令人震惊：比特币使用了多少能源？

年度统计结果汇总

单笔交易统计

关键数据网络统计

可以在此处找到此能源消耗的估计假设。本文讨论了对该估计的批评和潜在的验证想法。

假设网络中使用的计算机都是Bitmain Antminer S（每台机​​器1500瓦的功耗），并以此为基础，以全网算力计算。2019年2月13日，最低基准改为比特大陆蚂蚁S15（更新周期​​平均180天）。

更重要的真相

自推出以来，比特币的信任最小化共识就是通过其提出的工作量证明算法实现的。这些“工作”计算机正在消耗大量能量。建立这个比特币电力消耗指数的目的是帮助人们通过数字来了解这种巨大的消耗，并提高人们对工作量证明算法不可持续的认识。

请注意，该指数报告涵盖了比特币和比特币现金（不包括比特币网络的其他分叉）。后者已于 2019 年 10 月 1 日下架。我们还整理了以太坊的统计指数，感兴趣的朋友可以点此查看。

矿工负责什么任务？

所谓的矿工设备，大约每 10 分钟就会将一组新的交易（区块）添加到比特币区块链中。在区块链上协作时，这些矿工不需要相互信任。矿工唯一需要信任的是运行比特币项目的代码。该代码包含一系列用于验证新交易的规则。例如，只有在发送方实际拥有发送的金额时，交易才能进行。每个矿工都会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进行交易验证。

诀窍是让所有矿工就相同的交易历史达成一致。网络中的每个矿工将持续负责为区块链准备下一批交易。但是这些计算出来的块中只有一个会被随机选择作为链上的最新块。但是在分布式网络中进行随机选择绝非易事，这就是需要工作量证明算法的原因。在工作量证明中，下一个区块将来自第一个产生有效区块链的矿工。但这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，该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块，广播被发送到网络的其余部分。在其他矿工确认该区块符合规则后，他们将接受该区块，同时丢弃他们正在计算的同一区块。幸运矿工将获得固定数量的代币，作为计算新区块链中每笔已处理交易支付的交易费用的奖励。在此之后，整个循环将重新开始。

生成有效区块的过程基本上是反复试验。矿工每秒都在尝试很多，为所谓的“nonce”块组件找到正确的值，并希望最终的完整块能够满足他们的要求（结果无法提前预测）。因此，挖矿实际上与彩票非常相似，参与者选择彩票号码。每秒尝试的次数（哈希）由您的挖矿设备的哈希率决定，通常表示为每秒千兆哈希（即每秒 10 亿次哈希），缩写为 GH/s。

可持续性

这种周期性的区块挖矿周期激励着全世界的人们参与比特币挖矿。由于采矿可以提供稳定的收入来源，人们更愿意运行大量的耗电设备以获取利润。多年来，随着比特币价格不断创新高，比特币网络的总能耗持续以惊人的速度增长。根据国际能源署发布的最新报告，整个比特币网络的用电量已经超过了很多国家。如果把比特币项目看成一个国家，它的耗电量排名如下。

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耗最高的几个国家进行比较，结果如下：

碳足迹

比特币最大的问题甚至不是其可怕的功耗，而是比特币网络中的大多数采矿设施都位于严重依赖煤电（直接或使用火电进行电力平衡）的地区（主要是中国）。简而言之比特币交易耗电吗，“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。——半边天（@halfin）2009 年 1 月 27 日

矿工地理分布

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，还需要了解这些能源的确切地理分布。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。

正如判断比特币网络上有多少活跃设备是一项极其困难的任务一样，很难跟踪这些设备的位置。最初，对此唯一的共识是大部分采矿设备都位于中国。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% 的比特币开采发生在中国，其中 30% 的开采是完全清洁的，那么加权平均碳强度约为每千瓦时 490 克二氧化碳。使用这个数字，我们可以进一步估计比特币网络的总功耗和碳足迹。

更详细的估计

此后，Garrick Hileman 和 Michel Rauchs 在 2017 年发表了一份关于全球加密货币 Benchmarking 的报告，其中发布了更详细的信息。在这项研究中，他们确定目前比特币哈希率中大约一半的采矿设施的总用电量（最低估计）为 232 兆瓦。中国的采矿设施约占一半，最低用电量为 111 兆瓦。使用这些信息，我们可以更准确地计算每千瓦时用于采矿的电力的二氧化碳当量（克二氧化碳/千瓦时）和碳排放因子（克）。

下表列出了 Hileman 和 Rauchs 在其调查报告中编制的采矿设施能耗明细。对应于国家电网排放因子，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。（这个数字今天也被广泛用于根据比特币网络的功耗指数来确定网络的整体碳足迹水平。）

一年后，Rauchs 等人。发表了类似的第二轮调查结果。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（目前按规模排名前六位的加密货币）运行在 5.9 吉瓦和 12.7 吉瓦之间。如你所见，他们在上一轮调查中涵盖的数据范围非常有限，比特币仅占总能耗的一小部分。但好消息是，最新研究中采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

可能需要强调的是，调查所涵盖国家的实际发电碳强度可能没有那么高。例如，2018 年，比特币公司 Coinshares 提到，中国的大多数采矿设施都位于四川省，人们在那里使用廉价的水力发电开采比特币。虽然现在这份报告中有许多站不住脚的说法，但我们不妨假设结论是正确的，并考虑这一切意味着什么。

很多人可能会认为，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。主要问题是水电（或其他形式的可再生能源）经常遭受不稳定的产量。特别是在四川省，雨季的平均发电量可以达到旱季的三倍。为了抵消电力供应的这种波动，旱季的短缺往往需要其他类型的电力，特别是火电来填补。相比之下，瑞典的电网排放因子一直很低，因为这里的发电以核能和水力发电为主。瑞典电网的碳排放因子为每千瓦时 13 克二氧化碳。

在最近一份题为“比特币的碳足迹”（Stoll 等人，2019 年）的报告中，研究人员解释了这种区域差异（同时引入了一种矿工测量地理分布的新方法），得出的结论是，比特币的加权平均碳强度整个比特币网络约为每千瓦时 480 克到 500 克二氧化碳（与之前的粗略估计大致一致）。

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，就永远不会关闭，除非系统崩溃或无法继续盈利。因此，当可再生电力产量较低时，比特币矿工的存在自然会增加对电网负载的潜在需求，并刺激发电设施用化石燃料填补这一电力缺口。在最极端的情况下，比特币矿工的存在甚至可以刺激电力运营商建造新的燃烧发电厂或重启已关闭的现有发电厂，而这种影响显然难以准确量化。

感兴趣的朋友还可以参考顶级期刊《焦耳》上关于比特币与可再生能源的联系的文章《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用电量对比

为了进一步了解比特币网络的用电量水平，我们不妨将其与 VISA 等另一种支付系统进行比较。根据 VISA 发布的数据，该公司在其全球所有业务中总共消耗了 674,922 吉焦的能源（涵盖多个来源）。这意味着 VISA 的总用电量相当于 17,000 个美国普通家庭的能源需求。我们还知道，VISA 公司在 2017 年总共处理了 1112 亿笔交易。根据这些数字，我们可以比较两个支付网络，发现比特币每笔交易的用电量远高于 VISA（请注意，下图显示了单笔比特币交易和 100,000 笔 VISA 交易的功耗对比）。

当然，这些数字并不完全准确（例如，VISA 办公系统的用电量未计算在内）。但即使承认这种不准确，结论也令人震惊，因为两者之间的能源消耗存在巨大差异。与传统金融体系中非现金交易的平均能耗水平相比，比特币交易的平均用电量可以达到数千倍。有些朋友可能会争辩说，这些费用完全来自交易本身，不涉及任何第三方信托机构；但是，正如我们稍后将提到的，无论如何，能耗不应该这么高。

选项

工作量证明是第一个证明自己的共识算法，但它并不是唯一有效的共识算法。近年来，诸如权益证明等更节能的算法得到了迅速发展。在 Proof-of-Stake 中，区块创建是由代币所有者而不是矿工完成的，因此不再需要设备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。未来比特币有可能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 PoS 有很多不同的版本，作为客观标准，没有一个能胜过大众。当然，

能耗模型和关键假设

即使我们可以快速计算出整个网络的哈希率，我们也无法确定这个指标代表什么级别的功耗，毕竟所有活跃的设备总是在互相争斗——所以无法衡量他们的确切功耗。过去，能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这些设备，然后得出每 GH/s（千兆哈希/秒）消耗的特定电力瓦数。在调查了真实世界的比特币挖矿后，我们意识到由于模型忽略了机器可靠性、气候和冷却成本等因素，因此产生的能耗结果必然低于实际水平。这种任意的估计方法导致了各种各样的能源消耗估计，它们之间通常存在很大差异，足以改变从中得出的经济结论。因此，我们在比特币电力消耗指数中提出了一个新的解决方案，并尝试从经济角度考察其具体的能源消耗。

该指数的基本前提是矿工收入与成本之间的相关性。由于电力成本占持续挖矿成本的很大一部分，比特币网络的总电力消耗也必须与挖矿收入直接相关。简而言之，要实现更高的挖矿收益，就必须引入更耗能的计算对账。下图详细解释和总结了比特币功耗指数如何使用矿工收入来推导功耗估计（点击此处查看同行评审学术文献中特定方法的解释）：

请注意，不同的假设可能会导致不同的计算（单击此处查看我们开发的特殊计算器，它根据不同的假设提供不同的结果）。在本次估算中，我们根据实际采矿作业信息选择了一种直观且相对保守的计算方式。这里需要强调的是，该指标的目的不是产生准确的估算，而是提供一种经济可靠的常规评估方法，从而确保相关结论比基于采矿设备的常规计算方法更准确可靠.

批评与验证

Marc Bevand 和 Jonathan Koomey 等批评者长期以来坚持认为用于估算比特币电力消耗指数的方法“存在严重缺陷”，他们不同意 2019 年发布的剑桥比特币电力消耗指数（CBECI）。剑桥指数是基于 Koomey 强烈提倡的另一种估计方法，但产生的估计与我们的没有区别。事实上，比特币用电量指数与剑桥比特币用电量指数基本一致。

除了用电量估算外，由此产生的环境影响（以碳足迹的形式）也遭到了 Robert Sharratt 和 Coinshares 等批评者的强烈反对。其中，Sharratt 还利用 Coinshares 的挖矿调查报告证明比特币网络并未对环境产生重大影响。有趣的是，Coinsahres 挖矿报告仅暗示比特币挖矿可能不会因为使用大量可再生能源而对环境产生重大影响，但它根本没有提及“碳足迹”一词。这个遗漏很严重，因为它忽略了Coinshares报告中列出的另一个数字比特币交易耗电吗，即中国比特币挖矿中心四川省发电设施的碳强度，并不像人们想象的那么低。慕尼黑工业大学 (TUM) 考虑到了这一现实，并通过独立研究得出结论，“比特币项目依赖煤炭为其提供燃料。” 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的碳足迹加权排放因子相匹配，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未来比特币功耗的一组预测模型（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% 用于电费。截至目前（2019 年 1 月），矿工实际花费超过 60% 的电费。根据 2019 年 1 月 22 日的比特币电力消耗指数，矿工已将全部收入（23 亿美元）用于电力成本。随着采矿收入大幅下降（甚至无利可图），人们可能会放弃继续将大量计算设备投入比特币网络。但考虑到这部分购机投资会降为沉没成本，

届时，用电量指数给出的比特币用电量预测不会有太大变化，因为几乎所有的收入都用于支付电费。

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