據聯合國環境規劃署 2019 年報告，預計全球 2030 年的碳排放量為 560 億噸二氧化碳量，恐導致全球升溫超過 1.5 °C。如將排放量降低至 250 億噸量以下，將有機會限制在 1.5°C 內。了解比特幣挖礦產生的碳排放便十分重要。致力於揭開數位變革浪潮的平台 Digiconomist 於近期發表了一篇文章用於探討比特幣的可持續性與碳排放，本文源自於 Digiconomist 網站《 Bitcoin Energy Consumption Index》，由專欄作者 BlockBeats 整理、翻譯與撰稿。
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近期，比特幣在能源消耗以及碳排放的議題上引起了國內外廣泛的關注。持有超過 10 億美元的特斯拉 CEO 伊隆 · 馬斯克也在近期表示，當礦工使用超過 50% 的清潔能源進行挖礦時，特斯拉將恢復允許使用比特幣進行交易。
在現今國際環境下，碳排放，對於特斯拉和比特幣都無比重要。2020 全年，特斯拉淨利潤 7.21 億美元，而其僅僅通過出售碳排放積分便獲利 15.8 億美元。
此前最大的加密衍生品交易平台之一 BitMEX 宣布，用戶每支付 1 美元的費用將捐贈至少 0.0026 美元用於抵消碳足跡（筆者注：碳足跡指一個人或者團體的「碳耗用量」）。而交易平台 FTX 表示，碳補償並不是解決有關加密貨幣環境足蹟的唯一辦法，但這是一個良好的開端。
7 月 16 日，中國碳排放權交易在上海環境能源交易所正式啟動，首筆撮合價格為每噸 52.78 元，總共成交 16 萬噸，交易額為 790 萬元。這也標誌著中國開啟了碳交易的第一步，律動 BlockBeats 原文翻譯如下：
最低消耗能源量根據比特幣全網算力進行計算，2019 年 2 月 13 日前的數據統一使用功耗為 1,500 瓦的螞蟻礦機 S9 進行計算。2019 年 2 月 13 日-2019 年 11 月 7 日，統一使用螞蟻礦機 S15 進行計算。2019 年 11 月 7 日之後使用螞蟻礦機 S17e、2020 年 10 月 31 日之後使用螞蟻礦機 S19 Pro 進行計算。
目前，比特幣的碳足跡年化總額為 6,444 萬噸，相當於塞爾維亞和黑山的碳足跡；消耗電量年化總量為 135.66 太瓦時，相當於 1356.6 億度電，相當於瑞典的耗電量；同時，還產生了 6,350 噸電子垃圾。如果按照上海環境能源交易所的每噸 52.78 元人民幣計算，那麼比特幣碳足跡年化總額約價值 34 億元。
單個比特幣的碳足跡年化總額為 817.02 公斤，相當於使用 VISA 銀行卡交易 181 萬次或觀看 13 萬個小時的在線影片；消耗電量年化總量為 1,720 千瓦時，相當於一個普通美國家庭 58 天的用電量；同時，還產生了 80.5 g 電子垃圾。
論比特幣的可持續性
由於比特幣挖礦正不斷為礦工提供穩定的收入來源，因此礦工願意購買礦機並透過消耗電力的方式參與到這場遊戲。這導致比特幣網路總算力以及耗能不斷創新高（筆者注：發生於四川、雲南等地清退挖礦之前）。如果比特幣是一個國家，那麼其消耗的能源在全球排名處於 28 位。
延伸閱讀：中國礦工的最後一天！四川今凌晨「強行關停所有礦場」，比特幣算力破今年新低
當然，消耗大量的能源可能並非比特幣最大的問題。比特幣網路中大多數進行挖礦的礦機設備處於嚴重依賴煤電的地區可能才是比特幣最大的問題。
清潔能源佔比特幣挖礦消耗能源比例依舊較低
近幾年，如何確定比特幣網路的碳影響一直是一件難題。因為不僅僅需要知道比特幣網路的耗電量還需要知道這些電的來源。
透過比特幣礦工的位置了解電力來源是一種方法。當然，確定比特幣礦工的位置也並非一件易事。
最初，就像大家都知道的，比特幣礦工主要位於中國，由於中國電網的平均排放係數為 700g CO2/kWh。透過該係數，可以估算出用於比特幣挖礦的電力的碳強度（筆者注：碳強度指單位生產總值的 CO2 排放量）。假設，70% 的比特幣挖礦發生在中國，並且其中 30% 使用清潔能源，那麼加權平均碳強度為 490 gCO2eq/kWh。
後來，在 Garrick Hileman 和 Michel Rauchs 於 2017 年進行的全球加密貨幣基準研究中，有了更細化的資訊。在這項研究中，他們確認了約佔比特幣網路一半算力的設備總消耗能源的下限約為 232 兆瓦。位於中國的挖礦設備佔其中的一半，消耗能源下限約為 111 兆瓦。
Garrick Hileman 和 Michel Rauchs 調查後的挖礦設備的能源消耗明細如下圖所示。透過對應各個國家電網的碳排放係數，計算得出比特幣網路的加權平均碳強度為 475 gCO2eq/kWh。
39% 的能源消耗來自可再生能源
有用戶表示，有些國家的特定地區可能提供碳強度較低的能源。2018 年，Coinshares 表示，中國的大部分礦機都位於四川，並使用廉價的水電挖礦。然而，隨後的研究無法支持這一說法。面對這一情況，Coinshares 論文的主要作者承認「犯錯」。
具體而言，雖然四川雨季的發電量是旱季的三倍，但是水電並非持續產生。水力發電的波動導致礦工只能在有限的時間中利用廉價的水電。
在 2019 年一項由 Christian Stoll 等人進行關於比特幣碳足跡的研究中，引入了根據 IP 地址對礦工進行定位，以考慮地區差異對整個比特幣網路進行加權平均碳強度計算，得出的值為 480 – 500，與上文的 475 相差較小。
同樣，使用類似的方法，劍橋大學於 2020 年提供了一個關於比特幣礦工隨時間推移的位置變化圖。通過位置數據以及不同電網的碳強度填充不同顏色，可以得到如下圖所示的旱季挖礦活動各地區佔比。因此，按年計算，可再生能源對比特幣網路的貢獻佔比依然很低。根據劍橋大學 2020 年的採訪，礦工表示大約 39% 的能源消耗來自可再生能源。
比特幣和 VISA、黃金誰消耗更多能源？
為了更好衡量比特幣網路能源的消耗量，可以使用 VISA 作為參照物。2019 年，VISA 一共處理了 1,383 億筆交易。VISA 表示，在全球範圍內的運營活動一共消耗了 74 萬千兆焦耳。這意味著 VISA 消耗的能源相當於 19,304 個美國家庭的消耗量。經過計算，每筆 VISA 交易的碳足跡為 0.45 gCO2eq。
延伸閱讀：回顧｜比特幣耗能議題似曾相識？網路在 1999 年也被批評浪費電
這些數據說明，目前比特幣和 VISA 還有很大的差距，每筆比特幣交易的能源密集度都高於 VISA。並且，兩者碳足蹟的差距更是相差甚遠。
當然，VISA 並不能完全代表全球金融系統。但是，即使與常規金融系統中的非現金交易相比，比特幣交易都需要消耗更多的能源。
如果換一個視角，將比特幣視為「數位黃金」的話，那麼可以比較比特幣挖礦與黃金挖礦。目前，每年大約開採 3,531 噸黃金，排放約 8,100 萬噸 CO2。不過，這一類型的比較存在一定的缺陷，如黃金開採可以暫停而比特幣挖礦不能暫停。
有限的擴展性導致極端的碳足跡
每筆比特幣交易產生誇張碳排放的主要原因在於底層區塊鏈不僅建立在耗能算法上，在交易處理能力方面也極其有限。在樂觀情況下，比特幣每年可以處理約 2.2 億筆交易。而全球金融系統每年處理超過 7,000 億次支付，VISA 一類的支付提供商每秒可以處理超過 65,000 次交易。由於交易處理速度的限制，比特幣無法實現任何形式的被主流所採用並作為全球貨幣或支付系統。
對於比特幣而言，可拓展性問題也沒有真正的解決方案。部分數位貨幣的支持者認為，閃電網路等 Layer 2 解決方案有助於擴大比特幣的規模，然而這種解決方案明顯與不可能大規模轉帳相矛盾。為了將資金轉移到閃電網路中，必須先在主網上進行資金交易。按照目前的網路性能，比特幣網路需要 35 年的時間才能為地球上的 77 億人每人進行一筆交易。到目前為止，解決比特幣可拓展性問題唯一的實際辦法是利用可信的第三方進行內部處理交易，而非使用比特幣區塊鏈。然而這一不過是重複造輪子而已。
PoW 是第一個證明自己成功的公司算法，但他並不是唯一的算法。近些年，更加節能的算法如 PoS 一直在發展。與 PoW 相比，PoS 所消耗的能源可以忽略不計。據估計，如果比特幣切換到 PoS 相比目前的 PoW 可以節省 99.95% 的能源消耗。
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