Lorsque nous étudions un nouveau cas d’usage blockchain, deux questions se posent :

1. Est-ce pertinent d’utiliser une blockchain ?
2. Comment se place ce service numérique en regard de son impact environnemental ?

Nous allons dans cet article analyser le besoin d’utiliser un service numérique et plus précisément la technologie blockchain pour répondre à plusieurs problèmes : l’érosion des sols, l’émission de CO2 et la perte de biodiversité. Nous le ferons en étudiant le whitepaper de Regen Network, une plateforme actuellement en développement permettant de créer des accords financiers sur l'amélioration écologique des sols.

Sur cette plateforme, des "crédits écologiques" peuvent être achetés par des :

• Entreprises (budget RSE, souhait d’améliorer la qualité de sa supply-chain, volonté des actionnaires, mécénat, compensation des émissions, etc.)
• Organisations non gouvernementales comme Rainforest Foundation US (qui est un projet pilote de Regen Network)
• Organismes publics (par exemple dans le cadre des accords de Paris)
• Particuliers

Ces crédits correspondent à des changements positifs sur des terres et serviront à financer les intendants de ces dernières ; les agriculteurs en premier lieu mais également des collectifs et communautés ayant des pratiques de conservations.

Enfin, Regen Network s’articule en plusieurs entités :

• L'entreprise Regen Network Development, Inc (RND), qui lève des fonds et développe le projet.
• La Regen Foundation, qui assure que la gouvernance de Regen Network soit décentralisé & démocratique et appuie financièrement la recherche & les éco applications.

Nous commencerons par mettre en évidence le problème actuel pour ensuite décrire la réponse technologique de Regen Network. Nous analyserons enfin cette dernière en détaillant les besoins et en calculant l’empreinte carbone de la plateforme.

Notre cas d’usage : la dégradation des sols

On estime que l’érosion est responsable de la perte de 75 milliards tonnes^[1] de terre arable par an, à cause notamment du travail intensif du sol et de la suppression de barrières naturelles : haies, arbres, etc.

De surcroît, bien que l’agriculture mondiale émet 12 giga tonnes d’équivalent CO2 par an^[2], elle aurait le potentiel de devenir un puit de carbone mondial, pouvant séquestrer des milliards de tonnes de CO2 par an^[3], au moyen d’un sol riche et vivant dont le cycle de carbone régule la planète.

C’est également ce qu’affirme l’initiative 4 per 1000, soutenu notamment par le Ministère de l'Agriculture et lancée suite à la COP21.

“An annual growth rate of 0.4% in the soil carbon stocks, or 4‰ per year, in the first 30-40 cm of soil, would significantly reduce the CO2 concentration in the atmosphere related to human activities.” - 4 per 1000

Si l’augmentation du carbone dans le sol de l’ordre de 4‰ fait débat, tous les chercheurs s’accordent^[4][9][10] sur le grand potentiel du sol au moyen de pratiques que l’on peut qualifier d’agro-écologiques, de conservation ou de maraîchage sur sol vivant (MSV).

On retrouve notamment parmi ces pratiques :

• l’utilisation de couvertures végétales en engrais verts,
• le non-labour,
• l’agroforesterie inter-parcellaire,
• la longue rotation des cultures,
• la réduction d’intrants, etc.

Plusieurs projets pilotes^[4] ont étudié la faisabilité de l’initiative 4 per 1000, ils soulignent qu’une des limitations pourrait être la non-rentabilité de ces approches pour l’agriculture. C’est également le constat de Regen Network, qui estime que pour permettre aux agriculteurs du monde entier d’appliquer ces techniques tout en s’assurant que leurs revenus soient sécurisés, il faut les financer. Ce financement peut revaloriser les pratiques positives d’un secteur déjà très fragilisé et qui tend vers encore plus d’instabilité.

Suite à ce constat, quel service numérique souhaite mettre en place Regen Network ?

La réponse technologique de Regen Network

Regen Network défini deux concepts pour lier un état du sol à un financement de type crowdfunding :

1. Ecological State Protocols (ESPs) : Définit les algorithmes et les conditions nécessaire à la vérification du changement d’état sur une parcelle.
2. Ecological Contracts (ECs) : Permet le financement et la rémunération suite au changement d’état.

Par exemple, un protocole d’état écologique (ESP) peut définir que 10 tonnes de carbone ont été séquestrées sur une parcelle de terrain et par conséquent, un contrat écologique (EC) peut spécifier que 100€ sont récompensés pour chaque tonne de carbone séquestrée et entraîne donc une récompense totale de 1000€.

Les éléments indispensables dans le protocole d’état écologique sont :

1. la donnée : qui provient par exemple du satellite Sentinel-2,
2. sa qualification : par exemple l’indice de végétation, qui permet de déterminer la santé et la biomasse de la parcelle de culture.

Pour notre exemple, la donnée brute issue du satellite et le modèle qui la qualifie doivent être open-source, c’est ce qui permet d’assurer l’auditabilité du protocole et donc l’évaluation par les pairs.

En outre, Regen Network prévoit d’utiliser différentes sources de données (images satellites open-sources (Sentinel-2), capteurs sur place, données utilisateurs, données GIS publiques, etc.) pour les recouper et arriver à un seuil de confiance suffisant. Ces protocoles seront implémentés dans la blockchain sous la forme de smart-contract, nom donné à la logique programmable déterministe ayant la capacité d’exécuter des transactions financières.

Les données d’entrée et les modèles d’évaluation ne seront pas stockés dans la blockchain, mais seront identifiés avec un identifiant unique (du nom de DID) et une empreinte numérique. Les calculs permettant de déterminer l’évolution du sol pourront être exécutés _on-chain (_implémenté dans un smart-contract) ou off-chain (en dehors de la blockchain) quand celui-ci demande plus de ressources ou d’optimisations.

Selon Regen Network, la blockchain permet d’établir un socle auditable pour les éléments suivants :

1. Vérification des données : La provenance et la qualité des données peuvent être suivies et authentifiées.
2. Smart-contracts et paiements : Validation des résultats de manière unanime et paiement suite à un changement d’état ou à la soumission de données.

“The creation of ESPs is not something that Regen Foundation can or wants to do alone. It involves bringing together ecologists, agronomists, programmers, farmers, geospatial data analysts and IOT experts.” - Christian Shearer and Brecht Deriemaeker

Analyse et empreinte carbone

Analysons maintenant si la réponse numérique est justifiée, puis calculons l’empreinte carbone due à la consommation électrique nécessaire au fonctionnement de la plateforme. Précisons que si cette dernière ne se focalise pas seulement sur l’empreinte carbone et souhaite également préserver la biodiversité, nous nous limiterons au carbone pour quantifier son hypothétique apport.

Pourquoi une blockchain ?

Regen Network propose en quelque sorte une plateforme de crowdfunding des changements écologiques positifs à destination de personnes morales (acteurs privés, publics et ONGs) et physiques.

Tout d’abord, l’utilisation d’un réseau globalisé semble un pré-requis pour permettre la plus grande adoption de cette plateforme.

Nous pouvons légitimement nous demander si une solution centralisée et disponible sur Internet pourrait offrir des garanties quant à :

• La non-répudiation des données pour assurer une immuabilité de l’historique des données et des actions
• L’auditabilité des protocoles et des contrats pour inspecter les données et les conditions de paiement
• Effectuer un paiement qui ne requiert pas d’action manuelle lors d’un changement d’état écologique

Si une solution de stockage de type append-only (comme CouchDB ou AWS QLDB) assure la non-répudiation des données, rien ne garantit que les protocoles écologiques ne soient auditables ni que le paiement lors du changement d’état écologique soit effectué. L’entité assurant ce service disposerait donc d’un pouvoir de censure ou d’altération des protocoles qu’il faudrait résoudre par des moyens légaux complexes de par la nature mondialisée de la plateforme (en inter-juridictions) et la jurisprudence des technologies append-only.

Pour éviter cela, une gouvernance et une exécution décentralisée sont donc nécessaires pour éviter toute censure, biais, conflit d'intérêt et ainsi fournir la plateforme la plus neutre possible.

Commençons par la gouvernance :

1. La priorisation des fonctionnalités de Regen Network est réalisée par le Regen Consortium, composé d’une huitaine d’entités expertes en écologie, agriculture de régénération, télédétection, etc.
2. L’approbation des mises-à-jour et le déploiement des nouvelles versions sont assurés par les validateurs de la plateforme (au nombre d’environ 80 sur le réseau de test “Kontraua”).

L'exécution de la plateforme sera quant à elle assurée par Cosmos et le protocole Tendermint, qui fournit un consensus au ⅔ des validateurs, moins énergivore que le consensus de preuve de travail (de l’ordre de) et non probabiliste (à l’instar d’Ethereum 1.0 ou de Bitcoin).

Regen Network semble donc se protéger des travers de la centralisation (censure, délit d’initié, triche) par la mise en place d’un certain niveau de décentralisation sur deux aspects essentiels : la gouvernance de la plateforme et l’exécution des protocoles.

Quelle empreinte carbone ?

Viens alors la question du coût énergétique et de l’empreinte carbone associée à cette décentralisation ; essayons de déterminer l’ordre de grandeur des émissions indirectes liées à la consommation d'électricité (scope 2).

Le réseau de test actuellement utilisé comporte environ 80 validateurs majoritairement localisés en Europe ; nous prenons l’hypothèse que le réseau de production aura le même nombre de validateurs.

En estimant que chaque validateur utilise deux instances de type t2.large de chez AWS pour disposer d’une configuration hautement disponible et que l'indicateur d'efficacité énergétique (PUE) des data-center d’AWS sont de 1.1, nous calculons la consommation électrique relative à l’exécution du réseau à 44 kWh par heure, ce qui correspond à la consommation énergétique de 8 maisons moyennement isolées de 360m2**.**

Prenons ensuite les émissions carbone par pays du site Electricity Map, dont les données sont disponibles en open-source, pour calculer celles des serveurs. Nous atteignons une empreinte carbone de 91 tonnes par an en simulant l’utilisation de différents cloud providers avec les émissions carbones de l’Allemagne, de l'Angleterre et de l'État d’Ohio.

Cette estimation est à prendre comme ordre de grandeur, n’ayant que peu d’informations sur les infrastructures de ces validateurs et sur les sources d'énergie des cloud providers. De plus, nous calculons dans ce bilan seulement la consommation des serveurs. Nous excluons leur cycle de vie complet (extraction de matières premières, construction, recyclage...), les devices des utilisateurs qui représentent ⅔ des émission de GES et le transport sur les réseaux.

Après avoir estimé l’empreinte carbone du réseau blockchain, comparons là aux gains de mise en place de mesures de réduction de GES d’une exploitation agricole testée dans le cadre du projet AgriClimateChange, projet européen d'expérimentation de mise en œuvre de mesures d’adaptation durable, soutenu par l’Union Européenne.

D’après un rapport du parlement Européen intitulé “Measures at farm level to reduce greenhouse gas emissions from EU agriculture”, la combinaison de la pratique de semis direct (d’après Wikipédia, l'introduction directe de la graine dans le sol, sans passer par le travail du sol) avec des cultures de couverture et une longue rotation des cultures permettent de réduire l'utilisation de pétrole de 30%. De plus, cet ensemble de pratiques agricoles permettrait à l’exploitation d'augmenter son stock de carbone à un niveau de compensation de 61% des émissions brutes annuelles totales de GES. Ces deux effets positifs permettent de passer de 2.03 tCO2e/ha par an (pour le groupe d’exploitation de référence) à 0.56 tCO2e/ha par an sur l’exploitation testée et entraîne donc la réduction de 1.47 tCO2e par hectare en une année.

Une exploitation agricole de 63 hectares (la moyenne en France en 2016^[7]) utilisant les pratiques de conservation décrites ci-dessus séquestre 92 tCO2e et compense donc à elle seule les émissions liées au fonctionnement du réseau blockchain.

Il est très difficile d’extrapoler ces chiffres au monde entier, car les climats, les sols et les pratiques sont très différents, mais si on se concentre sur l’Union Européenne, selon ce même rapport, l’agriculture de conservation pourrait permettre la réduction de 16.0 millions tCO2e par an^[6].

Conclusion

Dans un cadre mondialisé, Regen Network utilise une couche protocolaire open-source, exécutée par une blockchain. Le but est ici d’éviter dans la mesure du possible le recours à l’utilisation de moyens légaux lorsqu'il y a un désaccord dans le service rendu, que ce soit sur les protocoles d’états écologiques, les paiements ou la gouvernance. En outre, la décentralisation entraîne une consommation électrique plus importante, qui se justifie par des besoins de transparence et de réduction des frictions.

Cette étude nous permet également de donner un ordre de grandeur des émissions indirectes liées à la consommation d'électricité du réseau blockchain de Regen Network et met en exergue que l’impact carbone de la plateforme est dérisoire face au potentiel de stockage carbone de nos sols.

Références

1. ATTAN Lal. Soil degradation by erosion. Land degradation & development, 12(6):519–539, 2001.
2. Natasha Gilbert. One-third of our greenhouse gas emissions come from agriculture. Nature News, 31, 2012
3. Eric Toensmeier. The carbon farming solution: A global toolkit of perennial crops and regenerative agriculture practices for climate change mitigation and food security. Chelsea Green Publishing, 2016.
4. Poulton P, Johnston J, Macdonald A, White R, Powlson D (2018) Major limitations to achieving “4 per 1000” increases in soil organic carbon stock in temperate regions: evidence from long-term experiments at Rothamsted Research, UK. Global Change Biology. Doi: 10.1111/gcb.14066
5. IPCC (2007) Fourth assessment report, climate change synthesis report. Cambridge University Press. UK.
6. https://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/note/join/2014/513997/IPOL-AGRI_NT(2014)513997_EN.pdf
7. https://www.insee.fr/fr/statistiques/3676823?sommaire=3696937
8. www.agriclimatechange.eu/index.php?option=com_docman&task=cat_view&gid=52&Itemid=79&lang=fr
9. Baveye, P., Berthelin, J., Tessier, D. and Lemaire, G. (2018) The “4 per 1000” initiative: A credibility issue for the soil science community? Geoderma, Elsevier, 309 (Supplement C), 118-123.
10. Sylvain Pellerin, Laure Bamière, Camille Launay, Raphaël Martin, Michele Schiavo, et al. Stocker du carbone dans les sols français, quel potentiel au regard de l’objectif 4 pour 1000 et à quel coût? : Synthèse du rapport d’étude. [Contrat] Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie. 2019, 114 p.