劍橋研究報告：比特幣挖礦的碳排放與電力結構

作者：Alexander Neumueller 、Digital Assets CBECI Project Lead

比特幣挖礦對環境影響的爭論主要圍繞着電力消耗問題。然而，比特幣的環境足跡問題更微妙和復雜，它需要獨立的數據來爲循證公开辯論提供信息。

在過去的幾年裏，比特幣越來越受歡迎，一些人甚至認爲區塊鏈網絡已經成爲主流。【1】最近對機構投資者的一項調查證實了這一趨勢【2】- 人們的共識似乎是，比特幣的聲譽已經改善，並擺脫了其作爲非法活動熱點的負面形象。然而，比特幣的日益普及凸顯了與比特幣生產相關的環境問題，即能源密集型的“挖礦”過程，其本質是在尋找解決復雜數學問題的答案。

環保人士、金融機構以及政策制定者越來越擔心比特幣看起來永無止境的耗電行爲，及其相關的環境影響。考慮到國家的耗電量，以及國際社會爲應對氣候變化而做出的關於加強脫碳行動更強有力的承諾，乍一看，比特幣似乎破壞了這些努力。這引發了支持者和反對者之間關於監管幹預必要性的激烈辯論。

對一些人來說，比特幣是一場災難，它將破壞我們幾十年來取得的環境進步，並且可能導致全球變暖超過 2℃。【3】支持者反駁說，比特幣實際上可以幫助人類對抗氣候變化，還可以提供其他各種好處。【4】觀察雙方的論點，有些說法有點牽強附會，過於簡單化，而另一些說法的信息支撐實際上並不充分。

鑑於比特幣挖礦涉及重大的環境、財政和社會利益，毫無疑問，其中有政治因素；雙方的利益集團都在爭奪解釋權，以使公衆輿論向有利於自己的一方傾斜，並說服政策制定者相信監管的必要性。這就造成了一種情況，即重要的政策和投資決策可能受到偏見和精心挑選的數據點的影響。因此，認識到比特幣的環境足跡問題比快速得出的結論要更加微妙和復雜，是比以往任何時候都更重要的。

組裝正在構建的模塊

劍橋比特幣用電量指數 (CBECI) 於 2019 年 7 月推出，來滿足日益增長的基於可靠數據的觀察比特幣用電量的需求。鑑於公衆對這一話題的興趣越來越大，CCAF 的工作在有組織地發展中，並逐步擴大了索引的範圍，最終提供必要的構建模塊，來提供比特幣的環境足跡的更完整的圖像。

該指數工具的第一版基於技術經濟模型，通過對每日耗電量的估算，得出全球比特幣挖礦活動的耗電量。隨着時間的推移，歷史電力需求和累計電力消耗等額外的特徵被添加到該指數中。然而，爲了更好地了解比特幣對環境的影響程度，還需要比特幣挖礦位置的信息。

爲了解決這一知識差距，該索引工具於 2020 年 5 月進行更新，整合了一個新工具，即挖礦地圖，該地圖顯示了哈希率（提供給網絡的計算能力）隨時間的地理分布。由此產生的縱向數據集通過與幾個主要比特幣挖礦池的獨家合作關系獲得，從 2019 年 9 月开始每月提供一次，並對挖礦的地理位置提供獨特的見解。

這次更新（發布於 2022 年 9 月）提供了評估比特幣環境足跡所需的基礎 —— 將之前研究的發現與發電中使用的能源的區域數據相結合。這些信息對於解釋比特幣挖礦地區特定電力組合的差異至關重要。

最終，新的指數工具對比特幣相關的年化以及總溫室氣體排放進行每日估計。有關估計數將分爲三個時間間隔來記錄，具體根據各期間有哪些數據是可獲得的來確定。更多關於該方法的信息可以在 CBECI 網站上找到。更新還包括比特幣的電力結構以及對排放強度的細分（以 gCO2e/kWh 爲單位）。與電力消耗指數類似，更新將包括一個全面的部分，專門將比特幣的環境足跡與其他行業、活動和國家進行比較。

重要發現

綜合之前提到的所有發現，該指數估計，到 2022 年 9 月中旬（2022 年 9 月 21 日），約199.65 MtCO2e (相當於100 萬噸二氧化碳) 可以歸因於自誕生以來的比特幣網絡。應該注意的是，約 92% 的排放發生在 2018 年之後，如圖 1 所示。盡管排放量近年來急劇上升，但如今情況有所不同。目前，我們估計年化溫室氣體排放量爲 48.35 MtCO2e (截至 2022 年 9 月 21 日)，比同期 2021 年估計的溫室氣體排放量 (56.29 MtCO2e) 低 14.1%，如圖 3 所示 (RHS)。

圖 1: 截至 2022 年 9 月 21 日總溫室氣體排放量

客觀地看待最佳猜測估計值，48.35 MtCO2e 約佔全球溫室氣體排放量的 0.10%，與尼泊爾等國 (48.37 MtCO2e) 和中非共和國 (46.58 MtCO2e) 的排放量相當，大約是黃金开採的一半 (100.4 MtCO2e)。比特幣排放量與其他行業、活動和國家相比的更詳細的信息可以在 CBECI 網站上找到。

但是，爲什么溫室氣體估計排放量會突然下降？簡而言之，盡管哈希率保持相對不變，礦業盈利能力的大幅下降造成了耗電量的下降。乍一看，這個現象似乎是違反直覺的，所以讓我們更深入地進行研究，並探索其背後的原因。圖2 (RHS) 顯示了礦工盈利能力下降對比特幣礦工硬件選擇的影響。關於 CBECI 方法的更全面的描述可以在 CBECI 網站上找到。它基於這樣一個假設：比特幣礦工是理性的經濟代理人，因此只會使用有利可圖的硬件。

考慮到最近每單位算力的採礦收入急劇下降，礦工向更高效硬件的轉移，這導致（至少是暫時的）老式的、效率較低的硬件退役。這一假設似乎被比特幣礦工的軼事證據證實了。【5】觀察圖 2 左邊的圖表，這種轉變的影響變得更加明顯。比較比特幣網絡哈希率的增長與2021 年 1 月 1 日至 2022 年 9 月 21 日期間估計的年耗電量，哈希率從 137.76 EH/s 提高到 242.13 EH/s (+75.8%)；用電量從 96.48 TWh 下降到 95.42 TWh (-1.1%)。最終，採礦硬件效率的提高導致年溫室氣體排放估計量（截至 2022 年 9 月 21 日）遠遠低於 2021 年水平。

圖 2:截至 2022 年 9 月 21 日礦業盈利能力對用電量的影響

除了最佳猜測估計值（橙）之外，圖 3 還進一步展示了兩個異常值，即整個網絡完全由水力發電（藍线）或完全由煤電（灰线）供電時的排放量，定義出包含最佳猜測估計值的範圍。選擇這兩種能源是爲了顯示在給定的電力消耗水平時，根據爲電網供電的能源的不同，溫室氣體排放的巨大差異，水力發電代表最好的情況，而煤電則代表最壞的情況。在純水電的假設下，比特幣將排放約 2.00 MtCO2e；只使用煤炭的情況下，這個數字從 47 增加到 95.51 MtCO2e。這種顯著的差異突出了更詳細地研究比特幣電力結構的重要性，以及區分電力消耗和氣候影響的必要性。這兩者雖然千絲萬縷地聯系在一起，但並不是一回事。

圖 3:截至 2022 年 9 月 21 日的年化溫室氣體排放量

請注意，有必要強調的是，估計比特幣環境足跡的方法基於使用公开數據的理論模型，而非實際觀察。這導致估算的方法存在許多明顯的局限性。例如，某些可能會減少排放的活動，如使用伴生氣、離網（在電表後面）比特幣挖礦、廢熱回收或碳補償等等，都沒有被計算在內。關於方法論上權衡的詳細列表超出了本文的範圍，可以在 CBECI 網站上找到更完整的限制列表。

比特幣挖礦的可持續性如何?

新工具還提供了比特幣電力組合的更詳細信息。觀察2022 年 1 月發現，煤炭是最大的單一能源，佔 36.6% 的份額，水電是最大的可持續能源，佔 14.9% 的份額。總體而言，結果顯示，化石燃料佔總電力結構的近三分之二 (62.4%)，可持續能源佔 37.6%（其中 26.3% 是可再生能源，11.3% 是核能）。因此，研究結果明顯偏離了行業對可持續能源在比特幣電力組合中的份額爲 59.5% 的預估。【6】

使用 CBECIs 最新的可獲得數據，比特幣的預估電力組合對應的排放強度爲 506.71 MtCO2e。由於目前只有 1 月份的數據，還無法評估 2021 年至 2022 年的排放強度上如何變化的，因此將 2020 年比特幣的平均排放強度 (491.24 MtCO2e) 與 2021 年的平均排放強度 (531.81 MtCO2e) 進行了比較，可以得出，電力結構的可持續性已經惡化。

圖 4 顯示了自獲得數據以來，比特幣的電力組合隨時間的變化。截至 2021 年，電力結構的波動已明顯減少。之前這些變化的原因是比特幣挖礦業務隨着季節變化在中國遷移。在 2021 年 6 月中國政府強制禁止加密貨幣挖礦之前，投機的礦工利用春末/秋末雨季的優惠電價，也就是水位上升的時候，從火電地區轉移到水電豐富的地區。在此期間，水電佔比分別在 2019 年和 2020 年達到 48.7% 和 50.4% 的峰值，並在秋末/春季（旱季）觸底至 25.6% 和 19.0%（主要被煤炭取代），此時由於水位下降，礦工遷移回火電地區。因此，考慮季節性遷移至關重要，因爲這些遷移顯著改變了電力結構。然而，盡管中國在 2019 年 9 月仍然佔到總哈希率的四分之三以上，極大地影響了比特幣的電力結構，但在接下來的有記錄的幾個月裏，其份額逐漸下降，在 2021 年 7 月見底，爲 0%。

雖然最新的更新顯示，中國的哈希率佔比從 2021 年 7 月和 8 月的 0% 突然反彈到 2021 年 9 月的 22.3%，但該國對整體電力結構的影響仍然有限，因爲在最近有記錄的幾個月裏，其佔比比 2019 年和 2020 年低得多。然而，總體而言，比特幣相關排放強度從 2020 年到 2021 年的惡化，還是由中國國內缺乏季節性遷移所導致的，這表明中國政府禁止加密貨幣挖礦，以及由此導致的比特幣挖礦活動向其他國家的轉移，對比特幣的環境足跡產生了負面影響。

圖4:比特幣以能源分類的耗電量(月)

雖然假設中國境內的季節性遷移在挖礦禁令生效後停止了，但這仍然證明了在研究比特幣的氣候影響時，考慮採礦位置的重要性。受該地區用於發電的能源的影響，每個觀察到的地區有自身的電力組合情況，這進一步影響了比特幣挖礦的排放強度。例如，在瑞典等國家，可持續能源在發電中所佔的份額約爲 98%，而哈薩克斯坦等國家仍然嚴重依賴化石燃料，可持續能源僅佔電力結構的不到 11%。【7】因此，在確定比特幣的環境足跡時，將總哈希率的適當份額分配到對應區域十分重要。

總的來說，從年度數據來看，一些趨勢變得很明顯（圖 5）。隨着中國在總哈希率中的份額逐漸下降，比特幣的電力結構變得更加多樣化。2020 年水電和煤電佔比分別爲 33.7% 和 40.4%，到 2021 年分別下降至 18.5% 和 38.2%。相比之下，天然氣（從 2020 年的 12.8% 到 2021 年的 23.0%）和核能（從 2020 年的 4.0% 到 2021 年的 8.9%）的份額顯著增加，反映出挖礦權力向美國的轉移。如前所述，因爲缺少全年的數據，應謹慎分析 2019 年和 2022 年。

圖 5:比特幣以能源分類的耗電量（年）

展望未來

比特幣挖礦行業在不斷變化，這種演變需要捕捉並反映到未來的評估中。因此，隨着時間的推移，獲得越來越多的、粒度更精細的數據，該工具將繼續調整，研究方法也將逐漸從抽象世界轉移到現實世界。而關於比特幣挖礦，有趣的概念和發展已經出現。這些方法從廢熱回收【8】到使用伴生氣【9】，以及將比特幣挖礦作爲減少可再生能源削減的手段【10】來作爲可再生基礎設施項目的催化劑【11】。時間將會證明，這些是不是無法兌現承諾的新奇想法，或是不是會未來比特幣礦業更不可或缺的一部分。此外，在上次的挖礦地圖更新之後，新的數據仍然無法解釋全球哈希率分布的最新發展，以及這段時間內電力結構的變化情況。希望在今後的更新中能對這一問題提供更明確的說明。

此外，由於 CBECI 致力於研究比特幣，在新平台上以擴大 CDAP 對電力消耗的研究範圍到各種其他區塊鏈網絡的工作進展十分良好。

作爲這次更新的一部分，我們實現了一系列的視覺變化，並增加了網站的其他功能，以增強用戶體驗。在 CBECI 網站上可以找到所有更改的完整列表。CCAF 期待與合作夥伴和網絡繼續合作，進一步完善指數工具，並始終歡迎來自生態系統的建設性反饋和建議。您可以通過 CBECI 網站與團隊取得聯系。

關於劍橋數字資產計劃

本文是劍橋數字資產計劃 (CDAP) 下發布的一系列研究成果中的最新成果。CDAP 是一個多年的研究計劃，由劍橋替代金融中心 (CCAF) 主辦，與 16 個著名的公共和私人機構合作。該項目旨在提供必要的數據集、數字工具和見解，以促進關於日益增長的數字資產生態系統所帶來的有關機會和風險的平衡且公开的對話，最終目標是通過开放獲取研究，來爲循證決策和監管提供信息。

CDAP 的合作機構（按字母順序排列）有埃森哲、國際清算銀行 (BIS) 創新中心、英國國際投資 (BII)、迪拜國際金融中心 (DIFC)、安永、富達、英國外交、聯邦和發展辦公室 (FCDO)、高盛、美洲开發銀行 (IDB)、國際貨幣基金組織 (IMF)、景順、倫敦證券交易所集團 (LSEG)、萬事達卡、MSCI、維薩和世界銀行。

[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

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

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