大略类比，这个过程就像开采金矿一样，浩瀚比特币 “矿工” 或者 “矿场” 通过 “加密货币矿机” 整年一直歇地进行 “挖矿”，不断获取比特币财富。
图｜规模化运行的矿机（来源：Coindaily）
但是，在这一财富密码背后，比特币矿机的耗电量十分惊人。据剑桥研究职员曾公布的一项比特币耗电指数显示，如果把比特币看作是一个国家，它的耗电量足以排进环球前 30，“挖矿” 活动目前年耗电量约为 121.36 太瓦时（TWh，1 太瓦时为 10 亿度电），超乎人们的想象，除非比特币价格大幅下跌，否则耗电量仍将只增不减。
那么，在中国，比特币区块链运行造成的耗电量，以及当前和未来的碳排放模式又是若何的？关于这个问题，来自中国科学院、清华大学地球系统科学系的专家团队及其互助者对此进行了建模剖析，干系论文已于 4 月 6 日揭橥在科学期刊《自然通讯》（Nature Communications）上。
图｜中国的比特币区块链运营碳排放量与可持续性政策评估（来源：Nature Communications）
研究创造，在没有任何政策干预的情形下，中国境内的比特币区块链年能源花费估量将在 2024 年达到峰值，约为 296.59 太瓦时，并相应产生 1.3050 亿吨的碳排放，这在海内 182 个城市和 42 个工业部门中名列前十。此外，研究职员还比拟特币挖矿的碳排放水平管控政策方法进行了磋商。
财富使令下的猖獗近年来，基于系统动力学（SD）的模型被广泛运用于某一特定领域或行业的碳排放流量估算，在这根本上，研究职员开拓了比特币区块链碳排放模型（BBCE），以评估不同情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，大体上，BBCE 模型由三个子系统组成：比特币区块链挖掘与交易子系统、能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” 过程中，当区块被正式广播到比特币区块链时，为了提高挖出新区块并得到褒奖的概率，矿工们会投入更高的算力（也称哈希率）进行挖矿，这将导致全体比特币网络的算力上升。由于比特币挖矿过程中的能耗由网络能耗和均匀电价决定，因此会反过来影响比特币开采者的动态行为。
BBCE 模型网络了煤基能源和水基能源地区比特币矿商的碳足迹，以制订中国全体比特币行业的总体碳排放量评估模型。个中，变量 GDP 水平由比特币矿工的利润率和总本钱组成，反响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 碳排放量的赞助成分，为政策制订者比拟特币矿业履行惩罚性碳税供应辅导。
比特币区块链褒奖每四年减半一次，这意味着到 2140 年在比特币区块链中广播新区块的褒奖将为零。因此，由于比特币区块链的减半机制，比特币的市场价格会涌现周期性上涨。末了，通过综合碳本钱和能源本钱，比特币开采过程的总本钱为矿工的利润率和投资策略供应了负反馈。当采矿利润在 BBCE 仿照中变为负值时，矿工们会逐步停滞在中国的挖矿或迁移到其他地方。
基于 BBCE 模型的基准仿照，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，这超过了意大利和沙特阿拉伯的能源消费总量水平，如果放到 2016 年所有国家碳排放榜单中能排到第 12 位；相应地，比特币业务的碳排放量将在 2024 年达到每年 1.3050 亿吨的峰值。
在中国，比特币矿业的排放量将在海内 182 个地级市和 42 个紧张工业部门中排名前十，约占中国发电排放量的 5.41%，该行业的人均 GDP 最大碳排放量也将达到 10.77 千克 / 美元。
尽监工作量证明（PoW）共识算法使得比特币区块链能够以相对稳定的办法运行，但诱人的财富勉励已经导致了基于专业比特币矿机不同阵营的武备竞赛持续升级。
图｜比特币区块链事情证明算法的碳足迹（来源：Nature Communications）
最初，矿工们纵然在通用打算机上利用常规的中心处理器（CPU）就能挖矿；之后，图形处理单元（GPU）也被用来挖矿，它供应了比 CPU 更高的功率和算力；目前，市情上为进行哈希运算而优化的专用集成电路（ASICs）大规模支配，快速的硬件迭代和激烈的挖矿竞争大大增加了比特币挖矿的成本支出。
比特币挖矿活动的扩大和矿机的增多导致了巨大的能源花费量，每年的能源花费水平与丹麦、爱尔兰或孟加拉国等中小型国家相称，这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。
特殊是在中国，由于拥有专业的矿机制造商和廉价的电力供应，大部分挖矿过程都在中国进行，来自中国矿池的算力约占全体比特币网络的 75% 以上。
图｜比特币区块链的矿池分布（来源：Nature Communications）
但作为天下上最大的能源消费国之一，中国是《巴黎协定》的紧张签署国，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挖矿活动可能会迅速成为一种压力，滋扰中国的碳减排努力。
不同政策情景下的发展趋势根据 BBCE 模型的子系统构成，研究职员考虑了在比特币挖矿业不同阶段履行的三种紧张比特币政策，然后制订了比特币区块链碳排放的四种情景评估。
图｜场景参数设置（来源：Nature Communications）
在基准情景（BM）中，市场准入假设为 100%，这表明许可所有效率的盈利比特币矿工 / 矿商在中国运营。根据比特币矿工 / 矿商的实际区域统计数据，研究职员假设基准情景中 40% 的矿商位于煤炭发电地区。
在其他三种情形下，出于节能减排的考虑，对不同比特币开采程序的政策进行了调度。
详细而言，在比特币挖掘与交易子系统中，市场准入标准提高了一倍，即在市场准入（MA）情景下，禁止低效率的盈利矿工进入中国比特币市场，而政策制订者被迫以高效的办法掩护比特币区块链的网络稳定性。
在园地整治（SR）情景中，说服并建议煤矿发电区的比特币矿商迁居到水力资源丰富的地区，以利用该地区因雨季等成分而产生的相对较低的能源可用性本钱。
在碳税情景（CT）中，碳税增加到初始值的两倍，以比拟特币区块链的高碳排放行为履行更严厉的惩罚。
利用上述情景，研究职员比拟特币区块链的碳排放流量和能源花费进行了评估，并在 2014-2030 年期间的 BBCE 仿照中对不同政策的碳和能源减排效果进行了评估。
结果是，如果没有任何政策干预，比特币区块链的碳排放模式将成为中国可持续发展努力不可忽略的障碍。估量中国比特币区块链的年能源花费和碳排放峰值将超过意大利、荷兰、西班牙和捷克等一些发达国家。作为最小政策干预下的基线评估，基准情景仿照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源花费将逐渐增长，并终极在 2024 年达到峰值，为每年 296.59 太瓦时，这表明比特币行业运营将持续遵照能源密集型模式。关于 CT 场景，由于碳排放罚款，比特币行业的最高能源需求略有低落，为 217.37 太瓦时；然而，MA 和 SR 情景下的结果表明，2024 年和 2025 年比特币行业的总能耗将分别达到 350.11 Twh 和 319.80 Twh。
比较之下，比特币区块链产生的碳排放在 SR 和 CT 情景中显著减少，这解释了严厉碳干系政策的积极影响。相反，MA 情景见证了比特币碳排放量在 2025 年大幅增加至 1.4071 亿吨。
图｜不同情景年度仿照结果，年化能耗（a）和碳排放量（b）（来源：Nature Communications）
基于 BBCE 模型的情景结果，基准情景表明，只要开采比特币保持其在中国的盈利能力，比特币行业运营产生的能源花费和碳排放将持续增长。这紧张是由于事情量证明竞争机制的正反馈回路，哀求比特币矿工拥有前辈且高能耗的矿机，以增加得到区块褒奖的概率。此外，所提出的系统动力学模型所仿照的碳排放流量和长期趋势与之前的几个估计值同等，这些估计值用于精确估计比特币区块链的碳足迹。
研究职员认为，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并没有被列为碳排放和生产率打算的独立部门。这给政策制订者监控比特币行业的实际行为和设计有针对性的政策增加了难度。事实上，比特币网络的每笔交易能耗要大于浩瀚主流金融交易渠道。
为理解决这个问题，研究职员建议政策制订者为比特币行业设立单独的监管账户，以便更好地管理和掌握该家当在中国的碳排放行为。
图｜比特币行业能耗和碳排放比较（来源：Nature Communications）
什么管理方法更有效？通过情景剖析，研究职员认为，在限定比特币区块链运营中的能源花费总量和碳排放方面，导致采矿活动能源消费构造变革的政策可能比直不雅观的惩罚方法更有效。
在全体仿照期间，BM 情景下中国比特币行业的人均 GDP 碳排放量大于所有其他情景，2026 年 6 月最高达到 10.77 千克 / 美元。然而，研究职员创造，MA 和常规 CT 情景下的政策有效性在碳排放强度降落方面相称有限，即 2027 年 8 月市场准入的政策有效性估量将降落，而碳税的政策有效性估量将持续到 2024 年 7 月。在所有预期的政策情景中，SR 显示出了最好的效果，能将比特币行业的人均 GDP 碳排放峰值降至 6 千克 / 美元。
总体来看，比特币行业的人均 GDP 碳排放量远远超过中国均匀工业碳强度，表明比特币区块链运营是一个高碳密集型行业。
图｜BBCE 情景评估比较（来源：Nature Communications）
在 BM 情景下，估量 2024 年 4 月比特币矿商的利润率将降至零，这意味着比特币矿商将逐步停滞在中国的开采，并将业务转移到其他地方。然而，须要把稳的是，全体迁居过程并不是立即发生的，沉没本钱较高的矿商每每比沉没本钱较低的矿商运营韶光更长，并希望终极再次盈利。因此，到 2030 年底，比特币开采干系的整体能源花费仍为正值，届时险些所有矿工都将迁居到其他地方。
相应地，在 BM 场景中，网络哈希率打算为每秒 1775 EH，矿工总本钱最高可达 12.68 亿美元。比较其他三项政策的情景结果，估量在 CT 情景下，中国开采比特币的盈利能力将更快恶化。另一方面，比特币区块链可以在 MA 和 SR 场景中坚持较永劫光的盈利能力。
基于 BBCE 仿照的结果可以得出一些有吸引力的结论：只管 MA 方案提高了市场准入标准，提高了比特币矿商的效率，但它实际长进步了，而不是降落了仿照结果的排放量。在 MA 情景下，研究职员不雅观察到了以往研究中提出的勉励效应征象，这一征象在家当政策的其他领域，如货币政策、交通法规和企业投资策略中都有表示。
从实质上讲，市场准入政策的目的是限定低效率比特币矿商在中国的采矿作业。然而，幸存的矿工们都致力于压缩更多的网络哈希率，这使得他们能够在更长的韶光内保持盈利。此外，在 MA 情景下，中国比特币行业产生了更多的 CO2 排放，这紧张归因于事情证明（PoW）算法和比特币矿商的利润追求行为。MA 情景的结果表明，市场准入干系政策在处理比特币区块链运营的高碳排放行为方面可能不太有效。
碳税政策是公认的最有效、履行最普遍的碳减排政策。然而，仿照结果表明，碳税比拟特币行业的有效性有限。在比特币矿商意识到其采矿利润受到比特币采矿惩罚性碳税的影响之前，CT 情景的碳排放模式与 BM 情景是同等的。
相反，SR 情景下的仿照数据表明，它能够为比特币区块链运营的碳排放供应负反馈，与 BM 情景比较，SR 情景下比特币行业的每 GDP 最大碳排放量减少了一半。
值得把稳的是，只管 SR 情景下比特币采矿业的峰值年化能耗高于 BM 情景下的峰值年化能耗，但在 SR 情景下，有相称高比例的矿工迁居到水力资源丰富的地区进行比特币开采作业。因此，与 BM 方案比较，是日然降落了干系的碳排放本钱。
图｜比特币挖矿观点图（来源：Medium）
区块链技能无罪总体而言，在限定比特币开采准入、改变矿工能源消费构造、履行碳排放税平分歧政策干预下，比特币区块链的碳排放强度仍远超中国工业均匀排放强度。
这一结果表明，比特币作为区块链技能的范例案例，在不久的将来或将成为不容小觑的能源和碳密集型家当。
但是，比特币背后所代表的区块链技能，其去中央化的特性和以共识算法为信赖机制的模式还是供应了一种新的办理方案，对各种家当发展和远程交易都是有益和具有创新性的。近年来，区块链技能被大量的传统行业引入和采取，寻求优化其运营流程，如供应链金融、智能合约、国际商业和贸易以及制造业运营等。
值得关注的是，中国公民银行操持并设计一种基于区块链技能的央行数字货币（CBDC），即数字货币电子支付（DCEP），估量未来将逐渐取代中国目前基于纸币的流利中现金（M0）供应。随着区块链技能的广泛利用和运用，新的协议该当以环境友好的办法设计和调度。这一变革是确保网络可持续性的必要条件，毕竟没有人乐意看到一种颠覆性的、有出息的技能成为阻碍环球碳减排努力的碳密集型技能，上述权衡值得进一步探索和研究。
与传统家当不同的是，比特币区块链运营等新兴家当的碳排放量在目前的 GDP 和碳排放量打算中没有核算，如果没有适当的审计和监管，利用投入产出剖析等传统工具来评估这些新兴家当的碳排放量是相称具有寻衅性的，而这项研究结果也表明，系统动力学模型是研究新兴家当碳流动机制的一种很有出息的方法。
