四川省绿色发展促进会
研究背景
近年来，比特币吸引了相当多的关注，其潜在的核心机制，即区块链技术，也迅速普及。由于其关键特性，如分散性、可审计性和匿名性，区块链被广泛认为是各种行业最有前途和吸引力的技术之一。尽管它具有前景和吸引力，但它在比特币网络的实际运行中的首次应用表明，当前的共识算法（PoW）存在不可忽视的能源和碳排放缺陷。
因此，迫切需要解决这个问题。在本文中，研究者量化了不同碳政策下中国比特币区块链运营的当前和未来碳排放模式。基于系统动力学建模，研究者开发了比特币区块链碳排放模型（BBCE）来评估不同场景下中国比特币网络运营的碳排放流。
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区块链从本质上讲是一个共享数据库，存储于其中的数据或信息，具有“不可伪造”“全程留痕”“可以追溯”“公开透明”“集体维护”等特征。基于这些特征，区块链技术奠定了坚实的“信任”基础，创造了可靠的“合作”机制，具有广阔的运用前景。
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工作量证明（Proof-of-Work，PoW）是一种对应服务与资源滥用、或是阻断服务攻击的经济对策。一般是要求用户进行一些耗时适当的复杂运算，并且答案能被服务方快速验算，以此耗用的时间、设备与能源做为担保成本，以确保服务与资源是被真正的需求所使用。比特币使用工作量证明是为了确保网络不能轻易地被矿工操纵，因此使得区块插入区块链的过程需要很大的算力。目前，该技术是加密货币的主流共识机制之一。
研究方法
本文运用碳足迹理论，建立了比特币区块链碳排放评估和政策评估的理论模型。首先，我们建立了比特币区块链碳排放系统的系统边界和反馈回路，作为研究比特币区块链碳排放机制的理论框架。BBCE模型由三个相互作用的子系统组成:比特币区块链挖掘和交易子系统、比特币区块链能源消耗子系统和比特币区块链碳排放子系统。具体来说，当区块被正式广播给比特币区块链时，该区块中打包的交易将得到确认。
为了增加挖掘新块并获得回报的概率，挖掘硬件将不断更新，并由网络参与者投资更高的哈希率，这将导致整个网络的整体哈希率(每秒计算的哈希数)上升。网络挖矿能力由两个因素决定：第一，当高哈希率矿工在挖矿时，网络哈希率（每秒计算的哈希数）正向解释了比特币区块链中的挖矿能力增加；第二，引入电力使用效率（PUE）来说明比特币区块链的能源消耗效率。比特币挖矿过程的网络能源成本由网络能源消耗和平均电价决定，进一步影响比特币矿工的动态行为。BBCE模型收集了煤基能源和水基能源地区比特币矿工的碳足迹，以此来制定中国整个比特币行业的总体碳排放流量。水平变量（level variable）GDP由比特币矿工利润率和总成本组成，反映了比特币区块链的累计生产力。它还作为我们模型中形成单位 GDP 碳排放系数的辅助因素，为政策制定者对比特币采矿业实施惩罚性碳税提供了指导。比特币区块链奖励减半每四年发生一次，这意味着在比特币区块链中广播一个新区块的奖励将在 2140 年降到零。因此，由于比特币区块链的减半机制，比特币市场价格周期性上涨。
最后，通过结合碳成本和能源成本，比特币挖矿过程的总成本为矿工的利润率及其投资策略提供了负反馈。在BBCE模拟中，当采矿利润变为负值时，采矿者将逐渐停止在中国采矿，或者转移到其他地方。图1显示了BBCE中参数的综合理论关系。
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哈希率（Hash rate）指的是在工作量证明（PoW）算法下区块链（如比特币和以太坊）上用于挖矿和处理交易的总算力。
哈希（hash）是一种固定长度的字母数字代码，可用于表示任何长度的单词、信息和数据。加密货币项目使用各种不同的哈希算法来生成不同类型的哈希码，可以把它们想象成随机词生成器，每个算法都是生成随机词的不同系统。例如，使用比特币的哈希算法 SHA256，对'coindesk' 进行哈希运算得到的哈希值=
f2429204b339475a3d94dd5450f5eb/
b3c80130a85fbb91d62768741a3b34/
a6b6。
在新的交易数据被添加到链中的下一个区块之前，矿工们必须使用他们的矿机来竞争解决一个数学难题。更具体地说，矿工们试图通过改变一个称为'nonce'的值来产生一个低于或等于目标哈希值的哈希值。每次改变 nonce，就会产生一个全新的哈希值。这实际上就像一个彩票系统，每个新的哈希值都是一张独特的彩票，有自己的一组数字。例如，如果我们把'coindesk'的第一个字母改为'foindesk'，我们就会得到这样的哈希值=
5a12a9af1b5794bf6855c15/
944339d41ff713665e415b5/
434b8c9f081c61b66a。
由于创建的每个哈希值都是完全随机的，因此矿工可能需要数百万次的哈希猜测才能实现目标，赢得出块权利，成功的矿工都会得到一定数额的新发行的代币作为区块奖励，以及新区块中存储的交易的所有手续费。
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比特币区块链奖励减半机制是因为比特币的总量略低于2100万个，但是无限接近，准确的说是20999999.97690000个，这是由“挖矿”游戏的规则所决定的。简单来说，在比特币的发明者中本聪设计的“挖矿”游戏中，“矿工”们用计算机的算力搜寻“幸运号码”，率先找到“幸运号码”的“旷工”，就可以获得相应区块的一笔比特币奖励，并通过区块链进行记账确认。按照游戏规则，每21万个“幸运号码”被发现，奖励数量就会减半。也就是说，找到第一个“幸运号码”奖励50个比特币，第二个还是奖励50个比特币，直到第21万个“幸运号码”，依旧是奖励50个比特币。从第21万+1个“幸运号码”开始，奖励减半为25个比特币，然后以此类推，每21万个“幸运号码”被找出，比特币奖励数量减半。
由于“挖矿”的难度会按照特定算法自动调整，结果就是平均每10分钟才能找到一个“幸运号码”、获得一个区块的比特币奖励。由此推算，大概每4年时间比特币奖励数量就会减半，即呈现“四年减半”规律。
研究结论
研究者发现，根据BBCE模型的基准模拟，中国比特币行业的年化能耗将在2024年达到峰值，为296.59 Twh，超过了意大利和沙特阿拉伯的总能耗水平，在2016年的所有国家中排名第12位。相应地，比特币运营的碳排放流量将在2024年达到每年1.305亿公吨的峰值。在国际上，这一排放产出超过了cia.gov中在没有任何政策干预的基准情景下报告的2016年捷克共和国和卡塔尔的温室气体排放总量。在国内，比特币采矿业的排放量将在中国182个地级市和42个主要工业部门中均排名在前10以内，约占中国发电排放的5.41%（ceads.net)。
此外，根据BBCE模型，比特币行业单位国内生产总值的最大碳排放量将达到10.77千克/美元。通过情景分析，我们发现一些碳排放政策，比如碳税，对于比特币行业的碳减排来说相对无效。相反，比特币矿工的现场监管政策会导致挖矿活动的能源消耗结构发生变化，能够为比特币区块链运营的碳排放提供有效的负反馈。
表1| 比特币区块链的政策情景设定。基准 (BM)情景是每个政策因素的基线和当前情景，表明比特币行业继续在最低限度的政策干预下运行。在基准情景中，市场准入被假设为100%，这表明所有效率的盈利比特币矿商都被允许在中国运营。根据比特币矿工的实际区域统计数据，我们假设基准情景中40%的矿工位于煤基区域。而且，如果比特币行业的单位GDP碳排放量大于2，就会征收惩罚性的碳税。在其他三种情况下，出于节能减排的考虑，对不同比特币开采程序的政策进行了调整。具体而言：
在市场准入(MA)情景下，在比特币挖掘和交易子系统中，效率的市场准入标准提高了一倍，禁止低效率的盈利矿工进入中国比特币市场，政策制定者被迫以高效的方式维护比特币区块链的网络稳定。
在现场监管（SR）情景中，煤矿区的比特币矿商被建议搬迁到水力资源丰富的地区，以利用该地区因雨季等因素而产生的相对较低的能源利用成本，这导致在这种情况下，只有20%的矿工留在以煤为基础的地区。
在碳税（CT）场景中，碳税增加到初始值的两倍，以对比特币区块链的高碳排放行为实施更严格的惩罚。
