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中国比特币区块链运营碳排放量与可持续性政策评估

佚名 区块链 2021-04-14 11:00:35 59 0

但是,在这种财富密码的背后,比特币采矿机的功耗却是惊人的。根据剑桥研究人员发布的比特币功耗指数,如果将比特币视为一个国家,其功耗足以跻身世界前30名。当前,“采矿”活动的年耗电量约为12 1. 36兆瓦时(TWh,1兆瓦时为10亿千瓦时的电力),这超出了人们的想象。除非比特币的价格急剧下跌,否则功耗只会增加。

那么,由中国的比特币区块链运营引起的功耗以及当前和未来的碳排放模式又如何呢?关于这一问题,来自中国科学院和清华大学地球系统科学系的专家团队及其合作者进行了建模分析。相关论文于4月6日发表在科学杂志《自然通讯》上。

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图片|中国比特币区块链运营的碳排放评估和可持续发展政策(来源:自然通讯)

研究发现,在没有任何政策干预的情况下,预计中国比特币区块链的年能源消耗将在2024年达到峰值,约29 6. 59太瓦时,并相应地1. 3050亿吨碳排放量,在中国182个城市和42个工业部门中排名前十。此外,研究人员还讨论了比特币开采的碳排放水平控制政策和措施。

由财富驱使的疯狂

近年来,基于系统动力学(SD)的模型已被广泛用于估算特定领域或行业的碳排放量。在此基础上,研究人员开发了比特币区块链碳排放模型(BBCE),以评估不同情景下中国比特币网络运营的碳排放水平。

他们建立了比特币区块链碳排放系统的系统边界和反馈回路,作为研究比特币区块链碳排放机制的理论框架。通常,BBCE模型由三个子系统组成:比特币区块链采矿和交易子系统,能耗子系统和碳排放子系统。

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图| BBCE建模流程图(来源:Nature Communications)

在“挖掘”过程中,当一个区块正式广播到比特币区块链时,为了增加挖掘新区块并获得奖励的可能性,矿工将投资更高的计算能力(也称为Ha Hope)进行挖掘,这将导致整个比特币网络的计算能力提高。由于比特币开采过程中的能源消耗取决于网络能源消耗和平均电价,因此反过来会影响比特币矿工的动态行为。

BBCE模型收集了煤基能源和水基能源地区的比特币矿工的碳足迹,为中国整个比特币行业开发了一个总体碳排放评估模型。其中,可变的GDP水平由比特币矿工的利润率和总成本组成,反映了比特币区块链的累积生产率。在这项研究中,它还可以作为单位GDP产生碳排放的辅助因素,并为政策制定者对比特币开采征收惩罚性碳税提供指导。

比特币区块链奖励每四年减半,这意味着到2140年,在比特币区块链中广播新区块的奖励将为零。因此,由于比特币区块链的减半机制,比特币的市场价格将定期上涨。最后,通过结合碳成本和能源成本,比特币采矿过程的总成本为矿工的利润率和投资策略提供了负面反馈。当BBCE模拟中的采矿利润变为负数时,矿工将逐渐停止在中国采矿或转移到其他地方。

基于BBCE模型的基准模拟,中国比特币行业的年能耗将在2024年达到最高峰,为29 6. 59 TWh,超过意大利和沙特阿拉伯的总能耗水平。如果将其列入所有国家的2016年碳排放量列表,它可以排在第12位;因此,到2024年,比特币业务的碳排放量将达到每年1. 3050亿吨的峰值。

在中国,比特币采矿的排放量将在中国的182个地级市和42个主要工业部门中排名前十位,约占中国发电排放量的5. 41%,以及该行业的人均排放量GDP是​​最大的碳排放量,也将达到1 0. 77公斤/美元。

尽管工作量证明(PoW)共识算法使比特币区块链能够以相对稳定的方式运行,但诱人的财富激励措施导致基于不同阵营的专业比特币采矿机的军备竞赛不断升级。

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图片|比特币区块链工作量证明算法的碳足迹(来源:Nature Communications)

一开始,即使使用通用计算机上的常规中央处理器(CPU),矿工也可以进行采矿;后来,图形处理单元(GPU)也被用于挖掘,它提供了比CPU和计算能力更高的功能;目前,针对市场上的哈希计算优化的专用集成电路(ASIC)的大规模部署,快速的硬件迭代和激烈的采矿竞争极大地增加了比特币采矿的资本支出。

比特币采矿活动的扩展和采矿机的增加导致了巨大的能源消耗。每年的能源消耗水平相当于丹麦,爱尔兰或孟加拉国等中小型国家的水平,这间接地导致了巨大的碳排放。据估计,在2016年1月1日至2018年6月30日之间,可将多达1300万吨的二氧化碳排放归因于比特币区块链。

特别是在中国,由于专业的采矿机器制造商和廉价的电源比特币挖矿工,大多数采矿过程都在中国进行,而来自中国采矿池的计算能力占整个比特币网络的75%以上。

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图片|比特币区块链的矿池分布(来源:自然通讯)

但是,作为世界上最大的能源消费国之一,中国是《巴黎协定》的主要签署国。如果没有适当的干预和可行的政策,中国密集的比特币区块链采矿活动可能很快就会成为一种压力,干扰中国的碳减排工作。

不同政策情景下的发展趋势

根据BBCE模型的子系统组成比特币挖矿工,研究人员考虑了在比特币采矿业不同阶段实施的三个主要比特币政策,然后针对比特币区块链的碳排放制定了四个方案评估。

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Figure |场景参数设置(来源:Nature Communications)

在基准情景(BM)中,市场准入假设为100%,这意味着所有高效且盈利的比特币矿工/矿工都可以在中国经营。根据比特币矿工/矿工的实际区域统计数据,研究人员假设基准情景中40%的矿工位于燃煤发电地区。

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在其他三种情况下,为了节约能源和减少排放,对不同比特币开采程序的政策进行了调整。

特别是,在比特币采矿和交易子系统中,市场准入标准已加倍,也就是说,在市场准入(MA)情况下,禁止低效率的盈利性矿工进入中国比特币市场,并且政策制定者被迫维持有效地提高比特币区块链的网络稳定性。

在站点改进(SR)场景中,有说服力并建议煤发电地区的比特币矿工迁移到水资源丰富的地区,以利用由于雨季造成的该地区能源成本相对较低的优势和其他因素。

在碳税方案(CT)中,碳税增加到初始值的两倍,以对比特币区块链的高碳排放行为施加更严格的惩罚。

利用以上场景,研究人员评估了比特币区块链的碳排放流量和能源消耗,并在2014-2030年的BBCE模拟中评估了不同政策的碳减排效果。

因此,如果没有政策干预,比特币区块链的碳排放模型将成为中国可持续发展努力中不可忽视的障碍。预计中国比特币区块链的年度能耗和碳排放峰值将超过意大利,荷兰,西班牙和捷克共和国等一些发达国家的峰值。作为具有最少策略干预的基线评估,基线方案模拟了比特币区块链网络的自然运营结果。

在BM情景下,在中国,比特币区块链的年度能耗将逐渐增加,并最终在2024年达到峰值,即每年29 6. 59兆瓦时,这表明比特币行业将运转继续遵循能源密集型模型。关于CT情景,由于碳排放罚款,比特币行业的最高能源需求略有下降,降至21 7. 37太瓦时。但是,在MA和SR情景下的结果表明,比特币行业在2024年和2025年的能源需求总量将分别达到35 0. 11 Twh和31 9. 80 Twh。

相比之下,在SR和CT场景中,比特币区块链产生的碳排放量显着减少,这说明了严格的碳相关政策的积极影响。相反,MA情景见证了2025年比特币的碳排放量显着增加至1. 4071亿吨。

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图|不同方案的年度模拟结果,年度能耗(a)和碳排放量(b)(来源:Nature Communications)

基于BBCE模型的情景结果,基准情景显示,只要在中国开采比特币保持其盈利能力,比特币行业运营所产生的能源消耗和碳排放量将继续增长。这主要归因于工作量证明竞争机制的正反馈回路,该机制要求比特币矿工拥有先进且耗能高的采矿机,以增加获得区块奖励的可能性。此外,所提出的系统动力学模型模拟的碳排放流量和长期趋势与先前的一些估计一致,可用于准确估计比特币区块链的碳足迹。

研究人员认为,在中国目前的国民经济和碳排放核算中,比特币区块链的运营并未归类为碳排放和生产力计算的独立部门。这使得决策者更难监控比特币行业的实际行为并设计针对性的政策。实际上,比特币网络上每笔交易的能耗都比许多主流金融交易渠道的能耗高。

为了解决这个问题,研究人员建议政策制定者为比特币行业建立一个单独的监管帐户,以便更好地管理和控制该行业在中国的碳排放。

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图|比特币行业能源消耗和碳排放的比较(来源:Nature Communications)

哪些管理措施更有效?

通过情景分析,研究人员认为,导致采矿活动能耗结构发生变化的政策在限制比特币区块链运营中的总能耗和碳排放方面可能比直观的惩罚更为有效。

在整个模拟期间,在BM情景下,中国比特币行业的人均GDP碳排放量高​​于所有其他情景,到2026年6月达到最高1 0. 77 kg / USD。发现在降低碳排放强度方面,MA和传统CT情景下的政策有效性十分有限,也就是说,预计2027年8月市场准入的政策有效性会降低,而碳税的政策有效性预计会降低。持续到2024年7月。在所有预期的政策情景中,SR表现出最好的效果,将比特币行业的人均GDP碳排放量减少到6千克/美元。

总体而言,比特币行业的人均GDP碳排放量远远超过中国的平均工业碳强度,这表明比特币区块链业务是一个高度碳密集型行业。

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图片| BBCE情景评估比较(来源:《自然通讯》)

在BM情景下,预计比特币矿工的利润率将在2024年4月降至零,这意味着比特币矿工将逐渐停止在中国开采并将其业务转移到其他地方。但是,应该注意的是,整个重定位过程不会立即发生。具有较低沉没成本的矿工通常比具有较低沉没成本的矿工的经营时间更长,并希望最终能再次获利。因此,到2030年底,与比特币采矿相关的总体能源消耗仍为正值,到那时几乎所有矿工都将搬到其他地方。

相应地,在BM场景中,网络哈希率被计算为每秒1775 EH,而矿工的总成本可高达1 2. 68亿美元。比较其他三项政策的情景结果,预计在CT情景下,中国比特币采矿业的盈利能力将更加迅速地恶化。另一方面,在MA和SR场景中,比特币区块链可以长时间保持盈利。

基于BBCE模拟的结果,可以得出一些引人入胜的结论:尽管MA计划提高了市场准入标准并提高了比特币矿工的效率,但它实际上在改善而不是减少了模拟结果的排放。在MA情景中,研究人员观察到了先前研究中提出的激励效应现象,这一现象反映在其他产业政策领域中,例如货币政策,交通法规和公司投资策略。

从本质上讲,市场准入政策的目的是限制中国效率低下的比特币矿工的采矿业务。但是,幸存的矿工致力于压缩更多的网络哈希率,这使他们可以在更长的时间内保持盈利。此外,在MA情景下,中国比特币行业会产生更多的CO2排放,这主要归因于工作量证明(PoW)算法和比特币矿工的获利行为。 MA情景的结果表明,与市场准入相关的政策可能无法有效应对比特币区块链运营的高碳排放行为。

碳税政策被认为是最有效和最普遍实施的碳减排政策。但是,模拟结果表明,碳税对比特币行业的有效性是有限的。在比特币矿工意识到自己的采矿利润受到比特币采矿惩罚性碳税的影响之前,CT情景的碳排放模型与BM情景是一致的。

相比之下,SR场景下的仿真数据表明,它可以对比特币区块链运营的碳排放提供负面反馈。与BM方案相比,在SR方案下,比特币行业每GDP的最大碳排放量减少了一半。

值得注意的是,尽管在SR方案下比特币采矿业的峰值年度能耗高于在BM方案下的峰值年度能耗,但在SR方案下,相当一部分矿工迁移到了液压资源富人地区开展比特币采矿业务。因此,与BM方案相比,这自然降低了相关的碳排放成本。

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比特币碳排放区块链
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