比特币繁荣：价格上涨对能源消耗的影响 | Cell Press 青年促进委员会审查

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2021年第八期专栏（总第45期），中科院计算所研究员孙毅对焦耳论文发表点评。

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比特币是一种基于去中心化、点对点分布式网络的加密数字货币。 它不是由特定的货币发行机构发行的，而是完全依赖相关的密码学、共识算法等技术，通过特定的计算过程产生的，即挖矿行为。 比特币在2008年由中本聪创造后，以其安全、匿名、便捷等特点受到广泛关注。 应用。

比特币网络通过挖矿产生新的比特币。 挖矿过程实际上是利用工作量证明机制（Pow 共识）进行复杂的高难度计算。 矿工通过解决数学问题，在比特币网络中争夺出块权，从而获得区块内所有交易的区块奖励和交易手续费。 这两部分构成了矿工的主要挖矿流程。 收入。 比特币出块的概率取决于矿工的算力占全网算力的比例。 因此，矿工为了获得更多的奖励，会使用矿机。 矿机的发展是从CPU到GPU再到ASIC，性能不断提升。 同时，矿工也会购买大量的专用矿机，形成规模化的矿场，从而形成挖矿产业。

比特币价格在 2021 年初大幅上涨，并打破了此前的最高价格记录。 这种趋势导致大量矿工涌入比特币挖矿行业，对比特币矿机的需求也急剧上升。 比特币挖矿设备需要大量的电能，而这种电能资源的消耗其实是巨大的。 如何正确评估比特币挖矿对资源环境的影响，以及如何应对这些影响带来的危机，是一个值得思考的问题。

Alex de Vries 多年来致力于研究数字时代的发展对人类社会的影响。 从2016年开始，他长期研究比特币带来的能源消耗。 在区块链可持续发展的讨论上有自己的思考。 他根据给定的比特币价格水平设计了相应的经济模型来估算比特币网络的电力消耗。 它还探讨了这种能源消耗对环境、经济和社会的影响，以及政策制定者如何应对比特币网络不断增长的能源需求。 该研究成果于2021年2月发表在Cell Press自然科学领域的旗舰期刊Joule上。

作者提出了一个模型来估算比特币网络的电力消耗。 首先，需要确定比特币价格与电力资源消耗之间的关系。 比特币的币价决定了矿工挖矿可以获得的收益，这会影响矿工愿意投入挖矿的成本。 根据经济学理论，开采一个比特币的成本大约是一个比特币。 因为如果开采一单位比特币的成本低于一个比特币，矿工将通过部署更多的算力资源来获利； 反之，如果挖矿成本高于一个比特币，矿工将减少算力资源以避免损失。 根据零利润定理，即在完全竞争市场中，由于参与者可以完全自由进退，在长期均衡中，每个参与者只能获得零利润，因此矿工的收入和他们的成本输入大致平衡。

根据这种动态变化，矿工的收入可以用来估算比特币网络的用电量。 虽然比特币市场不能完全等同于自由竞争市场，但矿工挖矿投资的总成本会趋向于挖矿带来的收益。 矿工挖矿的主要成本是购买矿机和耗电。 据相关研究显示，电力成本约占挖矿总成本的60%。 因此，可以根据矿工的收入来估算网络的能源需求。 假设矿工平均每度电支付0.05美元左右，比特币价格为4.2万美元（2021年1月10日比特币历史最高价），交易手续费占矿工总收入的10%，矿工将赚取约 153 亿美元（每个区块 6.25 个比特币 * 每年 52560 个区块 / 0.9 * 42000 美元）。 这笔收入的60%将用于支付每千瓦时0.05美元的电价，整个电网每年可能消耗184太瓦时； 这几乎相当于全球所有数据中心的能源消耗（每年 200 TWh）。

▲图1 比特币的能源消耗与币价变化

除了比特币挖矿造成的电力资源消耗外，作者还考虑了其​​对环境的影响以及其他可能的后果。 通过估算比特币未来的能源消耗比特币价格会不会上涨，作者估算了比特币网络未来可能的碳足迹。 比特币挖矿将带来 480-500 克 CO2/kWh 的碳排放强度。 假设碳排放强度维持在490克CO2/kWh，能耗为184TWh，则碳排放量为9020万吨，大致相当于伦敦都会区产生的碳排放总量。 这个数字可能会根据开采地点的不同而有一定的波动，但仍会对自然环境造成较大的污染。 除了比特币，其余的加密货币生态系统也将产生生态影响。 最近的研究发现，其他未被充分研究的加密货币，如以太坊和莱特币，需要的能源比比特币多近 50%，同时对环境的影响也不可忽视。 这些用于挖矿的专业设备除了碳排放造成的环境污染外，在淘汰淘汰后也会产生大量的电子垃圾。 这也将是未来需要解决的问题。

除了对环境的影响外，加密货币挖矿还会对经济和社会的其他方面产生影响。 比特币矿机的生产需要大量的芯片，这将在很大程度上加剧当前全球芯片短缺的问题。 新冠肺炎疫情后，全球消费需求增加带来芯片短缺，比特币制造商对芯片的需求可能导致其他电子行业受到冲击。 以比特币矿业巨头比特大陆为例。 该制造商从台湾半导体制造商那里购买了大量 7nm 芯片，以生产其最高性能的挖矿设备（Antminer S19 Pro）。

▲图2 芯片产能与矿机对芯片的需求对比

最后，作者讨论了加密货币挖掘中的政策制定。 迫于各方压力，多国政府对加密货币挖矿行业采取了一些措施。 例如，在加拿大魁北克市，由于加密货币挖矿对当地电力系统的稳定性构成威胁，当地电力公司和能源委员会决定暂停加密货币挖矿业务。 2021年1月，伊朗因加密货币挖矿导致电力供应中断，决定没收挖矿设备。

这两个例子说明了政策制定者在选择停止加密货币开采时可能考虑的各种因素。 虽然比特币可能是一种去中心化的货币，但围绕它的生态系统在很多方面都不是。 竞争激烈的比特币市场促使矿工采用大规模矿场运营来降低成本，这也使得矿场难以秘密运营。 因此，大规模挖矿的矿工很容易成为目标，冒着高电价、被暂停挖矿的风险，或者在最极端的情况下，他们的挖矿设备被没收。 此外比特币价格会不会上涨，比特币挖矿设备的供应链集中在少数几家公司，这些制造商可能会像烟草公司一样承受额外的税收负担，或者在芯片生产方面受到限制。 政策制定者甚至可以通过禁止某些加密货币进入中心化数字资产市场，对矿工施加更严格的限制，这也会影响数字货币的价值。

但笔者认为，在制定政策时，需要考虑很多因素，因为理论上任何笔记本电脑或电脑都可以参与加密货币挖矿，任何能上网、有电的地方都可以作为矿场。 矿工可以在不利政策面前选择迁移矿场，这也带来了加密货币挖矿活动将变得更加去中心化和更不可控的风险。

总之，这篇评论展示了如何使用一个简单的经济模型来估计给定比特币价格下比特币采矿业的潜在环境影响。 根据作者的模型，比特币价格在 2021 年初创纪录的飙升可能导致比特币挖矿活动消耗的能源与世界上所有数据中心的消耗量相当，相关的碳排放量与伦敦的总碳排放量相当。 除了这些环境影响外，对比特币挖矿设备的需求可能会加剧全球芯片短缺，影响 COVID-19 后的经济复苏以及电动汽车行业。 因此，在制定与加密货币相关的政策时，往往需要综合考虑多方面的因素，协调各方面的发展，从而采取相应的政策来对待比特币矿业。

审稿人简介

孙毅

中国科学院计算技术研究所研究员

孙毅，研究员，博士。 中国科学院计算技术研究所导师，区块链实验室主任，中国计算机联合会区块链专委会副主任，科技部“十四五”区块链重点专项专家组成员，和 IEEE 区块链技术委员会成员。 近年来开展区块链和互联网服务优化技术研究工作，发表论文100余篇，其中以第一作者在SIGCOMM、JSAC等国际知名会议和期刊发表论文20余篇。 已获授权专利50余项，多项专利已被工业企业购买和申请。 参与制定多项互联网和区块链国际标准。

孙毅博士，中国科学院计算技术研究所教授、区块链研究室主任，中国计算机学会区块链技术委员会副主任委员，十四五区块链专家组成员科技部年度计划，IEEE计算机学会区块链与分布式账本委员会委员。 他的研究兴趣包括区块链和互联网服务优化。 发表论文100余篇，其中20篇以第一作者发表在SIGCOMM、JSAC等我国顶级国际会议。 已获得授权专利50多项，其中多项已被工业企业购买和申请。 参与提出了一系列与区块链和互联网相关的国际标准。

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相关论文信息

原文发表于 CellPress 细胞出版社

在其期刊 Joule 上，