深入分析比特币挖矿能耗：真实耗电量仅为全球发电量 0.15%

比特币网络大约消耗 40 至 60 太瓦时 / 年，或约 0.15% 的全球年发电量， 0.024% 的全球总能源产量。

原文标题：《硬核丨 BTC 真实耗电量仅为全球发电量的 0.15%？》

撰文：Tyler Bain

翻译：Sherrie

近年来，有许多人声称比特币和通过 SHA-256 工作证明保护网络的矿工消耗了过多的能量。但是，这些声明所依据的数据是什么？来源的计算是否使用了有缺陷或合理的方法和假设？历史上比特币网络使用了多少电能？

方法和误解

由于比特币网络的庞大的、分布在全球的拓扑结构，矿工消耗的电力和能源数量无法完全验证，而是必须进行估计。在过去几年的能源消耗中，有一大批信誉卓著的消息来源参与进来，试图以更冷静、更基于数据的方式估算比特币的网络能源消耗：

• University of Cambridge, Judge Business School （JBS）
• The International Energy Agency （IEA）
• Electric Power Research Institute （EPRI）
• Coin Center
• CoinShares
• Marc Bevand
• Hass McCook
• Alex de Vries
• Myself

估算方法似乎分为两大类：基于财务假设的经济学方法和基于工程原则的基于物理的方法。在 BTC2019 大会上，我们对这两种估算方法进行了全面的比较和对比。

在理解所有这些年度使用量估算时，重要的是要理解电力消耗通常以两种方式测量：瞬时（功率、瓦特、千瓦等）和随时间集成的相同瞬时功率测量（能量、焦耳、千瓦小时（kWh）等）。

基于经济的网络能量估算的问题

估计比特币网络能源消耗的基于经济学的方法通常假设完全理性的市场行为，可以很容易地通过一些输入变量错误假设来操纵。

从理论上讲，比特币挖矿行业是理性的、利润最大化的、完全竞争的：挖矿边际收益应趋于等于边际成本（MR = MC）。这意味着，在足够长的时间内，市场应该会找到一个平衡点，在这个平衡点上，比特币生产的每一单位所消耗的能源成本应该大致等于比特币铸造时的市场价值。这种计算方法可以提炼为：「比特币网络矿工能承担多少电力支出？」

通常，这些类型的估计过于依赖一个单一的波动变量：比特币的市场交易价格。下面是这种估算的一个简单例子：

让我们试试这个估计，比特币大约每 10 分钟产生一个区块——每小时 6 个，或者每天 144 个。目前，一个比特币区块包含 6.25 BTC 的 coinbase 区块奖励；也就是每小时 37.5 个比特币，或者每天奖励给矿工 900 个新比特币。截至撰写本文时，比特币目前的市场交易价格约为 10,750 美元，相当于比特币矿工每天可用于发电的金额为 9,675,000 美元。

这个能量相当于比特币矿工每年大约 35.3 太瓦时的用电量，假设比特币一年的价格不变，美国的平均电力成本不变。

虽然这种方法过于依赖比特币价格，但它也严重依赖矿工的假设电力成本。这类估算的计算和结论可能会有很大的不同，甚至可能受到操纵，这取决于用作输入的假设：能源成本（$/kWh）和比特币价格（$/BTC）。

这里我们使用的是美国平均电力成本 0.10 美元 / 千瓦时。然而，在美国，电力成本实际上是季节性的，州与州之间，城市与城市之间，在某些情况下，社区与社区之间。全球电力成本也存在同样的不协调。这甚至还不包括广泛的工业、商业或住宅用电费率，给这些基于经济的估算技术增加了更多的误差来源。事实上，这种计算对能源价格的严重依赖还有另一个缺陷：一些拥有高度创造力的矿商在开采过剩、否则就会被浪费、无法获取或被削减的能源时，燃料成本几乎为零。

在我看来，这一快速练习强调了为什么这种基于经济的估算方法是一种过于简单化的方法，并伴随着以下问题：

比特币挖矿、 算力 以及网络能源消耗对突然价格变动的响应不如这些基于经济的估计方法。

基于经济学的模型声称，在比特币区块奖励减半的周期（即每 21 万个区块或大约 4 年）之后，能源使用量以及网络矿工奖励都会减少一半，而难度和基于工作证明的数据则证明了这一点。

这类模型假设单一的全球平均能源成本（$ kWh）；电能成本因地区、季节甚至能源来源的不同而有很大差异。

这可能是一个上限估计。

基于物理的网络能量估算的好处

另一方面，基于物理的网络能量估算方法往往是比特币社区所习惯的一种非常严格的「数字运行」类型。

这些方法使用独立验证的链上难度、工作证明数据和原始设备制造商（OEM）公布的热率标准，更准确地估计历史能量输入比特币挖矿系统。物理评估尝试最好可以描述为「比特币化学计量比率单位分析计算：」

因此，让我们使用比特币工作量证明数据和 OEM 发布的数据来尝试这种类型的估算。比特币网络难度每 2016 个区块自我调整一次，或者大约每两周调整一次。这种难度调整是为了弥补块生产速度的差异，从而弥补网络算力的波动。

这种难度和工作量证明的关系使我们能够根据块生成率和相关的难度级别推导出网络算力的估计数。从过去十年在不同难度级别上所做的工作量，我们可以大致估算出比特币网络每年计算的 SHA-256 哈希量，如下图所示，单位为每年万亿哈希数（Th/year）或每年万亿哈希数。我们也可以对每天的数据做同样的练习，以产生更细微的计算。

到 2020 年，比特币在网络上大约有 3934 个 yota hashes 被计算出来，或者大约 3934 个 septillion 哈（「yota」和「septillion」是迄今为止科学国际（SI）中前缀最大的，（10²⁴））。

现在我们对每年的哈希值有了一个估计，接下来我们必须汇编过去 11 年的矿机效率数据，以了解产生这么多工作需要多少能源。

这里，重要的是要了解多年来为比特币区块链提供工作的不同类型的挖矿设备。每个时代和年份都有明显不同的工作证效率特征，这些特征随着时间的推移会改变网络的能耗值。比特币创世纪块由工作来自 CPU （中央处理器），块最终被采用 GPU （图形处理单元），然后在 FPGA （现场可编程门阵列），最后 ASIC （专用集成电路）比特币网络以惊人的速度发展。

重要说明：效率定义为完成该功所消耗的能量所做的有用功（terahash/joules- Th/J）。然而，ASIC 原始设备制造商通常引用一种类型的热率规格，或效率的倒数，显示能量消耗比有用的功（joules per terahash- J/Th）。

正如在下面的对数比尺图中所看到的，在过去的八年中，比特币挖矿 ASIC 的热度每年都在稳步下降，这意味着网络挖矿效率一直在提高。

将这些数据转换成每年的平均热率（下图）显示，在比特币挖矿的整个历史中，类似的急剧下降。CPU、GPU 和 FPGA 基准以及公布的 OEM 电源使用数据被用来估计 2009 年至 2012 年网络平均算务。ASIC 在 2020 年宣布的矿工在上面和下面被可视化，以显示算力热率的持续下降，但他们从能量估计中被丢弃，因为他们还没有公开可用。

所以，现在我们已经编译了所有必要的数据（年算力和年算力热率），让我们通过工程师对比特币挖掘能量化学计量学的尝试将它们结合起来：

简单地将每年完成的功（terahash/ 年）乘以系统上矿工的年估计热率（joules/terahash），你就得到了 joules/ 年的估计。我们将把 joules/ 年换算成 kWh/ 年（1kWh 等于 3.6 百万 joules），以下图表显示年度能量估算值。

然而，这种基于物理的估算方法也存在一些问题：

按效率级别计算的活跃矿工的数量是未知的，这个基于物理的模型假设市场上所有的矿工模型在发布年份中都有同等的参与。

这个模型也使用了一个阶跃函数的年度热率数据作为输入。这个年度数据会在每年的第一天突然改变，随着老矿工逐渐退休，新矿工开始工作，热率的逐渐下降会更加现实。

它假设老矿工在一年后退休，这也不太可能，因为设备的生命周期目前为两年或更长时间。

这可能是一个下限类型的估计。

比较不同的网络能量估计

在前面提到的计算尝试中，这些年度能源消耗估算落在什么位置？有趣的是，我们的这两种计算，即使使用完全不同的方法和上面讨论的所有缺点——基于经济学的估算（35.3 TWh）和基于物理的估算（40.17 TWh）——在数值上非常相似。它们也属于由值得注意的个人、实体和机构所作的各种其他流行估计的范围，如下表所示。所有这些估计量都相当相似，这使得各种不同的估计人员以及所使用的各种方法和不同假设具有可信性。

值得注意的是：比特币网络算力（EH/s）似乎开始与一般的年度能量（TWh/year）估计趋势脱钩。如果是基于物理的估计，这可能是由于 SHA-256 ASIC 挖矿设备的热率下降，如果是基于经济学的估计，或由于减半和价格停滞。

上面的图表显示了发布时的年度能源估算快照（TWh/year），但其中一些来源（剑桥大学 [C-BECI] 和 Alex de Vries [D-BECI]）实际上在几年前的每日图表上发布了这些年度估算。这又回到了前面关于能量与能量的讨论：逻辑应该防止在日轴上绘制年度能量估算。

无论如何，我认为有必要将这些已公布的估计数据与我们使用更连续的时间序列数据（回溯到 2017 年底（之前的市场历史高点））进行比较。经济和物理计算，剑桥的估计，以及 Digiconomist 的结果在时间上都是相当相似的，这些不同的估计技术，再一次增加了一些同行审查和有效性。

们的上述估算方法似乎与其他各种每日间隔的年度能量估算很好地一致，因此它们被平均在一起，创建了一种复合比特币能量指数（CBEI），如下面的 TWh/year 所示。每一种估计都有不同的假设，不同的水平和不准确性来源，因此它们的组合可能更准确。这个复合估算（CBEI）最近刚刚重新测试了比特币每年网络能源消耗总量的 60 TWh 阈值。

这个综合能量指数与比特币网络随时间的算力相比如何？在 2019 年初前后，CBEI 显示出类似的脱钩现象，算力和能源继续上升，能源消耗保持相对稳定，ASIC 热率和比特币挖矿激励已经收缩。

有趣的是，快照比特币消费估计通常是外推全年的，以 TWh/ 年的能量值表示，没有支持时间数据或证据。每日的网络功率估计要比绘制在每日图表上的所有这些年度能源消耗估计更受欢迎。图表的错误之处在于让人们大量误解数据的惊人图表错误：以日为轴绘制的年度能源估计数。因此，我冒昧地将这些每日间隔估计数转换为每日功率估计数图，以纠正上述导致数据误解的图表错误。

我提出了综合比特币功率指数（CBPI）编译从 D-BECI 和最小值，C-BECI 最大值，最小值和估计，以及我们以上的经济学和物理基础上的估计。

这个 CBPI 组合估计比特币的瞬时用电量，用瓦特表示，瓦特是电力的单位。CBPI 的峰值最近达到了近 7.58 GW，或者说是大约 6 台德罗宁时光机的 1.21 GW。

环境中的 CBPI

这么大的能量值是很难理解的，特别是在每年的情况下，所以让我们通过一些快速的比较来正确地看待这些估算：

• 银行系统消耗 650TWh/ 年
• 黄金开采 200 TWh/ 年
• PC 和主机游戏 75 TWh/ 年
• 比特币挖矿（CBEI） 60 TWh/ 年
• 纸币和铸币 11 TWh/ 年
• 美国圣诞彩灯 7TWh/ 年

基于我们以上的估计，比特币网络大约消耗 40 至 60 太瓦时 / 年，或约 0.15% 的全球年发电量（26，700 太瓦时），只有约 0.024% 的全球总能源产量（14，421，151 ktoe）。（ktoe 也是能量单位：1000 吨石油当量，11.36 兆瓦时。）

因此，如今比特币的能源消耗只是很多人认为的一个重大问题：只是不断增长的人类能源消耗的一小部分。一个世纪前，Nikola Tesla 就提出了这个问题的有趣的解决方案。就在 2020 年 9 月，一项研究称，近 76% 的比特币网络是由清洁能源供电的。此外，请记住，一旦爱因斯坦发现了质能等效性，人类利用了蕴藏在原子中的能量，推动人类进步的能源已经变得非常丰富。