比特幣挖礦代價多大？深度分析比特幣財(cái)富的背后帶來的代價有多大
比特幣挖礦代價有多大？中科院、清華等學(xué)者：預(yù)計(jì)2024年耗電近3000億度、碳排放1.3億噸~下面我們深度分析一下比特幣財(cái)富的背后帶來的代價有多大！
隨著比特幣（BTC）在全球范圍內(nèi)獲得廣泛認(rèn)可，其所代表的價值可謂水漲船高，如今 1 BTC 就能兌換成約 62863.20 美元的 “真金白銀”。況且，這么值錢的比特幣理論上最多只有 2100 萬枚，數(shù)量非常有限，這就吸引了越來越多的個人和團(tuán)隊(duì)耗費(fèi)大量資源去 “挖” 這種 “數(shù)字黃金”。
簡單類比，這個過程就像開采金礦一樣，眾多比特幣 “礦工” 或者 “礦場” 通過 “加密貨幣礦機(jī)” 全年不停歇地進(jìn)行 “挖礦”，不斷獲取比特幣財(cái)富。
圖｜規(guī)?；\(yùn)行的礦機(jī)（來源：Coindaily）
但是，在這一財(cái)富密碼背后，比特幣礦機(jī)的耗電量十分驚人。據(jù)劍橋研究人員曾公布的一項(xiàng)比特幣耗電指數(shù)顯示，如果把比特幣看作是一個國家，它的耗電量足以排進(jìn)全球前 30，“挖礦” 活動目前年耗電量約為 121.36 太瓦時（TWh，1 太瓦時為 10 億度電），超乎人們的想象，除非比特幣價格大幅下跌，否則耗電量仍將只增不減。
那么，在中國，比特幣區(qū)塊鏈運(yùn)行造成的耗電量，以及當(dāng)前和未來的碳排放模式又是怎樣的？關(guān)于這個問題，來自中國科學(xué)院、清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系的專家團(tuán)隊(duì)及其合作者對此進(jìn)行了建模分析，相關(guān)論文已于 4 月 6 日發(fā)表在科學(xué)期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。
圖｜中國的比特幣區(qū)塊鏈運(yùn)營碳排放量與可持續(xù)性政策評估（來源：Nature Communications）
研究發(fā)現(xiàn)，在沒有任何政策干預(yù)的情況下，中國境內(nèi)的比特幣區(qū)塊鏈年能源消耗預(yù)計(jì)將在 2024 年達(dá)到峰值，約為 296.59 太瓦時，并相應(yīng)產(chǎn)生 1.3050 億噸的碳排放，這在國內(nèi) 182 個城市和 42 個工業(yè)部門中名列前十。此外，研究人員還對比特幣挖礦的碳排放水平管控政策措施進(jìn)行了探討。
財(cái)富驅(qū)使下的瘋狂
近年來，基于系統(tǒng)動力學(xué)（SD）的模型被廣泛應(yīng)用于某一特定領(lǐng)域或行業(yè)的碳排放流量估算，在這基礎(chǔ)上，研究人員開發(fā)了比特幣區(qū)塊鏈碳排放模型（BBCE），以評估不同情景下中國比特幣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的碳排放水平。
他們建立了比特幣區(qū)塊鏈碳排放系統(tǒng)的系統(tǒng)邊界和反饋回路，作為研究比特幣區(qū)塊鏈碳排放機(jī)制的理論框架，大體上，BBCE 模型由三個子系統(tǒng)組成：比特幣區(qū)塊鏈挖掘與交易子系統(tǒng)、能耗子系統(tǒng)和碳排放子系統(tǒng)。
圖｜BBCE 建模流程圖（來源：Nature Communications）
在 “挖礦” 過程中，當(dāng)區(qū)塊被正式廣播到比特幣區(qū)塊鏈時，為了提高挖出新區(qū)塊并獲得獎勵的概率，礦工們會投入更高的算力（也稱哈希率）進(jìn)行挖礦，這將導(dǎo)致整個比特幣網(wǎng)絡(luò)的算力上升。由于比特幣挖礦過程中的能耗由網(wǎng)絡(luò)能耗和平均電價決定，因此會反過來影響比特幣開采者的動態(tài)行為。
BBCE 模型收集了煤基能源和水基能源地區(qū)比特幣礦商的碳足跡，以制定中國整個比特幣行業(yè)的總體碳排放量評估模型。其中，變量 GDP 水平由比特幣礦工的利潤率和總成本組成，反映了比特幣區(qū)塊鏈的累積生產(chǎn)率。在這項(xiàng)研究中，它還作為產(chǎn)生單位 GDP 碳排放量的輔助因素，為政策制定者對比特幣礦業(yè)實(shí)施懲罰性碳稅提供指導(dǎo)。
比特幣區(qū)塊鏈獎勵每四年減半一次，這意味著到 2140 年在比特幣區(qū)塊鏈中廣播新區(qū)塊的獎勵將為零。因此，由于比特幣區(qū)塊鏈的減半機(jī)制，比特幣的市場價格會出現(xiàn)周期性上漲。最后，通過綜合碳成本和能源成本，比特幣開采過程的總成本為礦工的利潤率和投資策略提供了負(fù)反饋。當(dāng)采礦利潤在 BBCE 模擬中變?yōu)樨?fù)值時，礦工們會逐步停止在中國的挖礦或遷移到其他地方。
基于 BBCE 模型的基準(zhǔn)模擬，中國比特幣行業(yè)的年化能耗將在 2024 年達(dá)到峰值，為 296.59 太瓦時，這超過了意大利和沙特阿拉伯的能源消費(fèi)總量水平，如果放到 2016 年所有國家碳排放榜單中能排到第 12 位；相應(yīng)地，比特幣業(yè)務(wù)的碳排放量將在 2024 年達(dá)到每年 1.3050 億噸的峰值。
在中國，比特幣礦業(yè)的排放量將在國內(nèi) 182 個地級市和 42 個主要工業(yè)部門中排名前十，約占中國發(fā)電排放量的 5.41%，該行業(yè)的人均 GDP 最大碳排放量也將達(dá)到 10.77 千克 / 美元。
盡管工作量證明（PoW）共識算法使得比特幣區(qū)塊鏈能夠以相對穩(wěn)定的方式運(yùn)行，但誘人的財(cái)富激勵已經(jīng)導(dǎo)致了基于專業(yè)比特幣礦機(jī)不同陣營的軍備競賽持續(xù)升級。
圖｜比特幣區(qū)塊鏈工作證明算法的碳足跡（來源：Nature Communications）
最初，礦工們即使在通用計(jì)算機(jī)上使用常規(guī)的中央處理器（CPU）就能挖礦；之后，圖形處理單元（GPU）也被用來挖礦，它提供了比 CPU 更高的功率和算力；目前，市面上為進(jìn)行哈希運(yùn)算而優(yōu)化的專用集成電路（ASICs）大規(guī)模部署，快速的硬件迭代和激烈的挖礦競爭大大增加了比特幣挖礦的資本支出。
比特幣挖礦活動的擴(kuò)大和礦機(jī)的增多導(dǎo)致了巨大的能源消耗量，每年的能源消耗水平與丹麥、愛爾蘭或孟加拉國等中小型國家相當(dāng)，這間接造成了巨大的碳排放。據(jù)估計(jì)，在 2016 年 1 月 1 日至 2018 年 6 月 30 日期間，高達(dá) 1300 萬噸的二氧化碳排放可歸因于比特幣區(qū)塊鏈。
特別是在中國，由于擁有專業(yè)的礦機(jī)制造商和廉價的電力供應(yīng)，大部分挖礦過程都在中國進(jìn)行，來自中國礦池的算力約占整個比特幣網(wǎng)絡(luò)的 75% 以上。
圖｜比特幣區(qū)塊鏈的礦池分布（來源：Nature Communications）
但作為世界上最大的能源消費(fèi)國之一，中國是《巴黎協(xié)定》的主要簽署國，如果沒有適當(dāng)?shù)母深A(yù)和可行的政策，中國密集的比特幣區(qū)塊鏈挖礦活動可能會迅速成為一種壓力，干擾中國的碳減排努力。
不同政策情景下的發(fā)展趨勢
根據(jù) BBCE 模型的子系統(tǒng)構(gòu)成，研究人員考慮了在比特幣挖礦業(yè)不同階段實(shí)施的三種主要比特幣政策，然后制定了比特幣區(qū)塊鏈碳排放的四種情景評估。
圖｜場景參數(shù)設(shè)置（來源：Nature Communications）
在基準(zhǔn)情景（BM）中，市場準(zhǔn)入假設(shè)為 100%，這表明允許所有效率的盈利比特幣礦工 / 礦商在中國運(yùn)營。根據(jù)比特幣礦工 / 礦商的實(shí)際區(qū)域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究人員假設(shè)基準(zhǔn)情景中 40% 的礦商位于煤炭發(fā)電地區(qū)。
在其他三種情況下，出于節(jié)能減排的考慮，對不同比特幣開采程序的政策進(jìn)行了調(diào)整。
具體而言，在比特幣挖掘與交易子系統(tǒng)中，市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)提高了一倍，即在市場準(zhǔn)入（MA）情景下，禁止低效率的盈利礦工進(jìn)入中國比特幣市場，而政策制定者被迫以高效的方式維護(hù)比特幣區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。
在場地整治（SR）情景中，說服并建議煤礦發(fā)電區(qū)的比特幣礦商搬遷到水力資源豐富的地區(qū)，以利用該地區(qū)因雨季等因素而產(chǎn)生的相對較低的能源可用性成本。
在碳稅情景（CT）中，碳稅增加到初始值的兩倍，以對比特幣區(qū)塊鏈的高碳排放行為實(shí)施更嚴(yán)厲的懲罰。
利用上述情景，研究人員對比特幣區(qū)塊鏈的碳排放流量和能源消耗進(jìn)行了評估，并在 2014-2030 年期間的 BBCE 模擬中對不同政策的碳和能源減排效果進(jìn)行了評估。
結(jié)果是，如果沒有任何政策干預(yù)，比特幣區(qū)塊鏈的碳排放模式將成為中國可持續(xù)發(fā)展努力不可忽視的障礙。預(yù)計(jì)中國比特幣區(qū)塊鏈的年能源消耗和碳排放峰值將超過意大利、荷蘭、西班牙和捷克等一些發(fā)達(dá)國家。作為最小政策干預(yù)下的基線評估，基準(zhǔn)情景模擬比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的自然運(yùn)行結(jié)果。
在 BM 情景下，在中國，比特幣區(qū)塊鏈的年能源消耗將逐漸增長，并最終在 2024 年達(dá)到峰值，為每年 296.59 太瓦時，這表明比特幣行業(yè)運(yùn)營將持續(xù)遵循能源密集型模式。關(guān)于 CT 場景，由于碳排放罰款，比特幣行業(yè)的最高能源需求略有下降，為 217.37 太瓦時；然而，MA 和 SR 情景下的結(jié)果表明，2024 年和 2025 年比特幣行業(yè)的總能耗將分別達(dá)到 350.11 Twh 和 319.80 Twh。
相比之下，比特幣區(qū)塊鏈產(chǎn)生的碳排放在 SR 和 CT 情景中顯著減少，這說明了嚴(yán)厲碳相關(guān)政策的積極影響。相反，MA 情景見證了比特幣碳排放量在 2025 年大幅增加至 1.4071 億噸。
圖｜不同情景年度模擬結(jié)果，年化能耗（a）和碳排放量（b）（來源：Nature Communications）
基于 BBCE 模型的情景結(jié)果，基準(zhǔn)情景表明，只要開采比特幣保持其在中國的盈利能力，比特幣行業(yè)運(yùn)營產(chǎn)生的能源消耗和碳排放將持續(xù)增長。這主要是由于工作量證明競爭機(jī)制的正反饋回路，要求比特幣礦工擁有先進(jìn)且高能耗的礦機(jī)，以增加獲得區(qū)塊獎勵的概率。此外，所提出的系統(tǒng)動力學(xué)模型所模擬的碳排放流量和長期趨勢與之前的幾個估計(jì)值一致，這些估計(jì)值用于精確估計(jì)比特幣區(qū)塊鏈的碳足跡。
研究人員認(rèn)為，在中國目前的國民經(jīng)濟(jì)和碳排放核算中，比特幣區(qū)塊鏈的運(yùn)營并沒有被列為碳排放和生產(chǎn)率計(jì)算的獨(dú)立部門。這給政策制定者監(jiān)控比特幣行業(yè)的實(shí)際行為和設(shè)計(jì)有針對性的政策增加了難度。事實(shí)上，比特幣網(wǎng)絡(luò)的每筆交易能耗要大于眾多主流金融交易渠道。
為了解決這個問題，研究人員建議政策制定者為比特幣行業(yè)設(shè)立單獨(dú)的監(jiān)管賬戶，以便更好地管理和控制該產(chǎn)業(yè)在中國的碳排放行為。
圖｜比特幣行業(yè)能耗和碳排放比較（來源：Nature Communications）
什么管理措施更有效？
通過情景分析，研究人員認(rèn)為，在限制比特幣區(qū)塊鏈運(yùn)營中的能源消耗總量和碳排放方面，導(dǎo)致采礦活動能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化的政策可能比直觀的懲罰措施更有效。
在整個模擬期間，BM 情景下中國比特幣行業(yè)的人均 GDP 碳排放量大于所有其他情景，2026 年 6 月最高達(dá)到 10.77 千克 / 美元。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，MA 和常規(guī) CT 情景下的政策有效性在碳排放強(qiáng)度降低方面相當(dāng)有限，即 2027 年 8 月市場準(zhǔn)入的政策有效性預(yù)計(jì)將降低，而碳稅的政策有效性預(yù)計(jì)將持續(xù)到 2024 年 7 月。在所有預(yù)期的政策情景中，SR 顯示出了最好的效果，能將比特幣行業(yè)的人均 GDP 碳排放峰值降至 6 千克 / 美元。
總體來看，比特幣行業(yè)的人均 GDP 碳排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中國平均工業(yè)碳強(qiáng)度，表明比特幣區(qū)塊鏈運(yùn)營是一個高碳密集型行業(yè)。
圖｜BBCE 情景評估比較（來源：Nature Communications）
在 BM 情景下，預(yù)計(jì) 2024 年 4 月比特幣礦商的利潤率將降至零，這意味著比特幣礦商將逐步停止在中國的開采，并將業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到其他地方。然而，需要注意的是，整個搬遷過程并不是立即發(fā)生的，沉沒成本較高的礦商往往比沉沒成本較低的礦商運(yùn)營時間更長，并希望最終再次盈利。因此，到 2030 年底，比特幣開采相關(guān)的整體能源消耗仍為正值，屆時幾乎所有礦工都將搬遷到其他地方。
相應(yīng)地，在 BM 場景中，網(wǎng)絡(luò)哈希率計(jì)算為每秒 1775 EH，礦工總成本最高可達(dá) 12.68 億美元。比較其他三項(xiàng)政策的情景結(jié)果，預(yù)計(jì)在 CT 情景下，中國開采比特幣的盈利能力將更快惡化。另一方面，比特幣區(qū)塊鏈可以在 MA 和 SR 場景中維持較長時間的盈利能力。
基于 BBCE 模擬的結(jié)果可以得出一些有吸引力的結(jié)論：盡管 MA 方案提高了市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，提高了比特幣礦商的效率，但它實(shí)際上提高了，而不是降低了模擬結(jié)果的排放量。在 MA 情景下，研究人員觀察到了以往研究中提出的激勵效應(yīng)現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在產(chǎn)業(yè)政策的其他領(lǐng)域，如貨幣政策、交通法規(guī)和企業(yè)投資策略中都有體現(xiàn)。
從本質(zhì)上講，市場準(zhǔn)入政策的目的是限制低效率比特幣礦商在中國的采礦作業(yè)。然而，幸存的礦工們都致力于壓縮更多的網(wǎng)絡(luò)哈希率，這使得他們能夠在更長的時間內(nèi)保持盈利。此外，在 MA 情景下，中國比特幣行業(yè)產(chǎn)生了更多的 CO2 排放，這主要?dú)w因于工作證明（PoW）算法和比特幣礦商的利潤追求行為。MA 情景的結(jié)果表明，市場準(zhǔn)入相關(guān)政策在處理比特幣區(qū)塊鏈運(yùn)營的高碳排放行為方面可能不太有效。
碳稅政策是公認(rèn)的最有效、實(shí)施最普遍的碳減排政策。然而，模擬結(jié)果表明，碳稅對比特幣行業(yè)的有效性有限。在比特幣礦商意識到其采礦利潤受到比特幣采礦懲罰性碳稅的影響之前，CT 情景的碳排放模式與 BM 情景是一致的。
相反，SR 情景下的模擬數(shù)據(jù)表明，它能夠?yàn)楸忍貛艆^(qū)塊鏈運(yùn)營的碳排放提供負(fù)反饋，與 BM 情景相比，SR 情景下比特幣行業(yè)的每 GDP 最大碳排放量減少了一半。
值得注意的是，盡管 SR 情景下比特幣采礦業(yè)的峰值年化能耗高于 BM 情景下的峰值年化能耗，但在 SR 情景下，有相當(dāng)高比例的礦工搬遷到水力資源豐富的地區(qū)進(jìn)行比特幣開采作業(yè)。因此，與 BM 方案相比，這自然降低了相關(guān)的碳排放成本。
區(qū)塊鏈技術(shù)無罪
總體而言，在限制比特幣開采準(zhǔn)入、改變礦工能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、實(shí)施碳排放稅等不同政策干預(yù)下，比特幣區(qū)塊鏈的碳排放強(qiáng)度仍遠(yuǎn)超中國工業(yè)平均排放強(qiáng)度。
這一結(jié)果表明，比特幣作為區(qū)塊鏈技術(shù)的典型案例，在不久的將來或?qū)⒊蔀椴蝗菪∮U的能源和碳密集型產(chǎn)業(yè)。
但是，比特幣背后所代表的區(qū)塊鏈技術(shù)，其去中心化的特性和以共識算法為信任機(jī)制的模式還是提供了一種新的解決方案，對各種產(chǎn)業(yè)發(fā)展和遠(yuǎn)程交易都是有益和具有創(chuàng)新性的。近年來，區(qū)塊鏈技術(shù)被大量的傳統(tǒng)行業(yè)引入和采用，尋求優(yōu)化其運(yùn)營流程，如供應(yīng)鏈金融、智能合約、國際商業(yè)和貿(mào)易以及制造業(yè)運(yùn)營等。
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