從馬斯克發表挖礦浪費能源到以太坊轉為權益證明機制，從中國禁止挖礦到CNBC ，一個比特幣的網絡真的可以消耗如此大的資源嗎？
你很可能看到了Elon Musk 的推文，宣佈出於環保考慮，特斯拉暫停使用比特幣作為支付方式，這是可以理解的，因為特斯拉是一家綠色公司。馬斯克在5 月表示：“我們對比特幣開采和交易中化石燃料的使用迅速增加感到擔憂，特別是煤炭，它的排放量是所有燃料中最嚴重的。”非洲的大部分能源資源仍然非常依賴天然氣、煤炭和石油，這些項目的成本對非洲大陸的許多人來說是遙不可及的，特別是在生產電力來開採比特幣的過程中需要投入的能源量。
與非洲相比，比特幣究竟消耗了多少能源？
圖片來源：Kash
比特幣的挖礦型網絡在全球能源使用量中排名前30 位。根據Digiconomist 的比特幣能源消耗指數，比特幣的能源消耗可以為數千萬人口的國家提供131.16 TWh 的電力，這比非洲能源消耗最少的47 個國家的總消耗量130.05TWh 還要多。根據《焦耳科學》雜誌2019 年發表的一項研究，它每年產生22.9 兆噸的二氧化碳，這幾乎與聖多美和普林西比、科摩羅、中非共和國、幾內亞比紹、吉布提、布隆迪、岡比亞、塞舌爾、佛得角、索馬里、厄立特里亞、埃斯瓦蒂尼、塞拉利昂、乍得、盧旺達、利比里亞、馬拉維、南蘇丹、尼日爾、萊索托、剛果民主共和國和幾內亞產生的二氧化碳總量一樣多，這些國家產出二氧化碳的總和為23.5 兆噸。不過，這種情況不會永遠保持下去，因為比特幣價格上漲，礦工的激勵措施也在增加，從而導致能源消耗增加。另一個問題是，大部分礦場位於中國，並且嚴重依賴煤炭。由於對能源消耗的擔憂，中國一直在關閉加密貨幣挖礦業務。
從數據可知，比特幣確實是可以對環境造成極大污染，而它只是成千上萬種不斷增長的加密貨幣中的一種。以這種速度，我們的環境真的能容忍這一切嗎？答案是不。我們已經在與氣候變化作鬥爭。為了自身和我們的星球，加密貨幣革命必須更具可持續性。
比特幣的PoW共識機制及其與能源消耗的關係
正如法國數學家加斯帕德-古斯塔夫·德科里奧利所說，功是指向某個動作的能量，而能量是“完成的功” 。完成的工作可以存儲在比特幣等貨幣中，以備將來開支。比特幣共識機制基於工作量證明（PoW），其中能源用於保持區塊鏈安全運行。
在生成新區塊的過程中，礦工們解決了一個猜謎遊戲，在這個遊戲中，匯集交易加上一個“隨機數”被插入到一個SHA-256 哈希函數中在10 分鐘的平均時間範圍內，直到結果符合協議定義的預定標準。更詳細地說，礦工從內存池中檢索未確認的交易並將它們捆綁到一個新塊中。這個塊在塊頭中有幾條信息。然後礦工獲取區塊頭，添加一個名為“nonce”的隨機數並將其放入哈希函數中，從而得到一個256 位的數字。網絡只接受小於特定限制的結果，這再次由區塊鏈協議預先確定並稱為“目標”（例如，返回結果的前32 位必須為零[簡化]）。
礦工在哈希函數中反复插入捆綁為塊的交易組合，直到結果符合標準。每秒此類試驗的次數稱為“哈希率”。收到符合預定標準的結果的第一個礦工將結果廣播到網絡並獲得塊獎勵，該獎勵還包括包含在塊中的交易的交易費用。由於比特幣和貴金屬的相似特性，這個過程被稱為“挖礦”。比特幣發明者的虛構名字中本聰（Satoshi Nakomoto）在他的一篇帖子中支持這一說法。
“從這個意義上說，[比特幣]更像是一種貴金屬。供應量是預先確定的，價值會發生變化，而不是改變供應量以保持價值不變。” — 中本聰
每個區塊發行的比特幣數量由協議預先確定。因此，比特幣的供應受到數學控制且有限——與中央銀行發行的貨幣形成鮮明對比。隨著時間的推移，每個區塊發行的新比特幣數量減少了50%。這種“減半”每210,000 個區塊或大約每4 年發生一次。目前，每個開采的區塊發行12.5 個比特幣。
比特幣的工作量證明機制設置為每2016 個區塊調整尋找新區塊的難度，尋找新區塊的平均時間約為10 分鐘。難度受網絡提供的算力影響（算力越高，難度越高）。
這意味著存在一個比特幣供應固定的挖礦市場，如協議所定義的，以及基於整體哈希率確定的難度對計算能力的可變需求。由於供求規律，每個區塊的預定比特幣獎勵、當前比特幣價格和挖礦成本決定了為保護網絡做出貢獻的具有成本效益的礦工數量。在有效市場中，溢價為零，這意味著通過工作證明燃燒1 千瓦時能源的邊際回報等於邊際挖礦成本。其中塊獎勵包括交易費用的公式為：
比特幣挖礦難度的自動調整導致了一個動態的、自我修正的系統。假設比特幣價格和區塊獎勵保持不變，而挖礦成本增加。為了讓上述等式成立，更少的人會挖礦，這最終會降低挖礦難度。反之亦然：假設方程的左邊保持不變，挖礦成本降低。更多的比特幣礦工將上線，這增加了難度。
然而，實際上，完美平衡不會發生，因為礦工在變得無利可圖時不會立即關閉他們的設備。此外，由於製造和交付時間要求，哈希率的增加滯後。當比特幣價格上漲時，這會為現有的哈希率所有者帶來任意優勢。
可以得出一個結論：
保持比特幣區塊鏈運行的能源消耗取決於網絡的算力和每個礦工的能源消耗。
比特幣獎勵由協議預先確定。
總體具有成本效益的挖礦能力由市場定義（每個區塊的比特幣獎勵和比特幣價格）。
環境可持續的加密革命
幸運的是，在頂級加密貨幣中，比特幣是唯一消耗如此多能量的代幣——以太坊目前正在轉向一個完全不同的過程，其他頂級代幣（如卡爾達諾）需要的能量要少很多倍。
加密貨幣革命帶來的環境危機有兩種解決方案。比特幣和大多數其他加密貨幣一直在使用稱為“工作量證明”（PoW）的概念來驗證每筆交易。工作量證明機制確保對網絡的攻擊成本過高，並且該機制允許在鏈分裂的情況下解決衝突。此外，工作量證明機制最大限度地減少了信任，因為有效鏈——累積工作量最多的鏈——可以很容易地被每個人證明。
但是這個概念有一個根本的缺陷，那就是可擴展性問題。比特幣的供應量是有限的，隨著供應量的減少，驗證交易需要更長的時間，這反過來導致比以往任何時候都使用更多的能量來創建一個區塊，從而使這條路徑變得不太可行。事實上，世界各地有許多挖礦倉庫競相以最快的速度解決當前的任務，因為只有最快的計算機才能證明交易，並在數百台競相解決相同數學問題的計算機中獲得獎勵。這意味著進入一筆交易的所有能量中有99% 基本上是浪費的能量。
一種解決方案是部分中心化。證明系統所遇到的所有麻煩都是能夠以去中心化的方式驗證交易。一些人認為，以算法方式生產硬幣的中央權威將減少能源浪費。例如，一些加密貨幣引入了一種稱為預挖掘的概念，它要求中央機構在向公眾發布之前創建一定數量的基於區塊鏈的代幣。從長遠來看，許多人反對部分中心化的想法，希望保持區塊鏈技術完全去中心化。
另一種解決方案是轉向權益證明(PoS) 挖礦並使用可再生能源。 Proof Of Stake 系統本質上消除了Proof Of Work 系統的競爭性計算過程，同時仍然保持一切去中心化（甚至比PoW 更去中心化）。它讓系統中的每台計算機一次處理一項任務。股權證明系統要求驗證者/礦工投入一定數量的加密貨幣作為抵押品，稱為“股權”。作為回報，該算法會定期讓其中一個驗證者創建區塊鏈中的下一個區塊。與工作量證明系統相比，這大大降低了能源使用量，因為無需競相解決複雜的數學問題。
此外，還有一些發展使比特幣區塊鏈更加高效。這些發展包括交易批處理和高級密碼學等優化，以及比特幣之上的附加層，如交易所、比特幣銀行、側鍊和閃電網絡。
閃電網絡通過減少確保一筆比特幣交易所需的平均能量來擴展比特幣交易量，這一點特別有趣。作為一個去中心化的點對點支付系統，使用比特幣區塊鏈的共識作為結算層來繼承其獨特的信任屬性，閃電網絡不依賴於一個稱為區塊鏈的共享賬本中的條目，理論上可以每秒處理數十億筆交易。
在中心化的第二層（像Coinbase 等交易所）上執行的交易也不放在區塊鏈上，也不直接消耗能量。在這種情況下，信任來自實體為其客戶記錄比特幣交易並維護一個關於誰擁有多少比特幣的封閉分類賬。這些發展導致更多（如果不是無限）支付，而無需將它們放在區塊鏈上。這就是為什麼比特幣交易的增加將確保每個比特幣交易所需的平均能量減少到幾乎為零的原因。
