中科院清华大学：2024年比特币挖矿预计耗电量近3000亿千瓦时

在一个简单的类比中，这个过程就像黄金开采。许多比特币“矿工”或“矿场”使用“加密货币矿机”全年不间断“挖矿”，不断获取比特币财富。

然而，在这个财富密码的背后，比特币矿机的耗电量却是惊人的。根据剑桥研究人员公布的比特币耗电量指数，如果将比特币视为一个国家，其耗电量足以跻身全球前 30 名，目前“挖矿”活动的年耗电量约为 12< @1.36太瓦时（TWh，1太瓦时就是10亿度电），超乎人们的想象，除非比特币价格大幅下降，否则耗电量只会增加。

那么，中国比特币区块链运行所带来的电力消耗情况如何，目前和未来的碳排放模式又是怎样的呢？针对这个问题，中科院、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 日发表在科学期刊《自然通讯》上。

图 | 中国比特币区块链运营碳排放与可持续发展政策评估（来源：Nature Communications）

研究发现，在没有任何政策干预的情况下，中国比特币区块链的年能耗预计将在 2024 年达到峰值，约为 296.59 太瓦时，相应产生<@1.305亿吨碳排放量，在中国182个城市和42个工业部门中位居前十。此外，研究人员还讨论了控制比特币挖矿碳排放水平的政策措施。

财富驱使的疯狂

近年来，基于系统动力学（SD）的模型被广泛应用于特定领域或行业的碳排放估算。在此基础上，研究人员开发了比特币区块链碳排放模型（BBCE）来评估中国比特币网络运营在不同场景下的碳排放水平。

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。总体而言，BBCE模型由三个子系统组成：比特币区块链挖矿与交易子系统、能源消耗子系统和碳排放子系统。

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

在“挖矿”过程中，当一个区块被正式广播到比特币区块链时，矿工为了增加挖出新区块并获得奖励的概率，会投入更高的算力（也称为算力）挖矿，即将导致整个比特币网络的计算能力增加。由于比特币挖矿过程中的能源消耗是由网络能源消耗和平均电价决定的，进而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比特币矿工的碳足迹，为中国整个比特币行业开发了一个整体的碳排放评估模型。其中，可变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力。在本研究中，它还作为单位 GDP 产生碳排放的辅助因素，为政策制定者对比特币挖矿实施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一个新区块的奖励将为零。因此，由于比特币区块链的减半机制，比特币的市场价格会出现周期性上涨。最后，通过结合碳和能源成本，比特币挖矿过程的总成本为矿工的利润率和投资策略提供了负反馈。当 BBCE 模拟中的采矿利润变为负数时，矿工逐步停止在中国的采矿或转移到其他地方。

基于 BBCE 模型的基准模拟，2024 年中国比特币行业的年化能耗峰值将达到 296.59 TWh，如果可以的话，将超过意大利和沙特阿拉伯的总能耗水平。 2016年各国碳排放排名第12位；相应地，比特币业务的碳排放量将在 2024 年达到 <@1.3050 亿吨/年的峰值。

在中国，比特币挖矿的排放量将在中国182个地级市和42个主要工业部门中排名前十，约占中国发电排放量的5.41%，以及该行业的人均GDP碳排放量最大的国家，排放量也将是 10.77 kg/$。

虽然工作量证明（PoW）共识算法使比特币区块链能够以相对稳定的方式运行，但有吸引力的财富激励导致基于不同专业比特币矿工阵营的军备竞赛不断升级。

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

最初，矿工甚至可以在通用计算机上使用传统的中央处理器（CPU）进行挖矿；后来，图形处理单元（GPU）也被用于挖矿，提供比 CPU 更高的算力和计算能力；目前，市场上针对哈希运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挖矿竞争，大大增加了比特币挖矿的资本支出。

比特币挖矿活动的扩大和矿机的增加导致了巨大的能源消耗，每年可与丹麦、爱尔兰或孟加拉国等中小国家相媲美，间接导致巨大的碳排放。据估计，在 2016 年 1 月 1 日至 2018 年 6 月 30 日期间，多达 1300 万吨的二氧化碳排放可归因于比特币区块链。

特别是在中国，由于有专业的矿机制造商和廉价的电力供应，大部分挖矿过程都在中国进行，来自中国矿池的算力占整个比特币网络的 75% 以上。

图 | 比特币区块链中矿池的分布（来源：Nature Communications）

但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成为一种压力，干扰中国的碳减排努力。

不同政策情景下的发展趋势

基于 BBCE 模型的子系统构成，研究人员考虑了在比特币采矿业不同阶段实施的三大比特币政策，然后对比特币区块链的碳排放进行了四种情景评估。

图 | 场景参数设置（来源：Nature Communications）

在基线情景（BM）中，假设市场准入率为 100%，这表明允许盈利的比特币矿工/所有效率的矿工在中国运营。根据比特币矿工/矿工的实际区域统计，研究人员假设基线情景中 40% 的矿工位于煤炭发电区域。

在其他三个案例中，针对不同比特币挖矿程序的政策进行了节能减排调整。

具体而言，在比特币挖矿和交易子系统中，市场准入标准加倍，即在市场准入（MA）场景下，禁止低效率和盈利矿工进入中国比特币市场，同时政策制定者强制维护网络稳定比特币区块链的有效方式。

在现场修复（SR）场景中，说服并建议煤炭发电地区的比特币矿工搬迁到水力发电丰富的地区，以利用该地区由于雨季等因素相对较低的能源供应成本。

在碳税情景（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施加更严厉的处罚。

使用上述场景，研究人员在 2014-2030 年期间的 BBCE 模拟中评估了比特币区块链的碳排放流量和能源消耗，以及不同政策的碳减排效果。

结果是，在没有任何政策干预的情况下，比特币区块链的碳排放模式将成为中国可持续发展努力的一个不可忽视的障碍。中国比特币区块链的年峰值能耗和碳排放量预计将超过意大利、荷兰、西班牙和捷克等一些发达国家。作为具有最少政策干预的基线评估，基线情景模拟了比特币区块链网络的自然运作。

在BM情景下，在中国，比特币区块链的年能耗将逐渐增加，最终在2024年达到峰值，达到296.59 TWh/年，表明比特币行业运营将继续遵循能源密集型模式。关于 CT 情景，由于碳罚款，比特币行业的峰值能源需求略有下降至 217.37 TWh；但是，MA 和 SR 情景的结果表明，2024 年和 2025 年行业总能耗将分别达到 350.11 Twh 和 319.80 Twh。

相比之下，在 SR 和 CT 场景中，比特币区块链的碳排放量显着减少，说明了严厉的碳相关政策的积极影响。相反，MA 情景见证了到 2025 年比特币碳排放量大幅增加至 <@1.407.1 Gt。

图 | 不同情景的年度模拟结果，年化能耗（a）和碳排放量（b）（来源：Nature Communications）

根据 BBCE 模型的情景结果，基线情景表明，只要在中国开采比特币保持盈利，比特币行业运营的能源消耗和碳排放量将继续增长。这主要是由于工作量证明竞争机制的正反馈循环，这要求比特币矿工拥有先进且耗能的矿机，以增加获得区块奖励的概率。此外，所提出的系统动力学模型模拟的碳排放流和长期趋势与先前用于精确估计比特币区块链碳足迹的几个估计一致。

研究人员认为，在中国目前的国民经济和碳排放核算中，比特币区块链的运行并未被单独列为碳排放和生产力计算的部门。这使得政策制定者更难监控比特币行业的实际行为并设计有针对性的政策。事实上，比特币网络每笔交易的能耗比很多主流金融交易渠道都要大。

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设立一个单独的监管账户，以更好地管理和控制该行业在中国的碳排放。

图 | 比特币行业能耗与碳排放对比（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，在限制比特币区块链运行中的总能源消耗和碳排放方面，导致采矿活动能源消耗结构发生变化的政策可能比直观的处罚更有效。

BM情景下中国比特币行业人均GDP碳排放量在整个模拟期间均大于其他所有情景，2026年6月最高达到10.77 kg/USD。 MA和常规CT情景下的政策有效性在碳强度降低方面相当有限，即2027年8月市场准入的政策有效性预计会降低，而碳税的政策有效性预计将持续到2024 年 7 月。在所有预期的政策情景中，SR 的效果最好，将比特币行业的人均 GDP 碳排放峰值降低到 6 公斤/美元。

总体来看，比特币行业人均GDP碳排放量远超中国平均工业碳强度，说明比特币区块链运营是一个高碳密集型行业。

图 | BBCE 场景评估对比（来源：Nature Communications）

在 BM 情景下，比特币矿工的利润率预计将在 2024 年 4 月降至零，这意味着比特币矿工将逐渐停止在中国的挖矿并将其业务转移到其他地方。但是，需要注意的是，整个搬迁过程不会立即发生，沉没成本较高的矿工往往比沉没成本较低的矿工运营时间更长，并希望最终再次盈利。因此，到 2030 年底，与比特币挖矿相关的整体能源消耗保持正值，届时几乎所有矿工都将迁往其他地方。

相应地，在BM场景下，网络算力计算为每秒1775 EH，矿工总成本最高可达12.68亿美元。比较其他三种政策的情景结果，在 CT 情景下，中国比特币挖矿的盈利能力预计会更快恶化。另一方面，比特币区块链在 MA 和 SR 场景下可以保持较长时间的盈利能力。

基于 BBCE 模拟的结果可以得出一些有吸引力的结论：虽然 MA 方案提高了市场准入门槛并提高了比特币矿工的效率，但它实际上增加了，而不是减少了模拟结果的排放。在 MA 情景下，研究人员观察到了前人研究提出的激励效应现象，这种现象反映在产业政策的其他领域，如货币政策、交通法规和企业投资策略等。

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挖矿业务。然而，幸存的矿工都在努力挤压更多的网络哈希率，这使他们能够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逐利行为。MA 情景的结果表明，与市场准入相关的政策在解决比特币区块链运营的碳密集型行为方面可能不太有效。

碳税政策被公认为最有效、实施最广泛的碳减排政策。然而，模拟结果表明，碳税对比特币行业的效果有限。CT 情景的碳排放模式与 BM 情景一致，直到比特币矿工意识到他们的采矿利润受到比特币采矿惩罚性碳税的影响。

相反，SR场景下的模拟数据表明，它能够为比特币区块链运营的碳排放提供负反馈，与BM场景相比，比特币行业单位GDP的最大碳排放量减少了一半。

值得注意的是，虽然 SR 情景下比特币挖矿业的年化能耗峰值高于 BM 情景下，但在 SR 情景下，有相当多的矿工迁移到水资源丰富的地区。进行比特币挖矿业务。因此，与 BM 选项相比，这自然会降低相关的碳成本。

区块链技术无罪

总体而言能源大佬挖比特币能源大佬挖比特币，在限制比特币挖矿准入、改变矿工能源消费结构、实施碳排放税等多种政策干预下，比特币区块链的碳排放强度仍远超中国行业平均排放强度。

这一结果表明，比特币作为区块链技术的典型案例，在不久的将来可能会成为一个不可小觑的能源和碳密集型产业。

但是，比特币背后的区块链技术，其去中心化的特性以及使用共识算法作为信任机制的模式，仍然提供了一种新的解决方案，有利于各行业的发展和远程交易。创新的。近年来，区块链技术已被大量寻求优化其运营流程的传统行业引入和采用，例如供应链金融、智能合约、国际商业和贸易以及制造运营。

值得注意的是，中国人民银行规划设计了一种基于区块链技术的央行数字货币（CBDC），即数字货币电子支付（DCEP），有望逐步取代中国目前以纸币为主的流通现金(M) 未来。0）供应。随着区块链技术的广泛使用和应用，应该以环保的方式设计和安排新的协议。这种变化对于确保网络的可持续性是必要的，毕竟没有人愿意观察到一个颠覆性的、有前途的技术成为碳密集型的，阻碍全球减少碳排放的努力，上述权衡值得进一步探索和研究。

与传统行业不同的是，比特币区块链运营等新兴行业的碳排放量并未计入当前的GDP和碳排放量计算中。如果没有适当的审计和监督，使用投入产出分析等传统工具来评估这些新兴产业的碳排放是相当具有挑战性的，本研究的结果也表明系统动力学建模是一种很有前途的研究方法新兴产业的碳流动机制。