比特幣挖礦代價(jià)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(lái)的代價(jià)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(jià)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(wàn)枚，數(shù)量非常有限，這就吸引了越來(lái)越多的個(gè)人和團(tuán)隊(duì)耗費(fèi)大量資源去 “挖” 這種 “數(shù)字黃金”。

簡(jiǎn)單類比，這個(gè)過(guò)程就像開采金礦一樣，眾多比特幣 “礦工” 或者 “礦場(chǎng)” 通過(guò) “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(lái)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(gè)國(guó)家，它的耗電量足以排進(jìn)全球前 30，“挖礦” 活動(dòng)目前年耗電量約為 121.36 太瓦時(shí)（TWh，1 太瓦時(shí)為 10 億度電），超乎人們的想象，除非比特幣價(jià)格大幅下跌，否則耗電量仍將只增不減。

那么，在中國(guó)，比特幣區(qū)塊鏈運(yùn)行造成的耗電量，以及當(dāng)前和未來(lái)的碳排放模式又是怎樣的？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，來(lái)自中國(guó)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(duì)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(guó)的比特幣區(qū)塊鏈運(yùn)營(yíng)碳排放量與可持續(xù)性政策評(píng)估（來(lái)源：Nature Communications）

研究發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有任何政策干預(yù)的情況下，中國(guó)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(shí)，并相應(yīng)產(chǎn)生 1.3050 億噸的碳排放，這在國(guó)內(nèi) 182 個(gè)城市和 42 個(gè)工業(yè)部門中名列前十。此外，研究人員還對(duì)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(lái)，基于系統(tǒng)動(dòng)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(píng)估不同情景下中國(guó)比特幣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)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(gè)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(lái)源：Nature Communications）

在 “挖礦” 過(guò)程中，當(dāng)區(qū)塊被正式廣播到比特幣區(qū)塊鏈時(shí)，為了提高挖出新區(qū)塊并獲得獎(jiǎng)勵(lì)的概率，礦工們會(huì)投入更高的算力（也稱哈希率）進(jìn)行挖礦，這將導(dǎo)致整個(gè)比特幣網(wǎng)絡(luò)的算力上升。由于比特幣挖礦過(guò)程中的能耗由網(wǎng)絡(luò)能耗和平均電價(jià)決定，因此會(huì)反過(guò)來(lái)影響比特幣開采者的動(dòng)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(guó)整個(gè)比特幣行業(yè)的總體碳排放量評(píng)估模型。其中，變量 GDP 水平由比特幣礦工的利潤(rùn)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(duì)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(jiǎng)勵(lì)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(jiǎng)勵(lì)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(chǎng)價(jià)格會(huì)出現(xiàn)周期性上漲。最后，通過(guò)綜合碳成本和能源成本，比特幣開采過(guò)程的總成本為礦工的利潤(rùn)率和投資策略提供了負(fù)反饋。當(dāng)采礦利潤(rùn)在 BBCE 模擬中變?yōu)樨?fù)值時(shí)，礦工們會(huì)逐步停止在中國(guó)的挖礦或遷移到其他地方。

基于 BBCE 模型的基準(zhǔn)模擬，中國(guó)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(shí)，這超過(guò)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(guó)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(guó)，比特幣礦業(yè)的排放量將在國(guó)內(nèi) 182 個(gè)地級(jí)市和 42 個(gè)主要工業(yè)部門中排名前十，約占中國(guó)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(shí)算法使得比特幣區(qū)塊鏈能夠以相對(duì)穩(wěn)定的方式運(yùn)行，但誘人的財(cái)富激勵(lì)已經(jīng)導(dǎo)致了基于專業(yè)比特幣礦機(jī)不同陣營(yíng)的軍備競(jìng)賽持續(xù)升級(jí)。

圖｜比特幣區(qū)塊鏈工作證明算法的碳足跡（來(lái)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(lái)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(jìng)爭(zhēng)大大增加了比特幣挖礦的資本支出。

比特幣挖礦活動(dòng)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(ài)爾蘭或孟加拉國(guó)等中小型國(guó)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(wàn)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(guó)，由于擁有專業(yè)的礦機(jī)制造商和廉價(jià)的電力供應(yīng)，大部分挖礦過(guò)程都在中國(guó)進(jìn)行，來(lái)自中國(guó)礦池的算力約占整個(gè)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(lái)源：Nature Communications）

但作為世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)之一，中國(guó)是《巴黎協(xié)定》的主要簽署國(guó)，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)母深A(yù)和可行的政策，中國(guó)密集的比特幣區(qū)塊鏈挖礦活動(dòng)可能會(huì)迅速成為一種壓力，干擾中國(guó)的碳減排努力。

不同政策情景下的發(fā)展趨勢(shì)

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(píng)估。

圖｜場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置（來(lái)源：Nature Communications）

在基準(zhǔn)情景（BM）中，市場(chǎng)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(guó)運(yùn)營(yíng)。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(duì)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(chǎng)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)提高了一倍，即在市場(chǎng)準(zhǔn)入（MA）情景下，禁止低效率的盈利礦工進(jìn)入中國(guó)比特幣市場(chǎng)，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(chǎng)地整治（SR）情景中，說(shuō)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(duì)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(duì)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(duì)比特幣區(qū)塊鏈的碳排放流量和能源消耗進(jìn)行了評(píng)估，并在 2014-2030 年期間的 BBCE 模擬中對(duì)不同政策的碳和能源減排效果進(jìn)行了評(píng)估。

結(jié)果是，如果沒(méi)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(guó)可持續(xù)發(fā)展努力不可忽視的障礙。預(yù)計(jì)中國(guó)比特幣區(qū)塊鏈的年能源消耗和碳排放峰值將超過(guò)意大利、荷蘭、西班牙和捷克等一些發(fā)達(dá)國(guó)家。作為最小政策干預(yù)下的基線評(píng)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(guó)，比特幣區(qū)塊鏈的年能源消耗將逐漸增長(zhǎng)，并最終在 2024 年達(dá)到峰值，為每年 296.59 太瓦時(shí)，這表明比特幣行業(yè)運(yùn)營(yíng)將持續(xù)遵循能源密集型模式。關(guān)于 CT 場(chǎng)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(shí)；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(shuō)明了嚴(yán)厲碳相關(guān)政策的積極影響。相反，MA 情景見(jiàn)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(lái)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(guó)的盈利能力，比特幣行業(yè)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的能源消耗和碳排放將持續(xù)增長(zhǎng)。這主要是由于工作量證明競(jìng)爭(zhēng)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(jiǎng)勵(lì)的概率。此外，所提出的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型所模擬的碳排放流量和長(zhǎng)期趨勢(shì)與之前的幾個(gè)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(guó)目前的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和碳排放核算中，比特幣區(qū)塊鏈的運(yùn)營(yíng)并沒(méi)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(duì)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(gè)問(wèn)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(guó)的碳排放行為。

圖｜比特幣行業(yè)能耗和碳排放比較（來(lái)源：Nature Communications）

什么管理措施更有效？

通過(guò)情景分析，研究人員認(rèn)為，在限制比特幣區(qū)塊鏈運(yùn)營(yíng)中的能源消耗總量和碳排放方面，導(dǎo)致采礦活動(dòng)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(gè)模擬期間，BM 情景下中國(guó)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(chǎng)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(lái)看，比特幣行業(yè)的人均 GDP 碳排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)中國(guó)平均工業(yè)碳強(qiáng)度，表明比特幣區(qū)塊鏈運(yùn)營(yíng)是一個(gè)高碳密集型行業(yè)。

圖｜BBCE 情景評(píng)估比較（來(lái)源：Nature Communications）

在 BM 情景下，預(yù)計(jì) 2024 年 4 月比特幣礦商的利潤(rùn)率將降至零，這意味著比特幣礦商將逐步停止在中國(guó)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(gè)搬遷過(guò)程并不是立即發(fā)生的，沉沒(méi)成本較高的礦商往往比沉沒(méi)成本較低的礦商運(yùn)營(yíng)時(shí)間更長(zhǎng)，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(shí)幾乎所有礦工都將搬遷到其他地方。

相應(yīng)地，在 BM 場(chǎng)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(guó)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(chǎng)景中維持較長(zhǎng)時(shí)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(chǎng)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(lì)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(chǎng)準(zhǔn)入政策的目的是限制低效率比特幣礦商在中國(guó)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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持盈利。此外，在 MA 情景下，中國(guó)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(rùn)追求行為。MA 情景的結(jié)果表明，市場(chǎng)準(zhǔn)入相關(guān)政策在處理比特幣區(qū)塊鏈運(yùn)營(yíng)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(duì)比特幣行業(yè)的有效性有限。在比特幣礦商意識(shí)到其采礦利潤(rùn)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(yíng)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(wú)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(guó)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(lái)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(shí)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(duì)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(lái)，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(yíng)流程，如供應(yīng)鏈金融、智能合約、國(guó)際商業(yè)和貿(mào)易以及制造業(yè)運(yùn)營(yíng)等。

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