数据观察：比特币消耗的能源超过非洲大部分国家的总和

从马斯克发表挖矿浪费能源到以太坊转为权益证明机制，从中国禁止挖矿到 CNBC ，一个比特币的网络真的可以消耗如此大的资源吗？

你很可能看到了 Elon Musk 的推文，宣布出于环保考虑，特斯拉暂停使用比特币作为支付方式，这是可以理解的，因为特斯拉是一家绿色公司。马斯克在 5 月表示：“我们对比特币开采和交易中化石燃料的使用迅速增加感到担忧，特别是煤炭，它的排放量是所有燃料中最严重的。”非洲的大部分能源资源仍然非常依赖天然气、煤炭和石油，这些项目的成本对非洲大陆的许多人来说是遥不可及的，特别是在生产电力来开采比特币的过程中需要投入的能源量。

与非洲相比，比特币究竟消耗了多少能源？

图片来源：Kash

比特币的挖矿型网络在全球能源使用量中排名前 30 位。根据 Digiconomist 的比特币能源消耗指数，比特币的能源消耗可以为数千万人口的国家提供 131.16 TWh 的电力，这比非洲能源消耗最少的 47 个国家的总消耗量 130.05TWh 还要多。根据《焦耳科学》杂志 2019 年发表的一项研究，它每年产生 22.9 兆吨的二氧化碳，这几乎与圣多美和普林西比、科摩罗、中非共和国、几内亚比绍、吉布提、布隆迪、冈比亚、塞舌尔、佛得角、索马里、厄立特里亚、埃斯瓦蒂尼、塞拉利昂、乍得、卢旺达、利比里亚、马拉维、南苏丹、尼日尔、莱索托、刚果民主共和国和几内亚产生的二氧化碳总量一样多，这些国家产出二氧化碳的总和为 23.5 兆吨。不过，这种情况不会永远保持下去，因为比特币价格上涨，矿工的激励措施也在增加，从而导致能源消耗增加。另一个问题是，大部分矿场位于中国，并且严重依赖煤炭。由于对能源消耗的担忧，中国一直在关闭加密 货币 挖 矿业 务。

从数据可知，比特币确实是可以对环境造成极大污染，而它只是成千上万种不断增长的加密货币中的一种。 以这种速度，我们的环境真的能容忍这一切吗？ 答案是不。 我们已经在与气候变化作斗争。 为了自身和我们的星球，加密货币革命必须更具可持续性。

比特币的 PoW 共识机制及其与能源消耗的关系

正如法国数学家加斯帕德-古斯塔夫·德科里奥利所说，功是指向某个动作的能量，而能量是“完成的功” 。完成的工作可以存储在比特币等货币中，以备将来开支。比特币共识机制基于工作量证明（PoW），其中能源用于保持区块链 安全 运行。

在生成新区块的过程中，矿工们解决了一个猜谜 游戏 ，在这个游戏中，汇集交易加上一个“随机数”被插入到一个SHA-256 哈希函数中在 10 分钟的平均时间范围内，直到结果符合协议定义的预定标准。更详细地说，矿工从内存池中检索未确认的交易并将它们捆绑到一个新块中。这个块在块头中有几条信息。然后矿工获取区块头，添加一个名为“nonce”的随机数并将其放入哈希函数中，从而得到一个 256 位的数字。网络只接受小于特定限制的结果，这再次由区块链协议预先确定并称为“目标”（例如，返回结果的前 32 位必须为零 [简化]）。

矿工在哈希函数中反复插入捆绑为块的交易组合，直到结果符合标准。每秒此类试验的次数称为“哈希率”。收到符合预定标准的结果的第一个矿工将结果广播到网络并获得块奖励，该奖励还包括包含在块中的交易的交易费用。由于比特币和贵金属的相似特性，这个过程被称为“挖矿”。比特币发明者的虚构名字 中本聪 （Satoshi Nakomoto）在他的一篇帖子中支持这一说法。

“从这个意义上说，[比特币]更像是一种贵金属。供应量是预先确定的，价值会发生变化，而不是改变供应量以保持价值不变。”— 中本聪

每个区块发行的比特币数量由协议预先确定。因此，比特币的供应受到数学控制且有限——与中央银行发行的货币形成鲜明对比。随着时间的推移，每个区块发行的新比特币数量减少了 50%。这种“减半”每 210,000 个区块或大约每 4 年发生一次。目前，每个开采的区块发行 12.5 个比特币。

比特币的工作量证明机制设置为每 2016 个区块调整寻找新区块的难度，寻找新区块的平均时间约为 10 分钟。难度受网络提供的算力影响（算力越高，难度越高）。

这意味着存在一个比特币供应固定的挖矿市场，如协议所定义的，以及基于整体哈希率确定的难度对计算能力的可变需求。由于供求规律，每个区块的预定比特币奖励、当前比特币价格和挖矿成本决定了为保护网络做出贡献的具有成本效益的矿工数量。在有效市场中，溢价为零，这意味着通过工作证明燃烧 1 千瓦时能源的边际回报等于边际挖矿成本。其中块奖励包括交易费用的公式为：

比特币挖矿难度的自动调整导致了一个动态的、自我修正的系统。假设比特币价格和区块奖励保持不变，而挖矿成本增加。为了让上述等式成立，更少的人会挖矿，这最终会降低挖矿难度。反之亦然：假设方程的左边保持不变，挖矿成本降低。更多的比特币矿工将上线，这增加了难度。

然而，实际上，完美平衡不会发生，因为矿工在变得无利可图时不会立即关闭他们的设备。此外，由于制造和交付时间要求，哈希率的增加滞后。当比特币价格上涨时，这会为现有的哈希率所有者带来任意优势。

可以得出一个结论：

• 保持比特币区块链运行的能源消耗取决于网络的算力和每个矿工的能源消耗。

• 比特币奖励由协议预先确定。

• 总体具有成本效益的挖矿能力由市场定义（每个区块的比特币奖励和比特币价格）。

环境可持续的加密革命

幸运的是，在顶级加密货币中，比特币是唯一消耗如此多能量的代币——以太坊目前正在转向一个完全不同的过程，其他顶级代币（如卡尔达诺）需要的能量要少很多倍。

加密货币革命带来的环境危机有两种解决方案。比特币和大多数其他加密货币一直在使用称为“工作量证明”（PoW）的概念来验证每笔交易。工作量证明机制确保对网络的攻击成本过高，并且该机制允许在链分裂的情况下解决冲突。此外，工作量证明机制最大限度地减少了信任，因为有效链——累积工作量最多的链——可以很容易地被每个人证明。

但是这个概念有一个根本的缺陷，那就是可扩展性问题。比特币的供应量是有限的，随着供应量的减少，验证交易需要更长的时间，这反过来导致比以往任何时候都使用更多的能量来创建一个区块，从而使这条路径变得不太可行。事实上，世界各地有许多挖矿仓库竞相以最快的速度解决当前的任务，因为只有最快的计算机才能证明交易，并在数百台竞相解决相同数学问题的计算机中获得奖励。这意味着进入一笔交易的所有能量中有 99% 基本上是浪费的能量。

一种解决方案是部分中心化。证明系统所遇到的所有麻烦都是能够以去中心化的方式验证交易。一些人认为，以算法方式生产硬币的中央权威将减少能源浪费。例如，一些加密货币引入了一种称为预挖掘的概念，它要求中央机构在向公众发布之前创建一定数量的基于区块链的代币。从长远来看，许多人反对部分中心化的想法，希望保持区块链技术完全去中心化。

另一种解决方案是转向权益证明 ( PoS ) 挖矿并使用可再生能源。Proof Of Stake 系统本质上消除了 Proof Of Work 系统的竞争性计算过程，同时仍然保持一切去中心化（甚至比 PoW 更去中心化）。它让系统中的每台计算机一次处理一项任务。股权证明系统要求验证者/矿工投入一定数量的加密货币作为抵押品，称为“股权”。作为回报，该算法会定期让其中一个验证者创建区块链中的下一个区块。与工作量证明系统相比，这大大降低了能源使用量，因为无需竞相解决复杂的数学问题。

此外，还有一些发展使比特币区块链更加高效。这些发展包括交易批处理和高级密码学等优化，以及比特币之上的附加层，如 交易所 、比特币银行、侧链和 闪电网络 。

闪电网络通过减少确保一笔比特币交易所需的平均能量来扩展比特币交易量，这一点特别有趣。作为一个去中心化的点对点支付系统，使用比特币区块链的共识作为结算层来继承其独特的信任属性，闪电网络不依赖于一个称为区块链的共享账本中的条目，理论上可以每秒处理数十亿笔交易。

在中心化的第二层（像 Coinbase 等交易所）上执行的交易也不放在区块链上，也不直接消耗能量。在这种情况下，信任来自实体为其客户记录比特币交易并维护一个关于谁拥有多少比特币的封闭分类账。这些发展导致更多（如果不是无限）支付，而无需将它们放在区块链上。这就是为什么比特币交易的增加将确保每个比特币交易所需的平均能量减少到几乎为零的原因。