比特币挖矿的成本是多少？中科院、清华等学者：预计2024年用电量近3000亿千瓦时，碳排放量1.3亿吨~让我们深入分析比特币财富背后的成本！

随着比特币(BTC)在全世界的广泛认可，它所代表的价值可谓水涨船高。如今，1 BTC可兑换成约62863.20美元的“真钱”。而且这种价值的比特币理论上只有2100万个，数量非常有限，吸引了越来越多的个人和团队花费大量资源去“挖掘”这种“数字黄金”。

简单类比一下，这个过程就跟金矿开采一样。很多比特币的“矿工”或“矿场”一年四季都在通过“加密货币矿机”不断“挖矿”，不断获得比特币财富。

图|大型矿机(来源：Coindaily)

然而，在这个财富密码的背后，比特币矿机的耗电量非常惊人。剑桥研究人员公布的一份比特币功耗指数显示，如果把比特币视为一个国家，其功耗足以跻身全球前30。“采矿”活动目前的年耗电量约为121.36太瓦时(TWh，1太瓦时为10亿千瓦时)，超出了人们的想象。除非比特币价格大幅下降，否则耗电量只会增加。

那么，在中国，比特币区块链的运行造成的电力消耗是怎样的，目前和未来的碳排放模式是怎样的？关于这个问题，中国科学院和清华大学地球系统科学系的专家团队及其合作者进行了建模分析，相关论文发表在4月6日的科学期刊《自然通讯》(自然通讯)上。

图|中国比特币区块链运营碳排放和可持续性政策评估(来源：自然通讯)

研究发现，在没有任何政策干预的情况下，中国比特币区块链的年能耗预计将在2024年达到峰值，约为296.59太瓦时，相应地，此外，研究人员还讨论了比特币开采的碳排放水平控制政策和措施。

财富驱动的疯狂

近年来，基于系统动力学(SD)的模型被广泛用于估算特定领域或行业的碳排放流量。在此基础上，研究人员开发了比特币区块链碳排放模型(BBCE)，用于评估不同场景下中国比特币网络运营的碳排放水平。

他们建立了比特币区块链碳排放系统的系统边界和反馈回路，作为研究比特币区块链碳排放机制的理论框架。一般来说，BBCE模型由三个子系统组成：比特币区块链开采和交易子系统、能源消耗子系统和碳排放子系统。

图| |BBCE建模流程图(来源：Nature Communications)

在“挖矿”的过程中，当区块正式广播到比特币区块链时，为了提高挖出新区块并获得奖励的概率，矿工会投入更高的计算能力(也叫哈希率)进行挖矿。由于比特币挖矿中的能耗是由网络能耗和平均电价决定的，因此会反过来影响比特币挖矿者的动态行为。

BBCE模型收集煤基能源和水基能源领域比特币矿工的碳足迹，以制定中国整个比特币行业的整体碳排放评估模型。其中，变量GDP水平由比特币矿工的利润率和总成本构成，反映了比特币区块链的累积生产率。在这项研究中，它还作为产生单位GDP碳排放量的辅助因素，为政策制定者对比特币挖矿实施惩罚性碳税提供指导。

比特币区块链奖励每四年减半，这意味着到2140年，在比特币区块链广播新区块的奖励将为零。因此，由于比特币区块链的减半机制，比特币的市场价格会周期性上涨。 最后，通过整合碳成本和能源成本，比特币开采过程的总成本为矿商的利润率和投资策略提供了负反馈。当采矿利润在BBCE模拟中变为负值时，矿工将逐渐停止在中国采矿或转移到其他地方。

基于BBCE模型的基准模拟，中国比特币行业的年化能耗将在2024年达到峰值，为296.59太瓦时，超过意大利和沙特的总能耗水平。如果放在2016年各国碳排放排行榜上，可以排到第12位；相应地，比特币业务的碳排放量将在2024年达到每年13050万吨的峰值。

在中国，比特币挖矿的排放量将在全国182个地级市和42个主要工业行业中排名前十，约占中国发电排放量的5.41%。该行业人均GDP的最大碳排放量也将达到10.77千克/美元。

虽然工作量证明(PoW)共识算法使比特币区块链能够以相对稳定的方式运行，但诱人的财富激励导致了基于专业比特币挖矿机不同阵营的军备竞赛不断升级。

图|比特币区块链工作证明算法的碳足迹(来源：Nature Communications)

起初，矿工甚至可以在通用计算机上使用常规的中央处理器(CPU)进行采矿；之后图形处理单元(GPU)也用于挖矿，提供比CPU更高的动力和计算能力；目前市场上针对哈希运算优化的专用集成电路(ASICs)的大规模部署，硬件迭代的快速，挖矿竞争的激烈，大大增加了比特币挖矿的资本支出。

比特币挖矿活动的扩大和矿机的增加导致了巨大的能源消耗。每年的能源消耗水平与丹麦、爱尔兰或孟加拉国等中小国家相当，间接造成了巨大的碳排放。据估计，在2016年1月1日至2018年6月30日期间，高达1300万吨的二氧化碳排放可归因于比特币区块链。

尤其是在中国，由于专业的矿机厂商和廉价的电力供应，大部分挖矿过程都在中国进行，来自中国矿池的计算能力占整个比特币网络的75%以上。

图|比特币区块链的矿池分布(来源：自然通讯)

但作为世界上最大的能源消费国之一，中国是《巴黎协定》的主要签署国。如果没有适当的干预和可行的政策，中国密集的比特币区块链开采活动可能会在不同的政策情景下迅速成为

发展趋势

根据BBCE模型的子系统构成，研究人员考虑了比特币开采和开采不同阶段实施的三种主要比特币政策，然后制定了四种情景来评估比特币区块链的碳排放。

图|场景参数设置(来源：Nature Communications)

在基准场景(BM)中，市场准入假设为100%，这表明允许盈利的比特币矿工/所有效率的矿工在中国运营。根据比特币矿工/矿工的实际区域统计，研究人员假设基准场景中40%的矿工位于煤炭发电区域。

在其他三种情况下，出于节能减排的考虑，调整了不同比特币挖矿程序的政策。

具体来说，在比特币开采和交易子系统中，市场准入标准提高了一倍，即在市场准入(MA)场景下，禁止低效盈利的矿商进入中国比特币市场，同时政策制定者被迫以高效的方式维护比特币区块链的网络稳定。

在场地修复(SR)场景中，说服并建议煤矿发电区域的比特币矿工搬迁到水资源丰富的区域，以利用该区域由于雨季等因素导致的相对较低的能源可用成本。

在碳税情景(CT)中，碳税提高到初始值的两倍，以对比特币区块链的高碳排放行为进行更严厉的惩罚。

利用上述场景，研究人员评估了比特币区块链的碳排放流量和能源消耗，并评估了2014-2030年期间BBCE模拟中不同政策的碳和能源减排效果。

结果是，在没有任何政策干预的情况下，比特币区块链的碳排放模式将成为中国可持续发展努力的显著障碍。预计中国比特币区块链的年峰值能耗和碳排放量将超过意大利、荷兰、西班牙和捷克等一些发达国家。作为政策干预最少的基线评估，基线情景模拟了比特币区块链网络的自然运行结果。

在BM情景下，在中国，比特币区块链的年能耗将逐渐增加，最终在2024年达到峰值，达到每年296.59太瓦时，这表明比特币行业的运行将继续遵循能源密集型模式。关于CT场景，由于碳排放惩罚，比特币行业的最高能源需求小幅下降至217.37太瓦时；但MA和SR情景下的结果显示，2024年和2025年比特币行业总能耗将分别达到350.11 Twh和319.80 Twh。

相比之下，比特币区块链产生的碳排放在SR和CT场景下显著减少，这显示了严格的碳相关政策的积极影响。相反，MA情景见证了2025年比特币碳排放量大幅增加至1407.1亿吨。

图|不同场景的年度模拟结果，年化能耗(a)和碳排放(b)(来源：自然通讯)

基于BBCE模型的场景结果，基准场景表明，只要比特币挖矿在中国保持盈利，比特币行业运营产生的能耗和碳排放就会增加，这主要是因为工作量证明了竞争机制的正反馈循环，要求比特币矿工拥有先进的高能矿机，以增加获得区块奖励的概率。此外，所提出的系统动力学模型模拟的碳排放流量和长期趋势与之前的估计一致，用于准确估计比特币区块链的碳足迹。

研究人员认为，在中国目前的国民经济和碳排放核算中，比特币区块链的运营没有被列为碳排放和生产率计算的独立部门。这使得政策制定者更难监控比特币行业的实际行为，设计有针对性的政策。事实上，比特币网络每笔交易的能耗大于很多主流金融交易渠道。

为解决这一问题，研究人员建议政策制定者为比特币行业设立单独的监管账户，以便更好地管理和控制该行业在中国的碳排放行为。

2022蓑衣网小编

图|比特币行业能耗和碳排放对比(来源：自然通讯)

哪些管理措施更有效？

通过情景分析，研究人员认为，在限制比特币区块链运营的总能耗和碳排放方面，导致采矿活动中能源消费结构变化的政策可能比直观的惩罚措施更有效。

在整个模拟期内，BM情景下中国比特币行业人均GDP碳排放量大于所有其他情景，2026年6月达到最高10.77kg/美元。然而，研究人员发现，在碳排放强度降低方面，MA和常规CT情景下的政策有效性相当有限，即市场准入的政策有效性预计将在2027年8月下降，而碳税的政策有效性预计将持续到2024年7月。在所有预期的政策情景中，SR表现出最好的效果，可以将比特币行业人均GDP的碳排放峰值降低到6kg/美元。

总体来看，比特币行业人均碳排放量远远超过中国平均工业碳强度，说明比特币区块链运营是一个高碳密集型行业。

图|对比|BBCE情景评估(来源：自然通讯)

在BM情景下，预计2024年4月比特币矿工利润率将降至零，这意味着比特币矿工将逐渐sto 然而，应该注2022蓑衣网小编意的是，整个重新定位过程不会立即发生。沉没成本较高的矿商通常比沉没成本较低的矿商运营时间更长，并希望最终再次盈利。因此，到2030年底，比特币挖矿相关的整体能源消耗仍将为正，届时几乎所有矿工都将搬迁到其他地方。

相应地，在BM场景下，网络哈希速率按每秒1775 EH计算，矿工总成本最高可达12.68亿美元。对比其他三种政策的情景结果，预计在CT情景下，中国比特币挖矿的盈利能力会恶化得更快。另一方面，比特币区块链可以在MA和SR场景下长时间保持盈利。

基于BBCE模拟的结果，可以得出一些有吸引力的结论：MA方案虽然提高了市场准入标准和比特币矿工的效率，但实际上增加了而不是减少了模拟结果的排放。在并购情景下，研究人员观察到了先前研究中提出的激励效应现象，这种现象反映在产业政策的其他领域，如货币政策、交通规则和公司投资战略。

本质上，市场准入政策的目的是限制低效比特币矿商在中国的挖矿操作。然而，幸存下来的矿工都致力于压缩更多的网络散列率，这使他们能够在更长的时间内保持盈利。此外，在MA情景下，中国的比特币行业产生了更多的CO2排放，这主要是由于工作证明(PoW)算法和比特币矿工的逐利行为。并购情景的结果表明，市场准入相关政策可能无法有效应对比特币区块链运营的高碳排放。

碳税政策是公认的最有效、最广泛实施的碳减排政策。但模拟结果显示，碳税对比特币行业的作用有限。在比特币矿工意识到他们的开采利润受到比特币开采惩罚性碳税的影响之前，CT情景的碳排放模式与BM情景是一致的。

相反，SR场景下的仿真数据表明，它可以为比特币区块链运营的碳排放提供负反馈。与BM情景相比，SR情景下比特币行业单位GDP最大碳排放量减少一半。

值得注意的是，虽然SR场景下比特币挖矿行业的峰值年化能耗高于BM场景，但在SR场景下，有相当高比例的矿工迁移到水资源丰富的地区进行比特币挖矿作业。所以，相比BM方案，这自然降低了相关的碳排放成本。

区块链技术无罪

总体而言，在限制比特币开采准入、改变矿工能源消费结构、实施碳排放税等不同政策干预下，比特币区块链的碳排放强度仍远超中国行业平均排放强度。

这一结果表明，比特币作为区块链技术的典型案例，将在不久的将来成为一个不可忽视的能源和碳密集型产业。

然而，比特币背后所代表的区块链技术，其去中心化的特点以及以共识算法为信任机制的模型，仍然提供了一种新的解决方案，对于各种产业发展和远程交易都是有益的和创新的。近年来，区块链技术已被大量传统行业引入和采用，寻求优化其运营流程，如供应链金融、智能合同、国际商业和贸易以及制造运营。

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