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比特幣能源消耗介紹,與VISA支付系統比較

比特幣能源消耗

比特幣能源消耗介紹,與VISA支付系統比較

sort by Julia Tsai & Jason Ho

比特幣網絡為人類社會帶來了創新的體制,透過加密技術與分散式架構的結合,讓金融、供應鏈等領域的信任問題以及流程效率獲得了大幅度的改善。

比特幣能源消耗

區塊鏈技術最早透過比特幣呈現,雖然確實大幅降低了支付的成本以及提升了安全性,但背後的資源消耗其實非常劇烈。下文將會針對耗能原因、國家數據比較、比特幣與VISA之支付成本差異與替代方案進行解說。

比特幣特性
【source by digiconomist.net】

由上圖可知,比特幣(BTC)每年約產生29.38 Mt(碳足跡)、消耗61.85 twh(電能),非常之劇烈。2017年BTC挖礦所消耗的電力消耗約佔全球總電力消耗的0.13%,相當於台灣一年電力消耗的11.64%。比特幣能源消耗每月約會提升10~30%的速度成長。

1、區塊鏈挖礦是什麼

我們常常會在接觸區塊鏈的時候聽到「挖礦」兩字,但挖礦實際上到底在做什麼呢?礦工大約每10分鐘就會將新的交易集(區塊)添加到比特幣的區塊鏈中。在區塊鏈上工作時,這些礦工不需要互相信任,他們唯一要信任的是運行比特幣的代碼。這個代碼包括驗證新交易的一些規則,例如:只有發送人擁有足夠的幣額,交易才會有效。每個礦工都是單獨確認交易是否遵守這些規則,所以不需要信任其他礦工。

其中的訣竅是讓所有礦工都對所有歷史交易產生共識。網路上的每個礦工都會為了下次任務做準備,成為鏈上最新的區塊的負責人,用算力最高的電腦計算,以獲取比特鏈提供的 BTC 作為回饋(2020減半後為6.25顆比特幣)。由於目前比特幣的市值很高,所以為了獲得比特幣獎勵,每台電腦都必須爭取時間,在最短的時間內解出此區塊的Hash值,此時就會耗費大量的電力與消耗電腦的CPU,才能與全世界諸多的礦工競爭。

2、持續發展性(Sustainability)

這些循環的挖礦週期持續鼓勵著全世界的人們開採比特幣,因為採礦可以提供穩定的收入來源,所以人們非常願意運行耗電的挖礦機來獲得收益。多年來,隨著貨幣價格達到新高,挖礦導致比特幣網絡的總能耗增長到史無前例的比例。根據國際能源機構(International Energy Agency)發布的報告,整個比特幣網絡現在消耗的能源數量超過了許多國家。如果比特幣是一個國家,它的排名如下:

比特幣挖礦

除了上述的比較之外,還可以把比特幣的能源消耗和一些世界大國相比。結果如下:

碳足跡

3、碳足跡(Carbon footprint)

碳足跡是什麼?產品的製程,資源與能源消耗大,溫室氣體排放量越多,碳足跡越高。碳足跡計算上包含活動或產品整個生命週期直接與間接產生的溫室氣體排放量。

完整生命週期:原料取得→製造→配送→銷售→使用→廢棄回收

比特幣確實會造成大量的能源消耗,但造成大量碳足跡的原因為大多的比特幣採礦設施都嚴重依賴火力發電盛行的區域(主要是中國)。簡而言之,目前為提供BTC能源的主要燃料為煤炭(碳排放來源)。

4、礦工的作業位置

多年來,定義比特幣網路造成之碳排放影響一直是個挑戰。不僅需要知道比特幣網絡的功率需求,還需要知道能源的來源。礦工的位置資訊是計算出能源汙染程度的關鍵因素。

就像要找出比特幣網路中活躍的機器非常不容易,確定位置之難度也非常高。一開始可用的資訊不多,普遍認為大多數礦工都位於中國。所以更近一步地,我們知道中國電網的平均排放因子(每千瓦小時約700克二氧化碳排放量),因此可以粗略地估算出比特幣開採所耗費的煤炭。假設70%的比特幣採礦活動在中國進行,並且30%的採礦活動電力來源是乾淨的,那麼加權平均後的碳強度是490 gCO2eq / kWh。這個數字之後可以用於比特幣網絡的功耗估算,以推估其碳足跡。

更精確的計算

 
至今有更多的資訊可在「Global Cryptocurrency Benchmarking Study」中獲得了。在這項研究中,確定了大約佔整個比特幣*哈希率一半的設施,總(下限)消耗為232兆瓦。中國的採礦設施又佔其中的一半,其最低消耗量為111兆瓦。這個資訊可用於更準確地了解應用於採礦所用電力的碳排放因子。

下表列出了調查的採礦設施的能源消耗的細項。透過應用各自國家電網的排放因子,我們發現比特幣網絡的加權平均碳強度為475 gCO2eq / kWh。(此數字目前用於根據比特幣能源消耗指數確定比特幣網絡的碳足跡。)
 

礦工計算

5、各區域的碳強度

2018年比特幣公司Coinshares建議中國大部分採礦設施建立於四川省,因為可以使用廉價的水力發電來運作。針對這方案,有人可能會認為使用水力發電代表比特幣網絡的碳足跡相對較低,但事實證明這是一個相當危險的假設。

水力發電(或一般可再生能源)的產量並不穩定,特別是在四川,雨季的平均發電量是旱季的三倍。水力供電的不穩定漏洞通常會和以煤炭為基礎的其他類型電力補足。因此,四川省購電的碳排放係數在265至579 gCO2 / kWh之間,遠遠不及瑞典的碳排放13 gCO2 / kWh,瑞典的能源純粹以核能和水力即足夠。

其他考慮的因子

可再生能源是一種間歇性能源,但是比特幣礦工的能源需求是恆定的。比特幣挖礦機一旦開啟,直到它壞掉或無法獲利之前都不會關閉。因此,當可再生能源的產量較低時,比特幣礦工不僅增加了電網的基本負荷需求,還增加了對替代(大部分是化石燃料)能源的需求。在最壞的情況下,比特幣礦工的存在可能會刺激建設新的燃煤發電廠或重啟現有的燃煤發電廠,這種影響將更加難以量化。

6、能源消耗BTC vs VISA

為了了解比特幣網絡消耗的能源,我們將其與另一個支付系統VISA進行比較。根據VISA的數據,該公司在全球範圍內的所有運營總計消耗了674,922兆焦耳的能源(來自各種來源)。這意味著VISA的能源需求大約等於17,000個美國家庭的能源需求。VISA在2017年處理了1112億筆交易。藉由這些數字,可以比較兩個網絡,並顯示比特幣每筆交易的能源消耗比VISA高得多,如下圖所示。

BTC VS VISA

當然,這些數字並不完美(例如:不包含VISA辦公室的能源消耗),但仍能顯示比特幣交易與常規金融系統之非現金交易差距多數千倍的能量消耗。

7、替代方案

比特幣的工作量證明(POW)並不是唯一的共識算法。近年來,諸如權益證明(POS)之類的更加節能的算法正在開發中。在權益證明中,硬幣所有者創建區塊而不是礦工,因此不需要耗電的機器。所以與工作量證明相比,權益證明的能耗可忽略不計。比特幣如果切換到這種共識算法,就可以大大地提高可持續性,但這種算法唯一的缺點是存在許多不同版本的股權證明,而這些版本都還無法證明自己。就算尚未成熟,這些算法依舊為區塊鏈帶來了希望。

8、能源消耗的模型與主要假設

即使可以很容易地計算出整個網路的Hash值,也無法說出這在能源消耗方面意味著什麼,因為所有活動機器都去中心化,無法得知確切的能源消耗。過去,能源消耗估算通常包括以下假設:哪些機器仍處於活動狀態以及如何進行分配,才能算出 per Gigahash / sec(GH / s)消耗的特定瓦數。

實際對比特幣礦池的詳細檢查表明,這種方法肯定會低估網絡的能源消耗,因為它忽略了礦機效能、氣候和冷卻成本等相關要素,因此,能源消耗估算可能有很大的偏差,甚至忽略了所選參數的經濟影響。因此,比特幣能源消耗指數(Bitcoin Energy Consumption Index)提出了解決問題的方法,並從經濟角度考慮了能源消耗。

以下的計算方式指數建立在礦工收入和成本相關的前提下。由於電力成本是持續成本的主要組成部分,因此,比特幣網絡的總電力消耗也必須與礦工收入相關。簡而言之,更高的採礦收入可以支持更多的耗能機器,下圖表中總結了比特幣能源消耗指數如何使用礦工收入得出能源消耗估算值:

礦工收入

比特幣礦工的收入和(估計)支出目前如下:

礦工收入

這邊要特別注意,使用不同的假設可能會得出不同的結論。該指數的目標不是完美的估計,而是產生經濟上可靠的日常估計,該估計比透過採礦機效率推算更為準確和可靠。

未來的預測

當然,比特幣能源消耗指數也是未來比特幣能源消耗的預測模型。該模型預測礦工最終將把其收入的60%用於電力。目前礦工們在電費的開銷持續增加,成本持續增加之下,採礦收入大幅度下降之後,可能會導致不再有新的礦機加入生產的情況,至於既有機器設備之投入將被視為沈沒成本(與繼續開採的決定不再相關),礦工將繼續使機器運轉,直到用電成本超過開採收入(接近100%)為止。

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