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    剑桥研究报告:比特币挖矿的碳排放与电力结构

    作者:Alexander Neumueller 、Digital Assets CBECI Project Lead

    比特币挖矿对环境影响的争论主要围绕着电力消耗问题。然而,比特币的环境足迹问题更微妙和复杂,它需要独立的数据来为循证公开辩论提供信息。

    在过去的几年里,比特币越来越受欢迎,一些人甚至认为区块链网络已经成为主流。【1】最近对机构投资者的一项调查证实了这一趋势【2】- 人们的共识似乎是,比特币的声誉已经改善,并摆脱了其作为非法活动热点的负面形象。然而,比特币的日益普及凸显了与比特币生产相关的环境问题,即能源密集型的“挖矿”过程,其本质是在寻找解决复杂数学问题的答案。

    环保人士、金融机构以及政策制定者越来越担心比特币看起来永无止境的耗电行为,及其相关的环境影响。考虑到国家的耗电量,以及国际社会为应对气候变化而做出的关于加强脱碳行动更强有力的承诺,乍一看,比特币似乎破坏了这些努力。这引发了支持者和反对者之间关于监管干预必要性的激烈辩论。

    对一些人来说,比特币是一场灾难,它将破坏我们几十年来取得的环境进步,并且可能导致全球变暖超过 2℃。【3】支持者反驳说,比特币实际上可以帮助人类对抗气候变化,还可以提供其他各种好处。【4】观察双方的论点,有些说法有点牵强附会,过于简单化,而另一些说法的信息支撑实际上并不充分。

    鉴于比特币挖矿涉及重大的环境、财政和社会利益,毫无疑问,其中有政治因素;双方的利益集团都在争夺解释权,以使公众舆论向有利于自己的一方倾斜,并说服政策制定者相信监管的必要性。这就造成了一种情况,即重要的政策和投资决策可能受到偏见和精心挑选的数据点的影响。因此,认识到比特币的环境足迹问题比快速得出的结论要更加微妙和复杂,是比以往任何时候都更重要的。

    组装正在构建的模块

    剑桥比特币用电量指数 (CBECI) 于 2019 年 7 月推出,来满足日益增长的基于可靠数据的观察比特币用电量的需求。鉴于公众对这一话题的兴趣越来越大,CCAF 的工作在有组织地发展中,并逐步扩大了索引的范围,最终提供必要的构建模块,来提供比特币的环境足迹的更完整的图像。

    该指数工具的第一版基于技术经济模型,通过对每日耗电量的估算,得出全球比特币挖矿活动的耗电量。随着时间的推移,历史电力需求和累计电力消耗等额外的特征被添加到该指数中。然而,为了更好地了解比特币对环境的影响程度,还需要比特币挖矿位置的信息。

    为了解决这一知识差距,该索引工具于 2020 年 5 月进行更新,整合了一个新工具,即挖矿地图,该地图显示了哈希率(提供给网络的计算能力)随时间的地理分布。由此产生的纵向数据集通过与几个主要比特币挖矿池的独家合作关系获得,从 2019 年 9 月开始每月提供一次,并对挖矿的地理位置提供独特的见解。

    这次更新(发布于 2022 年 9 月)提供了评估比特币环境足迹所需的基础 —— 将之前研究的发现与发电中使用的能源的区域数据相结合。这些信息对于解释比特币挖矿地区特定电力组合的差异至关重要。

    最终,新的指数工具对比特币相关的年化以及总温室气体排放进行每日估计。有关估计数将分为三个时间间隔来记录,具体根据各期间有哪些数据是可获得的来确定。更多关于该方法的信息可以在 CBECI 网站上找到。更新还包括比特币的电力结构以及对排放强度的细分(以 gCO2e/kWh 为单位)。与电力消耗指数类似,更新将包括一个全面的部分,专门将比特币的环境足迹与其他行业、活动和国家进行比较。

    重要发现

    综合之前提到的所有发现,该指数估计,到 2022 年 9 月中旬(2022 年 9 月 21 日),约199.65 MtCO2e (相当于100 万吨二氧化碳) 可以归因于自诞生以来的比特币网络。应该注意的是,约 92% 的排放发生在 2018 年之后,如图 1 所示。尽管排放量近年来急剧上升,但如今情况有所不同。目前,我们估计年化温室气体排放量为 48.35 MtCO2e (截至 2022 年 9 月 21 日),比同期 2021 年估计的温室气体排放量 (56.29 MtCO2e) 低 14.1%,如图 3 所示 (RHS)。

    图 1: 截至 2022 年 9 月 21 日总温室气体排放量

    客观地看待最佳猜测估计值,48.35 MtCO2e 约占全球温室气体排放量的 0.10%,与尼泊尔等国 (48.37 MtCO2e) 和中非共和国 (46.58 MtCO2e) 的排放量相当,大约是黄金开采的一半 (100.4 MtCO2e)。比特币排放量与其他行业、活动和国家相比的更详细的信息可以在 CBECI 网站上找到。

    但是,为什么温室气体估计排放量会突然下降?简而言之,尽管哈希率保持相对不变,矿业盈利能力的大幅下降造成了耗电量的下降。乍一看,这个现象似乎是违反直觉的,所以让我们更深入地进行研究,并探索其背后的原因。图2 (RHS) 显示了矿工盈利能力下降对比特币矿工硬件选择的影响。关于 CBECI 方法的更全面的描述可以在 CBECI 网站上找到。它基于这样一个假设:比特币矿工是理性的经济代理人,因此只会使用有利可图的硬件。

    考虑到最近每单位算力的采矿收入急剧下降,矿工向更高效硬件的转移,这导致(至少是暂时的)老式的、效率较低的硬件退役。这一假设似乎被比特币矿工的轶事证据证实了。【5】观察图 2 左边的图表,这种转变的影响变得更加明显。比较比特币网络哈希率的增长与2021 年 1 月 1 日至 2022 年 9 月 21 日期间估计的年耗电量,哈希率从 137.76 EH/s 提高到 242.13 EH/s (+75.8%);用电量从 96.48 TWh 下降到 95.42 TWh (-1.1%)。最终,采矿硬件效率的提高导致年温室气体排放估计量(截至 2022 年 9 月 21 日)远远低于 2021 年水平。

    图 2:截至 2022 年 9 月 21 日矿业盈利能力对用电量的影响

    除了最佳猜测估计值(橙)之外,图 3 还进一步展示了两个异常值,即整个网络完全由水力发电(蓝线)或完全由煤电(灰线)供电时的排放量,定义出包含最佳猜测估计值的范围。选择这两种能源是为了显示在给定的电力消耗水平时,根据为电网供电的能源的不同,温室气体排放的巨大差异,水力发电代表最好的情况,而煤电则代表最坏的情况。在纯水电的假设下,比特币将排放约 2.00 MtCO2e;只使用煤炭的情况下,这个数字从 47 增加到 95.51 MtCO2e。这种显著的差异突出了更详细地研究比特币电力结构的重要性,以及区分电力消耗和气候影响的必要性。这两者虽然千丝万缕地联系在一起,但并不是一回事。

    图 3:截至 2022 年 9 月 21 日的年化温室气体排放量

    请注意,有必要强调的是,估计比特币环境足迹的方法基于使用公开数据的理论模型,而非实际观察。这导致估算的方法存在许多明显的局限性。例如,某些可能会减少排放的活动,如使用伴生气、离网(在电表后面)比特币挖矿、废热回收或碳补偿等等,都没有被计算在内。关于方法论上权衡的详细列表超出了本文的范围,可以在 CBECI 网站上找到更完整的限制列表。

    比特币挖矿的可持续性如何?

    新工具还提供了比特币电力组合的更详细信息。观察2022 年 1 月发现,煤炭是最大的单一能源,占 36.6% 的份额,水电是最大的可持续能源,占 14.9% 的份额。总体而言,结果显示,化石燃料占总电力结构的近三分之二 (62.4%),可持续能源占 37.6%(其中 26.3% 是可再生能源,11.3% 是核能)。因此,研究结果明显偏离了行业对可持续能源在比特币电力组合中的份额为 59.5% 的预估。【6】

    使用 CBECIs 最新的可获得数据,比特币的预估电力组合对应的排放强度为 506.71 MtCO2e。由于目前只有 1 月份的数据,还无法评估 2021 年至 2022 年的排放强度上如何变化的,因此将 2020 年比特币的平均排放强度 (491.24 MtCO2e) 与 2021 年的平均排放强度 (531.81 MtCO2e) 进行了比较,可以得出,电力结构的可持续性已经恶化。

    图 4 显示了自获得数据以来,比特币的电力组合随时间的变化。截至 2021 年,电力结构的波动已明显减少。之前这些变化的原因是比特币挖矿业务随着季节变化在中国迁移。在 2021 年 6 月中国政府强制禁止加密货币挖矿之前,投机的矿工利用春末/秋末雨季的优惠电价,也就是水位上升的时候,从火电地区转移到水电丰富的地区。在此期间,水电占比分别在 2019 年和 2020 年达到 48.7% 和 50.4% 的峰值,并在秋末/春季(旱季)触底至 25.6% 和 19.0%(主要被煤炭取代),此时由于水位下降,矿工迁移回火电地区。因此,考虑季节性迁移至关重要,因为这些迁移显著改变了电力结构。然而,尽管中国在 2019 年 9 月仍然占到总哈希率的四分之三以上,极大地影响了比特币的电力结构,但在接下来的有记录的几个月里,其份额逐渐下降,在 2021 年 7 月见底,为 0%。

    虽然最新的更新显示,中国的哈希率占比从 2021 年 7 月和 8 月的 0% 突然反弹到 2021 年 9 月的 22.3%,但该国对整体电力结构的影响仍然有限,因为在最近有记录的几个月里,其占比比 2019 年和 2020 年低得多。然而,总体而言,比特币相关排放强度从 2020 年到 2021 年的恶化,还是由中国国内缺乏季节性迁移所导致的,这表明中国政府禁止加密货币挖矿,以及由此导致的比特币挖矿活动向其他国家的转移,对比特币的环境足迹产生了负面影响。

    图4:比特币以能源分类的耗电量(月)

    虽然假设中国境内的季节性迁移在挖矿禁令生效后停止了,但这仍然证明了在研究比特币的气候影响时,考虑采矿位置的重要性。受该地区用于发电的能源的影响,每个观察到的地区有自身的电力组合情况,这进一步影响了比特币挖矿的排放强度。例如,在瑞典等国家,可持续能源在发电中所占的份额约为 98%,而哈萨克斯坦等国家仍然严重依赖化石燃料,可持续能源仅占电力结构的不到 11%。【7】因此,在确定比特币的环境足迹时,将总哈希率的适当份额分配到对应区域十分重要。

    总的来说,从年度数据来看,一些趋势变得很明显(图 5)。随着中国在总哈希率中的份额逐渐下降,比特币的电力结构变得更加多样化。2020 年水电和煤电占比分别为 33.7% 和 40.4%,到 2021 年分别下降至 18.5% 和 38.2%。相比之下,天然气(从 2020 年的 12.8% 到 2021 年的 23.0%)和核能(从 2020 年的 4.0% 到 2021 年的 8.9%)的份额显著增加,反映出挖矿权力向美国的转移。如前所述,因为缺少全年的数据,应谨慎分析 2019 年和 2022 年。

    图 5:比特币以能源分类的耗电量(年)

    展望未来

    比特币挖矿行业在不断变化,这种演变需要捕捉并反映到未来的评估中。因此,随着时间的推移,获得越来越多的、粒度更精细的数据,该工具将继续调整,研究方法也将逐渐从抽象世界转移到现实世界。而关于比特币挖矿,有趣的概念和发展已经出现。这些方法从废热回收【8】到使用伴生气【9】,以及将比特币挖矿作为减少可再生能源削减的手段【10】来作为可再生基础设施项目的催化剂【11】。时间将会证明,这些是不是无法兑现承诺的新奇想法,或是不是会未来比特币矿业更不可或缺的一部分。此外,在上次的挖矿地图更新之后,新的数据仍然无法解释全球哈希率分布的最新发展,以及这段时间内电力结构的变化情况。希望在今后的更新中能对这一问题提供更明确的说明。

    此外,由于 CBECI 致力于研究比特币,在新平台上以扩大 CDAP 对电力消耗的研究范围到各种其他区块链网络的工作进展十分良好。

    作为这次更新的一部分,我们实现了一系列的视觉变化,并增加了网站的其他功能,以增强用户体验。在 CBECI 网站上可以找到所有更改的完整列表。CCAF 期待与合作伙伴和网络继续合作,进一步完善指数工具,并始终欢迎来自生态系统的建设性反馈和建议。您可以通过 CBECI 网站与团队取得联系。

    关于剑桥数字资产计划

    本文是剑桥数字资产计划 (CDAP) 下发布的一系列研究成果中的最新成果。CDAP 是一个多年的研究计划,由剑桥替代金融中心 (CCAF) 主办,与 16 个著名的公共和私人机构合作。该项目旨在提供必要的数据集、数字工具和见解,以促进关于日益增长的数字资产生态系统所带来的有关机会和风险的平衡且公开的对话,最终目标是通过开放获取研究,来为循证决策和监管提供信息。

    CDAP 的合作机构(按字母顺序排列)有埃森哲、国际清算银行 (BIS) 创新中心、英国国际投资 (BII)、迪拜国际金融中心 (DIFC)、安永、富达、英国外交、联邦和发展办公室 (FCDO)、高盛、美洲开发银行 (IDB)、国际货币基金组织 (IMF)、景顺、伦敦证券交易所集团 (LSEG)、万事达卡、MSCI、维萨和世界银行。

    [1] Hindley, D. (2022) “What can the past tell us about bitcoin’s future?” Financial Times.

    [2] (2022) “UK institutional investors anticipate uplift in crypto holdings” Finextra Research.

    [3] Kruse, T. (2022) “Change The Code: Not The Climate – Greenpeace USA, EWG, Others Launch Campaign to Push Bitcoin to Reduce Climate Pollution”. Greenpeace USA.

    [4](2022) “Bitcoin is Key to an Abundant, Clean Energy Future” Square & ARK Invest

    [5] Szalay, E. (2022) “Bitcoin miners stung as fallout from price collapse widens” Financial Times

    [6] (2022, July 19). “Bitcoin mining electricity mix increased to 59.5% sustainable in Q2 2022” Bitcoin Mining Council

    [7] Ritchie, H., Roser, M., & Rosado, P. (2020) “Electricity Mix” Our World in Data.

    [8] (2021) “Green Innovation in Bitcoin Mining: Recycling ASIC Heat” Braiins

    [9] Snytnikov, P., & Potemkin, D. (2022) “Flare gas monetization and greener hydrogen production via combination with cryptocurrency mining and carbon dioxide capture” iScience, 25(2), 103769

    [10] Niaz, H., Liu, J. J., & You, F. (2022) “Can Texas mitigate wind and solar curtailments by leveraging bitcoin mining?” Journal of Cleaner Production, 364, 132700

    [11] Carter, N. (2021) “Bitcoin mining is reshaping the energy sector and no one is talking about it” CoinDesk

    原文链接:https://www.jbs.cam.ac.uk/insight/2022/a-deep-dive-into-bitcoins-environmental-impact/

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    好文章,需要你的鼓励
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