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数据洞悉:与其他主要行业相比 比特币的能源使用情况如何?

比特币究竟使用了多少能源?

根据剑桥大学“第三次全球加密资产基准研究”的数据,我们可以推算出在 2021 年 6 月中国禁止比特币挖矿和 7 月中国矿业外流发生之前,比特币网络的碳强度约为每千瓦时 (kWh) 420 克的二氧化碳。

剑桥的该研究报告(第 27 页)中的图 17,如下图所示,展示了世界各地矿工的典型能源。

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图片:按地区划分的能源来源(来源:剑桥替代金融中心)

排除中国在外,来自比特币矿业委员会(BMC)(下图)的最新数据显示,超过三分之二的会员,几乎占网络哈希率的三分之一,正在由低排放能源,而全球比特币采矿现在估计其能源需求的 56% 来自可持续来源(太阳能、风能、水力、核能、地热和其他“可再生能源”)。

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图片:比特币能源组合(来源:比特币矿业委员会)

根据加州大学伯克利分校开发的 CCN 模型来计算碳排放总量,我们可以计算出一个比较新的全球挖矿概况和碳强度数据,为每千瓦时 280 克的二氧化碳。

(白泽注:利用 CCN 模型,主要取决于能源组合、工业部门、设施数量、在职员工人数、年收入、平方英尺的设施等因素)

基于以下图中假设的发电结构和 IPCC 碳强度数据的第 50 个百分点,我们可以得出比特币碳强度急剧下降。是因为将大部分网络从煤炭转移到天然气的结果,从而将比特币的碳强度降低了三分之一。

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图片:碳强度和不同能源结构的对比数据

可以看出,自从中国禁止比特币挖矿以及矿工外流以来,比特币的碳强度下降了三分之一,从 419 下降到 280,主要是由于从煤炭转向更清洁的天然气。将比特币与全球一次能源生产进行比较表明,比特币的碳强度不到其一半,与世界电网相比,碳强度低 40% 以上。

所以现在我们知道比特币的碳强度是每千瓦时 280 克二氧化碳(或每 TWh 0.28 兆吨 [Mt] 二氧化碳),并且比特币每年使用79 TWh,我们可以很快得出每年22.1 Mt 二氧化碳 的排放量。

[ 白泽注:Mt为重量单位,公吨,也就是我们所熟知的吨 ]

比特币的能源使用与建筑和施工行业相比

联合国全球建筑与施工联盟 (Global ABC) 在其年度“建筑与施工全球现状报告”中提供了有关建筑与施工部门的详细数据。下图来自2020年的报告,基于国际能源协会(IEA)“世界能源统计和平衡数据库”和“能源技术展望”报告的数据。

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图片:碳强度和能源结构对比数据(来源:UN Global ABC)

《能源技术展望》报告指出,“2019 年全球一次能源使用量达到 144 亿吨油当量 (Mtoe)”,并且有 33 吉吨 (Gt) 的温室气体 (GHG) 与化石燃料相关2019 年全球燃料能源发电量,由于全球疫情,预计 2020 年将降至 30.6 Gt。非化石燃料能源生产也会产生温室气体,2019 年世界二氧化碳排放总量为36,440吨。

[ 白泽注:油当量是按标准油的热值理算各种能源量的换算指标;吉吨(GT)是重量单位,1GT=1吉吨=(10的9次方)吨 ]

保守地说,保守地说,我假设联合国采用的是国际能源机构的数字 33 GT(吉吨)。为此,38% 的排放量等于 12,540 吨的二氧化碳。联合国全球建筑与施工联盟 (Global ABC) 指出:“建筑运行的全球最终能源消耗约为 130 EJ (能量单位:艾焦) [约 36111 TWh],约占总最终消耗的 30%,另外还有 21 EJ [约 5833 TWh] 用于建筑物和建筑或总需求的 5%”。

对比比特币的能源消耗:

  • 非住宅建筑:9,330 TWh
  • 住宅建筑:26,481 TWh
  • 建设:5,833 TWh
  • 行业总能源使用量:40,830 TWh
  •    比特币:79TWh,占建筑业的 0.19%
  • 部门总排放量:12,735 MtCO2
  •    比特币:22.1 Mt CO2 ,占建筑业的 0.18%
  • 部门碳强度:每千瓦时 330.6 克(比比特币强度高约 20%)

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图片:比特币与建筑行业——每年的能源使用量,单位为 TWh

比特币的能源使用与运输行业相比

根据国际能源机构(IEA)提供有关运输行业能源消耗等方面的详细数据,以下是运输部门的排放数据,以 Mt CO2 (Mt:吨,CO2:二氧化碳)为单位,行业部门的规模以百分比形式显示在后面的括号中:

  • 公路客运车辆(包括公交车):3,643(45%)
  • 公路货运车辆:2,406辆(29.7%)
  • 运费:858 (10.6%)
  • 航空:937 (11.6%)
  • 铁路:78 (1.0%)
  • 其他:174 (2.1%)
  • 总排放量:8,096 Mt CO2
  • 比特币:22.1 Mt CO2,占运输业的 0.28%

就更具体的能源数据而言,美国能源信息署(EIA)在其《2016 年国际能源展望》展示了以下数据,如图所示。

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图片:按能源分类的世界交通能源消耗(来源:EIA)

EIA 还在其“2016 年国际能源展望”第 131 页提供了一些行业信息,显示能源消耗百分比和排放百分比非常相似。例如,道路车辆占交通能源使用量的 46%,排放量的 45%。航空运输约占能源使用的 12% 和排放的 11.6%。

使用上述比率,以及2020 年部门总能源使用量为118 quad BTU,即 34,582 TWh,我们得到以下结果:

  • 轻型客车:15,424 TWh (44.6%)
  • 航空运输:4,046 TWh (11.7%)
  • 公交车:1,321 TWh (3.8%)
  • 其他运输:859 TWh (2.5%)
  • 公路货运车辆(重型车辆和其他卡车):8,059 TWh (23.3%)
  • 海运:4,063 TWh (11.7%)
  • 铁路:793 TWh (2.3%)
  • 总能源使用量:34,582 TWh
  • 比特币:79 TWh,占运输业的 0.23%
  • 部门碳强度:每千瓦时 234 克二氧化碳(比比特币低 16%,比世界电网低 50%)

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图片:比特币与交通——每年的能源使用量,单位为 TWh

比特币的能源使用与医疗保健行业相比

2020 年 9 月《欧洲公共卫生杂志》上一篇被广泛引用的文章《医疗保健的气候足迹:卫生部门的贡献和行动机会》表明,在全球范围内,医疗保健的气候足迹相当于全球净收入的 4.4%。排放量,基于来自 43 个国家的详细数据,其中包括美国、欧盟和中国这三大排放国,它们占医疗保健总足迹的一半以上。4.4% 的数字当然是平均值,柳叶刀医生根据数据分析指出,医疗保健仅占英国排放量的 3%,但在美国占 10%,在澳大利亚占 7%。

但 4.4% 的全球排放量并不一定对应 4.4% 的全球能源使用量,正如我们刚刚从建筑和施工中看到的(35% 的能源对 38% 的排放量——主要归功于钢铁和水泥的高强度生产)和运输行业(能源的 28% 与排放的 22%——主要是由于车辆、船舶和飞机中液体燃料的碳强度远低于使用化石燃料发电)。

一项研究得出的结论显示,美国的医疗保健设施(医院、全科医生诊所等)每年消耗 210 TWh 的能源,占美国商业建筑行业总能源消耗的 10.3%。柳叶刀医生的另一篇论文,这次是在英国国家医疗服务体系 (NHS) 上,显示建筑中使用的能源排放仅占医疗保健系统总排放量的 10.1%,如下图九所示。供应链和委托服务占另外 66%;个人、车队和商务旅行另外 13.6%;其余的 10.3% 来自麻醉气体、水和废物。这些与国际数据并无不同,后者显示供应链占排放量的 71%。

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图片:英国国家医疗服务体系 (NHS) 的排放明细

但这仍然没有让我们得到我们正在寻找的答案:医疗保健使用了多少能源?我们已经知道,运输和热能的“碳强度”远低于化石燃料产生的电能(大约 250 克二氧化碳/千瓦时与 500 克二氧化碳每千瓦时到 1,000 克二氧化碳每千瓦时),所以我假设所有非旅行相关项目的世界平均电网为 487 g CO2/kWh,运输相关项目为 250 g CO2/kWh。当我们这样做时,我们从 1,603 Mt CO2 的排放基础(即 36,440 Mt CO2 世界排放量的 4.4%)中实现了总计3,716 TWh的能源,平均碳强度为431 g CO2/kWh. 该图表明,医疗保健在能源使用方面更依赖于电网,而不是运输和航运的液体燃料。相比之下,比特币仅使用该能源的 2.1%,仅排放 1.4% 的二氧化碳,并且碳强度降低 35% 以上

与银行、黄金和军工行业对比

金融、保险、银行

同样是依靠加州大学伯克利分校开发的 CCN 模型来计算银行业的碳排放总量,金融部门每年排放 1,368 Mt 的二氧化碳。虽然它没有明确提供能源使用的数字,但它提供了排放来源的一个很好的细分。假设 80% 的排放来自运输,20% 用于设施和采购。使用我们之前对医疗保健所做的相同方法,我们将假设旅行的碳强度为每千瓦时 250 克二氧化碳,采购和设施的碳强度为每千瓦时 487 克二氧化碳。

由此产生的能量分解如下:

  • 交通:4,377 TWh (88.6%)
  • 设施:309 TWh (6.3%)
  • 采购:253 TWh (5.1%)
  • 总能源使用量:4,939 TWh
  • 比特币:79 TWh,占金融和保险行业的 1.6%
  • 总排放量:1,368 MtCO2
  • 比特币:22.1 Mt CO2,占金融和保险行业的 1.6%
  • 部门碳强度:每千瓦时 277 克(比比特币强度低约 1%)

黄金开采

在 2020 年,约 3500 吨的黄金被开采,并且约 1300 吨的金被回收利用,根据“Gold.org”的分析师称,每公斤开采的黄金会产生 20 吨二氧化碳并消耗 48.6 兆瓦时的能源,但由于数据限制,他们省略了进一步提炼黄金所需的能源。一项新研究来自德保罗大学的建议,这个数字应该接近 35 吨用于珠宝的二氧化碳,约占全球黄金需求的 50%。假设精炼使用与回收相似的电量;因此,用于珠宝中每克黄金的开采和提炼总共需要 79.9 MWh。每公斤回收黄金会产生 37 吨二氧化碳并消耗 31.3 兆瓦时的能源。如果我们使用 DePaul 研究的数字并计算 1750 吨珠宝,这将使金矿行业 2020 年的能源消耗总量达到 265 TWh,产生 145 Mt 的二氧化碳。

比特币:22.1 Mt 二氧化碳 的排放量,占黄金开采的 15%

军工业

根据布朗大学沃森国际和公共事务研究所发表的《五角大楼燃料使用、气候变化和战争成本》,我们可以

看到全球军事工业综合体约占全球温室气体排放量的 5%,即每年约2,500 Mt CO2。同样,我们面临着排放与能源的问题,但幸运的是,我们的数据具有足够的透明度,可以做出有效的估计。我们知道燃料使用约占能源使用的 11%,设施约占 6%,最后 83% 来自近2 万亿美元的军事工业。我们甚至知道美国国防部排放 的57 Mt CO2来自 207.45 TWh 的能源使用,或者说,每千瓦时约 270 克 CO2 的碳强度——主要由燃料使用而不是电力驱动。

与主要由人力和旅行驱动的金融部门相比,工业和制造部门更多地受采购和设施驱动。交通运输占金融业能源使用的 80%。在制造业中,这一比例接近于仅 25%。因此,我们有以下几点:

  • 军用燃料/运输用途:275 Mt CO2,1,100 TWh
  • 军事设施使用:150 Mt CO2,308 TWh
  • 军工燃料/运输用途:525 Mt CO2,2,100 TWh
  • 军工设施和采购用途:1,550 Mt CO2,3,183 TWh
  • 总能源使用量:6,691 TWh
  • 比特币:79 TWh,占军工综合体的 1.18%
  • 总排放量:2,500 MtCO2
  • 比特币:22.1 Mt CO2,或军工综合体的 0.88%
  • 行业碳强度:每千瓦时 374 克二氧化碳(比比特币强度高约 33%)

写在最后

数据洞悉:与其他主要行业相比 比特币的能源使用情况如何?

图片:比特币与其他行业的对比——每年的能源使用量,单位为 TWh

主要结论应该是比特币的能源使用在全球范围内是一个四舍五入的误差,从碳强度的角度来看,每千瓦的排放量比金融、建筑、医疗、工业或军事要少得多。有分析师预测,比特币的碳强度将从今天的每千瓦时 280 克二氧化碳增加到 2026 年的约 100 克,到 2031 年为零。也许最终,比特币消耗能源这个问题将会消失。

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