MIT報告：美國比特幣挖礦對氣候的影響

摘要

關於 比特幣 挖礦 對氣候的影響，學者和 比特幣 支持者的觀點大相徑庭。我們驗證了雙方的論點，並為美國比特幣 挖礦 的範圍和能源來源提供了經驗證據。

截至 2022 年底，至少有 38% 的比特幣挖礦活動遷移到了美國和加拿大，並且研究表明，僅我們分析的在美上市的 13 家礦商每年造成的碳排放量就高達 720 萬噸二氧化碳。與此同時，比特幣網絡的經濟激勵措施可以為封堵廢棄的油氣井提供補貼，從而大規模減少甲烷排放。

大型上市礦商的挖礦地點和能源來源的透明度日益提高，這凸顯了信息披露的價值，並可能有助於消除不受支持的行業主張，改進基於假設的學術模型，並將監管機構的目光引向「比特幣採礦可能帶來氣候惠益」方向。

導言

比特幣挖礦以其能源強度而聞名。 截至 2023 年 3 月 25 日，比特幣礦工的電力需求達到 15.4 千兆瓦 (GW)。在比特幣網絡中，礦工通過計算難題競爭出塊，將區塊添加到鏈上，並驗證區塊中包含的代幣所有權和交易。 為了參與這個過程，礦工使用耗電的專用硬件設備。

盡管學者和比特幣支持者都認為礦工消耗了大量電力，但關於比特幣挖礦對氣候影響的觀點卻存在根本性偏差。 批評者將比特幣的電力消耗視為一場災難，而支持者則將其視為一項功能而非缺陷。 越來越多的學術研究將比特幣的碳足跡與中等國家的排放水平相比較。與此同時，比特幣支持者強調了電網平衡服務、支持可再生能源發展、通過廢氣利用或封堵油氣井減少甲烷排放，以及將挖礦硬件的廢熱用於輔助活動等潛在的氣候惠益。

我們驗證了雙方的論點，並提供了美國比特幣挖礦規模和能源來源的實證證據，這些數據來自 13 家公开上市的挖礦公司。截至 2022 年底，這些公司的比特幣挖礦量佔全網總算力的 1/4。值得注意的是，在 2022 年 12 月北美冬季風暴 Elliott 期間，比特幣礦工縮減了多達 100 EH/s 算力，相當於當天比特幣網絡總算力的 38%。這個數字證明：2022 年 12 月，至少 38% 的比特幣挖礦活動位於美國和加拿大。

我們發現，在美上市的比特幣礦業公司所消耗電力的碳強度為 397 克二氧化碳/kWh，與美國電網的平均水平相當，僅我們分析的在美上市的 13 家礦業公司所造成的碳排放量就超過了整個佛蒙特州（Vermont）的排放量。

這些基於電網平均排放因子的調查結果，與行業聲稱的大多數（58.9%）比特幣挖礦由可持續能源驅動的說法形成了鮮明對比。在美國發電結構中，可再生能源 (21.5%) 和核電 (18.2%) 構成的非化石電力所佔比例要低得多。與此同時，我們發現比特幣挖礦的潛在氣候惠益也值得密切關注。

為了彌合這場爭論中的分歧，理解既定的碳核算規則，並確定證實可再生能源聲明所需的數據至關重要。 上市礦商的挖礦地點和能源來源的透明度越來越高，凸顯了披露義務的價值，這可能有助於消除不受支持的行業主張，改進基於假設的學術模型，並引導監管機構關注比特幣挖礦可能帶來的氣候惠益。我們認為，進一步提高透明度對於教育比特幣用戶以及公衆、監管機構和政策制定者，讓他們了解比特幣挖礦對氣候的影響至關重要。

比特幣挖礦對氣候的惠益

從歷史上看，中國打擊挖礦或哈薩克斯坦的停電等事件，為比特幣挖礦活動的規模和全球分布提供了經驗性見解。（WEEX 唯客注：2021 年 9 月 3 日，中國國家發改委等 11 部委聯合發布《關於整治 虛擬貨幣 “挖礦”活動的通知》；2022 年 1 月，由於哈薩克斯坦的互聯網和電力在抗議事件中被反復關閉，該國的挖礦活動受到重創。）

類似的事件發生在 2022 年 12 月 24 日，當時冬季風暴 Elliott 襲擊了北美，結果導致比特幣礦工在峯值時減少了約 100 EH/s 算力，相當於當天比特幣網絡總算力的 38%。

德克薩斯州電網運營商 ERCOT 於 2022 年制定了大型靈活負載（LFL）限電計劃。到目前為止，幾乎全部運行中的 LFL 都可以歸於符合該計劃條件的比特幣挖礦設施，即額定功率超過 75 兆瓦（MW）的設施。

如圖 1 所示，冬季風暴 Elliott 期間的 LFL 需求響應為 1.4 千兆瓦，為德州比特幣採礦負載提供了一個下限，因為 2022 年 12 月運行的幾乎所有 LFL 都可歸於比特幣挖礦。這相當於當天比特幣網絡總電力需求的 15%。這一事件支持了比特幣支持者的一個共同論點：比特幣挖礦可以為電網運營商提供一種高度精細化、快速調整電力使用的能力，從而促進電網的穩定性和彈性。最新的 LFL 更新顯示，截至 2023 年 3 月，比特幣挖礦容量已進一步增至 1.7 GW。

ERCOT 提供的 Elliott 冬季風暴期間的 LFL 限電數據

然而，美國比特幣礦工提供的氣候惠益數據可能難以證實。需要進一步开展研究，評估和比較在有比特幣礦機和無比特幣礦機情況下的碳排放和電力系統總成本。

比特幣支持者經常強調的第二個氣候益處是其減少甲烷排放的潛力。天然氣作為石油开採的副產品，由於成本高昂且缺乏基礎設施，對於石油生產商來說，使用或運輸天然氣往往不經濟。因此，生產商要么就地排放，要么就地燃燒。排放會將甲烷直接排放到大氣中，而甲烷屬於溫室氣體，其在 100 年內的全球升溫潛能值是二氧化碳的 28-36 倍，因此某些司法管轄區不鼓勵排放甲烷，甚至規定排放甲烷是非法的。而燃燒的話，主要排放的是二氧化碳，通常認為燃燒銷毀甲烷的效率達 98%。

比特幣支持者認為，燃燒產生的殘余甲烷排放量依然很高，如果將這些氣體在發電機中燃燒，就可以減少排放量。比特幣行業的估計表明，假設發電機甲烷燃燒效率為 99.9%，與开放式燃燒相比，比特幣挖礦有可能讓二氧化碳排放當量減少 25%，再加上放棄直接燃燒減少的排放，總排放量最多可減少 63%。最近的一項燃燒效率研究發現，燃燒中斷和低效燃燒導致的燃燒效率只有 91.1%，佔美國石油和天然氣甲烷排放總量的 4%-10%。

電力需求不足和高昂的投資成本往往導致氣體燃燒利用項目變得不可行。比特幣挖礦具有不受地點限制、模塊化和便攜式的特點，它提供了一種解決方案，即鼓勵建造發電機，將原本浪費掉的能源轉化為生產用途，並進一步減少甲烷排放。然而，批評者認為，這種做法並沒有解決化石燃料的持續消耗及其環境影響的根本問題，甚至可能在無意中延長對化石燃料的依賴。

另一個潛在的氣候惠益與減少燃燒密切相關，即解決廢棄未填塞的油氣井問題。根據美國環保局（EPA）的研究，截至 2020 年，美國有 370 萬口廢棄油井，其中 59% 的油井未被填塞，每年排放 690 萬噸二氧化碳當量。比特幣採礦具有不受地點限制的特點，對當地資源的要求極低，是解決這一問題的潛在方案。比特幣網絡的經濟激勵措施可以為解決這些廢棄井的問題提供補貼，比特幣行業倡導者也正在遊說這一方案。即通過在廢棄井附近作業，礦工可以利用原本浪費的能源，將其轉化為電力，並產生收入，然後拿出一部分收入資助油氣井的填塞工作，從而減輕對氣候的影響。

比特幣支持者強調的第三個論點是，比特幣挖礦可以促進可再生能源的擴張。偏遠地區的挖礦有可能解決越來越多的間歇性可再生能源並入電網所面臨的挑战，如傳輸能力、儲能能力的不足，或附近電力需求不足的問題。可再生能源發電的最佳地點往往位於偏遠地區，當地電力需求不足，輸電基礎設施也不完善，無法消化電力供應的大幅增加。

然而，在這種情況下，如何量化與比特幣挖礦相關的氣候效益仍然具有挑战性，因為沒有比特幣礦工實際投資安裝額外可再生能源的全面記錄。兩個著名的例子是，特斯拉、Block 和 Blockstream 合作，在德州建立了 3.5 兆瓦的離網（off-grid）太陽能比特幣礦場，以及 Aspen Creek 的 30 兆瓦採礦設施和一個新建的 87 兆瓦太陽能光伏發電廠進行後表（behind-the-meter）連接。其他實例表明，比特幣礦工與現有的可再生能源基礎設施在一起（co-locating），以確保獲得低成本電力。值得注意的是，對可再生能源電力更高、更穩定的需求可能會通過規模經濟降低生產成本，從而支持其發展。因此，比特幣挖礦可能成為可再生能源基礎設施投資的催化劑。

然而，一些批評者認為，如果 加密貨幣 挖礦越來越依賴可再生能源，可能會與其他用途競爭，從而可能危及國家的去碳化（decarbonization）目標。雖然這種觀點有一定道理，但它忽略了一種可能性，即額外的需求可以增加供應，使得對新的可再生能源基礎設施的投資更具經濟可行性。

比特幣支持者的另一個論點涉及比特幣挖礦作業產生的熱量再利用。比特幣礦工可能有經濟動機去捕獲和再利用廢熱，從而減少其他地方的能源消耗。涵蓋多種應用場景，包括溫室、住宅建築、供水系統、遊泳池、食品和木材幹燥以及酒精蒸餾。不過，迄今為止，比特幣挖礦設施余熱利用的實際案例似乎僅限於試點項目。

WEEX 唯客總結：比特幣挖礦對氣候的四大貢獻包括：1. 參與大型靈活負載（LFL）限電計劃；2. 減少甲烷排放；3. 促進可再生能源發展；4. 挖礦廢熱再利用，減少其他能源消耗。

比特幣挖礦的氣候成本

自 2008 年誕生以來，比特幣的全球挖礦足跡不斷增加並發生了顯著變化。 研究估計，截至 2018 年，2/3 的挖礦位於亞洲，2021 年 6 月中國頒布挖礦禁令後，礦工紛紛轉移到哈薩克斯坦和美國，而礦工湧向美國的趨勢仍在繼續。 根據白宮科技政策辦公室的報告，美國算力份額從 2020 年的 3.5% 上升至 2022 年 8 月的 38%，佔美國總用電量的 0.9% 至 1.7%——相當於所有住宅照明用電的總和。

為了更深入地了解美國目前的挖礦足跡，我們對上市礦商的公司文件進行了評估。近年來，幾家比特幣礦業公司上市，導致該行業歷來不愿分享信息的公司承擔了披露義務。我們確定了 19 家上市礦企，並分析了在美國運營的 13 家礦企的數據，截至 2022 年底，這 13 家礦企佔全網總算力的 1/4。

使用電網平均排放因子，我們發現我們分析的 13 家礦企所消耗電力的碳強度為 397 克二氧化碳/kWh，幾乎等同於美國電網平均值 387 克二氧化碳/kWh。此外，我們還發現，僅這 13 家美國上市礦企每年就排放 720 萬噸二氧化碳，超過了整個佛蒙特州的碳排放量。

美國上市礦企挖礦設施的位置和挖礦業務碳排放量

與此同時，比特幣挖礦業聲稱其使用的電力組合的平均碳強度遠低於電網平均水平。 例如，比特幣礦業委員會表示，58.9% 的電力來自可持續能源。 假設其余部分依賴化石燃料，與美國目前天然氣、煤炭和石油的份額一致，這將導致碳強度達到 272 克二氧化碳/kWh，幾乎比美國電網平均水平低 1/3。 不過，這些說法尚缺乏信息來驗證其可信度。

因此，比特幣挖礦業要想證明其氣候效益，就必須了解既定的碳核算規則是如何運作的。溫室氣體協議（GHG Protocol）是使用最廣泛的碳核算標准，它提供了兩種互補的方法來核算外購電力的排放量，這兩種方法可以同時使用，即所謂的「雙重報告」。首先，基於位置的方法要求公司報告與所輸送的電力相關的排放量。在大多數情況下，這對應於當地電網的平均排放強度，因為該方法只考慮可再生能源發電的直接輸送。其次，基於市場的方法要求公司報告與所購電力相關的排放量，例如電力購买協議、供應商特定合同或能源屬性證書。

基於市場的方法允許比特幣礦工驗證他們的可再生能源使用聲明，但他們必須遵守報告標准才能做出可信的聲明。全球倡議，如 RE100，提供了基於溫室氣體協議的指導，以規範可再生能源的定義，並要求報告公司擁有可再生能源電力的屬性證書。這同樣適用於自發電和直接线路連接，以避免有人已經將屬性證書計算在內。隨着比特幣挖礦行業的成熟，我們希望看到可靠的可再生能源使用數據質量的提升，這將使得研究人員和監管機構能夠超越使用電網平均值，來評估比特幣挖礦的氣候成本。

監管辯論

監管有可能使人們更全面地了解與比特幣挖礦相關的環境後果。盡管上市礦商的強制性披露義務提供了有關運營規模和地理分布的關鍵信息，但能源結構等關鍵細節往往披露不充分。引入額外的環境披露要求，並將具體的透明度措施擴展到大型私營礦商，可以進一步提高氣候成本的透明度。不過，還必須密切關注潛在的氣候惠益。當前的辯論經常給能源消耗本身賦予負面含義，而在某些情況下這是沒有道理的。盡管如此，謹慎行事並嚴格審查潛在氣候效益的功效仍然至關重要，以避免“漂綠”（greenwashing）。

鑑於比特幣挖礦的增長和對當地社區的直接影響，美國聯邦和州兩級政府已經對比特幣挖礦進行了監管。2022 年 9 月，白宮的一份報告強調了提高透明度的必要性，而《2022 年 加密資產 環境透明度法案》（Crypto-Asset Environmental Transparency Act of 2022）則為如何評估美國 加密貨幣 挖礦的影響提供了進一步指導。2023 年 3 月，參議員 Edward Markey 和衆議員 Jared Huffman 再次呼籲制定《 加密資產 環境透明度法案》。此外，美國環保署本身也在考慮對加密挖礦設施實施報告規則，以評估其環境影響。最近，拜登總統的 2024 財年預算提案目標是，對與挖礦活動相關的電費徵收 30% 的稅。

在州一級，比特幣挖礦法規差異很大。一些州，如羅德島州、肯塔基州、愛荷華州、蒙大拿州、懷俄明州和賓夕法尼亞州，通過稅收減免等方式鼓勵挖礦活動。在蒙大拿州，基於 區塊鏈 的代幣不受安全法的約束。在懷俄明州， 數字貨幣 开發商、銷售商和交易所可享受某些證券和貨幣傳輸法律的豁免。賓夕法尼亞州向廢煤發電商提供每噸價值 4 美元的稅收優惠，所產生的電力等可用於挖掘加密貨幣。

相比之下，紐約州是第一個禁止加密貨幣挖礦的州，並暫停新的化石燃料發電項目兩年。在德克薩斯州，大型電力用戶需要獲得電網運營商的許可，ERCOT 宣布成立一個特別工作組，以更詳細地評估大型用戶的影響。俄勒岡州和華盛頓州等挖礦熱點地區也在考慮未來對挖礦進行監管。

比特幣挖礦業還將受到美國證券交易委員會（ SEC ）和聯邦儲備系統（FED）等金融監管機構正在制定的規則的影響。 SEC 將發布碳核算和氣候風險披露規則，這很可能涉及上市礦商的碳披露規則，而 FED 也正在制定規則，以確保參與加密貨幣相關活動的銀行具備適當的風控措施，包括與氣候相關的風控措施。

結語

上市礦商披露的數據——以及未來潛在的全行業披露——可能有助於改善現有的挖礦地圖。 例如，我們對美國的研究結果表明，先前估計的德州比特幣挖礦活動佔比略高於 4%（2021 年 12 月），但現在已經增加到 15% 以上（2022 年 12 月）。 此外，美國和加拿大的份額可能大幅增加，超出了之前假設的 44%。

鑑於比特幣挖礦業在美國的預期增長，提高透明度對於量化氣候效益和成本至關重要。加密貨幣礦工已申請將多達 33 千兆瓦的電力接入德州的電網，幾乎相當於目前 ERCOT 總運營能力的 1/4。

歐盟監管機構表現出了積極主動性，並率先要求通過加密資產市場（MiCA）框架中的額外 ESG 披露規則來提高透明度。此外，歐盟《企業可持續發展報告指令》（CSRD）規定的碳披露義務，或美國 SEC 即將出臺的規則也將至少適用於上市礦商。我們認為，透明度是教育比特幣用戶，讓公衆、監管機構和政策制定者了解與比特幣挖礦相關的氣候效益和成本的重要第一步。