用數據說話：比特幣到底消耗了多少能源？
年度統計結果彙總
碳足跡
34.73千 噸二氧化碳
相當於丹麥全國一年的碳足跡。
電力消耗
73.12太瓦時
相當於奧地利全國一年的電力消耗量。
電子垃圾
10.74 千噸
相當於盧森堡全國一年的電子垃圾總量。
單筆交易統計
碳足跡
296.15 千克二氧化碳
相當於74萬368筆VISA交易，或者觀看49358小時YouTube產生的碳足跡。
電力消耗
623.47 千瓦時
相當於一個美國普通家庭21.07天內的耗電量。
電子垃圾
91.60克
相當於1.41節二號電池或者1.99個高爾夫球的重量。
| 描述 | 值 |
|---|---|
| 比特幣當前年度估算用電量*（太瓦時） | 73.12 |
| 比特幣當前最低年耗電量**（太瓦時） | 50.4 |
| 全球採礦年化收益 | 55億6524萬622美元 |
| 全球採礦年度估算成本 | 36億5607萬3069美元 |
| 當前成本百分比 | 65.69% |
| 電力消耗量與比特幣項目最接近的國家 | 奧地利 |
| 當前單日估算用電量（千瓦時） | 2億33萬2771 |
| 每GH/s耗電量 | 0.089 |
| 網絡總哈希率PH/s（相當於100萬GH/s） | 93971 |
| 單筆交易電力消耗（千瓦時） | 623 |
| 比特幣所消耗電量能夠支持的美國普通家庭數量 | 677萬506 |
| 單筆交易所消耗電量能夠支持的美國普通家庭數量 | 21.07 |
| 比特幣項目用電量佔全球用電總量的百分比 | 0.33% |
| 年度碳足跡（二氧化碳，千噸） | 34733 |
| 單筆交易碳足跡（二氧化碳，千克） | 296.15 |
關鍵數據網絡統計結果
*關於這一能耗的估算前提假設，請點擊此處查看。本文討論了對這一估算結果的批評意見與潛在驗證思路。
**假設網絡中使用的計算機全部爲Bitmain Antminer S（單臺功耗爲1500瓦），並據此根據總網絡哈希率計算得出。2019年2有13日，最低基準變更爲Bitmain Antminer S15（更新週期平均爲180天）。
更多重要真相
自上線以來，比特幣的信任最小化共識一直通過由其提出的工作證明算法來實現。這些進行“工作”的計算機正在消耗大量能源。而建立此份比特幣電力消耗指數的目的，正是幫助大家通過數字理解這種消耗之巨，並提高人們對於工作證明算法不可持續性的認識。
請注意，此份指數報告涵蓋比特幣加Bitcoin Cash（不包括比特網絡的其他分叉）。後者已經於2019年10月1日被刪除。我們還整理出一份以太坊統計指數，感興趣的朋友可以點擊此處查看。
礦工負責執行哪些任務？
所謂礦工設備，大約每10分鐘就會將新的交易集（區塊）添加至比特幣區塊鏈當中。在區塊鏈上協作時，這些礦工彼此之間無需相互信任。礦工唯一需要信任的，只有運行比特幣項目的代碼。該代碼包含驗證新交易的一系列規則。例如，只有發送者實際擁有所發送的金額，交易才能夠起效。每個礦工都將獨立確認交易是否符合這些規則，如此一來就能在無需信任其他礦工的前提下完成交易驗證。
其中的訣竅，是讓所有礦工就相同的交易歷史達成共識。網絡中的每個礦工都將不斷負責爲區塊鏈準備下一批交易。但這些計算得出的區塊中只有一個會被隨機選擇爲鏈上的最新塊。但在分佈式網絡中進行隨機選擇絕非易事，因此才需要工作證明算法提供支持。在工作證明中，下一區塊將來自第一個產生有效區塊鏈的礦工。不過說起來容易做起來難，比特幣的協議設計使得礦工很難搶到這個名額。實際上，協議會定期調整難度，以確保網絡中的所有礦工平均每10分鐘只能產生一個有效區塊。一旦某個礦工設法生成了一個有效區塊，就會向網絡的其餘部分發送廣播。其他礦工在確認該區塊符合規則要求之後，便會接收該區塊，同時丟棄自身正在計算的同一區塊。幸運的礦工將獲得固定數量的代幣，作爲計算新區塊鏈內各已處理交易所繳納的交易費獎勵。在此之後，整個循環將再次開始。
產生有效區塊的過程，基本上就是進行反覆嘗試。各礦工每秒都在進行大量嘗試，試圖找出所謂“nonce”區塊組件的正確值，並希望最終得出的完整區塊能夠滿足其要求（無法提前預測結果）。因此，採礦實際上與抽獎非常相似，參與者相當於選擇了一個開獎數字。每秒嘗試次數（哈希）由您採礦設備的哈希率決定，通常表示爲Gigahash每秒（即每秒10億條哈希），縮寫爲GH/s。
可持續性
這樣循環往復的區塊開採週期，激勵着全世界的人們參與到比特幣的採礦中來。由於採礦能夠提供穩定的收入來源，因此人們非常願意運行大量吞噬電力的設備以獲取收益。多年以來，隨着比特幣價格不斷突破新高，比特幣網絡的總能耗也以驚人的速度持續增長。根據國際能源機構發佈的最新報告，整個比特幣網絡的電力消耗水平已經超越諸多國家。如果將比特幣項目視爲一個國家，那麼其耗電量排位情況如下所示。
除了橫向比較之外，我們還可以將比特幣網絡的電力消耗與全球能耗最高的幾個國家進行比較，結果如下所示：
碳足跡
比特幣的最大問題甚至不在於其恐怖的電力消耗，而是比特幣網絡中的大多數採礦設施都位於嚴重依賴煤電（直接使用火力發電，或者利用火力發電方式進行供電平衡）的地區（主要是中國）。簡單來講，“比特幣項目依靠煤炭爲其提供燃料。”（Stoll，2019年。）
應該考慮控制比特幣蔓延以減少二氧化碳排放。
— halfin (@halfin) 2009年1月27日
礦工的地理分佈
多年以來，確定比特幣網絡引發的碳影響一直是個巨大的挑戰。我們不僅需要了解比特幣網絡的總體功率水平，同時還需要了解這些能源的確切地理分佈。礦工的位置，則是判斷其所使用電力是否清潔的關鍵性因素。
正如判斷比特幣網絡中包含多少活躍設備是項難度極高的工作一樣，我們也很難跟蹤這些設備的所處位置。最初，與此相關的唯一共識就是大部分採礦設備位於中國。由於我們能夠確定中國電網的平均排放因子（每千瓦時電力的生產約排放700克二氧化碳），因此能夠粗略估算出比特幣採礦的碳足跡情況。假定有70%的比特幣採礦活動在中國進行，且其中30%的採礦活動完全清潔，那麼加權平均得出的碳排放強度約爲每千瓦時490克二氧化碳。利用這一數字，我們即可進一步對比特幣網絡總功耗以及碳足跡進行估算。
更詳盡的估算結果
在此之後，Garrick Hileman與Michel Rauchs於2017年發佈了一份《全球加密貨幣基準研究》報告 ，其中發佈了更多詳盡信息。在這項研究中，他們確定了目前比特幣哈希率中約半數採礦設施，其總體電力消耗（最低估算值）爲232兆瓦。其中中國的採礦設施約佔一半，最低電力消耗量爲111兆瓦。利用這一信息，我們可以更準確地計算出用於採礦的每千瓦時電力所對應的二氧化碳當量（每千瓦時二氧化碳克數）與碳排放因子（克）。
下表列出了由Hileman與Rauchs在調查報告中整理出的採礦設施能耗細分結果。通過與國家/地區電網排放因子相對應，我們發現比特幣網絡的加權平均碳排放強度爲每千瓦時475克二氧化碳。（目前這一數字也被廣泛用於根據比特幣網絡的電力消耗指數，確定網絡整體的碳足跡水平。）
| 地理位置 | 能源消耗（兆瓦） | 佔全部調查設施的百分比 | 碳排放強度（每千瓦時二氧化碳克數） |
|---|---|---|---|
| 中國 | 111 | 47.60 | 711 |
| 格魯吉亞 | 60 | 25.80 | 231 |
| 美國 | 27 | 11.60 | 489 |
| 加拿大 | 18 | 7.70 | 158 |
| 瑞典 | 10 | 4.30 | 13 |
| 冰島 | 5 | 2.10 | 0 |
| 愛沙尼亞 | 2 | 0.90 | 793 |
| 總量/加權平均值 | 233 | 100.00 | 475 |
Rauchs等人在一年之後又發佈了類似的第二輪研究結果。在最新研究中，Rauchs等人確定的加密貨幣採礦設施總能耗約爲17億瓦。根據他們的推斷與估算，全部加密貨幣採礦設施（目前規模排名前六位的加密貨幣）的運行功率在59億瓦到127億瓦之間。由此可見，他們在上一輪調查中涵蓋的數據範圍非常有限，而且比特幣也只佔全部能耗的一小部分。但好消息是，最新研究得出的採礦設施地理分佈與上一輪相比幾乎沒有變化。
區域性碳排放強度分析
可能有人會強調，調查中所涵蓋國家/地區的實際發電碳排放強度可能並沒那麼高。例如在2018年，比特幣公司Coinshares提到中國的大部分採礦設施位於四川省，人們在這裏利用廉價的水電能源開採比特幣。雖然現在來看，這份報告中有不少站不住腳的論斷，但我們也不妨假定其中的結論正確，然後思考這一切又意味着什麼。
很多人可能認定水電能源的存在，意味着比特幣網絡的碳足跡水平相對較低。但事實證明，問題並沒有這麼簡單。主要問題在於，水力發電（或者其他形式的可再生能源）往往存在發電量不穩定的問題。特別是在四川省，雨季的平均發電量可達旱季的三倍。爲了抵消這種電量供應波動，旱季期間的不足部分往往需要利用其他類型——特別是火力發電——的方式填充。相比之下，瑞典的電網排放因子則穩定較低，因爲這裏的發電方式主要爲核能與水力發電。瑞典電網的碳排放因子爲每千瓦時13克二氧化碳。
在一份名爲《比特幣的碳足跡（The Carbon Footprint of Bitcoin）》（Stoll等人，2019年）的最新報告中，研究人員解釋了這種地區差異（同時引入了一種基於IP地址對礦工進行地理分佈測定的新方法），結論是整個比特幣網絡的加權平均碳排放強度約爲每千瓦時480克到500克二氧化碳（與之前的粗略估算基本一致）。
其他問題
可以看到，可再生能源普遍存在供給不夠穩定的問題，但比特幣礦工的能源需求卻是恆定的。比特幣採礦一旦開啓，除非系統崩潰或者無法繼續實現盈利，否則就永遠不會關閉。因此，當可再生電力產量較低時，比特幣礦工的存在自然增加了對電網負荷的基礎需求，並刺激發電設施利用化石燃料填補這部分電力缺口。在最極端的情況下，比特幣礦工的存在甚至會刺激電力運營商建設新的燃燒發電廠或者重啓已經關閉的原有火力發電廠，而這方面影響顯然難以準確量化。
感興趣的朋友也可以參閱頂級期刊《焦耳》雜誌上關於比特幣與可再生能源間關聯的《可再生能源無法解決比特幣可持續問題（Renewable Energy Will Not Solve Bitcoin’s Sustainability Problem）》的文章。
比特幣與其他支付系統間的電力消耗量比較
爲了進一步理解比特幣網絡的電力消耗水平，我們不妨將其與另一類支付系統（例如VISA）進行比較。根據VISA公佈的數據，該公司在全球範圍內的全部運營總計消耗掉67萬4922千兆焦耳能量（涵蓋多種來源）。這意味着VISA的電力消耗總量相當於17000個美國普通家庭的能源需求。我們還知道，VISA公司在2017年年內共處理了1112億筆交易。根據這些數字，我們可以對兩套支付網絡做出比較，並發現比特幣的單筆交易電力消耗遠高於VISA（請注意，以下圖表所示爲單筆比特幣交易與10萬筆VISA交易間的電力消耗比較）。
當然，這些數字並不完全準確（例如沒有計入VISA辦公系統帶來的電力消耗）。但由於二者能耗存在巨大差異，因此即使承認這種不準確性的存在，結論仍然令人震驚。與常規金融系統中的平均非現金交易能耗水平相比，比特幣交易的平均電力消耗可達數千倍。有些朋友可能會爭辯，這些成本完全來自交易自身，不涉及任何第三方信任機構；但是，我們將在後文中提到，無論如何能耗也不應高到這樣的程度。
備選方案
工作證明是第一種能夠自我證明的共識算法，但並不是唯一可行的共識算法。近年來，諸如權益證明之類能效更高的算法正在快速發展之中。在權益證明中，區塊創建工作將由代幣所有者——而非礦工——負責進行，因此不再需要設備爲了每秒生成儘可能多的哈希值而消耗巨量電力。事實上，與工作證明算法相比，權益證明的能耗幾乎可以忽略不計。比特幣未來有可能會轉向這種新的共識算法，從而顯著提升自身的可持續性。但唯一的缺點在於，目前的權益證明存在多種不同版本，且沒有任何一種版本能夠力壓羣雄成爲客觀標準。當然，必須承認這種算法的存在已經爲未來加密貨幣的發展帶來了重要希望。
能耗模型與重要假設
即使能夠快速計算出網絡整體的哈希率，我們也無法斷言這項指標到底代表着怎樣的電力消耗水平，畢竟所有活動設備一直各自爲戰——因此無法統計其確切能耗。以往，我們在能耗估算中通常需要使用以下假設：哪些設備仍處於活躍狀態以及具體分配方式，而後據此得出每GH/s（每秒Gigahash）所消耗的特定電力瓦數。對現實世界中的比特幣採礦進行調查之後，我們意識到由於這套模型忽略了機器可靠性、氣候以及冷卻成本等相關因素，由此得出的能耗結果必然低於實際水平。這種武斷的估算方法會帶來各種各樣的能源消耗估算值，且不同估算值之間往往存在巨大的差別，甚至足以改變由此得出的經濟性結論。因此，我們在比特幣電力消耗指數當中提出了新的解決方法，並試圖從經濟角度審視其具體能耗狀況。
此項指數以礦工收入與成本相關性爲基本前提。由於電力成本佔採礦持續成本中的主要比例，因此比特幣網絡的總電力消耗也必然與採礦收入直接相關。簡而言之，要獲得更高的採礦收入，就必然引入更多高能耗計算調和。以下圖表詳細解釋並總結了比特幣電力消耗指數如何利用礦工收入得出電力消耗估算值（點擊此處參閱同行評審學術文獻中的具體方法解釋）：
需要注意的是，採用不同的假設性前提可能得出不同的計算結果（點擊此處查看我們開發的一款專用計算器，可根據不同假設提供不同的計算結果）。在此次估算中，我們選擇了基於實際採礦操作信息這一既直觀又相對保守的計算方式。這裏要強調，本指數的目標並非產生準確無誤的估算結果，而是提供在經濟層面具有可靠性的常規評估方式，從而確保相關結論的準確性與可靠性高於基於採礦設備的常規計算方法。
批評與驗證
Marc Bevand與Jonathan Koomey等批評者長期以來一直堅稱比特幣電力消耗指數的估算方法存在“嚴重缺陷”，但他們對2019年發佈的劍橋比特幣電力消耗指數（CBECI）卻抱有不同的意見。劍橋指數基於Koomey所大力提倡的替代性估算方法，但得出的估算結果卻與我們無甚區別。實際上，比特幣電力消耗指數與劍橋比特幣電力消耗指數的結論基本吻合。
除了電力消耗估算之外，由此產生的環境影響（表現爲碳足跡形式）也受到Robert Sharratt以及Coinshares公司等批評方的強烈反對。其中，Sharratt還曾利用Coinshares的採礦調查報告來論證比特幣網絡對環境並未產生顯著影響。有趣的是，Coinsahres採礦報告僅暗示比特幣採礦可能因使用了大量可再生能源而並未造成顯著的環境影響，但其中完全沒有提及“碳足跡”一詞。這樣的遺漏非常嚴重，因爲其忽略了Coinshares在報告中列出的另一項數據，即作爲中國比特幣採礦的中心，四川省內發電設施的碳排放強度並不像人們想象中那麼低。慕尼黑工業大學（TUM）考慮到了這一現實情況，並通過獨立研究之後給出了“比特幣項目依靠煤炭爲其提供燃料”的結論。在該大學的研究中，他們將比特幣網絡的整體加權排放因子與比特幣電力消耗指數給出的採礦設施碳足跡加權排放因子進行了匹配，因此得出了完全不同的觀點。
展望未來
當然，比特幣電力消耗指數也可以作爲一套面向未來比特幣電力消耗的預測性模型（與基於哈希率的預測方式有所不同）。我們的模型預計，礦工最終將把60%的收益用於支付電費。截至目前（2019年1月），礦工們在電費上的開銷實際高於60%。根據2019年1月22日的比特幣電力消耗指數統計，礦工已經將收入的全部（23億美元）投入到電費成本上。在採礦收入大幅下降（甚至無利可圖）的情況下，人們也許會放棄繼續利用大量計算設備投入到比特幣網絡當中。但考慮到這部分機器採購投資將淪爲沉沒成本，因此礦工大概率仍會繼續維持設備運轉，直到電費超過採礦收入（接近100%）爲止。
屆時，由於幾乎全部收入都被用於支付電費，因此電力消耗指數給出的比特幣電力消耗預測結果將不會發生顯著變化。
擴展閱讀
比特幣電力消耗指數並不是第一份針對比特幣電力消耗情況的實時估算報告。以下表格列出了以往關注這方面問題的相關文獻資料。這些資料既爲我們的電力消耗指數提供靈感，同時也可作爲對估算數字的驗證素材。
| 文章 | 發表日期 | 年均估算太瓦數 | 比特幣價格（美元） | 網絡哈希率（GH/s） | 每GH/s耗電瓦數 |
|---|---|---|---|---|---|
| 比特幣與區塊鏈：電力吞噬者 | 16/05/2017 | 0.00 | 1709 | 45億2810萬7889 | 0.00 |
| 比特幣的鉅額消耗 | 17/03/2017 | 0.00 | 1155 | 34億0146萬1767 | 0.00 |
| 比特幣仍不具備可持續性 | 07/03/2017 | 0.00 | 1187 | 33億6878萬8274 | 0.00 |
| 工作證明的缺陷：以太坊提出權益證明理念 | 07/01/2017 | 0.00 | 909 | 23億9756萬4011 | 0.00 |
| 必須演進的不可持續協議 | 01/01/2017 | 0.00 | 1000 | 25億1237萬224 | 0.00 |
| 到2020年，比特幣電力消耗總量或將與丹麥持平 | 29/03/2016 | 3.02 | 426 | 11億9436萬9655 | 0.29 |
| 比特幣很費電 | 05/10/2015 | 3.94 | 239 | 4億3531萬8014 | 1.03 |
| 比特幣的不可持續問題 | 29/06/2015 | 1.87 | 249 | 3億5363萬3397 | 0.60 |
| 比特幣網絡到底用了多少電？ | 25/05/2015 | 3.00 | 240 | 3億4293萬4450 | 1.00 |
| 虛擬比特幣採礦引發現實世界中的環境災難 | 12/04/2013 | 0.33 | 119 | 60000 | 636.99 |
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