深度剖析比特币挖矿能耗：实际耗电量仅为全球发电量的0.15%

比特币网络每年消耗约 40 至 60 TWh，约占全球年发电量的 0.15%，占全球能源生产总量的 0.024%。

原标题：《硬核丨BTC真实耗电量仅为全球发电量的0.15%？》

作者：泰勒·贝恩

翻译：雪莉

近年来，有许多人声称比特币和通过 SHA-256 工作量证明保护网络的矿工消耗了太多能量。 但是这些说法是基于什么数据呢？ 消息来源的计算是否使用了有缺陷或合理的方法和假设？ 历史上比特币网络用了多少电？

方法和误解

由于比特币网络庞大、全球分布的拓扑结构，矿工消耗的电量和能源无法完全验证，但必须进行估算。 在过去的几年里，大量有信誉的资源都参与了能源消耗，试图以一种更平静、更基于数据的方式来估计比特币的网络能源消耗：

估计方法似乎分为两大类：基于财务假设的经济方法和基于工程原理的基于物理学的方法。 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估算时，重要的是要了解电力消耗通常以两种方式测量：瞬时（功率、瓦特、千瓦等）和随时间累积的相同瞬时功率测量（能量、焦耳、千瓦） -小时（千瓦时）等）。

基于经济的网络能量估计问题

基于经济学的方法来估计比特币网络的能源消耗通常假设完全理性的市场行为，这很容易被一些输入变量的错误假设所操纵。

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：挖矿的边际收益应该趋于等于边际成本（MR = MC）。 这意味着，在足够长的时间段内，市场应该找到一个平衡点，即生产每单位比特币所消耗的能源成本应大致等于比特币被铸造时的市场价值。 这个计算可以提炼为：“一个比特币网络矿工可以负担多少电费？”

通常，这些类型的估计过于依赖一个单一的易变变量：比特币的市场交易价格。 这是此类估计的一个简单示例：

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，或每天 144 个。 目前，一个比特币区块包含 6.25 BTC 的 coinbase 区块奖励； 那是每小时 37.5 个比特币，或每天奖励给矿工的 900 个新比特币。 在撰写本文时，比特币目前在市场上的交易价格约为 10,750 美元，这相当于比特币矿工每天可以用来发电的 9,675,000 美元。

这个能量相当于比特币矿工每年大约消耗 35.3 太瓦时的电力，假设比特币价格一年不变，美国的平均电费保持不变。

虽然这种方法在很大程度上依赖于比特币价格，但它也很大程度上依赖于矿工假设的电费。 此类估计的计算和结论可能会有很大差异，甚至可能会被操纵，具体取决于用作输入的假设：能源成本（$/kWh）和比特币价格（$/BTC）。

此处我们使用美国平均电费 0.10 美元/千瓦时。 然而，在美国，电费实际上是季节性的，州与州、城市与城市，在某些情况下，邻里与邻里。 全球电力成本也存在同样的不一致性。 而且这甚至不包括广泛的工业、商业或住宅电价，为这些基于经济学的估算技术增加了更多的错误来源。 事实上，这种严重依赖能源价格的计算还有另一个缺陷：一些极富创造力的矿工正在以接近零的燃料成本开采过剩的、否则会浪费、不可用或削减的能源。

在我看来，这个快速练习突出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，存在以下问题：

与这些基于经济的估计相比，比特币挖矿、计算能力和网络能源消耗对突然的价格变化的反应更小。

基于经济学的模型声称，在比特币区块奖励减半周期（即每 210,000 个区块，或大约 4 年）之后，能源使用以及网络矿工奖励减半，而难度和工作量证明-基于数据证明。

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

这可能是上限估计。

基于物理的网络能量估计的好处

另一方面，基于物理学的网络能量估算方法往往是比特币社区习惯的非常严格的“数字运行”类型。

这些方法使用经过独立验证的链上难度、工作量证明数据和原始设备制造商 (OEM) 发布的热耗率标准来更准确地估算比特币挖矿系统的历史能量输入。 最好将物理评估尝试描述为“比特币化学计量比单位分析计算：”

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计。 比特币网络难度每 2016 个区块或大约每两周调整一次。 这种难度调整是为了补偿出块速度的差异，从而补偿网络哈希率的波动。

这种难度和工作量证明关系使我们能够根据块生成率和相关难度级别推导出网络哈希率的估计值。 从过去十年在不同难度下所做的工作量，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，单位为万亿哈希每年(Th/year) 或每年万亿哈希值。 我们还可以对日常数据进行相同的练习，以产生更细微的计算结果。

2020 年，比特币在网络上计算出约 3934 个 yota 哈希值，或约 3934 个 septillion 哈希值（“yota”和“septillion”是迄今为止 Science International (SI) 中最大的前缀，(10²⁴)）。

现在我们有了每年的哈希率估算值，接下来我们必须汇编过去 11 年的矿工效率数据，以了解产生这么多工作需要多少能量。

在这里，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采矿设备。 每个时代和年份都有明显不同的代币效率特征，这些特征会随着时间的推移改变网络的能耗值。 Bitcoin Genesis 块由来自 CPU（中央处理器）的工作组成，块最终用于 GPU（图形处理单元），然后用于 FPGA（现场可编程门阵列），最后用于比特币网络上的 ASIC（专用集成电路）以极快的速度发展。

重要提示：效率定义为做功所消耗的能量所做的有用功（太哈希/焦耳 - Th/J）。 然而，ASIC 原始设备制造商通常会引用一种热耗率规格，或效率的倒数，显示在有用功上耗散的能量（焦耳/太哈希 - J/Th）。

从下面的对数刻度图表可以看出，比特币挖矿 ASIC 的受欢迎程度在过去八年中每年都在稳步下降，这意味着网络上的挖矿效率一直在提高。

将此数据转换为每年的平均热耗率（下图）显示，在整个比特币挖矿历史中，热耗率也出现了类似的急剧下降。 CPU、GPU 和 FPGA 基准测试以及已发布的 OEM 功耗数据用于估算 2009 年至 2012 年的网络平均计算流量。ASIC 在 2020 年发布的矿机在上下图中可视化比特币为什么耗电，以显示哈希率热率的持续下降，但由于它们尚未公开，因此从能量估算中被丢弃。

因此，既然我们已经编译了所有必要的数据（年度哈希率和年度哈希率热率），让我们通过工程师对比特币挖矿能源化学计量的尝试将它们组合起来：

只需将每年完成的工作量（太哈希/年）乘以系统中矿工的估计年热耗率（焦耳/太哈希），就可以得到以焦耳/年为单位的估计值。 我们将焦耳/年转换为千瓦时/年（1 千瓦时等于 360 万焦耳），下表显示了年度能源估算。

但是，这种基于物理的估计方法存在一些问题：

按效率等级划分的活跃矿工数量未知，这种基于物理的模型假设在发布年份市场上所有矿工模型均等参与。

该模型还使用年热耗率数据的阶跃函数作为输入。 这个年度数据会在每年的第一天突然发生变化，随着老矿工逐渐退休和新矿工开始工作，热耗率的逐渐下降将更加现实。

它假设年长的矿工在一年后退休比特币为什么耗电，这也是不太可能的，因为设备生命周期目前为两年或更长时间。

这可能是下界类型的估计。

比较不同的网络能量估计

在上述计算尝试中，这些年度能源消耗估计值在哪里？ 有趣的是，我们的两种计算，即使使用完全不同的方法和上面讨论的所有缺点——基于经济学的估计 (35.3 TWh) 和基于物理学的估计 (40.17 TWh)——在数值上非常相似。 它们也属于著名个人、实体和机构所做的各种其他流行估计的范围，如下表所示。 所有这些估计量都非常相似，这为各种不同的估计量以及所使用的各种方法和不同假设提供了可信度。

值得注意的是：比特币网络哈希率（EH/s）似乎开始与一般年度能源（TWh/年）估计趋势脱钩。 这可能是由于 SHA-256 ASIC 采矿设备的热耗率下降，如果基于物理学，如果基于经济学，或者由于减半和价格停滞。

上图显示了出版时年度能源估算（TWh/年）的快照，但其中一些来源（剑桥大学 [C-BECI] 和 Alex de Vries [D-BECI]）实际上有来自几个年前 这些年度估计发表于。 这可以追溯到之前关于能源与能源的讨论：逻辑应该防止在日轴上绘制年度能源估计值。

无论如何，我认为有必要将这些公布的估计与我们使用的更连续的时间序列数据进行比较，这些数据可以追溯到 2017 年底（之前的历史市场高点）。 经济和物理计算、剑桥估计和 Digiconomist 结果在时间上都非常相似，这些不同的估计技术再次增加了一些同行评审和有效性。

我们上面的估计方法似乎与其他各种每日间隔的年度能源估计很好地吻合，因此将它们一起平均以创建综合比特币能源指数（CBEI），如下面的 TWh/year 所示。 每个估计都有不同的假设、不同的水平和不准确的来源，因此将它们结合起来可能会更准确。 该综合估计 (CBEI) 最近刚刚重新测试了比特币年度网络总能耗的 60 TWh 阈值。

随着时间的推移，这个总能源指数与比特币网络的哈希率相比如何？ 2019年初左右，CBEI出现了类似的脱钩现象，算力和能源持续上升，能源消耗保持相对稳定，ASIC热度和比特币挖矿激励有所缩水。

有趣的是，快照比特币消耗估计通常是全年推断的，表示为以太瓦时/年为单位的能量值，没有支持时间数据或证据。 每日网络功率估算优于绘制在每日图表上的所有这些年度能源消耗估算。 这些图表的问题在于导致人们大量误解数据的严重图表错误：年度能源估算值绘制在日轴上。 因此，我冒昧地将这些每日间隔估计值转换为每日功率估计值图表，以纠正上述导致数据误解的图表错误。

我介绍了根据 D-BECI 和最小值、C-BECI 最大值、最小值和估计值以及我们基于经济学和物理学的上述估计值编制的综合比特币功率指数 (CBPI)。

这个 CBPI 组合估计了比特币的瞬时用电量，以瓦特表示，瓦特是一个电量单位。 CBPI 最近达到了近 7.58 GW 的峰值，或者大约六台 DeLorean 时间机器的 1.21 GW。

环境中的 CBPI

如此大的能量值很难理解，尤其是在一年的情况下，所以让我们通过一些快速比较来正确看待这些估计：

根据我们上面的估计，比特币网络每年消耗大约 40 到 60 TWh，约占全球年发电量的 0.15%（26,700 TWh），仅占全球能源总产量的 0.024%（14、421、151 ktoe） . （ktoe 也是一个能量单位：1,000 吨油当量，11.36 兆瓦时。）

因此，今天比特币的能源消耗只是许多人认为的一个重大问题：人类能源消耗不断增长的一小部分。 一个世纪前，尼古拉特斯拉提出了一个有趣的解决方案。 就在 2020 年 9 月，一项研究称，近 76% 的比特币网络由清洁能源提供动力。 另外请记住，一旦爱因斯坦发现了质量和能量的等价性，并且人类利用了原子中固有的能量，推动人类进步的能源就变得丰富起来。