比特币使用多少能量？

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关于此能耗估算的假设，本文讨论了对该估算的批评和潜在的验证想法。

假设网络中使用的计算机均为比特大陆蚂蚁矿机S（单机功耗1500瓦），按全网算力计算。 2019年2月13日，最低基准更改为Bitmain Antminer S15（平均更新周期为180天）。

更重要的真相

自诞生以来，比特币的信任最小化共识就是通过其工作量证明算法实现的。 这些“工作”计算机正在消耗大量能源。 建立这个比特币功耗指数的目的是通过数字帮助大家了解巨大的消耗，提高人们对工作量证明算法的不可持续性的认识。

请注意，该指数报告涵盖比特币和比特币现金（不包括比特币网络的其他分支）。 后者于 2019 年 10 月 1 日被删除。我们还整理了以太坊的统计指标。

矿工负责执行哪些任务

所谓的矿工大约每 10 分钟向比特币区块链添加新的交易集（区块）。 这些矿工在区块链上协作时不需要相互信任。 矿工唯一需要信任的是运行比特币项目的代码。 此代码包含一系列用于验证新交易的规则。 例如比特币算力收益计算器，交易只有在发送方实际拥有发送的金额时才有效。 每个矿工将独立确认交易是否符合这些规则，这样就可以在不信任其他矿工的情况下完成交易验证。

诀窍是让所有矿工都同意相同的交易历史。 网络中的每个矿工将不断负责为区块链准备下一批交易。 但是这些计算出的区块中只有一个会被随机选择为链上的最新区块。 但是分布式网络中的随机选择绝非易事，因此需要工作量证明算法。 在工作量证明中比特币算力收益计算器，下一个区块将来自第一个产生有效区块链的矿工。 但说起来容易做起来难，比特币的协议设计让矿工很难抢到这个位置。 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区块。 一旦矿工设法生成有效区块，就会向网络的其余部分发送广播。 在其他矿工确认该区块符合规则要求后，他们将接受该区块并丢弃他们正在计算的同一区块。 幸运的矿工将获得固定数量的代币奖励，用于计算新区块链上每笔已处理交易的交易费用。 此后，整个循环将重新开始。

生成有效块的过程基本上是反复试验。 个体矿工每秒钟都在进行无数次尝试，为所谓的“随机数”区块组件找出正确的值，并希望由此产生的完整区块能够满足他们的要求（结果无法提前预测）。 因此，挖矿其实很像彩票，参与者选择一个彩票号码。 每秒的尝试次数（哈希）由您的矿机的哈希率决定，通常表示为 Gigahash 每秒（即每秒 10 亿次哈希），缩写为 GH/s。

可持续性

这样一个周期性的区块挖矿周期鼓励全世界的人们参与比特币挖矿。 由于挖矿可以提供源源不断的收入，人们更愿意运行大量耗电设备来赚取收入。 多年来，随着比特币价格不断突破新高，比特币网络的总能耗也在以惊人的速度持续增长。 根据国际能源署发布的最新报告，整个比特币网络的耗电量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，其耗电量排名如下。

除了横向比较，我们还可以将比特币网络的用电量与世界上能源消耗最高的国家进行比较，结果如下：

碳足迹

比特币最大的问题甚至不是其可怕的电力消耗，而是比特币网络中的大部分挖矿设施都位于严重依赖煤电的地区（要么直接使用火电，要么使用火电进行电力平衡）（主要是中国）。 简而言之，“比特币项目依靠煤炭为其提供燃料。” （斯托尔，2019 年。）

应考虑控制比特币蔓延以减少二氧化碳排放。 - halfin (@halfin) 2009 年 1 月 27 日

矿工地域分布

多年来，确定比特币网络的碳影响一直是一个巨大的挑战。 我们不仅需要了解比特币网络的整体功率水平，还需要了解这些能量的确切地理分布。 矿工所在的位置是判断他们使用的电力是否清洁的关键因素。

正如确定比特币网络中有多少活动设备极其困难一样，追踪这些设备所在的位置也很困难。 最初，对此唯一的共识是大部分挖矿设备位于中国。 由于我们能够确定中国电网的平均排放因子（每千瓦时发电产生约 700 克二氧化碳），我们能够粗略估计比特币挖矿的碳足迹。 假设 70% 的比特币开采在中国，并且 30% 的开采是完全清洁的，加权平均产生的碳强度约为每千瓦时 490 克二氧化碳。 使用这个数字，我们可以进一步估算比特币网络的总功耗和碳足迹。

更详细的估计

随后 Garrick Hileman 和 Michel Rauchs 的 2017 年“全球加密货币基准研究”报告发布了更详细的信息。 在这项研究中，他们确定了大约一半的当前比特币哈希率采矿设施的总功耗（最低估计）为 232 兆瓦。 中国的挖矿设施约占其中一半，最低功耗为 111 兆瓦。 使用此信息，我们可以更准确地计算用于采矿的每千瓦时电力的二氧化碳当量（每千瓦时二氧化碳的克数）和碳排放因子（克）。

下表列出了 Hileman 和 Rauchs 在其研究报告中编制的挖矿设施能源消耗明细。 对应国家电网排放因子，我们发现比特币网络的加权平均碳强度为每千瓦时475克二氧化碳。 （这个数字目前也被广泛用于确定整个网络的碳足迹水平，基于比特币网络的电力消耗指数。）

劳克斯等人。 一年后公布了类似的第二轮结果。 在最新的研究中，Rauchs 等人。 确定加密货币采矿设施的总能耗约为 1.7 吉瓦。 根据他们的推断和估计，所有加密货币挖矿设施（目前规模最大的六大加密货币）的运行功率在 5.9 吉瓦到 12.7 吉瓦之间。 可以看出，他们上一轮调查涵盖的数据范围非常有限，比特币只占能源消耗总量的一小部分。 但好消息是，最新研究得出的挖矿设施的地理分布与上一轮相比几乎没有变化。

区域碳排放强度分析

可以强调的是，调查所涵盖国家的实际发电碳强度可能并没有那么高。 例如，在 2018 年，比特币公司 Coinshares 提到，中国的大部分挖矿设施都位于四川省，那里的人们使用廉价的水力发电来开采比特币。 虽然现在这份报告中有很多站不住脚的论断，但我们不妨假设其中的结论是正确的，然后再想想这一切意味着什么。

许多人可能认为水力发电的存在意味着比特币网络的碳足迹相对较低。 但事实证明，问题并没有那么简单。 主要问题是水力发电（或任何其他形式的可再生能源）往往具有可变输出。 尤其是四川省，雨季平均发电量可达旱季的三倍。 为了抵消这些电力供应的波动，旱季的短缺通常需要由其他类型的电力来填补，尤其是火力发电。 相比之下，瑞典的电网排放因子稳定且较低，因为这里的发电以核能和水力发电为主。 瑞典电网的碳排放系数为每千瓦时 13 克二氧化碳。

在一份名为“比特币的碳足迹”（Stoll 等人，2019 年）的新报告中，研究人员解释了这种区域差异（同时是一种确定矿工地理分布的新方法），得出的结论是整个比特币的加权平均碳强度比特币网络每千瓦时约排放 480 克至 500 克二氧化碳（与之前的粗略估计基本一致）。

其他问题

可以看出，可再生能源的供应普遍不够稳定，但比特币矿工的能源需求是恒定的。 比特币挖矿一旦开启，就永远无法关闭，除非系统崩溃或无法继续盈利。 因此，当可再生能源发电量较低时，比特币矿工的存在自然会增加对电网负荷的基本需求，并刺激发电设施使用化石燃料来填补这部分电力缺口。 在最极端的情况下，比特币矿工的存在甚至可能会刺激电力运营商建设新的燃烧发电厂或重启已关闭的现有火力发电厂，而其影响显然难以准确量化。

感兴趣的朋友也可以参考顶级期刊《焦耳》上关于比特币与可再生能源关系的文章《可再生能源不会解决比特币的可持续性问题》。

比特币与其他支付系统的耗电量比较

为了进一步了解比特币网络的电力消耗水平，让我们将其与另一种支付系统（如 VISA）进行比较。 根据 VISA 公布的数据，该公司在全球范围内的运营总共消耗了 674,922 千兆焦耳的能源（来自各种来源）。 这意味着 VISA 的总用电量相当于 17,000 个普通美国家庭的能源需求。 我们还知道 VISA 在 2017 年处理了 1112 亿笔交易。根据这些数字，我们可以比较两个支付网络，发现比特币单笔交易的功耗远高于 VISA（请注意下图显示了单次比特币交易与 100,000 次 VISA 交易功耗比较的差异）。

当然，这些数字并不完全准确（例如，不包括VISA办公系统造成的功耗）。 但即使承认这种不准确仍然令人震惊，因为能源消耗的巨大差异。 比特币交易的平均耗电量可能比传统金融系统中的平均非现金交易能耗高出数千倍。 可能有朋友会争辩说，这些费用完全来自于交易本身，不涉及任何第三方信托机构； 不过，后面我们会提到，反正能耗也不应该那么高。

选项

工作量证明是第一个能够自我证明的共识算法，但它并不是唯一有效的共识算法。 近年来，权益证明等更节能的算法得到迅速发展。 在权益证明中，块创建是由令牌所有者而不是矿工完成的，因此设备不需要消耗大量电力来每秒生成尽可能多的哈希值。 事实上，与工作量证明算法相比，权益证明的能耗几乎可以忽略不计。 比特币未来可能会转向这种新的共识算法，从而显着提高自身的可持续性。 但唯一的缺点是，目前的权益证明有很多不同的版本，没有一个版本能够压倒一切成为客观标准。 当然，必须承认，这样一种算法的存在，已经为加密货币的未来发展带来了重要的希望。

能耗模型和关键假设

即使我们能够快速计算出网络的整体哈希率，我们也无法确定该指标代表的功耗是多少，因为所有活动设备都在做自己的事情——所以不可能计算出确切的能源消耗。 过去，能源消耗估算通常需要假设哪些设备仍处于活动状态以及如何分配它们以达到每 GH/s（每秒 Gigahash）消耗的特定瓦数。 在调查了真实世界的比特币挖矿之后，我们意识到，由于该模型忽略了机器可靠性、气候和冷却成本等因素，因此得出的能耗结果必然低于实际情况。 这种武断的估算方法会导致能源消耗的估算多种多样，而且不同的估算之间往往存在巨大的差异，甚至会改变由此得出的经济结论。 因此，我们在比特币能耗指数中提出了一个新的解决方案，并试图从经济学的角度考察其单位能耗。

该指数建立在矿工收入与成本相关性的基本前提下。 由于电力成本占挖矿持续成本的主要部分，因此比特币网络的总耗电量也必然与挖矿收入直接相关。 总之，要获得更高的挖矿收益，就必须引入更耗能的计算对账。 下图详细解释并总结了比特币电力消耗指数如何使用矿工收入得出电力消耗估算值（点击此处查看同行评审学术文献中对方法的详细解释）：

需要注意的是，不同的假设可能会得到不同的计算结果（点击此处查看我们开发的专用计算器，可以根据不同的假设提供不同的计算结果）。 在本次预估中，我们根据实际挖矿运营信息，选择了一种直观且相对保守的计算方法。 在此需要强调的是，该指标的目标不是为了得出准确的估算结果，而是提供一种具有经济可靠性的常规评价方法，以确保相关结论的准确性和可靠性高于基于常规计算方法。采矿设备。

批评与求证

马克·贝万德 (Marc Bevand) 和乔纳森·库米 (Jonathan Koomey) 等批评者长期以来一直认为，比特币电力消耗指数的估算方法“存在严重缺陷”，但他们不同意 2019 年发布的剑桥比特币电力消耗指数 (CBECI)。 剑桥指数基于 Koomey 大力提倡的另一种估计方法，但产生的估计与我们的没有太大不同。 事实上，比特币用电量指数和剑桥比特币用电量指数的结论基本一致。

除了用电量估算之外，由此产生的环境影响（以碳足迹的形式）也受到了 Robert Sharratt 和 Coinshares 等评论家的强烈质疑。 其中，Sharatt 还使用了 Coinshares 的挖矿调查报告来证明比特币网络并未对环境产生重大影响。 有趣的是，Coinsahres 的挖矿报告只是暗示比特币挖矿可能不会因为大量使用可再生能源而对环境造成重大影响，而根本没有提到“碳足迹”这个词。 这个遗漏是严重的，因为它忽略了Coinshares在报告中列出的另一个数据，即作为中国比特币挖矿的中心，四川省的发电设施碳强度并不像人们想象的那么低。 慕尼黑工业大学 (TUM) 考虑到这一现实，并在独立研究后得出结论，“比特币项目依赖煤炭作为燃料”。 在大学的研究中，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挖矿设施碳足迹加权排放因子进行了匹配，从而得出了完全不同的观点。

展望未来

当然，比特币功耗指数也可以作为一组未来比特币功耗的预测模型（不同于基于哈希率的预测）。 我们的模型预测，矿工最终会将其收入的 60% 花在电费上。 截至目前（2019 年 1 月），矿工实际上在电力上花费了 60% 以上。 根据 2019 年 1 月 22 日的比特币耗电量指数统计，矿工已将所有收入（23 亿美元）投入电费。 在挖矿收益急剧下降（甚至无利可图）的情况下，人们可能会放弃继续使用大量计算设备投资比特币网络。 但考虑到这部分机器购置投资将降为沉没成本，矿工很可能会继续维护设备，直到电力成本超过挖矿收益（接近100%）。

届时，由于几乎所有的收入都用于支付电费，因此用电指数给出的比特币用电量预测结果不会有明显变化。