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WEEX编译|MIT报告:美国比特币挖矿对气候的影响

2023-08-09 13:39 · 稿源: 站长之家用户

来源:MIT CEEPR(MIT 能源与环境政策研究中心),2023 年 6 月

作者:Christian Stoll, Lena Klaaßen, Ulrich Gallersdörfer, Alexander Neumüller

编译:WEEX 交易所

摘要

关于比特币挖矿对气候的影响,学者和比特币支持者的观点大相径庭。我们验证了双方的论点,并为美国比特币挖矿的范围和能源来源提供了经验证据。

截至 2022 年底,至少有 38% 的比特币挖矿活动迁移到了美国和加拿大,并且研究表明,仅我们分析的在美上市的 13 家矿商每年造成的碳排放量就高达 720 万吨二氧化碳。与此同时,比特币网络的经济激励措施可以为封堵废弃的油气井提供补贴,从而大规模减少甲烷排放。

大型上市矿商的挖矿地点和能源来源的透明度日益提高,这凸显了信息披露的价值,并可能有助于消除不受支持的行业主张,改进基于假设的学术模型,并将监管机构的目光引向「比特币采矿可能带来气候惠益」方向。

导言

比特币挖矿以其能源强度而闻名。 截至 2023 年 3 月 25 日,比特币矿工的电力需求达到 15.4 千兆瓦 (GW)。在比特币网络中,矿工通过计算难题竞争出块,将区块添加到链上,并验证区块中包含的代币所有权和交易。 为了参与这个过程,矿工使用耗电的专用硬件设备。

尽管学者和比特币支持者都认为矿工消耗了大量电力,但关于比特币挖矿对气候影响的观点却存在根本性偏差。 批评者将比特币的电力消耗视为一场灾难,而支持者则将其视为一项功能而非缺陷。 越来越多的学术研究将比特币的碳足迹与中等国家的排放水平相比较。与此同时,比特币支持者强调了电网平衡服务、支持可再生能源发展、通过废气利用或封堵油气井减少甲烷排放,以及将挖矿硬件的废热用于辅助活动等潜在的气候惠益。

我们验证了双方的论点,并提供了美国比特币挖矿规模和能源来源的实证证据,这些数据来自 13 家公开上市的挖矿公司。截至 2022 年底,这些公司的比特币挖矿量占网络总算力的 1/4。值得注意的是,在 2022 年 12 月北美冬季风暴 Elliott 期间,比特币矿工缩减了多达 100 EH/s 算力,相当于当天比特币网络总算力的 38%。这个数字证明:2022 年 12 月,至少 38% 的比特币挖矿活动位于美国和加拿大。

我们发现,在美上市的比特币矿业公司所消耗电力的碳强度为 397 克二氧化碳/kWh,与美国电网的平均水平相当,仅我们分析的在美上市的 13 家矿业公司所造成的碳排放量就超过了整个佛蒙特州(Vermont)的排放量。

这些基于电网平均排放因子的调查结果,与行业声称的大多数(58.9%)比特币挖矿由可持续能源驱动的说法形成了鲜明对比。在美国发电结构中,可再生能源 (21.5%) 和核电 (18.2%) 构成的非化石电力所占比例要低得多。与此同时,我们发现比特币挖矿的潜在气候惠益也值得密切关注。

为了弥合这场争论中的分歧,理解既定的碳核算规则,并确定证实可再生能源声明所需的数据至关重要。 上市矿商的挖矿地点和能源来源的透明度越来越高,凸显了披露义务的价值,这可能有助于消除不受支持的行业主张,改进基于假设的学术模型,并引导监管机构关注比特币挖矿可能带来的气候惠益。我们认为,进一步提高透明度对于教育比特币用户以及公众、监管机构和政策制定者,让他们了解比特币挖矿对气候的影响至关重要。

比特币挖矿对气候的惠益

从历史上看,中国打击挖矿或哈萨克斯坦的停电等事件,为比特币挖矿活动的规模和全球分布提供了经验性见解。(2021 年 9 月 3 日,中国国家发改委等 11 部委联合发布《关于整治虚拟货币“挖矿”活动的通知》;2022 年 1 月,由于哈萨克斯坦的互联网和电力在抗议事件中被反复关闭,该国的挖矿活动受到重创。)

类似的事件发生在 2022 年 12 月 24 日,当时冬季风暴 Elliott 袭击了北美,结果导致比特币矿工在峰值时减少了约 100 EH/s 算力,相当于当天比特币网络总算力的 38%。

德克萨斯州电网运营商 ERCOT 于 2022 年制定了大型灵活负载(LFL)限电计划。到目前为止,几乎全部运行中的 LFL 都可以归于符合该计划条件的比特币挖矿设施,即额定功率超过 75 兆瓦(MW)的设施。

如图 1 所示,冬季风暴 Elliott 期间的 LFL 需求响应为 1.4 千兆瓦,为德州比特币采矿负载提供了一个下限,因为 2022 年 12 月运行的几乎所有 LFL 都可归于比特币挖矿。这相当于当天比特币网络总电力需求的 15%。这一事件支持了比特币支持者的一个共同论点:比特币挖矿可以为电网运营商提供一种高度精细化、快速调整电力使用的能力,从而促进电网的稳定性和弹性。最 新的 LFL 更新显示,截至 2023 年 3 月,比特币挖矿容量已进一步增至 1.7 GW。

ERCOT 提供的 Elliott 冬季风暴期间的 LFL 限电数据

然而,美国比特币矿工提供的气候惠益数据可能难以证实。需要进一步开展研究,评估和比较在有比特币矿机和无比特币矿机情况下的碳排放和电力系统总成本。

比特币支持者经常强调的第二个气候益处是其减少甲烷排放的潜力。天然气作为石油开采的副产品,由于成本高昂且缺乏基础设施,对于石油生产商来说,使用或运输天然气往往不经济。因此,生产商要么就地排放,要么就地燃烧。排放会将甲烷直接排放到大气中,而甲烷属于温室气体,其在 100 年内的全球升温潜能值是二氧化碳的 28-36 倍,因此某些司法管辖区不鼓励排放甲烷,甚至规定排放甲烷是非法的。而燃烧的话,主要排放的是二氧化碳,通常认为燃烧销毁甲烷的效率达 98%。

比特币支持者认为,燃烧产生的残余甲烷排放量依然很高,如果将这些气体在发电机中燃烧,就可以减少排放量。比特币行业的估计表明,假设发电机甲烷燃烧效率为 99.9%,与开放式燃烧相比,比特币挖矿有可能让二氧化碳排放当量减少 25%,再加上放弃直接燃烧减少的排放,总排放量最多可减少 63%。最近的一项燃烧效率研究发现,燃烧中断和低效燃烧导致的燃烧效率只有 91.1%,占美国石油和天然气甲烷排放总量的 4%-10%。

电力需求不足和高昂的投资成本往往导致气体燃烧利用项目变得不可行。比特币挖矿具有不受地点限制、模块化和便携式的特点,它提供了一种解决方案,即鼓励建造发电机,将原本浪费掉的能源转化为生产用途,并进一步减少甲烷排放。然而,批评者认为,这种做法并没有解决化石燃料的持续消耗及其环境影响的根本问题,甚至可能在无意中延长对化石燃料的依赖。

另一个潜在的气候惠益与减少燃烧密切相关,即解决废弃未填塞的油气井问题。根据美国环保局(EPA)的研究,截至 2020 年,美国有 370 万口废弃油井,其中 59% 的油井未被填塞,每年排放 690 万吨二氧化碳当量。比特币采矿具有不受地点限制的特点,对当地资源的要求极低,是解决这一问题的潜在方案。比特币网络的经济激励措施可以为解决这些废弃井的问题提供补贴,比特币行业倡导者也正在游说这一方案。即通过在废弃井附近作业,矿工可以利用原本浪费的能源,将其转化为电力,并产生收入,然后拿出一部分收入资助油气井的填塞工作,从而减轻对气候的影响。

比特币支持者强调的第三个论点是,比特币挖矿可以促进可再生能源的扩张。偏远地区的挖矿有可能解决越来越多的间歇性可再生能源并入电网所面临的挑战,如传输能力、储能能力的不足,或附近电力需求不足的问题。可再生能源发电的最 佳地点往往位于偏远地区,当地电力需求不足,输电基础设施也不完善,无法消化电力供应的大幅增加。

然而,在这种情况下,如何量化与比特币挖矿相关的气候效益仍然具有挑战性,因为没有比特币矿工实际投资安装额外可再生能源的全面记录。两个知名的例子是,特斯拉、Block 和 Blockstream 合作,在德州建立了 3.5 兆瓦的离网(off-grid)太阳能比特币矿场,以及 Aspen Creek 的 30 兆瓦采矿设施和一个新建的 87 兆瓦太阳能光伏发电厂进行后表(behind-the-meter)连接。其他实例表明,比特币矿工与现有的可再生能源基础设施在一起(co-locating),以确保获得低成本电力。值得注意的是,对可再生能源电力更高、更稳定的需求可能会通过规模经济降低生产成本,从而支持其发展。因此,比特币挖矿可能成为可再生能源基础设施投资的催化剂。

然而,一些批评者认为,如果加密货币挖矿越来越依赖可再生能源,可能会与其他用途竞争,从而可能危及国家的去碳化(decarbonization)目标。虽然这种观点有一定道理,但它忽略了一种可能性,即额外的需求可以增加供应,使得对新的可再生能源基础设施的投资更具经济可行性。

比特币支持者的另一个论点涉及比特币挖矿作业产生的热量再利用。比特币矿工可能有经济动机去捕获和再利用废热,从而减少其他地方的能源消耗。涵盖多种应用场景,包括温室、住宅建筑、供水系统、游泳池、食品和木材干燥以及酒精蒸馏。不过,迄今为止,比特币挖矿设施余热利用的实际案例似乎限制于试点项目。

总结:比特币挖矿对气候的四大贡献包括:1. 参与大型灵活负载(LFL)限电计划;2. 减少甲烷排放;3. 促进可再生能源发展;4. 挖矿废热再利用,减少其他能源消耗。

比特币挖矿的气候成本

自 2008 年诞生以来,比特币的全球挖矿足迹不断增加并发生了显著变化。 研究估计,截至 2018 年,2/3 的挖矿位于亚洲,2021 年 6 月中国颁布挖矿禁令后,矿工纷纷转移到哈萨克斯坦和美国,而矿工涌向美国的趋势仍在继续。 根据白宫科技政策办公室的报告,美国算力份额从 2020 年的 3.5% 上升至 2022 年 8 月的 38%,占美国总用电量的 0.9% 至 1.7%——相当于所有住宅照明用电的总和。

为了更深入地了解美国目前的挖矿足迹,我们对上市矿商的公司文件进行了评估。近年来,几家比特币矿业公司上市,导致该行业历来不愿分享信息的公司承担了披露义务。我们确定了 19 家上市矿企,并分析了在美国运营的 13 家矿企的数据,截至 2022 年底,这 13 家矿企占网络总算力的 1/4。

使用电网平均排放因子,我们发现我们分析的 13 家矿企所消耗电力的碳强度为 397 克二氧化碳/kWh,几乎等同于美国电网平均值 387 克二氧化碳/kWh。此外,我们还发现,仅这 13 家美国上市矿企每年就排放 720 万吨二氧化碳,超过了整个佛蒙特州的碳排放量。

美国上市矿企挖矿设施的位置和挖矿业务碳排放量

与此同时,比特币挖矿业声称其使用的电力组合的平均碳强度远低于电网平均水平。 例如,比特币矿业委员会表示,58.9% 的电力来自可持续能源。 假设其余部分依赖化石燃料,与美国目前天然气、煤炭和石油的份额一致,这将导致碳强度达到 272 克二氧化碳/kWh,几乎比美国电网平均水平低 1/3。 不过,这些说法尚缺乏信息来验证其可信度。

因此,比特币挖矿业要想证明其气候效益,就必须了解既定的碳核算规则是如何运作的。温室气体协议(GHG Protocol)是使用最广泛的碳核算标准,它提供了两种互补的方法来核算外购电力的排放量,这两种方法可以同时使用,即所谓的「双重报告」。首先,基于位置的方法要求公司报告与所输送的电力相关的排放量。在大多数情况下,这对应于当地电网的平均排放强度,因为该方法只考虑可再生能源发电的直接输送。其次,基于市场的方法要求公司报告与所购电力相关的排放量,例如电力购买协议、供应商特定合同或能源属性证书。

基于市场的方法允许比特币矿工验证他们的可再生能源使用声明,但他们必须遵守报告标准才能做出可信的声明。全球倡议,如 RE100,提供了基于温室气体协议的指导,以规范可再生能源的定义,并要求报告公司拥有可再生能源电力的属性证书。这同样适用于自发电和直接线路连接,以避免有人已经将属性证书计算在内。随着比特币挖矿行业的成熟,我们希望看到可靠的可再生能源使用数据质量的提升,这将使得研究人员和监管机构能够超越使用电网平均值,来评估比特币挖矿的气候成本。

监管辩论

监管有可能使人们更全面地了解与比特币挖矿相关的环境后果。尽管上市矿商的强制性披露义务提供了有关运营规模和地理分布的关键信息,但能源结构等关键细节往往披露不充分。引入额外的环境披露要求,并将具体的透明度措施扩展到大型私营矿商,可以进一步提高气候成本的透明度。不过,还必须密切关注潜在的气候惠益。当前的辩论经常给能源消耗本身赋予负面含义,而在某些情况下这是没有道理的。尽管如此,谨慎行事并严格审查潜在气候效益的功效仍然至关重要,以避免“漂绿”(greenwashing)。

鉴于比特币挖矿的增长和对当地社区的直接影响,美国联邦和州两级政府已经对比特币挖矿进行了监管。2022 年 9 月,白宫的一份报告强调了提高透明度的必要性,而《2022 年加密资产环境透明度法案》(Crypto-Asset Environmental Transparency Act of 2022)则为如何评估美国加密货币挖矿的影响提供了进一步指导。2023 年 3 月,参议员 Edward Markey 和众议员 Jared Huffman 再次呼吁制定《加密资产环境透明度法案》。此外,美国环保署本身也在考虑对加密挖矿设施实施报告规则,以评估其环境影响。最近,拜登总统的 2024 财年预算提案目标是,对与挖矿活动相关的电费征收 30% 的税。

在州一级,比特币挖矿法规差异很大。一些州,如罗德岛州、肯塔基州、爱荷华州、蒙大拿州、怀俄明州和宾夕法尼亚州,通过税收减免等方式鼓励挖矿活动。在蒙大拿州,基于区块链的代币不受安全法的约束。在怀俄明州,数字货币开发商、销售商和交易所可享受某些证券和货币传输法律的豁免。宾夕法尼亚州向废煤发电商提供每吨价值 4 美元的税收优惠,所产生的电力等可用于挖掘加密货币。

相比之下,纽约州是第 一个禁止加密货币挖矿的州,并暂停新的化石燃料发电项目两年。在德克萨斯州,大型电力用户需要获得电网运营商的许可,ERCOT 宣布成立一个特别工作组,以更详细地评估大型用户的影响。俄勒冈州和华盛顿州等挖矿热点地区也在考虑未来对挖矿进行监管。

比特币挖矿业还将受到美国证券交易委员会(SEC)和联邦储备系统(FED)等金融监管机构正在制定的规则的影响。SEC 将发布碳核算和气候风险披露规则,这很可能涉及上市矿商的碳披露规则,而 FED 也正在制定规则,以确保参与加密货币相关活动的银行具备适当的风控措施,包括与气候相关的风控措施。

结语

上市矿商披露的数据——以及未来潜在的全行业披露——可能有助于改善现有的挖矿地图。 例如,我们对美国的研究结果表明,先前估计的德州比特币挖矿活动占比略高于 4%(2021 年 12 月),但现在已经增加到 15% 以上(2022 年 12 月)。 此外,美国和加拿大的份额可能大幅增加,超出了之前假设的 44%。

鉴于比特币挖矿业在美国的预期增长,提高透明度对于量化气候效益和成本至关重要。加密货币矿工已申请将多达 33 千兆瓦的电力接入德州的电网,几乎相当于目前 ERCOT 总运营能力的 1/4。

欧盟监管机构表现出了积极主动性,并率先要求通过加密资产市场(MiCA)框架中的额外 ESG 披露规则来提高透明度。此外,欧盟《企业可持续发展报告指令》(CSRD)规定的碳披露义务,或美国 SEC 即将出台的规则也将至少适用于上市矿商。我们认为,透明度是教育比特币用户,让公众、监管机构和政策制定者了解与比特币挖矿相关的气候效益和成本的重要第 一步。

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