David BECK analyzes technological issues from a political, economic and societal perspective.

Blockchain et Vert : La blockchain au service de l’environnement

David BECK Academic - Society, Politics & Techology

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.

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 dit qu’il attend les nouveaux livres de Vaclav Smil comme d’autres attendent le prochain film de la Guerre des étoiles. Le dernier en date est “Growth : Des micro-organismes aux mégapoles”.

Dans son dernier livre, Vaclav Smil affirme que “la croissance doit s’arrêter, ce que nos amis économistes ne semblent pas réaliser. Nous sommes toujours sortis d’une période de récession grâce à une augmentation de la consommation d’énergie. Ce modèle de croissance peut se déstructurer face à un système qui s’appauvrit et où les ressources naturelles et énergétiques s’épuisent.

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

De nombreuses voix critiquent la blockchain pour sa consommation d’énergie. Pourtant, des experts vantent les mérites de la blockchain pour suivre et même réduire l’impact sur l’environnement. L’impact environnemental significatif de la consommation d’énergie nécessaire est une cause légitime d’inquiétude dans l’utilisation des blockchains publiques.

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

La blockchain est un système de stockage des informations relatives aux transactions dans des blocs numériques. Son nom vient du fait que les blocs contiennent trois éléments clés : des enregistrements horodatés des transactions valides, un "hachage" ou empreinte numérique du bloc et un hachage du bloc précédent. De cette manière, chaque bloc est lié ou enchaîné au bloc précédent, formant ainsi une "chaîne de blocs".
Grâce au système de registre 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 enjeu crucial à mesure que l’adoption de cette technologie se développe. 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 enjeu crucial à mesure que l’adoption de cette technologie se développe.

En France, cette tendance est beaucoup plus marquée, avec 72% des acteurs qui considèrent l’impact environnemental comme important. Cette préoccupation pour l’environnement se retrouve également 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.

Protocoles de blockchain : preuve de travail ou preuve d’enjeu

Preuve de travail (Proof-of-Work – PoW)

Une blockchain comme celle de Bitcoin repose sur une méthode de vérification des blocs appelée Proof-of-Work (PoW), qui est par nature 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. Disposer d’une plus grande capacité de calcul signifie pouvoir générer des nombres plus rapidement, et donc avoir une plus grande chance de valider le bloc et donc de recevoir une récompense. Pour augmenter leur capacité de calcul, les mineurs utilisent aujourd’hui de manière omniprésente des ordinateurs ASIC (circuit intégré à application spécifique) qui sont conçus pour gagner le plus souvent possible du PoW mining. Ces machines peuvent rarement être utilisées à d’autres fins et doivent être remplacées rapidement au fur et à mesure que de nouveaux ASIC sont créés et mis sur le marché. La difficulté du PoW augmente au fur et à mesure que de plus en plus de mineurs entrent dans le réseau pour profiter de la forte croissance des prix des crypto-monnaies d’une année sur l’autre.
La difficulté augmente également tous les quatre ans et le nombre total de crypto-monnaies pouvant être extraites est strictement plafonné, ce qui accroît encore la concurrence entre les mineurs.
Cette difficulté et cette concurrence accrues signifient que les mineurs ont besoin d’ordinateurs et de centres de données de plus en plus puissants et gourmands en énergie pour être compétitif.

La preuve d'enjeu (PoS) est moins gourmand en énergie que le PoW. Ethereum dit depuis des années qu'il finira par passer à la preuve d'enjeu (proof of stake). C'est ce qu'espèrent les optimistes de l'art cryptographique. Le problème est que les gens attendent depuis des années qu'Ethereum fasse ce changement, et certains doutent qu'il le fasse un jour. Tout 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.

“Si tout le monde n’accepte pas ce changement, le réseau risque de s’effondrer”, explique l’économiste Alex de Vries. “Il peut littéralement se diviser en plusieurs chaînes si tout le monde n’utilise pas le même logiciel. C’est l’inconvénient d’essayer d’améliorer les blockchains publiques comme Ethereum.”

Ethereum abandonnera bientôt les algorithmes de preuve de travail (PoW) au profit de la preuve d’enjeu (PoS). Initialement prévue pour 2019, la première phase d’Ethereum 2.0 a été lancée le 1er décembre 2020. Toutefois, comme il reste encore deux phases à réaliser, le lancement complet [initialement prévu en juin 2022] ne devrait pas avoir lieu avant 2023.

Tim Beiko, Développeur chez Ethereum

Preuve d’enjeu (Proof of stake – PoS)

Ce système exige toujours que les utilisateurs (“stakers”) aient une part de responsabilité dans le jeu afin de 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” à ce que le grand livre reste exact. S’ils sont pris en flagrant délit de fraude, ils seront pénalisés par la perte de ces jetons. Les ordinateurs n’ont plus besoin de résoudre des énigmes complexes, ce qui permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Compte tenu des préoccupations relatives au coût, à l’intensité énergétique et à l’évolutivité, les applications émergentes de la blockchain s’appuient de plus en plus sur le PoS et d’autres méthodes de vérification moins coûteuses et moins gourmandes en énergie. 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 moins longs à mettre en œuvre.

La solution potentielle consiste à construire une autre “couche” (layer) dessus

Il existe d’autres moyens de réduire les émissions des NFT et de conserver un réseau de preuve de travail plus décentralisé. L’une des solutions possibles consiste à créer une autre “couche” au-dessus de la blockchain existante. Travailler sur cette deuxième couche peut permettre d’économiser de l’énergie parce que les transactions se font “hors chaîne”, c’est-à-dire loin du processus de preuve de travail qui consomme beaucoup d’énergie. Par exemple, deux personnes souhaitant échanger des NFT peuvent ouvrir leur propre “canal” sur la deuxième couche, où elles peuvent effectuer un nombre pratiquement illimité de transactions. Une fois qu’elles ont terminé, 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 quelques unes seulement qui doivent avoir lieu sur la blockchain inefficace, ce qui permet en fin de compte 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

La mesure de l’empreinte environnementale

Concernant 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 cadrer 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 peuvent être les impacts environnementaux de la blockchain ?
  • Quelles sont les principales étapes et sous-étapes du cycle de vie à l’origine des principaux impacts ?
  • Quels sont les principaux facteurs influençant les impacts ?

Cette approche tient compte de l’ensemble du cycle de vie de la blockchain et de tous les éléments nécessaires au fonctionnement du protocole, y compris l’utilisation d’Internet. Les dispositifs pris en compte dans le modèle sont analysés tout au long de leur cycle de vie, depuis l’acquisition des matières premières jusqu’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, barrières 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 de la confiance et de nouvelles solutions innovantes à 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 défis en matière de durabilité.
En effet, selon le rapport de “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 des conditions météorologiques, 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 d’élargir l’accès au financement pour des projets d’impact qui semblent souvent trop risqués, comme le propose le projet Cardashift, par exemple.
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 vote. Ainsi, les blockchains ont la capacité d’apporter de la transparence aux chaînes d’approvisionnement, ce qui est essentiel notamment pour informer les consommateurs sur les caractéristiques des produits.

De nombreuses autres opportunités prometteuses sont également offertes 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 de la performance extra-financière, ou encore une plus grande efficacité dans la gestion des dommages liés aux catastrophes naturelles via les smart contracts.
Ainsi, comme pour de nombreuses technologies numériques, les bénéfices sociétaux des blockchains devraient être systématiquement mis en balance avec une évaluation des externalités négatives potentielles. C’est à cette condition que les blockchains peuvent délivrer leur plein potentiel pour une société plus durable.

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