绿色比特币理论：比特币、电力消耗和绿色能源有何关联？

在这篇文章中，我们解释了比特币的架构只会让能够获得低成本电力和高效挖矿硬件的挖矿公司受益。 我们相信，能够获得低成本电力的公司将迫使那些运营成本高得多的公司倒闭。 为了更具成本效益比特币的风险排序，矿业公司将需要更高效的硬件和更高效的发电解决方案来保持竞争力，甚至领先于曲线。 这也包括制造设备的工程公司。 这些公司还应在中期增加研发支出。 我们还期望有更多的电力资源可供使用，例如偏远地区的水电。 基于这些论点，我们建议比特币可能会在 3-5 年内为可再生能源的研发投资做出贡献。 我们承认这些考虑是违反直觉的，目前可能代表少数人的意见。 因此，我们逐步展开论证，最终得出上述结论。 — 菲利普·桑德纳、丹尼尔·温根、斯蒂芬妮·冯·简、安德烈亚斯·斯特劳布

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比特币价格发展及其波动

比特币是 2008 年由化名中本聪起草的第一个数字不记名资产。 在一个精通技术的小型社区的推动下，一个比特币的价格多年来一直保持在 10 美元以下。 在 2013 年的第一次相关炒作中，比特币飙升至 1000 美元以上。 从那以后的几年里比特币的风险排序，比特币一直在 400 美元左右波动。 比特币在 2017 年表现惊人，创下历史新高，接近 19,000 美元。 当时，过度炒作的市场导致了 $300B 的市值。 随后出现了被称为“加密冬天”的市场整合，比特币跌破 4,000 美元。 2020 年初，在撰写本文时，比特币已恢复至 8,770 美元，市值约为 159B 美元。 比特币网络由 10,000 多个公共节点运营和保护，每秒计算 116 quintillions 的哈希值（即 116 mio.TH/s 等于 116 EH/s）。 这些计算消耗了大量的能量。 此时的用电量大约与奥地利或委内瑞拉一样高。

我们已经看到并将继续看到由于对一种尚未被充分理解的现象的强烈变化预期所导致的非常高的波动性。 有“专家”认为，比特币很快就会消失，并会受到监管的阻碍。 这将导致价格接近 0 美元。 其他“专家”设定的未来价格预期为 10 万美元、20 万美元，甚至更高。 这将导致市值分别为 $1,800B 或 $3,600B。 黄金的市值已达到 $7,500B 至 $9,000B 之间的带宽。 因此，对比特币市值占黄金市值份额的预期在 0% 到 40% 之间。 在上限，这些将是非常高的值，但预计会有很大的差异。

政府正在监管加密资产

近年来，初创公司、企业、政府和学术界都受到了底层区块链技术的启发。 他们不仅对去中心化加密货币资产感兴趣，还对面向企业的分布式账本技术（DLT）系统感兴趣。 最终，技术的价值将随着时间的推移变得更加清晰。 因此，初创公司和企业呼吁加强监管——而政府正在兑现承诺：瑞士正在提议制定新规则，以在其立法中兼顾加密资产和分布式账本技术。 自 2020 年 1 月 1 日起，德国推出了“加密货币许可证”。 列支敦士登和马耳他拥有完善的法律框架。 中国正在大力推广区块链技术，但对首次代币发行和一些加密资产（但不是全部）持怀疑态度。 尽管其法律体系支离破碎，但美国也在朝着这个方向前进。 根据国家/地区的不同，监管已经或将要到位，以将加密资产整合到国家/地区的法律框架中，从而加强投资者保护。 这也可能会吸引机构投资者投资加密资产。

总结一下：加密爱好者和初创公司推动加密资产。 他们呼吁制定明确的规则，而政府则以监管措施作为回应。 随着技术的运作和适当的立法到位，公司现在能够实际应用该技术和/或对其进行投资。 总之，未来几年采用的技术和法律基础已经或正在建立。 因此，有理由认为比特币的价格可能会因区块链技术的普及而上涨。

比特币的架构和挖矿的重要性

比特币系统的架构——尤其是采矿过程——类似于实物黄金：金矿公司的工人正在开采黄金。 比特币矿业公司正在“开采”比特币。 他们通过购买和运行特定的挖矿硬件来做到这一点。 这会消耗电力，并且需要建筑物和人力资源 (HR) 来建立 IT 基础设施。 所有这些机制都植根于工作量证明 (PoW) 共识机制，该机制已在别处广泛描述。

准确地说，比特币网络与黄金有一个显着区别：如果黄金价格上涨，金矿会加大开采黄金的力度。 这可能导致供应增加。 对于比特币，供应完全没有弹性，因此新比特币的供应不会随着更多资源的投入而增加。 如果一家矿业公司通过新硬件和新电力来源扩大其挖矿业务，它将增加其在新开采的比特币中的份额。 但是，整个网络新开采的比特币总量不会改变。

比特币是按照预定义的时间表生成的，因此可以事前确定新比特币的供应。 这个时间表几乎不可能用比特币改变。 是的，可以推出新的比特币变体，然后增加不同资产的数量。 但这些新变种无法改变现有比特币网络的供应时间表。 最近，在研究比特币的稀缺性时，stock-to-flow 模型开始流行起来。 研究人员发现，比特币的股票流通价值（稀缺性指标）与其市值之间存在高度显着的相关性。

以下重要机制适用：如果比特币价格上涨，新的矿业公司将开始运营，其他条件相同。 相反，如果比特币价格下跌，一些矿业公司就会停止运营。 由于比特币价格的高波动性，过去曾多次观察到这种情况。 然而，比特币价格当然不是影响挖矿活动的唯一因素。 三个因素尤为重要：第一，挖矿硬件的价格及其效率。 第二，冷却设备、建筑物、IT 人员、法律等运营费用。 第三也是最重要的，Electroneum。 本文侧重于后者的相关性，因为比特币网络的机制暗示了对绿色电力的需求。 其他文章也非常详细地解释了这些机制，特别是关于比特币挖矿的输入因素。

当比特币价格下跌时，哪些矿业公司离开了网络？

对于本文的其余部分，以下问题很重要：当比特币价格下跌时，哪些矿业公司将离开网络。 在这里，我们可以假设矿业公司的人口非常多样化。 在中国的燃煤电厂附近有一些矿业公司。 其他矿业公司位于北欧或加拿大（寒冷的气候改善了硬件的冷却）。 这些挖矿公司拥有不同的挖矿硬件（来自不同的制造商，提供不同的世代），必须支付不同的电费（$/kWh）并且有不同的人力费用。 这导致各种矿业公司的效率分布，效率仅通过销售比特币的收入与电力、硬件、建筑物和人力资源成本的比较来衡量。 这种分布反映了一个比特币的生产成本。 与黄金一样，所有矿业公司生产比特币的成本也不尽相同（见图 1）。 图 1 中的钟形曲线仅供说明； 目前无法根据经验观察到真实分布。 为简单起见，我们假设效率与盈利能力密切相关。

图一：不同效率分布的矿业公司分布

那么，如果比特币价格下跌，哪些矿业公司会停止挖矿业务呢？ 这将是整个分配中利润最低的。 它将是那些以超过市场价格的成本生产比特币的人。 这些矿业公司亏本出售新铸造的比特币（见图 2）。 回想一下，比特币价格下跌会降低收入和盈利能力，因此——基于效率分布——处于分布低效端的矿业公司停止运营。 高效的挖矿作业持续开采。 这些公司确保比特币网络即使在较低的哈希率下也能“生存”。

图 2：一家公司在出售新铸造的比特币时因亏损而停止运营的示例

获得低成本电力的矿业公司加入比特币网络

聪明的企业家加入比特币网络并开始或扩大他的采矿业务，以防他或她获利。 这需要获得低 Electroneum 并购买最新的挖矿设备。 如果这些高效的挖矿业务中有许多加入比特币网络，它们将迫使低效的挖矿业务停业：这些低效的公司是那些支付高额电费、运行旧硬件设备或在环境/监管不友好地区运营的公司。 我们假设所有比特币挖矿公司都希望使用最先进的硬件。 那么，按理说，在其他条件相同的情况下，比特币往往会消耗成本最低的可用电力。

哪种能源提供成本最低的电力？

现在，下一个相关问题是哪种能源以最低成本提供电力？ 据生产电力的公用事业公司的专家称，此类能源主要是水力发电，但也有——在较小程度上——太阳能和风能（例如，Stablehouse 首席执行官 Philippe Bekhazi）。 这可以解释如下：

以煤和天然气为基础的发电厂需要购买资源（即石油、天然气）才能摧毁它们。 基于水、风或阳光的可再生能源没有这样的采购成本。 阳光是免费的； 风吹; 水根据地球重力自动流过发电厂。 除此之外，以煤和天然气为基础的发电厂的维护成本更高。 使用可再生能源，只需维护一台发电机和机械部件。 此外，对于煤和天然气，需要维护的机械部件要多得多（例如，锅炉、加热器、冷凝器、冷却塔）。 此外，对于煤和天然气，过滤废气的成本很高。 我们承认并非所有能源生产设施都有此类设备。

对于本文的其余部分，重要的是要强调一个事实，即与传统能源（即煤炭、天然气）相比，可再生能源（即水、风、太阳能）的平均边际成本更低。 让我们给出一些非常明确的数字：根据我们采访的一家公用事业公司的专家，例如，基于煤炭和天然气的发电厂每千瓦时产生 3-8 美分，而水力发电设施和风车发电为每千瓦时 2-4 美分.

除了这个普遍事实之外，比特币网络还有其他好处：可再生能源的波动（即风或白天长短、雨季）和不灵活的需求曲线（即昼夜循环）导致能源过剩，因此公用事业必须燃烧电力以避免电网过载。 电网不需要也无法储存的多余电力需要接地和浪费。 这是比特币网络最便宜的电力形式。

过去，比特币网络消耗的这种过剩电力主要由蒙古的煤炭和天然气发电厂提供，其产能超过当地需求。 美国也是如此，能源密集型工业场地已被废弃，但发电厂还在。 如果这些发电厂完全折旧，石油和天然气的购买成本将被抵消，因此这些传统发电厂一直是（现在仍然是，但程度较低）矿业公司的强大动力来源。 这种发电厂的生命周期很长，可以运行几十年。

还有一种趋势是使用全新的可再生能源，比如加拿大的一些水力发电厂用于比特币开采，其他很少。 因此，比特币可能会在当地导致“孤立”的特殊电力网络（如岛屿），专用电力生产设备只为矿业公司供电。

与上述事实一致，最近的研究表明，为比特币网络供电的可再生能源份额超过 50%。 如图 3 所示，最近估计可再生能源在比特币网络中的份额为 73%。 我们认为这一份额应该增加：回想一下，能够获得低成本电力的矿业公司迫使其他能够获得高成本电力的公司倒闭。 “化石燃料”开采的驱动力将“基于可再生能源”，因为与传统能源相比，由选定类型的可再生能源（特别是水和风，不一定是太阳能）产生的电力更便宜 矿业公司破产。 这种逻辑可以增加可再生能源在比特币网络消耗的总能源中的份额。

图 3：全球可再生能源在比特币挖矿中的渗透率细分（来源：Bendiksen/Gibbons 2019）

对低成本电源的需求会推动高效电源的发展吗？

由于在这个竞争激烈的市场环境中已经发生（并且仍在发生）向成本最低的电力转变，因此需要足够的设备来利用 (i) 尽可能便宜的能源 (ii) 以最有效的方式转换变成电。 如上所述，通过水力、太阳能和风能向比特币网络供电的比例应该稳步增加。

除了强大的挖矿硬件，矿业公司主要需要低成本的能源。 这反过来又要求能源供应商和工程公司发明和部署高效的电力供应基础设施。 工作机制被称为“绩效排名”，一种根据边际成本上升对能源进行排名的方法。 因此，工程公司和能源生产商都应该有动力投资研发 (R&D) 以改进这些设施和相关设备。 原因很简单：对上游工程公司和能源供应商的投资应该提高能源效率和利用率，以便矿业公司在下游运营中盈利。 这种关系如图 4 所示。

图 4：为什么比特币网络中的激励措施增加了对可再生能源的研发投资？

增加研发投资将带来以下结果： 工程公司和能源供应商将聘请能够改进发电设施的工程师。 因此，从中期来看，这些研发投资甚至可能有助于提高整体电力生产效率。 研发成果可能会溢出到与比特币无关的发电设备工程中。

顺便说一句，挖矿硬件制造商和冷却设备也是如此。 事实上，现在已经开发出新的冷却系统（例如气流优化）来冷却挖矿硬件，在一定程度上降低了功耗。

综上所述

比特币网络消耗大量电力是事实。 然而，重要的问题是使用什么类型的能源来维持比特币网络（即化石燃料还是可再生能源）。 通过这篇文章，我们已经解释了比特币的奖励计划有利于能够获得低成本电力的矿业公司。 最近的研究表明，在这个时间点，为比特币网络提供动力的可再生能源份额超过 50%。

我们相信高效的矿业公司将迫使运营效率低下的公司倒闭。 因此，高效的矿业公司将需要能够实现这种高效率的能源生产设备，以保持盈利并继续运营。 这促使工程公司和能源供应商改进设备并投资研发，以改进发电设施和相关设备。

如果比特币的价格大幅上涨，这些机制将更加强大：获取可再生能源和获取过剩能源的需求会更高，因此这些设施设备的研发甚至应该增加。 我们提出了两个原因：首先，可再生能源发电——尤其是水力发电——比化石燃料发电便宜。 其次，可再生能源产生的多余电力，不需要也不能储存，可以用于挖矿。

有了这个，我们为比特币可以在中期提高电力生产效率方面发挥作用的假设提供论据。 尽管比特币消耗非常高的电力，但我们也相信比特币可以为利用和收获可再生能源方面的更高研发投资做出贡献。

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