摘要：我们就比特币挖矿相关的碳足迹问题展开研究。我们认为，用户和交易所评估现状最有效的方法是通过链上交易费的视角，这是用户直接激励矿工进行能源密集型行为的主要方式。我们提供了自己非常基础且保守的计算方法，试图估算 1 美元的交易费支出所产生的碳足迹，同时在一定程度上考虑到比特币独特的能源特性，这种特性能激励人们使用低成本能源，甚至可能使用原本会搁浅的电力。与任何衡量比特币碳足迹的方法一样，我们的方法也存在缺陷、矛盾和争议，但是我们相信，没有任何一种切合实际方法可以完全达到批评者的要求，而我们的方法在其他方法的基础上做出了改进。
概述
2021 年 5 月 12 日，Elon Musk 在推特上抱怨称，与比特币挖矿相关的碳排放水平很高。于是，当作一项思维实验，我们决定对这一情况展开调查，也许再计算一下与 BitMEX 比特币交易相关的碳足迹。
首先要注意的是，这是一个复杂且具有争议的话题，几乎所有经济活动的碳排放计算都是极为困难的，对于比特币这样基于激励的系统而言尤其如此。任何政策或计算都会充斥着矛盾和错误。因此，要找到一个能让大多数人都满意的答案几乎是不可能的，而且任何分析都会有一些关键性的缺陷。尽管如此，我们还是对这些问题展开了研究。之前也有一些不成功的尝试，往往涉及将区块补贴分摊到链上交易，所得出的每笔交易的碳成本高得离谱，通常比任何切合实际的猜测都高出两个数量级，在这些尝试的启发下，我们确信自己至少能比他们做得更好一些。可能有人会说，如果要分配比特币挖矿的碳成本，那么投资者/持有人、投资产品提供商和托管人受到区块奖励的激励，由此产生环境成本可以算到他们头上。而另一方面，用户、商家和交易所受到交易费和交易的激励，由此产生环境成本可以算到他们头上。
在这篇文章中，我们尝试建立一种新的方法来估算比特币交易的碳足迹，使用的体系在一定程度上反映出有关比特币能源足迹的一些积极方面。这是一个粗略的估算，只能用于短期，而非长期解决方案。
建议您在进一步阅读本文前，先查阅我们于 2017 年 9 月发布的关于比特币能源消耗的文章。上述文章解释了为什么当时中国和水能就比特币电力来源占主导地位。这是 BitMEX Research 发布的第一篇重要报告，虽然时间有些久远，叙事也有了新的发展，但据我们所知，这份报告首次详细阐述了为何比特币挖矿是一种非常独特的电力需求类型，因为它无需在地理位置上接近能源的终端用户。
总的来说，人们对比特币的看法千差万别，谈论比特币的能源消耗也并非易事，因为不同的看法会导致截然不同的结论。根据人们对比特币以及比特币挖矿所用能源的看法，我们将持有不同观点的人分成如下三类：
第一类：比特币完全无用，因此处于不可持续的价格泡沫中
这类人群很可能认为比特币是一个完全无用的发明，推动比特币迅速升值的原因是人们对这种技术的误解和具有轰动效应的泡沫，可以用 Charles Mackay 的《非同寻常的大众幻想与全民疯狂》一书来形容。不仅如此，他们还认为比特币的情况格外糟糕，因为与其他许多狂热不同，比特币这种特殊的狂热具有造成大量环境破坏的负面外部性。大多数比特币挖矿能源使用的批评者似乎都属于这一类。比特币挖矿能源需求是仅有的“不受地理限制”的能源需求形式之一，因此对环境极为友好。那么即便比特币最终是无用的又怎样？但这种论点可能不会让这类人群信服。
然而，这类人群中关心环境的人至少可以得到一些安慰。如果这是真的，那么“不可持续的”价格泡沫最终会破灭，对比特币挖矿的激励也会减少。那么这就不会是一个长期的环境问题。这个阵营的环保主义者可以尝试教育投资者，让他们了解比特币的“无用性”或估值过高，进而尝试减少该系统在中短期内造成的环境破坏程度。
在最近比特币价格上涨的浪潮中，许多比特币的批评者都变得相当悲观。在目睹了多年来比特币价格的几次巨幅上涨并仍然坚信比特币是一个根本无用的系统后，一些人对投资大众以及他们对于尽管“无用”却继续投资比特币的偏好形成了某种负面看法。因此，他们认为比特币的迅速崛起看不到尽头，并预计未来几年将继续对环境造成毫无意义的破坏。像“比特币不会消失”这样的老生常谈似乎已经开始被人们广泛接受，甚至是那些批评比特币的人。如果您属于这一类，但相信比特币会一直存在，那么也许没错，比特币对环境非常有害，没什么好说的了。尽管如此，人们的很多行为都可能被其他人视为毫无意义，可能对环境造成破坏。有人可能会说，环保主义者对他人行为的个人好恶不应该影响他们的环保运动。然而，这一要求可能是不切实际的。
第二类：比特币的一些有用的特性在没有工作证明的系统中也能实现
然后还有第二类人，他们认为比特币有一些有趣的东西，但工作量证明并不是其中不可或缺的一部分。例如，也许加密货币总体来说是挺有意思的，即使用公钥私钥加密的交易理念，其中接收方验证发送方的签名。在我们看来，这基本上是一种混乱的思维，在去中心化的系统中，使用数字签名会更有意思，因为其中私钥代表了所有权的最终形式。
另一方面，也有人认为，通过采用诸如权益证明等能源密集度较低的机制，也可以建立一个抗审查的共识体系。我们承认，如果权益证明机制能够有效运行和扩展，那么是的，比特币在能源使用方面相对处于劣势。在 2018 年 4 月我们对权益证明机制展开了最初的研究，并计划在未来几个月内再次探究这一主题。
第三类：比特币可能具有有用的特性，并且与工作量证明机制密不可分
还有第三类人，我们读者中大多数人可能都会赞同，争取尽可能多地使用电能来决定潜在的冲突交易，这一概念正是比特币的意义所在。从比特币中去除这一点是不可能的，因为这几乎是其决定性的特征。比特币自身还具有社会效用，尤其是作为一种工具，可以让那些被金融体系封锁的人能够进行金融交易，而不受那些试图压制他们的人的限制。因此，比特币被认为对社会产生了极为正面的影响，以至于值得以环境影响为代价。
这类人可能会认为，解决环境问题的努力大多是毫无意义的，或者不过是在“释放道德信号”，因为与其他所有的能源使用相比，为什么要把比特币的能源使用单独挑出来进行批评？而其他造成浪费的活动呢？比如战争或私人飞机。
按总交易量分摊区块补贴
一些试图估算每笔比特币交易耗电量的实体通常会得出很高的数值。例如，据 statista.com 网页估计，每笔比特币交易需要超过 1,662 千瓦时的电力，与之相比，100,000 笔 VISA 交易只需要 148 千瓦时的电力，两者相差大约 100 万倍。这种说法似乎有些荒谬，因为 1,662 千瓦时的电可能要花费几百美元。一笔比特币交易目前的交易费中位数约为 4 美元。难道矿工花几百美元的电费只为了赚区区几美元？这有违基本逻辑，而这个每笔交易超过 1,000 千瓦时的高额数字几乎没有提供有关比特币、采矿或能源消耗的有意义的信息。显然，如果一个比特币用户支付的交易费是 4 美元，那么这最多只会激励或导致 4 美元的用电量，即每笔比特币交易约耗电 30 千瓦时，而不是 1,662 千瓦时。
这些能耗极高的估算值实际上是把区块补贴（目前为 6.25 个比特币）分摊到了所有链上交易中。在估算比特币系统的总能耗时，使用区块补贴非常有用，但将其用于每笔交易的计算似乎有些奇怪。毕竟区块补贴是个人用户无法左右的，他们只能决定自己支付的交易费，正是这些交易费激励矿工进行与交易相关的挖矿工作。除此之外，区块补贴可被视为用于确保整个系统的可行性，如果要在所有交易中分摊这一成本，可以考虑将发生在链下（如闪电网络）或托管系统（如 Coinbase、BitMEX）或 ProShares 比特币策略 ETF (BITO US)上的交易包含在内。
此外，必须指出的是，区块补贴被设定为指数级下降，直到最终接近零。因此，这不是一个长期的环境问题，正如中本聪所说：“激励机制将完全过渡到费用机制。”因此，在我们看来，交易所调查这个问题的最有效的方式是通过交易费的视角。即每花一美元的交易费，能激励多少用电量。
无论您对这种方法的看法如何（即使您属于第三类人），至少有可能得出积极的结果。如果人们变得更加关注如何降低平均交易费用（无论出于什么原因），则可能鼓励采用节省区块重量的技术，如批处理、SegWit（隔离见证）和 Lightning（闪电网络）。这些技术在提高环境效率的同时，也有可能让比特币变得更有用、更方便用户，因而是一种双赢的解决方案。
交易碳抵消
加密货币交易所，如 BitMEX 和 FTX，已承诺抵消与比特币交易相关的加密货币矿工能源使用所产生的碳排放。由此引发的第一个问题是为什么？为什么要抵消与比特币交易相关的碳排放，而不是业务任何其他方面的碳排放，例如网络服务器的账单。交易所为网络服务器支付的费用可能远高于比特币交易费，因此人们可能会认为这对环境造成的破坏更大。即使要抵消交易费的影响，为什么只针对矿工的用电，而不是挖矿的其他方面，如机器的生产或将机器运到现场的成本？
然而，尽管存在这些问题（可能需要写一整本书来探讨），交易所还是决定实施这项政策，因此它值得我们仔细探究和分析。
加密货币挖矿对环境的影响
事实上，加密货币挖矿是一项能耗相当密集的活动。在交易费上每花 1 美元，其中 70% 左右就可能用于激励用电。与其他一些产品或服务相比，这个比例是相当高的。这种密集度也是导致人们对比特币造成的环境影响感到担忧的原因之一。然而，尽管能源密集度极高，但就单位耗电量而言，但比特币挖矿可能是世界上最环保的活动之一。这是由于它在电力需求方面具有独特的灵活性。也就是说，矿工经常选择可再生能源，这是由于可再生能源具有稳定的低成本，或者矿工能够使用其他本会浪费或搁浅的能源。这是比特币支持者经常宣称的一个事实，而且很可能是真的。就每单位耗电量而言，比特币可能是非常环保的。
然而，每 1 美元的电费支出情况如何？比特币挖矿在这个指标上的表现如何？这一情况还不是很明朗。比特币可能仍然比全球平均水平好很多，因为可再生能源的占比很高。即使比特币矿工使用化石燃料，由于需要的能源价格很低，比特币矿工也绝不可能成为新能源项目的催化剂，这对环境来说是一个正面因素。因此，比特币挖矿仍然应该被视为是相当环保的。然而，请记住，激励机制是让矿工尽可能多地消耗电力，而不是直接激励他们使用绿色能源。
批评者甚至可以说，不受地理限制的需求与尽可能多地使用能源的激励机制，这两个因素会相互抵消。那么旷工使用低成本的清洁或其他本会浪费的电力资产的意愿也随之降低。因此，这些批评者可以声称，比特币每用 1 美元的电，可以产生和全球平均水平一样多的碳。尽管当然没有特别的理由让人相信这两个因素确实会相互抵消，而且这也不是我们赞同的方式，但为了简单起见，我们正是选择了这种非常保守的方法来进一步考虑。这并不完美，但比其他人使用的一些计算方法要好，他们在计算中为每个因素假设了一个糟糕的情景，即高能耗且没有清洁能源的缓解。
交易费碳成本的计算
如上所述，我们已经决定将重点放在交易费上。我们需要估算的是，在交易费上每花 1 美元，会造成多少吨的碳排放。这在某种程度上类似于 FTX 首席执行官 Sam Bankman-Fried (SBF) 在 2021 年 5 月的 Twitter 发文中进行的草算。考虑到其中的不确定性，这种粗略的估算可能是最合适的。我们还希望体现出比特币在能源方面的独特性，它的能源需求不受地理位置的限制，还能促使人们使用低成本电力，或者使用在其他方面都行不通的能源项目产生的电力，或者使用本会被浪费的能源。当然，这是复杂的，不能简单地用一个快速的公式来表示或估算。
我们想出的不完美的方法是，将比特币挖矿的每千瓦时平均用电成本与全球每千瓦时的平均用电成本进行比较。这个非常粗略的指标可以提供一个不完美且略显保守的经济估算，即用于开采比特币的 1 千瓦时与用于其他用途的 1 千瓦时相比，可以节省多少环境成本。
虽然这种方法显然有很大的缺陷，就像几乎任何其他系统一样，但它的优点是简单。与其深入研究水电或搁浅天然气的细微差别，不如简单地使用平均价格。另一个积极的方面是，可以从方程中剔除或“抵消”比特币挖矿的用电成本估算，我们将在下面进行解释。
例如，如果有人花了 1 美元的交易费，而比特币挖矿的平均用电成本是每千瓦时 0.06 美元，那么我们可以认为，这 1 美元的花费最多激励了 1/0.06 = 16.7 千瓦时的电力消耗。假设全球平均用电成本大约是这个数字的两倍，即每千瓦时 0.135 美元，那么比特币挖矿的成本大约是这个数字的一半这个事实则反映了效率的正面特征。 较低的成本表明比特币可能更加环保和高效。我们看到的其他估算使用这种较低的成本估算出较高的用电量，然后假设全球平均用电量的环境破坏相同；我们的方法至少比这更公平，这避免了重复计入负面因素。
因此，我们建议修改 SBF 提出的公式，使用全球平均用电成本，而不是使用比特币矿工的估算用电成本，来估计用电量。 当然，为了保持一致，我们还必须剔除关于可再生能源的任何假设（ Sam 假设的比例为 1/3），因为这在某种程度上可能是重复计算。因此，使用这种新的方法（尽管肯定会引起争议），我们现在假设每花 1 美元的交易费，最高可以激励 1/0.135=7.4 kWh 的典型用电量。
用来证明这一逻辑合理性的理论依据是，如果比特币矿工找到了更便宜的清洁能源，这只会鼓励更多的能源消耗，反之亦然，因此，比特币的能源成本不在计算范围内，我们会使用全球平均能源成本。我们仍然认为这是一个略显保守的假设，例如，比特币可以激励人们使用大量的清洁能源或本会浪费的能源，以至于高于全球平均水平的价格可能被用来估计相应的用电量。 我们的方法主要是计算，如果比特币交易费被用于通用或平均全球电力消耗，那么可能会产生多少碳排放。在现实中，比特币可能比平均水平更环保（每花一美元），因此这是一个保守的假设，然而，我们认为这显然比其他一些估算要好。
有了 7.4 千瓦时这一数字，我们就可以将其相乘，估算出 1 美元的比特币交易费会产生多少碳足迹。
将数据带入公式，我们得到的结果是，1 美元的比特币交易费最高可以激励 0.001 吨的碳排放。
全球能源相关数据来自《BP世界能源统计年鉴》（2020年）。
碳抵消价格
有了一个想要抵消多少吨碳的模型后，就可以考虑“抵消 ”这些碳，也就是付钱给第三方来进行某种活动（比如植树），以抵消对环境的破坏。然而，我们也必须承认，这也是一个不完美的解决方案，原因如下：
- 这些计划无法扩展到足以抵消全球所有碳排放的规模。它们代表了抵消一吨碳的成本最低的方法，但抵消全球所有碳排放的成本要高得多。这些计划抵消一吨碳的成本通常在 5 美元至 35 美元之间。如果一个组织想根据抵消所有碳排放的全球平均成本来计算抵消自身碳排放的成本，那么得出的数字可能至少要高出一个数量级。
- 用来计算抵消碳排放的方法可能很棘手，就像我们对碳排放的估算一样。例如，即便种植了一棵树，也不能保证这棵树能存活多久。因此，一些抵消的计算可能过于乐观或有其他缺陷。
- 还有关于经济不平等的论点，即碳抵消让富人能够毫无愧疚地继续享受高碳排放的生活方式，而由于高昂的抵消费用，穷人则更无力负担某些奢侈品。
除了碳抵消之外，欧盟还有一个碳交易计划，实体可以出钱购买碳排放权。根据这一计划，目前一吨碳的排放权需要 56 欧元，远远高于碳抵消计划的报价。
然而，使用我们上文的估算，即 1 美元的交易费会产生 0.001 吨的碳排放，根据不同的碳抵消价格，我们可以估算出碳抵消所需支付的溢价或额外金额。
| 抵消一吨碳的成本 | 交易费溢价 |
| 5美元 | 0.5% |
| 50美元 | 5.0% |
| 100美元 | 10.0% |
如果一个交易所想使用上述方法，假设每吨碳的成本为 50 美元，每花 1 美元的交易费，他们就需要花 5 美分来抵消碳成本，即 5%。与 SegWit、批处理和闪电网络带来的节省相比只是沧海一粟。
比特币的碳足迹