用數(shù)據(jù)說話：比特幣到底消耗了多少能源？

　　年度統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總

　　單筆交易統(tǒng)計(jì)

　　關(guān)鍵數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

　　關(guān)于這一能耗的估算前提假設(shè)，請(qǐng)點(diǎn)擊此處查看。本文討論了對(duì)這一估算結(jié)果的批評(píng)意見與潛在驗(yàn)證思路。

　　假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中使用的計(jì)算機(jī)全部為 Bitmain Antminer S（單臺(tái)功耗為 1500 瓦），并據(jù)此根據(jù)總網(wǎng)絡(luò)哈希率計(jì)算得出。2019 年 2 有 13 日，最低基準(zhǔn)變更為 Bitmain Antminer S15（更新周期平均為 180 天）。

　　更多重要真相

　　自上線以來，比特幣的信任最小化共識(shí)一直通過由其提出的工作證明算法來實(shí)現(xiàn)。這些進(jìn)行“工作”的計(jì)算機(jī)正在消耗大量能源。而建立此份比特幣電力消耗指數(shù)的目的，正是幫助大家通過數(shù)字理解這種消耗之巨，并提高人們對(duì)于工作證明算法不可持續(xù)性的認(rèn)識(shí)。

　　請(qǐng)注意，此份指數(shù)報(bào)告涵蓋比特幣加 Bitcoin Cash（不包括比特網(wǎng)絡(luò)的其他分叉）。后者已經(jīng)于 2019 年 10 月 1 日被刪除。

　　礦工負(fù)責(zé)執(zhí)行哪些任務(wù)？

　　所謂礦工設(shè)備，大約每 10 分鐘就會(huì)將新的交易集（區(qū)塊）添加至比特幣區(qū)塊鏈當(dāng)中。在區(qū)塊鏈上協(xié)作時(shí)，這些礦工彼此之間無需相互信任。礦工唯一需要信任的，只有運(yùn)行比特幣項(xiàng)目的代碼。該代碼包含驗(yàn)證新交易的一系列規(guī)則。例如，只有發(fā)送者實(shí)際擁有所發(fā)送的金額，交易才能夠起效。每個(gè)礦工都將獨(dú)立確認(rèn)交易是否符合這些規(guī)則，如此一來就能在無需信任其他礦工的前提下完成交易驗(yàn)證。

　　其中的訣竅，是讓所有礦工就相同的交易歷史達(dá)成共識(shí)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)礦工都將不斷負(fù)責(zé)為區(qū)塊鏈準(zhǔn)備下一批交易。但這些計(jì)算得出的區(qū)塊中只有一個(gè)會(huì)被隨機(jī)選擇為鏈上的最新塊。但在分布式網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行隨機(jī)選擇絕非易事，因此才需要工作證明算法提供支持。在工作證明中，下一區(qū)塊將來自第一個(gè)產(chǎn)生有效區(qū)塊鏈的礦工。不過說起來容易做起來難，比特幣的協(xié)議設(shè)計(jì)使得礦工很難搶到這個(gè)名額。實(shí)際上，協(xié)議會(huì)定期調(diào)整難度，以確保網(wǎng)絡(luò)中的所有礦工平均每 10 分鐘只能產(chǎn)生一個(gè)有效區(qū)塊。一旦某個(gè)礦工設(shè)法生成了一個(gè)有效區(qū)塊，就會(huì)向網(wǎng)絡(luò)的其余部分發(fā)送廣播。其他礦工在確認(rèn)該區(qū)塊符合規(guī)則要求之后，便會(huì)接收該區(qū)塊，同時(shí)丟棄自身正在計(jì)算的同一區(qū)塊。幸運(yùn)的礦工將獲得固定數(shù)量的代幣，作為計(jì)算新區(qū)塊鏈內(nèi)各已處理交易所繳納的交易費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì)。在此之后，整個(gè)循環(huán)將再次開始。

　　產(chǎn)生有效區(qū)塊的過程，基本上就是進(jìn)行反復(fù)嘗試。各礦工每秒都在進(jìn)行大量嘗試，試圖找出所謂“nonce”區(qū)塊組件的正確值，并希望最終得出的完整區(qū)塊能夠滿足其要求（無法提前預(yù)測(cè)結(jié)果）。因此，采礦實(shí)際上與抽獎(jiǎng)非常相似，參與者相當(dāng)于選擇了一個(gè)開獎(jiǎng)數(shù)字。每秒嘗試次數(shù)（哈希）由您采礦設(shè)備的哈希率決定，通常表示為 Gigahash 每秒（即每秒 10 億條哈希），縮寫為 GH/s。

　　可持續(xù)性

　　這樣循環(huán)往復(fù)的區(qū)塊開采周期，激勵(lì)著全世界的人們參與到比特幣的采礦中來。由于采礦能夠提供穩(wěn)定的收入來源，因此人們非常愿意運(yùn)行大量吞噬電力的設(shè)備以獲取收益。多年以來，隨著比特幣價(jià)格不斷突破新高，比特幣網(wǎng)絡(luò)的總能耗也以驚人的速度持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)發(fā)布的最新報(bào)告，整個(gè)比特幣網(wǎng)絡(luò)的電力消耗水平已經(jīng)超越諸多國(guó)家。如果將比特幣項(xiàng)目視為一個(gè)國(guó)家，那么其耗電量排位情況如下所示。

　　除了橫向比較之外，我們還可以將比特幣網(wǎng)絡(luò)的電力消耗與全球能耗最高的幾個(gè)國(guó)家進(jìn)行比較，結(jié)果如下所示：

　　碳足跡

　　比特幣的最大問題甚至不在于其恐怖的電力消耗，而是比特幣網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)采礦設(shè)施都位于嚴(yán)重依賴煤電（直接使用火力發(fā)電，或者利用火力發(fā)電方式進(jìn)行供電平衡）的地區(qū)（主要是中國(guó)）。簡(jiǎn)單來講，“比特幣項(xiàng)目依靠煤炭為其提供燃料。”（Stoll，2019 年。）

　　應(yīng)該考慮控制比特幣蔓延以減少二氧化碳排放。— halfin (@halfin) 2009 年 1 月 27 日

　　礦工的地理分布

　　多年以來，確定比特幣網(wǎng)絡(luò)引發(fā)的碳影響一直是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。我們不僅需要了解比特幣網(wǎng)絡(luò)的總體功率水平，同時(shí)還需要了解這些能源的確切地理分布。礦工的位置，則是判斷其所使用電力是否清潔的關(guān)鍵性因素。

　　正如判斷比特幣網(wǎng)絡(luò)中包含多少活躍設(shè)備是項(xiàng)難度極高的工作一樣，我們也很難跟蹤這些設(shè)備的所處位置。最初，與此相關(guān)的唯一共識(shí)就是大部分采礦設(shè)備位于中國(guó)。由于我們能夠確定中國(guó)電網(wǎng)的平均排放因子（每千瓦時(shí)電力的生產(chǎn)約排放 700 克二氧化碳），因此能夠粗略估算出比特幣采礦的碳足跡情況。假定有 70% 的比特幣采礦活動(dòng)在中國(guó)進(jìn)行，且其中 30% 的采礦活動(dòng)完全清潔，那么加權(quán)平均得出的碳排放強(qiáng)度約為每千瓦時(shí) 490 克二氧化碳。利用這一數(shù)字，我們即可進(jìn)一步對(duì)比特幣網(wǎng)絡(luò)總功耗以及碳足跡進(jìn)行估算。

　　更詳盡的估算結(jié)果

　　在此之后，Garrick Hileman 與 Michel Rauchs 于 2017 年發(fā)布了一份《全球加密貨幣基準(zhǔn)研究》報(bào)告 ，其中發(fā)布了更多詳盡信息。在這項(xiàng)研究中，他們確定了目前比特幣哈希率中約半數(shù)采礦設(shè)施，其總體電力消耗（最低估算值）為 232 兆瓦。其中中國(guó)的采礦設(shè)施約占一半，最低電力消耗量為 111 兆瓦。利用這一信息，我們可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出用于采礦的每千瓦時(shí)電力所對(duì)應(yīng)的二氧化碳當(dāng)量（每千瓦時(shí)二氧化碳克數(shù)）與碳排放因子（克）。

　　下表列出了由 Hileman 與 Rauchs 在調(diào)查報(bào)告中整理出的采礦設(shè)施能耗細(xì)分結(jié)果。通過與國(guó)家 / 地區(qū)電網(wǎng)排放因子相對(duì)應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)比特幣網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)平均碳排放強(qiáng)度為每千瓦時(shí) 475 克二氧化碳。（目前這一數(shù)字也被廣泛用于根據(jù)比特幣網(wǎng)絡(luò)的電力消耗指數(shù)，確定網(wǎng)絡(luò)整體的碳足跡水平。）

　　Rauchs 等人在一年之后又發(fā)布了類似的第二輪研究結(jié)果。在最新研究中，Rauchs 等人確定的加密貨幣采礦設(shè)施總能耗約為 17 億瓦。根據(jù)他們的推斷與估算，全部加密貨幣采礦設(shè)施（目前規(guī)模排名前六位的加密貨幣）的運(yùn)行功率在 59 億瓦到 127 億瓦之間。由此可見，他們?cè)谏弦惠喺{(diào)查中涵蓋的數(shù)據(jù)范圍非常有限，而且比特幣也只占全部能耗的一小部分。但好消息是，最新研究得出的采礦設(shè)施地理分布與上一輪相比幾乎沒有變化。

　　區(qū)域性碳排放強(qiáng)度分析

　　可能有人會(huì)強(qiáng)調(diào)，調(diào)查中所涵蓋國(guó)家 / 地區(qū)的實(shí)際發(fā)電碳排放強(qiáng)度可能并沒那么高。例如在 2018 年，比特幣公司 Coinshares 提到中國(guó)的大部分采礦設(shè)施位于四川省，人們?cè)谶@里利用廉價(jià)的水電能源開采比特幣。雖然現(xiàn)在來看，這份報(bào)告中有不少站不住腳的論斷，但我們也不妨假定其中的結(jié)論正確，然后思考這一切又意味著什么。

　　很多人可能認(rèn)定水電能源的存在，意味著比特幣網(wǎng)絡(luò)的碳足跡水平相對(duì)較低。但事實(shí)證明，問題并沒有這么簡(jiǎn)單。主要問題在于，水力發(fā)電（或者其他形式的可再生能源）往往存在發(fā)電量不穩(wěn)定的問題。特別是在四川省，雨季的平均發(fā)電量可達(dá)旱季的三倍。為了抵消這種電量供應(yīng)波動(dòng)，旱季期間的不足部分往往需要利用其他類型——特別是火力發(fā)電——的方式填充。相比之下，瑞典的電網(wǎng)排放因子則穩(wěn)定較低，因?yàn)檫@里的發(fā)電方式主要為核能與水力發(fā)電。瑞典電網(wǎng)的碳排放因子為每千瓦時(shí) 13 克二氧化碳。

　　在一份名為《比特幣的碳足跡（ The Carbon Footprint of Bitcoin ）》（Stoll 等人，2019 年）的最新報(bào)告中，研究人員解釋了這種地區(qū)差異（同時(shí)引入了一種基于 IP 地址對(duì)礦工進(jìn)行地理分布測(cè)定的新方法），結(jié)論是整個(gè)比特幣網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)平均碳排放強(qiáng)度約為每千瓦時(shí) 480 克到 500 克二氧化碳（與之前的粗略估算基本一致）。

　　其他問題

　　可以看到，可再生能源普遍存在供給不夠穩(wěn)定的問題，但比特幣礦工的能源需求卻是恒定的。比特幣采礦一旦開啟，除非系統(tǒng)崩潰或者無法繼續(xù)實(shí)現(xiàn)盈利，否則就永遠(yuǎn)不會(huì)關(guān)閉。因此，當(dāng)可再生電力產(chǎn)量較低時(shí)，比特幣礦工的存在自然增加了對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的基礎(chǔ)需求，并刺激發(fā)電設(shè)施利用化石燃料填補(bǔ)這部分電力缺口。在最極端的情況下，比特幣礦工的存在甚至?xí)碳る娏\(yùn)營(yíng)商建設(shè)新的燃燒發(fā)電廠或者重啟已經(jīng)關(guān)閉的原有火力發(fā)電廠，而這方面影響顯然難以準(zhǔn)確量化。

　　感興趣的朋友也可以參閱頂級(jí)期刊《焦耳》雜志上關(guān)于比特幣與可再生能源間關(guān)聯(lián)的《可再生能源無法解決比特幣可持續(xù)問題（ Renewable Energy Will Not Solve Bitcoin’s Sustainability Problem ）》的文章。

　　比特幣與其他支付系統(tǒng)電力消耗比較

　　為了進(jìn)一步理解比特幣網(wǎng)絡(luò)的電力消耗水平，我們不妨將其與另一類支付系統(tǒng)（例如 VISA）進(jìn)行比較。根據(jù) VISA 公布的數(shù)據(jù)，該公司在全球范圍內(nèi)的全部運(yùn)營(yíng)總計(jì)消耗掉 67 萬 4922 千兆焦耳能量（涵蓋多種來源）。這意味著 VISA 的電力消耗總量相當(dāng)于 17000 個(gè)美國(guó)普通家庭的能源需求。我們還知道，VISA 公司在 2017 年年內(nèi)共處理了 1112 億筆交易。根據(jù)這些數(shù)字，我們可以對(duì)兩套支付網(wǎng)絡(luò)做出比較，并發(fā)現(xiàn)比特幣的單筆交易電力消耗遠(yuǎn)高于 VISA（請(qǐng)注意，以下圖表所示為單筆比特幣交易與 10 萬筆 VISA 交易間的電力消耗比較）。

　　當(dāng)然，這些數(shù)字并不完全準(zhǔn)確（例如沒有計(jì)入 VISA 辦公系統(tǒng)帶來的電力消耗）。但由于二者能耗存在巨大差異，因此即使承認(rèn)這種不準(zhǔn)確性的存在，結(jié)論仍然令人震驚。與常規(guī)金融系統(tǒng)中的平均非現(xiàn)金交易能耗水平相比，比特幣交易的平均電力消耗可達(dá)數(shù)千倍。有些朋友可能會(huì)爭(zhēng)辯，這些成本完全來自交易自身，不涉及任何第三方信任機(jī)構(gòu)；但是，我們將在后文中提到，無論如何能耗也不應(yīng)高到這樣的程度。

　　備選方案

　　工作證明是第一種能夠自我證明的共識(shí)算法，但并不是唯一可行的共識(shí)算法。近年來，諸如權(quán)益證明之類能效更高的算法正在快速發(fā)展之中。在權(quán)益證明中，區(qū)塊創(chuàng)建工作將由代幣所有者——而非礦工——負(fù)責(zé)進(jìn)行，因此不再需要設(shè)備為了每秒生成盡可能多的哈希值而消耗巨量電力。事實(shí)上，與工作證明算法相比，權(quán)益證明的能耗幾乎可以忽略不計(jì)。比特幣未來有可能會(huì)轉(zhuǎn)向這種新的共識(shí)算法，從而顯著提升自身的可持續(xù)性。但唯一的缺點(diǎn)在于，目前的權(quán)益證明存在多種不同版本，且沒有任何一種版本能夠力壓群雄成為客觀標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，必須承認(rèn)這種算法的存在已經(jīng)為未來加密貨幣的發(fā)展帶來了重要希望。

　　能耗模型與重要假設(shè)

　　即使能夠快速計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)整體的哈希率，我們也無法斷言這項(xiàng)指標(biāo)到底代表著怎樣的電力消耗水平，畢竟所有活動(dòng)設(shè)備一直各自為戰(zhàn)——因此無法統(tǒng)計(jì)其確切能耗。以往，我們?cè)谀芎墓浪阒型ǔＰ枰褂靡韵录僭O(shè)：哪些設(shè)備仍處于活躍狀態(tài)以及具體分配方式，而后據(jù)此得出每 GH/s（每秒 Gigahash）所消耗的特定電力瓦數(shù)。對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的比特幣采礦進(jìn)行調(diào)查之后，我們意識(shí)到由于這套模型忽略了機(jī)器可靠性、氣候以及冷卻成本等相關(guān)因素，由此得出的能耗結(jié)果必然低于實(shí)際水平。這種武斷的估算方法會(huì)帶來各種各樣的能源消耗估算值，且不同估算值之間往往存在巨大的差別，甚至足以改變由此得出的經(jīng)濟(jì)性結(jié)論。因此，我們?cè)诒忍貛烹娏ο闹笖?shù)當(dāng)中提出了新的解決方法，并試圖從經(jīng)濟(jì)角度審視其具體能耗狀況。

　　此項(xiàng)指數(shù)以礦工收入與成本相關(guān)性為基本前提。由于電力成本占采礦持續(xù)成本中的主要比例，因此比特幣網(wǎng)絡(luò)的總電力消耗也必然與采礦收入直接相關(guān)。簡(jiǎn)而言之，要獲得更高的采礦收入，就必然引入更多高能耗計(jì)算調(diào)和。以下圖表詳細(xì)解釋并總結(jié)了比特幣電力消耗指數(shù)如何利用礦工收入得出電力消耗估算值（點(diǎn)擊此處參閱同行評(píng)審學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中的具體方法解釋）：

　　需要注意的是，采用不同的假設(shè)性前提可能得出不同的計(jì)算結(jié)果（點(diǎn)擊此處查看我們開發(fā)的一款專用計(jì)算器，可根據(jù)不同假設(shè)提供不同的計(jì)算結(jié)果）。在此次估算中，我們選擇了基于實(shí)際采礦操作信息這一既直觀又相對(duì)保守的計(jì)算方式。這里要強(qiáng)調(diào)，本指數(shù)的目標(biāo)并非產(chǎn)生準(zhǔn)確無誤的估算結(jié)果，而是提供在經(jīng)濟(jì)層面具有可靠性的常規(guī)評(píng)估方式，從而確保相關(guān)結(jié)論的準(zhǔn)確性與可靠性高于基于采礦設(shè)備的常規(guī)計(jì)算方法。

　　批評(píng)與驗(yàn)證

　　Marc Bevand 與 Jonathan Koomey 等批評(píng)者長(zhǎng)期以來一直堅(jiān)稱比特幣電力消耗指數(shù)的估算方法存在“嚴(yán)重缺陷”，但他們對(duì) 2019 年發(fā)布的劍橋比特幣電力消耗指數(shù)（CBECI）卻抱有不同的意見。劍橋指數(shù)基于 Koomey 所大力提倡的替代性估算方法，但得出的估算結(jié)果卻與我們無甚區(qū)別。實(shí)際上，比特幣電力消耗指數(shù)與劍橋比特幣電力消耗指數(shù)的結(jié)論基本吻合。

　　除了電力消耗估算之外，由此產(chǎn)生的環(huán)境影響（表現(xiàn)為碳足跡形式）也受到 Robert Sharratt 以及 Coinshares 公司等批評(píng)方的強(qiáng)烈反對(duì)。其中，Sharratt 還曾利用 Coinshares 的采礦調(diào)查報(bào)告來論證比特幣網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境并未產(chǎn)生顯著影響。有趣的是，Coinsahres 采礦報(bào)告僅暗示比特幣采礦可能因使用了大量可再生能源而并未造成顯著的環(huán)境影響，但其中完全沒有提及“碳足跡”一詞。這樣的遺漏非常嚴(yán)重，因?yàn)槠浜雎粤?Coinshares 在報(bào)告中列出的另一項(xiàng)數(shù)據(jù)，即作為中國(guó)比特幣采礦的中心，四川省內(nèi)發(fā)電設(shè)施的碳排放強(qiáng)度并不像人們想象中那么低。慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）考慮到了這一現(xiàn)實(shí)情況，并通過獨(dú)立研究之后給出了“比特幣項(xiàng)目依靠煤炭為其提供燃料”的結(jié)論。在該大學(xué)的研究中，他們將比特幣網(wǎng)絡(luò)的整體加權(quán)排放因子與比特幣電力消耗指數(shù)給出的采礦設(shè)施碳足跡加權(quán)排放因子進(jìn)行了匹配，因此得出了完全不同的觀點(diǎn)。

　　展望未來

　　當(dāng)然，比特幣電力消耗指數(shù)也可以作為一套面向未來比特幣電力消耗的預(yù)測(cè)性模型（與基于哈希率的預(yù)測(cè)方式有所不同）。我們的模型預(yù)計(jì)，礦工最終將把 60% 的收益用于支付電費(fèi)。截至目前（2019 年 1 月），礦工們?cè)陔娰M(fèi)上的開銷實(shí)際高于 60%。根據(jù) 2019 年 1 月 22 日的比特幣電力消耗指數(shù)統(tǒng)計(jì)，礦工已經(jīng)將收入的全部（23 億美元）投入到電費(fèi)成本上。在采礦收入大幅下降（甚至無利可圖）的情況下，人們也許會(huì)放棄繼續(xù)利用大量計(jì)算設(shè)備投入到比特幣網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。但考慮到這部分機(jī)器采購(gòu)?fù)顿Y將淪為沉沒成本，因此礦工大概率仍會(huì)繼續(xù)維持設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，直到電費(fèi)超過采礦收入（接近 100%）為止。

　　屆時(shí)，由于幾乎全部收入都被用于支付電費(fèi)，因此電力消耗指數(shù)給出的比特幣電力消耗預(yù)測(cè)結(jié)果將不會(huì)發(fā)生顯著變化。

　　原文鏈接：

　　https://digiconomist.net/bitcoin-energy-consumption

文章轉(zhuǎn)載自新浪新聞