用数据说话:比特币到底消耗了多少能量?
单笔交易统计
重点数据网络统计结果
请点击此处查看本次能耗的估算前提。本文讨论了对这一估计结果的批评意见和潜在的验证思路。
假设网络中使用的电脑都是比特大陆Antminer S(单台电脑功耗1500瓦),按照网络总哈希速率计算。2019年2月13日,最低基准变更为比特大陆Antminer S15(平均更新周期为180天)。
自推出以来,比特币的信任最小化共识是通过其工作证明算法实现的。这些“工作”的计算机正在消耗大量的能量。建立这一比特币功耗指数的目的是通过数字帮助人们了解这一巨大的消耗,提高人们对工作证明算法不可持续性的认识。
请注意,本指数报告涵盖比特币加比特币现金(不包括比特网其他分叉)。后者已于2019年10月1日删除。
所谓的矿工设备大约每10分钟就会给比特币区块链增加一个新的交易集(块)。在区块链合作时,这些矿工不需要互相信任。矿工唯一需要信任的是运行比特币项目的代码。该代码包含一系列用于验证新交易的规则。例如,只有当发送方实际拥有发送的金额时,交易才能生效。每个矿工将独立地确认交易是否符合这些规则,从而可以在不信任其他矿工的情况下验证交易。
诀窍是让所有矿商同意相同的交易历史。网络中的每个矿工都将不断负责为区块链准备下一批交易。但是这些计算出的块中只有一个将被随机选择作为链中最新的块。然而,在分布式网络中进行随机选择并不容易,因此需要工作证明算法的支持。在工作许可证中,下一个区块将来自生产有效区块链的第一个矿工。然而,说起来容易做起来难。比特币的协议设计让矿商很难抢到这个额度。事实上,协议会定期调整难度,以确保网络中的所有矿工平均每10分钟只能产生一个有效块。一旦一个矿工设法生成一个有效的块,广播将被发送到网络的其余部分。在确认该块满足规则的要求后,其他矿工将接受该块并丢弃他们正在计算的同一块。幸运的矿工将获得固定数量的代币,作为计算新区块链已处理交易所支付的交易费用的奖励。之后,整个循环又会重新开始。
生成有效块的过程基本上是试错。每个矿工每秒钟都进行大量的尝试,试图找出所谓的“nonce”块分量的正确值,并希望最终的完整块能够满足其要求(结果无法提前预测)。所以挖矿其实和彩票很像,参与者选择一个彩票号码。每秒的尝试次数(哈希)由你的挖矿设备的哈希速率决定,通常表示为每秒千兆哈希(即每秒10亿次哈希),缩写为GH/s。
这种循环往复的区块开采循环,激发了全世界的人们参与比特币开采。因为采矿可以提供稳定的收入来源,所以人们非常愿意操作大量耗电的设备来获取利润。多年来,随着比特币价格突破新高,比特币网络总能耗继续以惊人的速度增长。根据国际能源署发布的最新报告,整个比特币网络的功耗水平已经超过了很多国家。如果把比特币项目看成一个国家,其功耗排名如下。
除了横向比较,我们还可以将比特币网络的功耗与世界上能耗最高的几个国家进行比较。结果如下:
比特币最大的问题甚至不在于它恐怖的耗电量,而在于比特币网络中的大部分开采设施都位于严重依赖煤电(直接使用火力发电或者使用火力发电平衡供电)的地区(主要是中国)。简单来说,“比特币项目依靠煤炭为其提供燃料。”(斯托尔,2019。)
应该考虑控制比特币的传播,以减少二氧化碳的排放。―half in(@ half in)2009年1月
27 日正如判断比特币网络中包含多少活跃设备是项难度极高的工作一样,我们也很难跟踪这些设备的所处位置。最初,与此相关的唯一共识就是大部分采矿设备位于中国。由于我们能够确定中国电网的平均排放因子(每千瓦时电力的生产约排放 700 克二氧化碳),因此能够粗略估算出比特币采矿的碳足迹情况。假定有 70% 的比特币采矿活动在中国进行,且其中 30% 的采矿活动完全清洁,那么加权平均得出的碳排放强度约为每千瓦时 490 克二氧化碳。利用这一数字,我们即可进一步对比特币网络总功耗以及碳足迹进行估算。
下表列出了由 Hileman 与 Rauchs 在调查报告中整理出的采矿设施能耗细分结果。通过与国家 / 地区电网排放因子相对应,我们发现比特币网络的加权平均碳排放强度为每千瓦时 475 克二氧化碳。(目前这一数字也被广泛用于根据比特币网络的电力消耗指数,确定网络整体的碳足迹水平。)
Rauchs 等人在一年之后又发布了类似的第二轮研究结果。在最新研究中,Rauchs 等人确定的加密货币采矿设施总能耗约为 17 亿瓦。根据他们的推断与估算,全部加密货币采矿设施(目前规模排名前六位的加密货币)的运行功率在 59 亿瓦到 127 亿瓦之间。由此可见,他们在上一轮调查中涵盖的数据范围非常有限,而且比特币也只占全部能耗的一小部分。但好消息是,最新研究得出的采矿设施地理分布与上一轮相比几乎没有变化。
很多人可能认定水电能源的存在,意味着比特币网络的碳足迹水平相对较低。但事实证明,问题并没有这么简单。主要问题在于,水力发电(或者其他形式的可再生能源)往往存在发电量不稳定的问题。特别是在四川省,雨季的平均发电量可达旱季的三倍。为了抵消这种电量供应波动,旱季期间的不足部分往往需要利用其他类型――特别是火力发电――的方式填充。相比之下,瑞典的电网排放因子则稳定较低,因为这里的发电方式主要为核能与水力发电。瑞典电网的碳排放因子为每千瓦时 13 克二氧化碳。
在一份名为《比特币的碳足迹( The Carbon Footprint of Bitcoin )》(Stoll 等人,2019 年)的最新报告中,研究人员解释了这种地区差异(同时引入了一种基于 IP 地址对矿工进行地理分布测定的新方法),结论是整个比特币网络的加权平均碳排放强度约为每千瓦时 480 克到 500 克二氧化碳(与之前的粗略估算基本一致)。
感兴趣的朋友也可以参阅顶级期刊《焦耳》杂志上关于比特币与可再生能源间关联的《可再生能源无法解决比特币可持续问题( Renewable Energy Will Not Solve Bitcoin’s Sustainability Problem )》的文章。
当然,这些数字并不完全准确(例如没有计入 VISA 办公系统带来的电力消耗)。但由于二者能耗存在巨大差异,因此即使承认这种不准确性的存在,结论仍然令人震惊。与常规金融系统中的平均非现金交易能耗水平相比,比特币交易的平均电力消耗可达数千倍。有些朋友可能会争辩,这些成本完全来自交易自身,不涉及任何第三方信任机构;但是,我们将在后文中提到,无论如何能耗也不应高到这样的程度。
此项指数以矿工收入与成本相关性为基本前提。由于电力成本占采矿持续成本中的主要比例,因此比特币网络的总电力消耗也必然与采矿收入直接相关。简而言之,要获得更高的采矿收入,就必然引入更多高能耗计算调和。以下图表详细解释并总结了比特币电力消耗指数如何利用矿工收入得出电力消耗估算值(点击此处参阅同行评审学术文献中的具体方法解释):
需要注意的是,采用不同的假设性前提可能得出不同的计算结果(点击此处查看我们开发的一款专用计算器,可根据不同假设提供不同的计算结果)。在此次估算中,我们选择了基于实际采矿操作信息这一既直观又相对保守的计算方式。这里要强调,本指数的目标并非产生准确无误的估算结果,而是提供在经济层面具有可靠性的常规评估方式,从而确保相关结论的准确性与可靠性高于基于采矿设备的常规计算方法。
除了电力消耗估算之外,由此产生的环境影响(表现为碳足迹形式)也受到 Robert Sharratt 以及 Coinshares 公司等批评方的强烈反对。其中,Sharratt 还曾利用 Coinshares 的采矿调查报告来论证比特币网络对环境并未产生显著影响。有趣的是,Coinsahres 采矿报告仅暗示比特币采矿可能因使用了大量可再生能源而并未造成显著的环境影响,但其中完全没有提及“碳足迹”一词。这样的遗漏非常严重,因为其忽略了 Coinshares 在报告中列出的另一项数据,即作为中国比特币采矿的中心,四川省内发电设施的碳排放强度并不像人们想象中那么低。慕尼黑工业大学(TUM)考虑到了这一现实情况,并通过独立研究之后给出了“比特币项目依靠煤炭为其提供燃料”的结论。在该大学的研究中,他们将比特币网络的整体加权排放因子与比特币电力消耗指数给出的采矿设施碳足迹加权排放因子进行了匹配,因此得出了完全不同的观点。
届时,由于几乎全部收入都被用于支付电费,因此电力消耗指数给出的比特币电力消耗预测结果将不会发生显著变化。
来源: InfoQ 作者:Digiconomist 译:核子可乐