美國白宮報告全文》挖礦不利環保,但加密技術可能解決供電、氣候問題

加密貨幣挖礦產生的行業耗能已等同一個中小型國家,對美國的能源供應、電網設計影響不可謂不大,拜登政府十分關切挖礦造成的能源問題,同時也期待區塊鏈和分散式帳本發展帶來的好處,本文原自美國白宮研究報告《CLIMATE AND ENERGY IMPLICATIONS OF CRYPTO-ASSETS IN THE UNITED STATES》,並由北美礦場服務商 TSE(擎速能源)Kate Li,吳說 編譯、整理。
(前情提要:「比特幣挖礦有助解決能源危機」Arcane 報告:可平衡再生電網、回收廢熱當暖氣
(相關補充:彭博:能源上市公司正大舉進軍「比特幣挖礦」!利潤率高達90%具電力成本優勢

宗旨聲明

2022 年 3 月 9 日,拜登總統簽署了第 14067 號行政命令: 《確保負責任的開發數位資產》【1】來支持數位資產的開發,與美國對氣候變化所設目標保持一致,並造福於美國居民。總統指示白宮科技政策辦公室(OSTP) 、總統執行辦公室和聯邦機構對以下進行審查:分佈式分類帳技術 (DLT) 與能源轉型之間的聯繫、分佈式分類帳技術削弱或提高國內外應對氣候變化能力的潛力以及它對環境的影響。本報告旨在說明由第 14067 號行政命令指導的審查結果。

關於部門間程序

如第 14067 號行政命令第 3 節所述,該報告的編寫通過總統國家安全事務助理和總統經濟政策助理所領導的部門間程序進行協調。參與該部門間程序的部門和機構名單載於「附錄」的機構間政策委員會部分。

建議引用格式

OSTP (2022). 美國加密資產對氣候及能源影響報告.白宮科技政策辦公室.華盛頓特區, 2022-09-08

關於科技政策辦公室

科技政策辦公室 (OSTP) 是根據 1976 年頒布的《國家科技政策、組織和優先權法案》建立的,向總統執行辦公室的總統及其他人提供經濟、國家安全、國土安全、衛生、外交關係、環境、技術回收和資源利用方面的建議。

OSTP 領導跨部門的科技政策協調工作,協助管理和預算辦公室對預算中的聯邦研究和發展進行年度審查和分析,並為總統就聯邦政府的主要政策、計劃和項目提供科技分析和判斷。更多資訊請訪問http://www.whitehouse.gov/ostp。

摘要和建議

美國國家氣候評估和政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 表示,如果到本世紀中葉之前,能將全球人為溫室氣體 (GHG) 排放減少到淨零,就能夠避免對人類健康、生態系統和基礎設施造成嚴重危害。

這些氣候造成的危害包括:熱浪;越燒越烈的森林野火、住宅和基礎設施的損失;洪水和極端天氣事件;財產損失;道路、橋樑、公共交通系統和能源系統的損壞;沿海地區被上升的海平面和風暴潮淹沒;乾旱;農作物的損害;以及其他對維持人類生存的生態系統的危害。【2,3】氣候變化造成的危害沒有被平等地承擔;服務水平不足的社群有時會承受氣候變化帶來的最嚴重的危害。【4】氣候變化代價十分高昂:2021 年,氣候災害使美國損失了1,450 億美元。【5】氣候變化也給納稅人,聯邦預算和聯邦設施帶來風險;如果不採取更多的行動,到本世紀末,氣候變化可能每年使美國國內生產總值降低 3% 至 10%,使美國聯邦收入每年減少 7%。【6】美國致力於抗擊氣候危機,到2030 年將溫室氣體排放量在 2005 年的基礎上減少 50% 至 52%,到 2035 年實現無碳污染電網,並最遲在 2050 年實現淨零排放,同時將環境正義放在首位。

與此同時,基於分佈式分類帳技術的數位資產的使用規模正在擴大。數位資產是一種以數位形式表示的價值形式。作為一項新興的創新技術,數位資產為某些美國居民和企業提供了一些好處和價值,並有可能通過新興用途在未來獲得利益。加密資產是使用加密技術實現的數位資產,目前全球總市值接近 1 兆美元。然而,目前一些加密資產技術需要大量的電力來生產、擁有或交換資產。數位資產的耗電會增加溫室氣體排放、額外污染、噪音以及其他當地影響,具體取決於市場、政策和當地電力來源。根據所使用技術的能源密集度的不同,加密資產可能會阻礙有助於實現與美國氣候承諾和目標相一致的淨零碳污染的其他努力。

美國政府有責任確保電網穩定性,實現清潔能源的未來,並保護社群免受污染和氣候變化的影響。本報告探討了美國加密資產在能源和氣候變化問題方面的挑戰和機遇,並回答了第 14067 號行政命令中提出的四個主要問題:

  1. 數位資產如何影響能源使用,包括電網管理和可靠性、能源效率激勵措施和標準以及能源供應來源?
  2. 相對於其他能源使用,數位資產對氣候、能源和環境的影響有多大?基礎數據需要哪些創新和政策才能進行有力的比較?
  3. 區塊鏈技術在支持氣候監測或緩解技術方面的潛在作用是什麼?
  4. 為了最小化或減輕數位資產對氣候、能源和環境的影響,需要哪些關鍵政策決策、關鍵創新、研發和評估工具?

數位資產如何影響能源使用,包括電網管理和可靠性、能源效率激勵措施和標準以及能源供應來源?

加密資產消耗了大量電力。

2018 年至 2022 年,全球加密資產的年度用電量迅速增長,估計用電量增加了兩倍至四倍。【7,8,9】截至 2022 年 8 月,公佈的全球加密資產總用電量估計在每年 1,200 億至 2,400 億千瓦時之間,這一範圍超過了許多國家(如阿根廷或澳洲)的年度用電量總和。這相當於全球年用電量的0.4% 至 0.9%,【10,11】與世界上所有常規(即非加密資產)數據中心的年用電量相當。【12】據估計,美國擁有全球約三分之一的加密資產運營,目前佔據美國總用電量的 0.9% 至 1.7%。該用電量範圍與美國總家用電腦或住宅照明設備用電量大致相同。【13】加密資產挖礦也具有高度的流動性。美國在全球最大的加密資產,比特幣挖礦中的份額從 2020 年的 3.5% 上升到如今的 38%,美國用於加密資產挖礦的用電量雖然仍然相對較小,但自 2021 年 1 月以來已經增長了兩倍。

儘管加密資產業務有快速增長的潛力,但未來的電力需求仍不確定。隨著加密資產礦工為應對市值波動而啟動或暫停挖礦,以及使用新設備和技術,用電量可能會發生變化。從 2021 年 7 月到 2022 年 1 月,全球加密資產年用電量增長了 67% 以上,之後的 8 月則下降了 17%。加密資產用電量快速增長的能力引發了人們對用電量快速增長以及對消費者和電網後續影響的擔憂。例如,德克薩斯州正成為一個越來越有吸引力的加密資產挖礦地點,該地區用電高峰約佔當地用電需求的 3%。在未來 10 年,德州可能會看到加密資產挖礦帶來的額外 2,500 萬千瓦的新電力需求—— 相當於德州現有峰值電力需求的三分之一。【14】需求增加給維持電力可靠性帶來了潛在的挑戰。

隨著最近《降低通貨膨脹法》的頒布,聯邦稅收抵免和其他激勵措施將刺激清潔能源的大規模發展,幫助美國的大部分交通運輸、建築和工業部門實現電氣化。【15】至關重要的是,清潔能源通過新的電氣化來滿足這一需求。此外,快速增長的新電力需求必須避免對電網產生不可控制的影響,並用最高效的技術來實現。同樣至關重要的是,發電量能滿足家庭與企業需求。在兩黨基礎設施法支持對電網現代化和擴建進行投資,以確保面對氣候導致的極端天氣和火災時還能保留彈性之際,這一點尤為關鍵。【16】

不同加密資產技術的用電量差異不同。

幾乎所有的加密資產用電都是由共識機制驅動的:用於挖掘和驗證加密資產的分佈式分類帳技術。主要的共識機制被稱為工作證明機制 (PoW),它被比特幣和以太坊使用。比特幣和以太坊,它們各自的加密資產合併佔總加密資產市值的 60% 以上。PoW 機制旨在要求更多的算力,這是因為越來越多的實體試圖驗證交易以獲得貨幣獎勵,這一功能有助於抑制惡意行為者攻擊網路。截至2022 年8 月,據估計比特幣佔全球加密總資產用電情況的 60% 至 77%,以太坊佔 20% 至 39%。

據估計,另一種能源密集型共識機制——權益證明 (PoS) —— 在 2021 年消耗高達 2.8 億千瓦時,不到全球用電量的 0.001%。目前關於減少加密資產用電量的討論主要集中在 PoW 區塊鏈,尤其是比特幣。【17,18】越來越多的人呼籲 PoW 區塊鏈採用能耗更低的共識機制。最引人注目的反應是以太坊承諾推出「以太坊 2.0」,使用 PoS 共識機制。

相對於其他能源使用,數位資產對氣候、能源和環境的影響有多大?基礎數據需要哪些創新和政策才能進行有力的比較?

全球市值最大的加密資產發電每年產生的二氧化碳總量為140 ± 3,000 萬公噸 (Mt CO 2 /y),約佔全球年度溫室氣體排放的 0.3%。

據估計,美國的加密資產活動將排放約 25 至 50 Mt CO 2 /y,占美國溫室氣體總量排放量的 0.4% 至 0.8%,相當於美國鐵路使用的柴油燃料的排放。美國用電產生的溫室氣體排放量因地區而異;一些地區更多地依賴於碳密集型化石燃料,而另一些地區則使用更多的核能和可再生能源。

除了購買電網電力外,加密資產挖礦還會造成由挖礦、電子垃圾、廢氣以及直接使用化石燃料發電帶來的當地的噪音和水排放影響,以及與電網發電相關的額外廢氣、廢水和廢物排放污染。這些當地受到的影響會加重服務水平不足的社群的環境正義問題。

更廣泛地使用加密資產,加上可能引入新型數位資產,要求聯邦政府採取行動去鼓勵並確保負責任的發展。這包括最大限度地減少其對當地社群的影響,大幅降低能源密集度,並使用清潔能源供電。而具有下一代技術創新的數位資產研究可以促進美國在安全、隱私、公平、彈性和氣候目標方面目標的實現。

區塊鏈技術在支持氣候監測或緩解技術方面的潛在作用是什麼?

區塊鏈技術有在環境市場中發揮作用的潛力,而 DLT 有可能實現分佈式能源資源協調及更廣泛的供應鏈管理。【19,20】

DLT 是各種市場正在探索的技術。其他解決方案可能同樣有效,甚至更好。為了幫助美國履行其對氣候變化的承諾,必須以能夠減少溫室氣體排放的方式部署 DLT。相對於它們正在取代的市場或機制,DLT 潛在的效益需要超過其運營產生的額外排放及其他環境外部性影響,才能在碳信用市場生態系統中得到更廣泛的使用。案例還在不斷發生,就像所有新興技術一樣,潛在的正面和負面案例還有待觀察。美國政府應促進那些能應對市場挑戰、與環境和公平目標保持一致,且能實現客戶和投資者保護並保證市場完整性的創新行為。

為了最小化或減輕數位資產對氣候、能源和環境的影響,需要哪些關鍵政策決策、關鍵創新、研發和評估工具?

為了幫助美國實現其氣候目標,即到 2030 年將 GHG 排放量減少 50% 至 52%,到 2035 年實現無碳污染的電力系統,到 2050 年實現淨零排放經濟,向清潔能源過渡期間的加密資產政策應專注於幾個目標:減少 GHG 排放量,避免會增加消費者電力成本的操作,避免降低電網可靠性的操作,以及避免對公平、社群和當地環境的負面影響。

以下建議旨在:解決數據差距、管理電力需求、減少 GHG 排放、減少電子垃圾和污染、支持能公平惠及全國各地的社群的清潔能源過渡,並處理負擔過重和服務水平不足的社群的長期存在的問題。

為確保負責任的數位資產發展,提出以下供考慮的行為建議:

最大限度地減少 GHG 排放、環境正義影響以及加密資產對當地的其他影響:環境保護署 (EPA)、能源部 (DOE) 和其他聯邦機構應提供技術援助,並啟動與各州、社群、加密資產行業等的協作流程,為負責任的設計、開發和使用對環境負責的加密資產技術制定有效的、基於證據的環境性能標準。

這些標準應包括非常低的能源密集度、低用水量、低噪音、運營商使用清潔能源的標準,以及隨著時間的推移,加強無碳生產以匹配或超過這些設施的額外電力負荷的標準。如果這些措施被證明在減少影響方面無效,政府應探索行政行動,國會可能考慮立法,限制或消除加密資產挖礦使用高能源強度共識機制。

能源部和環保局應向各州公共事業委員會、環境保護機構和加密資產行業提供技術援助,來提高它們對減少加密資產挖礦的排放、噪音、水排放影響和負面經濟影響的能力;減輕對負擔過重的社群的環境非正義影響。

  • 確保能源的可靠性:能源部應與聯邦能源監管委員會、北美電力可靠性公司及其區域實體協調,對當前和預計的加密資產挖礦作業對電力系統的可靠性和充足性進行可靠性評估。如果這些可靠性評估發現加密資產挖礦對電力系統造成當前或預期的風險,這些實體應考慮制定、更新和執行可靠性標準和應急操作程序,以確保在加密貨幣挖礦規模增長的條件下,系統能夠保證其可靠性和充分性。
  • 獲取數據以了解、監測和減輕影響:美國能源信息管理局 (Energy Information Administration) 和其他聯邦機構應考慮在保護隱私的前提下收集、分析加密資產礦工和電力公司的信息,以便就加密資產的能源和氣候影響做出循證決策。數據應包括挖礦能源的使用及燃料組合、電力購買協議、環境正義影響和需求響應參與情況。OSTP 可以建立一個國家科技委員會附屬委員會,與其他相關機構協調,評估主要加密資產的能源使用情況。
  • 提高能源效率標準:政府應考慮與國會合作,為能源部提供支持,並鼓勵其他聯邦監管機構頒布並定期更新加密資產挖礦設備、區塊鏈和其他操作的節能標準。
  • 鼓勵透明度和改善環境績效:應鼓勵加密資產行業協會(包括礦業公司和設備製造商)公開報告加密資產的開採地點、年度用電量、使用現有協議的溫室氣體排放情況以及電子垃圾回收績效。
  • 進一步研究以增強理解和創新:為了提高分析能力,提高用電量估計的準確性和可持續性,美國國家科學基金會、能源部、美國環保署和其他相關機構可以推進並支持提高數位資產環境可持續性的研究和開發重點,包括加密資產影響評價模型、環境正義影響評估,以及了解電網管理和環境緩解的有益用途。研究和開發的重點應該放在下一代數位資產技術的創新上,以促進美國在安全、隱私、公平和彈性方面,以及氣候方面的目標。

1.動機及介紹

解決氣候危機是拜登政府的首要任務

根據第 14008 號行政命令「應對國內外氣候危機」,總統制定了到 2050 年將溫室氣體排放減少到淨零的國家目標。【21】根據《巴黎協定》,美國提交了關於承諾到 2030 年,美國溫室氣體排放在 2005 年的基礎上減少 50% 至 52% 的「國家自主貢獻」文件,並確定了到 2050 年實現溫室氣體淨零排放的目標。

【22】第14008 號行政命令認為,美國面臨著「威脅我們的人民和社群、公共衛生和經濟的氣候危機,甚至直接威脅著我們在地球上生存的能力」。這一行政命令旨在應對這一危機,包括通過「在政府範圍內減少各個經濟部門的氣候污染……[並]保護公共健康」,並指示環境保護署、OSTP、財政部和其他聯邦機構在決策過程和其他行動中「優先採取應對氣候變化的行動」。第 13990 號行政命令:「保護公眾健康和環境,恢復科學以應對氣候危機」宣布,聯邦政府必須以科學為指導來改善公眾健康,保護環境,減少溫室氣體排放,確保獲得清潔的空氣和水,優先考慮環境正義,並創造高薪的工會工作崗位。【23】

2022 年 8 月 16 日,總統簽署了《降低通貨膨脹法案》(IRA),【24】這是美國歷史上在清潔能源、減少溫室氣體排放和氣候彈性方面唯一的最大投資。該法案為應對氣候變化和加強美國能源安全提供了 3,690 億美元。IRA 計劃到 2030 年將碳排放量在 2005 年的基礎上減少 40%。【25】美國的氣候目標、行政命令、兩黨基礎設施法、【26】晶片與科學法案【27】以及愛爾蘭共和軍共同設定了聯邦政府應對氣候危機的行動基準。

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與此同時,數位資產用電量在美國迅速增長。例如,在 2020 年 1 月至 2022 年 1 月期間,美國在全球比特幣挖礦中的份額從 4.5% 上升到 37.8%。【28】鑑於美國承諾減少排放,聯邦政府必須確保在美國使用數位資產時,不會妨礙實現氣候目標的能力。本報告對數位資產對氣候和能源的影響的評估和建議與減少溫室氣體排放以保護公眾健康和福利以及改善環境正義的聯邦行動相一致。

美國必須促進負責任的數位資產發展

拜登總統關於確保數位資產負責發展的行政命令指出:「負責任的金融創新符合美國的利益」,聯邦政府「必須採取有力措施,以降低數位資產可能給消費者、投資者和企業保護帶來的風險……金融普惠性和公平性;還有氣候變化和污染。」為此,行政命令的主要政策目標承認,聯邦政府「必須保護消費者,投資者和企業」,「美國傾向於確保以負責任的方式開發、設計和實施數位資產技術及數字支付生態系統,這……減少某些加密貨幣挖礦可能導致的負面氣候影響和環境污染。」

加密資產使用數位加密來維護財務記錄

加密資產是一種依賴加密和 DLT 或類似技術的私營部門數位資產。儘管其他資產可能涉及價值相關的數字表示,但只有依賴於加密和 DLT 的資產(例如區塊鏈)才是加密資產。

分佈式分類帳是一個數據庫,公共網路上的參與者可以在其中記錄交易。該分類帳為所有用戶提供了一種對分類帳條目和交易達成一致的機制—— 稱為共識機制。不同的共識機制為參與者何時提交分類帳更新執行不同的規則。例如,PoW 共識機制【29】(目前被用於比特幣、以太坊和其他區塊鏈)要求在一組交易或「區塊」被驗證並添加到帳本之前完成計算密集型的進程。這樣可以確保參與者願意花費大量的計算和能源資源來為分類帳增加塊。這種方法使得惡意參與者更難以強制執行不准確的帳本,因為他們需要聚集大量計算資源,並消耗大量能源來達成共識。向網路提交區塊的參與者被稱為礦工。因為礦工在區塊鏈中添加一個區塊會獲得新生成的加密資產形式的補償,還能收取與區塊內交易相關的費用,礦工受到激勵,通過執行能源密集型計算將區塊添加到共識分類帳中。【30】參與者確認新區塊的有效性,將其添加到區塊鏈分類帳中,然後儲存該分類帳的最新副本。圖 1.1 顯示了對 PoW 加密資產挖礦的概述。

隨著加密資產變得更有價值,挖礦報酬也會變得更有價值。這吸引了更多的礦工和計算資源來解決加密數學問題。隨著礦工將更多的計算資源用於處理區塊鏈的事務,數學問題將變得更加困難。這使得找到一個解所需的平均時間近似恆定。這種 PoW「經濟模型」意味著,只要加密資產在礦工之間的分佈保持不變,隨著加密資產價值 (和網路) 的增長,PoW 網路會使用更多的電力。加密資產總價值的增長吸引了數千名礦工,他們使用電腦和訂製硬體,其消耗的總電量與一個中等規模的國家或大城市地區消耗的電量相當。

對於能源密集型 PoW 共識機制而言,最受歡迎的替代方案是 PoS,它用於如Solana、Cardano、以太坊 2.0 等的網路。在 PoS 中,參與者被稱為驗證者,他們通常「持有」一定量的加密資產,以獲得添加新的交易塊到分類帳的機會。驗證者持有的加密資產越多,或者持有時間越長,被選中的機會就越大。發布不准確數據或進行欺詐性交易的驗證者有可能失去他們的份額。PoS 共識機制中存在數十種變體;變體通常都遵循這樣的原則:信任是由參與者願意拿他們寶貴的加密資產冒險來推斷的。因為 PoS 驗證器依賴於風險資產而不是計算能力來驗證交易,所以 PoS 加密資產的用電量遠低於 PoW 加密資產,如附錄表 A.1 所示。

除了 PoW 和 PoS 之外,還有許多其他類型的共識機制,包括但不限於容量證明和實用拜占庭容錯,現有的加密資產都有使用這兩種機制,如附錄表 A.2 所述。【31】除了電力使用,還有其他問題影響著加密資產的應用和市場接受度,包括可擴展性、防止篡改和偽造的安全性、吞吐量、延遲和去中心化。【32】每一種共識機制都有優點和缺點。加密資產社群尚未就共識機制的「最佳實踐」構成達成一致,社群可能會出現其他具有不同優缺點的共識機制。負責任的數位資產開發將鼓勵建立共識機制,最大限度地減少能源使用、降低環境負面影響,同時最大限度地使消費者受益。

圖1.1:理解加密資產挖礦中工作區塊鏈的證明。改編自Kilroy 區塊鏈【33】


2.加密資產影響電力使用和電網

包括加密資產在內的數位資產的生產、擁有以及交換需要電力。加密資產網路使用電力來驅動四項主要功能:數據儲存、計算、冷卻及數據通信。其中,計算在加密資產網路中消耗了絕大多數電力。【34】因此,大多數研究都集中在估算計算設備的用電量,包括冷卻所需的額外電力。【35】用於冷卻的電力會增加計算設備本身消耗的電力,倍數從較低的百分比 (氣候寒冷時) 到超過 100%。【36,37,38】

電力使用情況因不同類型的加密資產而異

計算設備使用的電力規模和來源情況取決於加密資產用於確保安全性和有效性的技術,或其共識機制。對於 PoS 區塊鏈,計算任務可以由通用計算機或服務器來執行。後者可以位於跨網路的傳統數據中心。

【38】在PoS 區塊鏈中,這些計算設備被稱為驗證節點(參與共識協議並產生新區塊)和完整節點(驗證交易)。【40】由於它們的高伺服器密度,傳統的數據中心需要額外的電力用於現場冷卻。美國大多數的數據中心從當地電網購買電力,但一些大型數據中心運營商正在投資大規模的可再生能源項目,以抵消他們在當地電網產生的排放。【41,42】國際數據中心也是如此,因此國際 PoS 區塊鏈參與者的排放足跡取決於當地的發電能源。

PoW 區塊鏈也使用通用節點來驗證交易,驗證共識協議,並儲存區塊鏈的共識副本。然而,使用PoW 區塊鏈的流行加密資產的計算也由專門的半導體執行,基於執行 PoW 計算的「挖礦機器」中包含的應用特定集成電路 (ASICs)。【43,44,45】這些挖礦設備通常位於購買電網電力的「挖礦」設施中,屬於當地的大型電力負荷。【46】這些設施通常以低於居民用電的工業用電費率購買電力,有時還會獲得特殊的經濟激勵,比如能源購置稅減免。【47,48,49】

另外,PoW 挖礦作業可以建造設施來生產部分或全部的電力。挖礦作業可能會建造一個專用的有或沒有能源儲存功能的太陽能農場,或者可能會使用滯留的天然氣在現場安裝發電機。【50】挖礦作業也可以與單個電力設施簽訂合約,將挖礦設備直接連接到化石燃料發電廠、太陽能發電場、風力發電場、水力發電場等。

附錄中的表 A.3 總結了 2021 年特定 PoS 和 PoW 區塊鏈網路的計算設備數量及其典型電力需求的估計值。【51,52】這些估計表明,每台 PoS 計算設備所需的電力比 PoW 挖礦的典型 ASIC 比特幣礦機少 10 到 500 倍。

加密資產活動的用電量

雖然全球已經發行了數千種的加密資產,但已發表的研究只關注了相對較少的高市值加密資產。大多數公佈的加密資產用電量估計都集中在比特幣上,由於其高市值、受投資者和礦工歡迎以及能源密集型 PoW 共識機制,比特幣被認為是所有加密資產中消耗電量最多的。研究人員還估算了其他高市值 PoW 和 PoS 加密資產的用電量,如附錄表 A.1 所示。

目前加密資產網路的總用電量無法被直接監控,因為許多計算或挖礦中心不披露其位置,也不報告其用電量。然而,用電量可以通過分析來估算。與所有電力使用一樣,加密資產的用電量是以千瓦小時(kWh) 來衡量的:一小時內使用一千瓦 (kW) 的電力。美國家庭平均每年使用 10,715 千瓦時,即每月 900 千瓦時。【53】作為參考,美國所有住宅照明每年消耗約 590 億千瓦時,2021 年美國全年用電量為 39,300 億千瓦時。【54,55】

2022 年,支持加密資產的區塊鏈全球總用電量預計在每年 1,200 億至 2,400 億千瓦時。【56】這相當於全球年用電量的 0.4% 至 0.9% 。【57,58】這一範圍與世界上所有常規(即非加密資產)數據中心的年用電量相當,這些數據中心在 2020 年的用電量在 2,000 至 2,500 億千瓦時之間。【59】然而,隨著礦工們為應對市值波動而啟動或暫停挖礦,以及使用新礦機,加密資產的用電量可能會迅速變化。因此,到 2022 年為止,全球加密資產用電量的估計範圍低至每年 105 至 178 億千瓦時,高至每年 176 至 3,050 億千瓦時,如附錄表 A.1 所示。【60,61,62,63,64,65,66,67,68】

截至 2022 年 8 月,兩個 PoW 區塊鏈的用電量佔絕大多數:據估計,比特幣佔全球加密資產總用電量的 60% 至 77%,以太坊佔 20% 至 39%。【69,70,71,72,73】比特幣區塊鏈的全球年用電量估計為 900 億至 1,450 億千瓦時,理論範圍為 400 億至 1,800 億千瓦時。以太坊區塊鏈的用電量估計為 230 億至 940 億千瓦時,下限為 160 億千瓦時。所分析的 PoS 加密資產的全球用電量每年不到 2.8 億千瓦時,不到全球用電量的 0.001%,約為全球電力總 PoW 用電量下限的 0.25%。考慮到上述對用電量的估計,大多數關於加密資產用電量的討論都集中在 PoW 應用上,尤其是比特幣。【74,75】越來越多的人呼籲PoW 區塊鏈採用能耗較低的共識機制。最引人注目的反應是以太坊承諾推出「以太坊2.0」PoS 區塊鏈。

美國目前擁有世界上最大的比特幣挖礦業,截至 2022 年 8 月,其比特幣網路 Hash 率約佔全球的38%。【76】Hash 率是每秒用於挖掘和處理 PoW 區塊鏈的總計算能力。隨著 PoW 區塊鏈上礦工數量的增加,破解加密數學難題變得更加困難,最終增加了 Hash 率。假設比特幣用電量與 Hash 率成正比,【77】截至 2022 年 8 月 15 日,美國在全球比特幣用電量中所佔的份額將降至每年 330 億至 550 億千瓦時, 即2021 年美國總用電量的 0.9% 至 1.4%。【78】如果也考慮到美國在全球以太坊挖礦中的份額,美國 PoW 挖礦用電量將上升到每年 360 至 660 億千瓦時,或占美國年總用電量的 0.9% 至1 .7%(見表A.1)。這使得美國 PoW 挖礦用電量與美國所有常規(即非加密資產)數據中心的用電量相當,最近的估計數據為每年 720 億千瓦時。【79】圖2.1 顯示,加密資產的用電量與一些國家、州或關鍵能源服務的用電量相似。

圖2.1: 截至2022 年8 月,多個示例的年用電量與加密資產最佳估計值的比較,誤差線代表最佳值範圍。【80,81】

鑑於方法上以及現有電力估計所適用日期的差異,對電力估計的解釋必須謹慎。隨著比特幣市場價值和網路 Hash 率的增加,比特幣區塊鏈的估計用電量穩步上升—— 其他支持加密資產的 PoW 區塊鏈也可能會出現這種情況。此外,上限和下限之間的估計差異隨著時間的推移而增加,這反映出當加密資產擁有更高的市場價值時,礦工所部署的礦機類型的不確定性。

雖然較大範圍可以讓政策制定者了解 PoW 用電量可能有多大,但它們也表明,加密資產公司需要報告其實際用電量,以減少不確定性。此外,由於加密資產市場價值的波動,對每日用電量的估計也會有變化。【82】任何公佈的估計結果都會隨著市場動態變化而過時。

與其他金融交易的比較

加密資產可以用於投資或投機目的,作為支付手段,或用於財富儲存。雖然信用卡交易只涉及各方之間的一次支付,但多個比特幣交易可以捆綁在一起成為一個「鏈上」交易,這可以將不同類型的金融活動合併記錄到一條公開的區塊鏈上。

例如,當有人買賣比特幣,或者用比特幣買咖啡時,這些都被記錄為比特幣從一個地址到另一個地址的轉移,並且這次轉移的記錄會與其他交易一起添加到下一個區塊。比特幣區塊鏈上的一個區塊通常包含1,000 – 2000 筆交易,每個區塊的交易量每天都在變化。【83】解決 PoW 數學問題並將一個比特幣區塊記錄到帳本的平均時間約 為10 分鐘,因此每年將 52,560 個區塊添加到比特幣區塊鏈中。

比特幣目前的全球耗電量為每年 900 億到 1,400 億千瓦時。每個區塊大約需要 170 萬到 270 萬千瓦時,可以進一步劃分為對每個鏈上交易所需千瓦時的估計。這只是一個大概的估計。使用比特幣,與使用其他加密資產交易一樣,中心化的加密資產交易平台通常使用鏈下交易,並在某些活動中使用鏈上交易,例如,向平台外的參與者發送加密資產時。其結果是,加密資產平台只向區塊鏈發送部分交易,鏈下活動的用電量不太可能被估計。與其他金融服務相比,這些因素為估算每筆交易的實際用電量帶來了挑戰。

與傳統金融服務相比,目前鏈上加密資產交易的總數很少。在 2020 年,比特幣和以太坊共同報告了約 4.6 億筆的鏈上交易。【84,85】同年,Visa,MasterCard 和 American Express 總共處理了約3,100 億筆信用卡支付交易。【86】DLT,包括比特幣和以太坊的區塊鏈,構成了完整的支付系統,並允許各方之間的實時總結算。相比之下,信用卡商家需要正式的銀行關係來結算交易,因為交易只授權支付,而不結算支付。因此,數位資產交易與信用卡交易之間存在根本區別。

注意,直接比較是複雜的,Visa、MasterCard 和 American Express 報告稱,2020 年的用電量加起來約為 5 億千瓦時,【87】包括除了電子支付之外的所有業務,【88,89,90】換而言之,儘管這三個實體處理的鏈上交易數量是比特幣和以太坊的很多倍,也經營了更多的公司業務,它們消耗的電量還不到比特幣和以太坊同年使用電量的 1%。【91】

負責任的數位資產開發包括在開發數位資產時,應保證低能源密集度的作業。

加密資產挖礦會影響電力消費者和電網

電力系統是人類健康、經濟和美國國家安全的關鍵基礎設施。它也是美國未來清潔能源經濟的支柱,因為電力將逐步替代汽車、建築以及某些工業生產中使用的化石燃料。美國需要加速最終用途的電氣化進程,以實現其氣候目標。21 世紀 20 年代是美國氣候行動的決定性十年,每年電網需要多達 100 吉瓦 (GW) 的清潔電力來滿足新增的電氣化終端需求。【92】同時,電力基礎設施面臨著當今需求和氣候引起的極端天氣的壓力,【93】還需要大量的再投資。

以六年為周期,過去六年發生的停電事件是前六年的兩倍,為了適應新的電力需求,電網可靠性必須提高。【94】為2 0 世紀的氣候而設計的電力基礎設施,現在不得不承受比過去更高的溫度、更猛烈的風暴以及其他因氣候變化而加劇的極端條件,這將給電網造成更大的壓力,而且可能在消費者最需要電力的時候導致電力供應不足。【95】美國需要一個可靠、負擔得起、清潔、公平、適應氣候變化的電力系統。對該系統的新要求必須有助於,而不是阻礙,實現美國的氣候目標。

在大多數電網中,首先用燃料成本低的可再生能源與核電站去滿足電力負荷。燃料成本較高的靈活資源,如天然氣或燃煤發電廠,則用於響應每日電力負荷的波動。隨著加密資產挖礦對電力需求的增加,電力系統運營商將調度更多的天然氣和煤炭發電廠。因為平均排放量和邊際排放量存在差異,這些發電廠的電通常比平均電網電力的成本高,造成的污染也更嚴重。【96】

加密資產挖礦作業的負載係數通常很高:它們幾乎不間斷地用電。當這些設施在需求高峰期間運行時,它們會給電力基礎設施造成壓力,影響設備壽命,導致其他客戶停電,還會帶來火災隱患。【97】華盛頓格蘭特縣的公共事業區針對加密資產礦工施行了費率等級制度,以收回由挖礦電力需求引起的增量成本。【98】華盛頓本頓縣的公共事業區也採取了一項針對加密資產客戶的政策,理由是擔心分配系統的安全性和可靠性。【99】

加密資產挖礦帶來的電力需求增加也會推高當地消費者的電價。紐約北部的加密資產挖礦使家庭年度電費增加了 82 美元,小企業年度電費增加了 164 美元,2016 – 2018 年當地消費者和企業的淨總損失預計為 1.79 億美元。【100】 2018 年,紐約市政電管局為加密資產的大容量數據處理中心制定了新的收費標準,以提高挖礦成本。【101】在社群居民和企業抱怨高昂的能源帳單和噪音之後,紐約州的普拉茨堡頒布了一項為期 18 個月的暫停挖礦作業的禁令。如果挖礦業務在環境變化時轉移到不同的地方時,挖礦還可能將成本對應轉移到當地電力用戶,讓他們承擔風險。這可能會讓當地客戶為挖礦作業的基礎設施升級買單。

延伸閱讀:紐約議會通過「暫停2年比特幣挖礦 」法案!V神 : 反對禁PoW、建議用碳定價

許多加密資產礦工已經將業務轉移到德克薩斯州。德州電力可靠性委員會 (ERCOT) 是德州大部分地區的電網系統運營商,夏季電力需求峰值約為 76 吉瓦(GW),目前加密資產挖礦活動約為 20 GW。約 17 GW 的加密資產設施正在連接到 ERCOT 運營的電網,預計在未來 12 至 15 個月內將有 5,000 萬至 6,000 萬的新需求(相當於休斯頓市的電力需求)。ERCOT 還可能在未來十年內增加 25 GW。【102】雖然其中許多項目可能無法完成,但加密資產挖礦帶來的高達 25 GW 的新電力需求—— 相當於德克薩斯州現有峰值電力需求的三分之一——給維持電力可靠性帶來了潛在挑戰,尤其是在近年來電力需求和極端溫度都不斷上升的情況下。

加密資產挖礦作業可以通過縮減或關閉礦機來迅速減少電力使用量。比特幣礦工可以參與公用事業和電網運營商的項目,它們為了在電網壓力峰值期間減少負荷,或平衡供需,會向大型電力用戶支付費用—— 這一過程叫做需求響應。

2022 年 7 月 11 日,高溫和高預計電力需求導致 ERCOT 宣布電網緊急事件,據報導,使用 1 GW 電力的比特幣礦工響應了 ERCOT 的需求響應請求,減少了礦用電量。【103】在 2022 年 7 月,一家在德克薩斯州運營一家設施的比特幣上市挖礦公司,在德克薩斯州電網的需求響應計劃中賺取了 950 萬美元,這比該企業在同一個月生產的 318 個比特幣的價值還多。

【104】靈活的電力需求、快速的需求響應以及電力輔助服務是由可變可再生電力(如風能和太陽能)組成的脫碳電網的基本屬性。加密資產挖礦作業可以隨時開啟或關閉的靈活性,有助於上述快速響應服務的實現。加密資產挖礦作業帶來的電力需求增量也增加了電網需求的總體峰值水平。雖然在電網發生緊急情況時降低峰值是有價值的,但也有必要在加密資產礦工和電網運營商之間建立錯位激勵機制,用需求響應來滿足增加的峰值。保證加密資產礦工和其他需求響應參與者在需求響應項目上的參與和報酬支付完全透明是至關重要的。保證透明度能夠打擊尋租和博弈的積極性,保護當地電力消費者,提高電力可靠性。【105】

在國際上,立法和監管已經解決了有關加密資產活動的環境問題。歐盟委員會即將出台的加密資產市場立法很可能要求增加對環境和氣候影響信息的披露,並在兩年內引入強制性最低可持續性標準,以建立共識機制。【106】在中國,大規模比特幣挖礦與國家的環境目標的不一致是政府在 2021 年禁止加密資產交易的原因之一。【107】

未來的加密資產用電量預測不確定

能源使用預測根據能源系統模型進行估計,該模型展示了服務需求、技術效率、能源供應選擇和價格之間的關係,以及人口規模和經濟生產率等宏觀經濟因素隨時間的變化之間的關係。【108】然而,現有的能源系統模型不能完全恰當地運用在數據中心和電信網路等數位技術上,更不用說加密資產和區塊鏈網路了。這是眾所周知的建模缺口,它阻礙了對數字系統的穩健能量預測。【109】未來由其他估計方法確定的預測需要對網路 Hash 率和礦機效率進行預測,這些變量又相互關聯,且都受到加密資產的市場價值和現行電價的影響。

加密資產的數量、流行度以及採用何種共識機制也存在相當大的不確定性。這些因素都會影響電力需求。與 PoS 或其他能源密集型網路增長的相關風險遠低於與 PoW 網路增長帶來的風險。圖 2.2 繪製了 2016 年 8 月 1 日至 2022 年 8 月 24 日間,比特幣網路市值和網路 Hash 率的歷史趨勢。

【110】雖然網路 Hash 率在 2021 年 7 月至 9 月期間,因比特幣市值暴跌而下降,但在 2021 年底開始的市值暴跌中,沒有觀察到市值和網路 Hash 率之間的類似相關性。因此,根據預測的貨幣市場價值來推斷未來的網路 Hash 率具有很大的不確定性。因為不確定性的存在,關鍵的系統變量可能會發生變化,所以應避免推斷未來的情況。在過去,簡單外推法經常會對那些複雜且不斷發展的資訊技術系統(如組成區塊鏈的系統)得出不切實際的能源需求預測結論。【111】

圖2.2:比特幣市場價值和網路Hash率的歷史趨勢(EH/s)【112】

在 2016 年 8 月至 2022 年 7 月期間,由於計算效率的提高,預計部署礦機的平均能源強度降低了約 85%。【113,114】同一時間段,網路 Hash 率增加了 14000% 以上,導致網路用電量增加了2000%。【115】這一增長表明,從歷史上看,隨著礦業競爭的加劇,礦機效率的提高會被提高的 Hash 率所抵消。

然而,未來網路 Hash 率和部署的礦機效率之間的關係是不確定的。這是由於礦機未來在計算效率提高方面的潛力是未知的,並且對於某些加密資產,如比特幣,其挖礦激勵將如何受到未來區塊獎勵減少的影響也是未知的,而這可能會限制比特幣用電量的增長。這些不確定性以及加密資產用電量快速增長的能力表明,要了解並監測加密資產用電量情況,還需要獲得更合適的數據。

3. 加密資產會導致溫室氣體排放及其他環境影響

使用電網電力的加密資產挖礦產生溫室氣體排放- 除非挖礦使用清潔能源

加密資產挖礦產生溫室氣體排放並加劇氣候變化,主要是在以下場景中燃燒煤炭、天然氣或其他化石燃料造成的:1) 現場專用發電廠,2) 從電網購買電力,和/或3) 生產和處理計算機和挖礦基礎設施,以及生產發電廠燃料和建造基礎設施。這三個類別對應於溫室氣體議定書的範圍1、2 和3,【116】這是一項自願性行業標準。

目前估計,2022 年全球加密資產挖礦的二氧化碳排放量為110 至170 萬公噸(或140±3,000 萬公噸),美國約為2,500 至5,000 萬公噸。【117,118,119】這分別佔全球排放量的0.2% 至0.3%,美國排放量的0.4% 至0.8%。評估加密資產的排放十分複雜;因此,估計也存在不確定性。

由於加密資產挖礦的用電量可能會迅速波動,而國家挖礦份額也會隨價格和挖礦業務活動而波動,因此與用電量相關的溫室氣體排放量也會波動。通過基於挖礦活動的經濟和地理的估計,以及國家一級電力溫室氣體強度的數據,研究人員估計了與主要加密資產相關的溫室氣體排放範圍。【120,121】

全球加密資產挖礦的排放量為140 Mt CO 2 /y,高於許多國家的排放量,相當於駁船、油輪以及其他船舶在內河航道上航行的全球排放量。【122】僅比特幣就產生了約三分之二的全球加密資產溫室氣體排放。【123,124,125,126】比特幣排放量從2017 年的2 到16 Mt CO 2 /y迅速增加【127,128,129】至2022 年5 月30 日至6 月16 日的100±20 Mt CO 2 /y,【130,131,132】在五年內增加了大約10 倍。

由於挖礦作業地點的變化和年度流域水循環對水力發電的影響,對加密資產挖礦使用的全球能源組合的估計也有所不同。2019 年9 月至2021 年8 月,比特幣使用的電力平均有30% 來自水力發電、太陽能、風能和其他可再生能源。【133】在此期間,中國的水電為比特幣挖礦提供了大部分可再生電力。自2021 年9 月中國禁止加密資產挖礦以來,比特幣使用的可再生能源有所減少。因此,2018年至2021 年,估計比特幣挖礦用電的平均碳強度從480 克/千瓦時增加到570 克/千瓦時二氧化碳。【134】

自2005 年以來,美國電力生產的溫室氣體排放強度下降了33% 以上,2020 年平均電力溫室氣體排放量為373 g/kWh。【135】該排放率低於天然氣發電廠的排放率(412 g/kWh),比美國燃煤發電廠(1,011 g/kWh ) 低約63%。【136】2021 年,美國約61% 的發電量來自化石燃料(天然氣38%,煤炭22%,其他1.3%)。美國剩餘39% 的電力來自核能(18.9%) 和可再生能源(9.2% 風能、6.3% 水電、2.8% 太陽能、1.3% 生物質能和0.4% 地熱)。【137】美國的電力需求由發電廠、能源儲存資產和電網管理工具根據客戶需求的變化調控可用電量來滿足。

區域電力系統運營商往往分佈在多個州,它們通常會平衡電力供應和需求,並與鄰近的電網運營商進行電力交易。【138,139】由美國環保署編制的排放與發電資源綜合數據庫(eGRID) 是區域電力排放信息的權威且可獲取的來源。【140】發電產生的溫室氣體排放量因地區而異。由於煤電儲備相對較多,美國大平原的中部地區的碳強度約為700 g/kWh,其產生的每非基負荷千瓦時產生的二氧化碳當量排放量(234 g/kWh) 幾乎是加州的三倍。這些都是平均排放率,而加密資產的新電力需求在短期內(通常需要使用非基負載排放係數)及長期內(隨著電網組成的變化)都會影響電力來源。

圖3.1. 美國電力的溫室氣體強度因地區而異,包括非基本負荷(左)和平均電力(右)。【141】

根據一項已發表的研究,2021 年,美國在市值最大的加密資產(比特幣、以太坊和狗狗幣)的發電過程中產生了大約15 Mt CO 2 /y 的溫室氣體。【142】按照這個速度計算,美國加密資產一年的溫室氣體排放量相當於300 多萬輛汽油動力車在美國平均旅行量的年排放量。【143】自那以後,美國的加密資產挖礦活動有所增加,目前美國擁有全球超過三分之一的比特幣挖礦活動。

美國用於挖掘比特幣的用電量已從2021 年初的80 億至110 億千瓦時增加到2022 年年中的330 億至550 億千瓦時。【144】根據EPA eGRID 數據庫中對美國非基載溫室氣體排放量的統計,美國比特幣挖礦僅330 – 550 億千瓦時就會產生21 – 35 Mt CO 2 /y 的排放。為了解釋美國區域混合電力是如何影響溫室氣體排放的來龍去脈,如果以2022 年單個美國eGRID 次區域的排放率來計算美國兩項最大的加密資產(比特幣和以太坊)挖礦時的溫室氣體排放,平均420 億千瓦時/年的用電量將在紐約州北部產生17 Mt CO 2 /y,在美國大平原中部產生38 Mt CO 2 /y 的溫室氣體排放。如果考慮到美國在全球加密資產活動中所佔的份額,排放估計在25 至50 Mt CO 2 /y 之間。如果使用平均排放率而不是非基排放率,排放量將減少一半左右。隨著電網的脫碳化,電力的平均排放強度將繼續下降。加密資產在預估溫室氣體排放方面的不確定性,以及未來增長的潛力,是要求利益相關方提供更好且及時的電力使用和排放數據的原因。

在蒙大拿州,【145,146】紐約州,【147】賓夕法尼亞州,【148】印第安納州,【149,150,151】和其他地方,媒體報導了加密資產公司撤回了關閉化石燃料發電廠的計劃,或重啟之前關閉的發電廠的事件。【152,153】重啟煤炭和其他化石燃料工廠將在一定程度上不利於美國在減少溫室氣體排放方面取得的進展。【154,155】

除了發電產生的排放,加密資產業務排放的範圍3 還包括計算機、建築物、機動車和其他設備在其整個生命週期內的生產、運輸、維護和處置過程中排放的溫室氣體。礦產開採以及生產用於製造計算設備的鋼鐵和其他材料也會排放溫室氣體,但與加密資產相關的主要排放來自加密資產挖礦的發電過程,總計約占生命週期排放量的79% 至99%。【156,157】

加密資產挖礦可以由浪費的甲烷和可再生能源提供動力

加密資產行業可能會利用天然氣的主要成分—— 擱淺的甲烷氣體,來為挖礦發電。甲烷氣體產生於天然氣鑽探和傳輸過程,以及油井、垃圾填埋場、污水處理和農業過程中。甲烷是一種強效溫室氣體,在100 年的時間範圍內,其造成的全球變暖潛勢是二氧化碳的27 至30 倍,而在20 年的時間範圍內,其影響是二氧化碳的80 倍左右。【158】減少甲烷排放可以減緩短期內的氣候變暖,因此拜登·哈里斯政府在2021 年發布了美國甲烷減排行動計劃。【159】

在油和天然氣井中排放和燃燒甲烷會浪費全球4% 的甲烷產量。【160】2021 年,排氣和燃燒甲烷排放的溫室氣體相當於4 億噸的二氧化碳,【161】約佔全球溫室氣體排放的0.7%。【162】因為建造永久性管道,或是因為從偏遠的油氣設施到終端用戶的電力傳輸成本很高,亦或是因為在舊的垃圾填埋場安裝設備的成本很高,這些甲烷會被排放或燃燒。加密資產公司目前正在探索利用油氣井和垃圾填埋場排放和燃燒的甲烷發電的方法。

美國環保署和內政部已經提出了在石油和天然氣作業中減少甲烷排放的新規定,而加密資產挖礦可以通過捕獲排放的甲烷來發電,在燃燒過程中將甲烷轉化為二氧化碳,從而對氣候產生積極的影響。替代現有甲烷燃除的挖礦作業不太可能影響二氧化碳排放,因為這些甲烷會被燃除並轉化為二氧化碳。不過,挖礦業在將甲烷轉化為二氧化碳方面可能更可靠、更有效。雖然這樣的操作可以減少甲烷的浪費,但另一種選擇是利用現有的油氣捕集技術以低成本回收甲烷,這能在2030 年之前將全球甲烷排放量減少50%。【163】

與實現淨零排放相一致的氣候政策將實現零甲烷排放以及零甲烷燃燒。監管與技術創新相結合有助於實現這一願景。安裝設備來使用被排放的甲烷發電的加密資產挖礦業,更有可能幫助,而不會阻礙美國的氣候目標。

然而,除非將二氧化碳捕獲並儲存起來,否則在油氣井中使用釋放出來的甲烷仍然會產生二氧化碳排放,並導致氣候變化。將排放或燃燒的甲烷用於加密資產挖礦也必須結合甲烷的其他用途進行評估,如生產氫氣或通過管道將甲烷運輸到最終用戶。

使用電網的加密資產挖礦主要通過兩種方式實現零直接溫室氣體排放: 1) 建設或承包新的清潔電力能源為挖礦提供動力,或2) 使用現有的原本會被電網削減的可再生電力。當一個加密資產礦企從現有的可再生能源購買電力時,它在短期內取代了溫室氣體排放,卻將可再生能源的用戶轉移到化石燃料。這是因為在美國,每增加一單位的電力需求,就需要額外的煤和天然氣來發電。雖然可再生能源的使用量保持不變,但電力需求卻在增加,因此預計將追加使用化石能源。【164】通過一種被稱為洩漏的過程,這種取代不會導致淨變化或全球總排放量的增加。【165,166,167,168,169,170,171】

如果加密資產運營建立或承包了新的零碳能源產能,並將年度用電量和挖礦時間配置與新的零碳發電量匹配,那麼這種直接性挖礦活動是屬於零排放的,因為挖礦將使用其提供的所有新的零碳發電量。為了幫助美國實現氣候目標,行業可以自願或被要求建立零碳能源產能,生產超過加密資產挖礦所需的電力,將多餘的清潔能源賣回給電網。

美國的一些地區缺少足夠的需求或沒有輸電能力讓可再生能源發電的峰值水平得到充分利用,風能或太陽能發電機臨時減少或停止發電,這一過程被稱為「限電」。這是對可再生電力的浪費。如果在這段時間有足夠的需求或輸電能力,那麼發電機就可以生產並銷售可再生電力。2019 年,美國2.6% 的風力發電受到削減,其中大平原各州的比例最高。在德克薩斯州,每年5% 的太陽能被削減,在加州,2.4% 的太陽能被削減。【172】使用被削減的電力可以為可再生能源開發商提供額外的收入,並激勵其建設更多的可再生能源產能。然而,它也會減少投入給建設從可再生能源處到現有用戶的電力傳輸設施的財政激勵,或減少儲存過剩的可再生能源電力以在需求更高時使用的激勵。此外,加密資產礦機不太可能只在限電期間運營,它們在所有其他時間也需要消耗電網電力。

延伸閱讀:「比特幣挖礦有助解決能源危機」Arcane 報告:可平衡再生電網、回收廢熱當暖氣

加密資產挖礦主要使用從電網購買的電力。發電廠為加密資產挖礦以及所有用途產生的電力,都會損害環境、危害人類健康,其中包括燃燒化石燃料造成的空氣污染、發電廠冷卻產生的取水和熱水污染、其他水污染、燃燒化石燃料產生的固體廢物、勘探和挖礦造成的土地退化,以及燃料循環和發電廠建設對生命週期的影響。

加密資產挖礦引發了環境正義問題,因為它可能給有色人種社群、原住民社群和低收入社群造成不成比例的不利公共衛生和環境負擔。【173,174】例如,在紐約州北部奧內達加民族的祖籍地,一個比特幣挖礦企業重新啟動了之前關閉的格林尼治燃煤發電廠。在奧內達加的支持下,紐約州環境保護部於2022 年6 月30 日拒絕了格林尼治關於更新其《清潔空氣法》第5 章運營許可的申請,因為它違反了紐約州的溫室氣體減排法。【175】重啟之前關閉的燃煤電廠來開採新的加密資產,這在一定程度上破壞了之前改善的空氣質量。由於服務水平不足的社群已經受到污染,再加上基礎設施投資不足的影響,加密資產挖礦的額外影響可能會造成累積性負擔。

加密資產挖礦過程中會產生噪音污染和水排放影響,直接使用化石能源發電會造成空氣及其他污染,最終影響環境。與數據中心類似,加密資產挖礦作業的計算機組也會產生大量熱量。許多加密資產挖礦設施必須使用風冷或液冷,以保持計算機在可接受的溫度範圍內運行。在標準的計算機數據中心內,一個典型的 10 千瓦風冷機架服務器每年將需要大約63,000 加侖的飲用水【176】 ——相當於美國家庭每年的平均室內用水量。【177】當採用液冷—— 包括將計算機浸泡在液體中或通過閉合的液體循環直接從計算機芯片帶走熱量時—— 設備用水的需求會大大減少。【178】

直接為挖礦作業提供動力的化石能源電力也會影響當地的水資源。對於採用傳統一次性冷卻系統的火力發電廠而言,水是從河流或湖泊中提取的,提取過程以及釋放到環境中的溫水(包括用於清潔冷卻系統的化學物質)都可能傷害魚類和野生動物,還影響了居民娛樂活動以及水質。加熱後的廢水降低了水中氧的溶解度,增加了水生生物的代謝率,由於呼吸作用增加,這進一步降低了氧溶解度。水溫上升也會導致形成藻類生物大量繁殖,最終導致當地的水道含有毒素。其他水污染則是由化石燃料發電以及為發電廠生產煤和天然氣造成的。

風冷式挖礦計算機含有高速風扇,可能會產生噪音污染。雖然缺乏關於風扇噪音的科學公開研究,但許多媒體報導描述了加密資產挖礦中心的風扇發出的巨大、惱人且連綿不絕的噪音。【179,180,181,182】噪音污染會給身體和精神帶來壓力,造成聽力損失、睡眠損失以及心血管疾病。【183】噪音也會降低不動產價值。【184】一般而言,工業、道路交通和機場造成的噪音污染在有色人種社群和其他服務水平不足的人群中更高。【185】

最後,加密資產挖礦產生的廢棄計算機、電路板、電纜等會形成電子垃圾。對其的處置如果沒有適當的標準與強制執行措施,電子垃圾就會造成空氣和水污染,工人可能接觸到有毒物質,損害公眾健康。鉛和汞是電子垃圾中最常見的有毒元素。【186】此外,有價值的元素,包括鈷、銦和黃金也被丟棄,未被回收並進入經濟循環。2021 年5 月,比特幣挖礦活動每年產生的電子垃圾估計為31,000 噸,【187】到2022 年6 月增加到每年35,000 噸,【188】相當於荷蘭每年產生的電子垃圾。【189】計算機處理速度每一年半就翻倍的創新速度推動了對ASIC 礦機(PoW 加密資產處理專用計算機單元)進行回收處理需求的產生。【190】目前,ASIC 礦機還不能用作其他用途,所以通常在使用1 年零4 個月後,老一代ASIC 礦機就會被廢棄、出售或減少使用頻率。【191】ASIC 礦機的壽命比3 到5 年的標準數據中心服務器的壽命還短。【192】

經過認證的電子回收站可以減少電子垃圾。【193】目前,有兩項受到認可的認證標準:電子產品回收商責任的回收標準及電子產品責任回收及再利用的電子管家標準。這兩個認證項目都促進了最佳管理實踐,以嚴格的環境標準為基礎,最大限度地重用和回收電子垃圾,最大限度地減少其對人類健康和環境的危害,確保下游處理人員對材料的安全管理,同時要求銷毀廢舊電子設備的所有數據。回收電子垃圾除了能減少溫室氣體排放和限制處置外,還為關鍵礦物的回收提供了機會。當不能再使用或回收時,正規的電子垃圾處置應流程包括準確地描述垃圾的特徵,並將其送往對應的許可處置地點。

第14067 號行政命令呼籲討論區塊鏈的潛在用途,以支持監測或減輕氣候影響的技術。負責任地開發區塊鏈和DLT 能促進應用方面的創新,同時降低能源密集度,最大限度地減少整體環境損害,提高環境正義,並幫助美國履行其氣候承諾。本節介紹了該領域的一些潛在應用,以及進一步創新的機會。

一般來說,環境市場使用以市場為基礎的方法來解決消費或生產給第三方帶來有害影響或成本時的負外部。在環境和自然資源的消耗或退化過程中,負外部性包括水和空氣污染、生物多樣性減少、氣候變化、生態系統威脅和經濟影響。這些負面影響在範圍和時間上是不確定的,可能會持續多年,並且很難用傳統的會計核算來解釋。【194】本屆政府的關鍵優先事項之一就是有效地解決已經負擔過重、目前服務水平不足的氣候和其他環境污染的負外部性問題。【195】

碳市場旨在通過交易和使用碳限額和/或碳信用來減少溫室氣體排放。碳排放限額是一種可交易的工具,授權排放源根據監管計劃排放一定數量的溫室氣體(如一噸二氧化碳)。碳信用是一種可交易的工具,代表大氣中減少或消除的一噸溫室氣體。監管市場,也被稱為“合規市場”,一直以來進行的是“限額交易”項目。【196】限額的設立,加上逐步降低的上限,為降低受管制污染源的排放提供了一條途徑。一些合規市場允許受監管實體以有限數量使用碳信用額作為限額的補充,但碳信用額市場也可以在監管之外出現。這就是所謂的自願碳市場(VCMs)。在VCMs 中,當前需求的主要驅動者是那些正試圖履行自願的氣候中性承諾或其他可持續發展承諾的企業。

與其他市場一樣,環境市場依賴於健全的市場基礎設施,來使市場參與者能夠有信心地進行交易。一個健全的市場基礎設施應包括交易執行機制;支付、清算和結算;記錄;和安全。碳市場的設計是為了確保碳排放額度和碳信用能認為可以實現所承諾的減排和氣候目標。

區塊鏈和DLT 可在加強包括環境市場在內的一系列市場的基礎設施方面發揮作用。用DLT 取代現有市場基礎設施技術的原理將取決於具體市場的環境,包括轉換成本。特別是在環境市場中,那些建議採用DLT 的人應該確保相對於現有市場基礎設施技術的環境足跡而言,其環境效益是明確的。DLT 採用者還應確保DLT 的環境足跡不會抵消相關環境市場產品的效益。

迄今為止,合規市場的管理者尚未採用區塊鏈或DLT。中央機構負責管理和控制碳排放配額的發放和交還過程。

涉及的實體有確保排放報告的完整性,並確保實現減排的監管要求。DLT 旨在解決去中心化的問題。因為合規市場是中心化的,所以DLT 在合規市場中可能沒有明顯的優勢。

在VCMs 中,對DLT 的應用正在規劃中,儘管尚不清楚它們是否反映了對現有市場基礎設施的改進。至關重要的是,一些利益相關方擔心現有的碳信用額度可能不能代表額外的、永久性的溫室氣體減排。機構和市場參與者應確保產生信貸的項目能夠減少或消除排放。基於區塊鏈的方案可能會破壞改善信用質量的努力,例如,如果信用被代幣化,信用的潛在質量變得更加難以識別。此外,越來越多的人認為,碳信用是一種「補充工具」,不應推遲或替代公司自身活動中的可行減排。因此,確保風險管理模式的完整性需要了解企業在何種情況下取消碳信用。基於區塊鏈的交易在一定程度上隱藏了碳信用的最終用戶的身份,它們將與高完整性的風險管理機制以及推動實現淨零目標的更廣泛努力背道而馳。最後,雖然區塊鏈通常被宣傳為增強信任,但受到質疑的往往是潛在的減碳或減排項目的完整性,而不是交易對手完成交易的可能性。VCMs 中的信任問題不是區塊鏈或分佈式帳本解決的信任問題。

最終,區塊鏈和DLT 可能會在環境市場上有潛在的應用,就像這些技術在任何其他市場上一樣,只要它們遵守既定的市場規則。這些市場面臨的挑戰是驗證這些標準是否能確保特定市場實現預期的環境目標。這相當於根據這些標準驗證身體活動和結果,並適當地執行這些標準。

成功的環境市場的要素不止在區塊鏈或任何其他數據庫或加密技術的功能性和增強信任的特性。由此可見,真正的挑戰在於對實物資產的驗證,而不是資產所有權的交易。

在市場和交易基礎設施方面,區塊鏈在碳市場的潛在應用會參考現有的市場情況,它們是否能夠真正落實,將取決於區塊鏈是否能在不造成額外環境危害的情況下,在成本、速度和安全性方面表現優於現有技術。將DLT 負責的引入碳市場也要評估環境正義,以確定受影響社群的情況最終是如何惡化或改善的。

區塊鏈技術用於能源管理的新興應用包括啟用加州的靈活警報系統。該系統使電網運營商能夠在電網緊急情況下推出節能請求,與客戶安全地互動,在保持客戶匿名的同時了解參與率。【197,198】除了信息交流,智能電網技術【199】有利用數以百萬計的分佈式能源資源(DERs) 服務的潛力,如電動汽車、燃料電池、住宅和商業電池系統,以及太陽能發電系統,以提高電網的可靠性。DLT 有可能成為這些DERs 在智能電網中註冊、認證和參與的數字帳本,隨著更多可變可再生能源的採用,使電網的操作變得更加靈活。與任何新的、尚未成熟的創新技術一樣,DLT 在電力領域的最終用途仍然未知。今天,電網和市場是高度集中的系統,少數供應商向大量消費者出售電力。而越來越多的電力消費者也成為電力供應商,這種情況可能在未來十年發生變化。DLT 支持的創新可以幫助電網數字化、自動化和分散化運行。【200】成熟DLT 的一個關鍵特性是自動協商並執行協議的能力,這一過程被稱為智能合約。【201】隨著DER 資產數量的增加,DLT 的自動化和分佈式特性使其成為支持發展中的清潔電力市場的候選技術。

到2040 年,將有超過1 億台新的儲存設備接入電網。如果能夠得到協調,所有設備都可以同時作為電力消費者和電力供應商運行。

高效、安全地參與1 億個DERs 的市場,將需要實現電網的數字化控制,比現有技術目前未做到的自主性更強的分佈式控制。【202】每個DER 都有潛在的物理網路安全風險,可能會惡意破壞物理網格、硬件系統、軟體系統和數據。在這個系統中以任何形式引入DLT 都需要有力的安全保障。

此外,在更多樣化的供應商和消費者係統中,DLT 可以提高可靠性。DLT 可以通過允許網格運營商和聚合商通過分析抗篡改的分佈式帳本實時審計池中每個DER 提供的服務,從而實現驗證。這一點很重要,因為電網運營商將要求驗證聚合器是否提供了合同服務。此外,聚合器和電網運營商將需要證據,證明DER 沒有通過向兩個不同的買家出售相同的服務來“雙重消費”。使用加密資產社群中常用的零知識證明,【203】DLT 可以提供這些服務,同時還可以保護聚合器和DER 所有者的身份和隱私,比如與DER 類型、容量、位置、所有權和合同安排相關的信息。

隨著DERs 數量的增加,它們還可以幫助社群創建微網格,資源在社群內點對點共享。DLT 可能會有所幫助在這些微網格上管理P2P 關係。這些微電網通常是“虛擬電網”,在這種電網中,電力通過電網運營商擁有的網路進行交易。除了滿足客戶在社群內生產和消費的偏好外,將電力的生產和消費本地化可以減少電網擁堵,這有利於社群內外的用戶。P2P 能源交易需要一些與加密資產相同的使能技術,即基於加密的用戶認證、通過智能合約的做市機制和支付系統、防篡改的交易帳本以及完整的可審計性。網路上的P2P 能源交易可以使用低能耗共識機制,如PoS。

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