比特币挖矿成本是多少？预计2024年将消耗近3000亿度电

然而，在这个财富密码的背后，比特币矿机的耗电量惊人。 根据剑桥研究人员发布的比特币耗电量指数，如果将比特币视为一个国家，其耗电量足以跻身全球前30名。 目前每年“挖矿”活动的耗电量约为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，否则耗电量将只会增加。

那么，在中国，比特币区块链运行产生的电力消耗是多少，当前和未来的碳排放格局又是怎样的呢？ 针对这一问题，中科院专家团队、清华大学地球系统科学系及其合作者进行了建模分析。 相关论文于4月6日发表在科学期刊《自然通讯》上。

图｜中国比特币区块链运营碳排放及可持续性政策评估（来源：Nature Communications）

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，相应产生1.305亿​​吨碳排放量，这在国内182个城市和42个工业领域中，位列前十。 此外，研究人员还探讨了比特币挖矿的碳排放控制政策措施。

财富驱使的疯狂

近年来，基于系统动力学（SD）的模型被广泛应用于特定领域或行业的碳排放流量估算。 在此基础上，研究人员开发了比特币区块链碳排放模型（BBCE），以评估中国比特币网络运行在不同场景下的碳排放水平。

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。 总体而言，BBCE模型由三个子系统组成：比特币区块链挖矿与交易子系统、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”的过程中比特币2021年挖矿电力消耗，当一个区块被正式广播到比特币区块链上时，为了增加挖出新区块并获得奖励的概率比特币2021年挖矿电力消耗，矿工会投入更多的算力（也叫哈希率）进行挖矿，这将导致整个比特币网络的计算能力增加。 由于比特币挖矿过程中的能源消耗是由网络能源消耗和平均电价决定的，它会反过来影响比特币矿工的动态行为。

BBCE模型收集比特币矿工在煤基能源和水基能源区域的碳足迹，制定出中国整个比特币行业的整体碳排放评估模型。 其中，可变GDP水平由比特币矿工的利润率和总成本组成，反映了比特币区块链的累计生产力。 在这项研究中，它还被用作产生单位 GDP 碳排放量的辅助因子，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，在比特币区块链中广播一个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出现周期性上涨。 最后，结合碳成本和能源成本，比特币挖矿过程的总成本对矿工的利润率和投资策略提供负反馈。 当 BBCE 模拟中挖矿利润变为负数时，矿工逐渐停止在中国挖矿或迁移到其他地方。

基于BBCE模型的基准模拟，中国比特币行业年化能耗将在2024年达到峰值，为296.59TWh，超过意大利和沙特的能源消耗总量水平。 可排在碳排放榜第12位； 相应地，比特币业务的碳排放量将在2024年达到1.305亿​​吨的年度峰值。

在中国，比特币挖矿的排放量将位居全国182个地级市和42个主要工业行业的前十位，约占中国发电排放量的5.41%，行业人均GDP也将有最大的碳排放量。 10.77 公斤/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基于专业比特币矿机的不同阵营的军备竞赛不断升级。

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

最初，矿工甚至可以在通用计算机上使用常规中央处理器 (CPU) 进行挖矿； 后来，图形处理单元（GPU）也被用于挖矿，提供比CPU更高的功率和计算能力； 目前，针对哈希运算优化的专用集成电路（ASIC）在市场上的大规模部署、硬件的快速迭代和激烈的挖矿竞争，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，从 2016 年 1 月 1 日到 2018 年 6 月 30 日，高达 1300 万吨的二氧化碳排放量可归因于比特币区块链。

特别是在中国，由于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，中国矿池的算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：Nature Communications）

但作为世界上最大的能源消费国之一和《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可能很快成为一种压力，干扰中国的碳减排努力。

不同政策情景下的发展趋势

基于BBCE模型的子系统构成，研究人员考虑了比特币矿业不同阶段实施的三大比特币政策，进而制定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，假设市场准入率为 100%，这表明盈利的比特币矿工/所有效率的矿工都被允许在中国运营。 根据比特币矿工/矿工的实际区域统计，研究人员假设基线情景中 40% 的矿工位于煤炭产区。

其他三个案例，出于节能减排的考虑，对不同比特币挖矿程序的政策进行了调整。

具体来说，在比特币挖矿和交易子系统中，市场准入标准提高了一倍，即在市场准入（MA）场景下，禁止低效盈利的矿工进入中国比特币市场，政策制定者被迫维护网络稳定比特币区块链的有效方式。

在现场修复（SR）场景中，说服并建议燃煤发电地区的比特币矿工搬迁到水资源丰富的地区，以利用该地区能源成本相对较低的优势，例如：雨季。

在碳税场景（CT）中，将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。

使用上述情景，研究人员评估了比特币区块链的碳流量和能源消耗，以及 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，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中不可忽视的障碍。 中国比特币区块链年能耗和碳排放峰值有望超过意大利、荷兰、西班牙、捷克等发达国家。 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源消耗将逐渐增长，并最终在 2024 年达到每年 296.59 TWh 的峰值，这表明比特币行业运行将继续遵循能源密集型模式。 关于 CT 场景，由于碳罚款，比特币行业的最大能源需求略低，为 217.37 TWh； 但 MA 和 SR 情景下的结果显示，比特币行业在 2024 年和 2025 年的总能耗将分别达到 350.11 Twh 和 319.80 Twh。

相比之下，比特币区块链产生的碳排放量在 SR 和 CT 场景中都显着减少，说明了严厉的碳相关政策的积极影响。 相比之下，在 MA 情景下，比特币的碳排放量将在 2025 年大幅增加至 1.4071 亿吨。

图｜不同情景下的年度模拟结果，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，基准情景显示，只要比特币挖矿在中国保持盈利，比特币行业运营的能源消耗和碳排放量将持续增长。 这主要是由于工作量证明竞争机制的正反馈循环，它要求比特币矿工拥有先进且能源密集型的矿机，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和长期趋势与之前用于准确估计比特币区块链碳足迹的几个估计一致。

研究人员认为，在中国目前的国民经济和碳排放核算中，比特币区块链的运行并没有被列为一个独立的部门进行碳排放和生产率的计算。 这使得政策制定者更难监控比特币行业的实际行为并设计有针对性的政策。 事实上，比特币网络每笔交易的能源消耗大于许多主流金融交易渠道。

为了解决这个问题，研究人员建议政策制定者为比特币行业设立一个单独的监管账户，以更好地管理和控制该行业在中国的碳排放。

图｜比特币行业能源消耗与碳排放量对比（来源：Nature Communications）

哪些管理措施比较有效？

通过情景分析，研究人员认为，导致挖矿活动能源消耗结构发生变化的政策，在限制比特币区块链运行的能源消耗总量和碳排放方面，可能比直观的惩罚措施更有效。

在整个模拟期间，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月达到最大值10.77千克/美元。但研究人员发现，MA下的政策有效性而常规CT情景在碳强度降低方面较为有限，即2027年8月市场准入政策有效性预计下降，而碳税政策有效性预计下降。 运行至2024年7月。在所有预期的政策情景中，SR效果最好，将比特币行业人均GDP碳排放峰值降低至6千克/美元。

总体来看，比特币行业人均GDP碳排放量远超中国平均工业碳强度，说明比特币区块链运营属于高碳行业。

图｜BBCE情景评估对比（来源：Nature Communications）

在 BM 情景下，比特币矿工的利润率预计将在 2024 年 4 月降至零，这意味着比特币矿工将逐渐停止在中国挖矿，并将业务转移到其他地方。 但需要注意的是，整个搬迁过程并不是瞬间发生的，沉没成本较高的矿工往往比沉没成本较低的矿工运营时间更长，并希望最终再次盈利。 因此，到 2030 年底，与比特币挖矿相关的整体能源消耗仍为正，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，网络算力计算为每秒1775EH，矿工总成本最高可达12.68亿美元。 对比其他三项政策的情景结果，预计在CT情景下，中国挖比特币的盈利能力将恶化得更快。 另一方面，比特币区块链在 MA 和 SR 场景下可以保持更长时间的盈利能力。

根据 BBCE 模拟的结果可以得出一些有吸引力的结论：尽管 MA 方案提高了市场准入标准并提高了比特币矿工的效率，但它实际上增加了而不是减少了模拟结果的排放量。 . 在 MA 情景下，研究人员观察到先前研究中提出的激励效应现象，这种现象体现在产业政策的其他领域，如货币政策、交通法规和企业投资策略。

从本质上讲，市场准入政策的目的是限制低效率的比特币矿工在中国的挖矿活动。 然而，幸存的矿工都致力于榨取更多的网络哈希率，这使他们能够在更长的时间内保持盈利。 此外，在 MA 情景下，中国比特币行业产生更多的 CO2 排放，这主要归因于工作量证明（PoW）算法和比特币矿工的逐利行为。 MA 情景的结果表明，与市场准入相关的政策在处理比特币区块链运营的碳密集行为方面可能效果较差。

碳税政策被公认为最有效、实施最广泛的碳减排政策。 然而，模拟结果表明，碳税对比特币行业的影响有限。 在比特币矿工意识到他们的挖矿利润受到比特币挖矿惩罚性碳税的影响之前，CT场景的碳排放模式与BM场景一致。

相反，SR情景下的模拟数据表明，它可以对比特币区块链运行的碳排放量进行负反馈，比特币行业单位GDP的最大碳排放量相比SR情景下减半。 BM场景。

值得注意的是，虽然SR场景下比特币挖矿的年化能耗峰值高于BM场景，但SR场景下有较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。 因此，与 BM 情景相比，这自然会降低相关的碳排放成本。