcul. Avoir une plus grande capacité de calcul signifie être capable de générer des nombres plus rapidement, et donc avoir plus de chances de valider le bloc et donc de recevoir une récompense. Pour augmenter leur capacité de calcul, les mineurs utilisent désormais de manière omniprésente des ordinateurs ASIC (circuit intégré spécifique à une application) qui sont conçus spécifiquement pour gagner le plus souvent possible des minages PoW. Ces machines peuvent rarement être utilisées à d’autres fins et doivent être remplacées rapidement lorsque de nouveaux ASIC sont créés et mis sur le marché. La difficulté du PoW augmente à mesure que de plus en plus de mineurs entrent dans le réseau en cherchant à profiter de la forte croissance des prix des crypto-monnaies d’année en année.
La difficulté augmente également par conception tous les quatre ans et un plafond strict est fixé pour le nombre total de crypto-monnaies pouvant être minées, ce qui accroît encore la concurrence entre les mineurs.
Cette difficulté et cette concurrence croissantes signifient que les mineurs ont besoin d’ordinateurs et de centres de données de plus en plus puissants et gourmands en énergie pour être compétitifs.

PoS est moins gourmand en énergie que PoW. Ethereum dit depuis des années qu'il finira par passer à la preuve d'enjeu. C'est ce qu'espèrent les optimistes de la crypto-monnaie. Le problème est que les gens attendent depuis des années qu'Ethereum fasse ce changement, et certains sont sceptiques quant au fait qu'il le fasse un jour. D'abord, Ethereum devra convaincre tout le monde que la preuve d'enjeu est la voie à suivre. Sinon, c'est tout le système qui risque de s'effondrer.

Ethereum abandonnera bientôt les algorithmes Proof-of-Work (PoW) au profit de Proof-of-Stake (PoS). Initialement prévue pour 2019, la première phase d’Ethereum 2.0 a été lancée le 1er décembre 2020. Cependant, avec deux phases à venir, la sortie complète [initialement prévue pour juin 2022] ne devrait pas avoir lieu avant 2023.

Tim Beiko, Dévelopeur chez Ethereum

« Si tout le monde n’est pas d’accord avec ce changement, vous allez vous retrouver dans une situation où le réseau s’effondre tout simplement », explique l’économiste Alex de Vries. « Elle peut littéralement se briser en plusieurs chaînes si tout le monde n’exécute pas le même logiciel. C’est l’inconvénient d’essayer de mettre à niveau des blockchains publiques comme Ethereum. »

Proof of stake (PoS)

Ce système exige toujours que les utilisateurs (« stakers ») aient une certaine participation au jeu pour dissuader les mauvais comportements. Mais au lieu de devoir payer d’énormes quantités d’électricité pour entrer dans le jeu, ils doivent bloquer certains de leurs propres jetons de crypto-monnaie dans le réseau pour « prouver » qu’ils ont un « intérêt » dans le maintien de l’exactitude du grand livre. S’ils sont pris à faire quelque chose de louche, ils seront pénalisés en perdant ces jetons. Ainsi, les ordinateurs n’ont plus besoin de résoudre des énigmes complexes, ce qui permet d’éliminer les émissions.

Compte tenu des préoccupations relatives au coût, à l’intensité énergétique et à l’évolutivité, les applications blockchain émergentes s’appuient de plus en plus sur les méthodes de vérification PoS et d’autres méthodes de vérification moins coûteuses et moins énergivores. Les méthodes de vérification récentes et émergentes comprennent (sans s’y limiter) les protocoles « Byzantine Fault Tolerant » (BFT), « Practical BFT » (PBFT), « Proof of Authority » (PoA), « Proof of Significance » (PoI) et « Proof of History » (PoH), qui sont également considérés comme moins coûteux, moins gourmands en énergie et en temps.

Une solution potentielle consiste à construire une autre « couche » par-dessus

Il existe d’autres moyens de réduire les émissions des NFT et de conserver un réseau de preuve de travail plus décentralisé. Une solution potentielle consiste à construire une autre « couche » au-dessus de la blockchain existante. En travaillant sur cette deuxième couche, on peut économiser de l’énergie car les transactions se font « hors chaîne », loin du processus de preuve de travail qui consomme beaucoup d’énergie. Par exemple, deux personnes qui souhaitent échanger des NFT peuvent ouvrir leur propre « canal » sur la deuxième couche où elles peuvent effectuer un nombre pratiquement illimité de transactions. Une fois leurs affaires terminées, elles peuvent régler le résultat net de leurs transactions sur la blockchain, où il peut être ajouté au grand livre vérifié via le processus de preuve de travail. Il s’agit essentiellement de regrouper ou de compenser un grand nombre de transactions en seulement quelques-unes qui doivent avoir lieu sur la blockchain inefficace, ce qui permet d’économiser de l’énergie.

50% des acteurs français considèrent les coûts énergétiques comme un critère de choix de leur blockchain (contre 21% pour les acteurs mondiaux).

source : PwC 2022

Mesurer l’empreinte écologique

En ce qui concerne la question de la mesure de l’empreinte environnementale d’une blockchain, l’approche de l’analyse du cycle de vie (ACV) peut aider à encadrer l’exercice. L’ACV est basée sur les normes ISO 14040 et 14044 qui sont largement reconnues et utilisées pour la mesure de l’empreinte. Elle peut aider à analyser les impacts environnementaux d’une blockchain par rapport à sa principale fonction de transaction, et répondre à des questions telles que :

  • Quels pourraient être les impacts environnementaux de la blockchain ?
  • Quelles sont les principales étapes et sous-étapes du cycle de vie qui provoquent des impacts majeurs ?
  • Quels sont les principaux facteurs influençant les impacts ?

Cette approche permet de prendre en compte l’ensemble du cycle de vie de la blockchain et tous les éléments nécessaires au fonctionnement du protocole, y compris l’utilisation d’Internet. Les dispositifs considérés dans le modèle sont analysés tout au long de leur cycle de vie, de l’acquisition des matières premières à la fin de vie de l’équipement.

En outre, l’ACV permet d’évaluer plusieurs impacts, non seulement la consommation d’énergie et l’empreinte carbone, mais aussi d’autres indicateurs tels que l’utilisation des ressources, la pollution et l’impact associé sur la santé humaine.
L’une des complexités de l’analyse réside dans le fait que, par conception, la blockchain est décentralisée, ce qui rend difficile l’accès aux données nécessaires à l’évaluation.

En outre, les validateurs peuvent utiliser différents ensembles de matériel : ordinateur portable, ordinateur monocarte, serveurs dans des centres de données ou dans le cloud, dédiés ou partagés. L’exercice peut donc nécessiter de trouver le meilleur barycentre possible entre la collecte de données réelles auprès des validateurs, les entretiens, les explorateurs de blockchain et d’API, et la littérature existante.

Au-delà de la question environnementale, il existe un certain nombre d’autres risques à gérer et de défis à surmonter pour que la technologie blockchain réalise son plein potentiel : défis d’adoption, obstacles technologiques, risques de sécurité, défis juridiques et réglementaires, et risques d’interopérabilité.

La blockchain peut contribuer à une plus grande implication des parties prenantes, à la transparence et à l’engagement, et aider à apporter la confiance et à faire avancer les solutions innovantes dans la lutte contre le changement climatique, conduisant à une action climatique renforcée.

Alexandre Gellert Paris, chargé de programme associé à la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques

Construire des blockchains pour le développement durable

Si les externalités négatives des blockchains doivent être gérées, elles sont également considérées comme une solution à certains problèmes de durabilité.
En effet, selon le rapport de PwC intitulé « Building block(chain)s for a better planet« , les blockchains peuvent avoir des applications pour relever divers défis environnementaux, tels que le changement climatique, la conservation de la biodiversité, la santé des océans, la sécurité de l’eau, la qualité de l’air et du climat, et la résilience aux catastrophes.

D’autre part, les blockchains peuvent permettre une plus grande inclusion financière et civique pour des milliards de personnes actuellement exclues des systèmes traditionnels. La technologie permet un accès plus large au financement pour des projets à impact qui semblent souvent trop risqués, comme le propose le Cardashift.
Ces avantages sont rendus possibles par les blockchains grâce à leur construction décentralisée créant un registre cryptographique, sécurisé et immuable de toutes les transactions de valeur, qu’elles soient monétaires, physiques, de propriété, de travail ou de votes. Ainsi, les blockchains ont la capacité d’apporter de la transparence aux chaînes d’approvisionnement, un enjeu essentiel notamment pour informer les consommateurs sur les caractéristiques des produits.

De nombreuses autres opportunités prometteuses sont également données par les blockchains, telles que : une gestion plus durable des ressources de manière décentralisée et une incitation à l’économie circulaire, une transformation du marché du carbone, un changement dans le pilotage et la vérification des performances extra-financières, ou encore une plus grande efficacité dans la gestion des dommages liés aux catastrophes naturelles via des smart contracts.
Ainsi, comme pour de nombreuses technologies numériques, les avantages sociétaux des blockchains devraient être systématiquement mis en balance avec une évaluation des externalités négatives potentielles. C’est à cette condition que les blockchains pourront délivrer tout leur potentiel pour une société plus durable.

Nous avons publié une série de trois articles traitant de la blockchain et de l’environnement. Le premier article pose les bases : l’impact de la blockchain (consommation d’énergie, mesure de l’empreinte environnementale). Le deuxième article met en évidence la proximité du nouveau règlement de l’UE sur l’environnement et la blockchain (Digital Product Passport). Dans le troisième article, nous analysons des solutions de calcul de l’empreinte carbone : nous comparons celles propulsées par la blockchain et par d’autres outils.