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白宫重磅报告全文:加密挖矿对美国能源气候问题的挑战

本文编辑 TSE(擎速能源)Kate Li

 

本文由北美矿场服务商 TSE 冠名,内容不构成财务建议,不代表小米区块链观点与立场。

宗旨声明

2022 年 3 月 9 日,拜登总统签署了第14067 号行政命令: 《确保负责任的开发数字资产》【1】来支持数字资产的开发,与美国对气候变化所设目标保持一致,并造福于美国居民。总统指示白宫科技政策办公室 (OSTP) 、总统执行办公室和联邦机构对以下进行审查:分布式分类帐技术 (DLT) 与能源转型之间的联系、分布式分类帐技术削弱或提高国内外应对气候变化能力的潜力以及它对环境的影响。本报告旨在说明由第 14067 号行政命令指导的审查结果。

关于部门间程序

如第 14067 号行政命令第 3 节所述,该报告的编写通过总统国家安全事务助理和总统经济政策助理所领导的部门间程序进行协调。参与该部门间程序的部门和机构名单载于“附录”的机构间政策委员会部分。

建议引用格式

OSTP (2022). 美国加密资产对气候及能源影响报告.白宫科技政策办公室.华盛顿特区, 2022-09-08

关于科技政策办公室

科技政策办公室 (OSTP) 是根据 1976 年颁布的《国家科技政策、组织和优先权法案》建立的,向总统执行办公室的总统及其他人提供经济、国家安全、国土安全、卫生、外交关系、环境、技术回收和资源利用方面的建议。OSTP 领导跨部门的科技政策协调工作,协助管理和预算办公室对预算中的联邦研究和发展进行年度审查和分析,并为总统就联邦政府的主要政策、计划和项目提供科技分析和判断。更多信息请访问 http://www.whitehouse.gov/ostp。

摘要和建议

美国国家气候评估和政府间气候变化专门委员会(IPCC) 表示,如果到本世纪中叶之前,能将全球人为温室气体 (GHG) 排放减少到净零,就能够避免对人类健康、生态系统和基础设施造成严重危害。这些气候造成的危害包括:热浪;越烧越烈的野火引起的森林、住宅和基础设施的损失;洪水和极端天气事件;财产损失;道路、桥梁、公共交通系统和能源系统的损坏;沿海地区被上升的海平面和风暴潮淹没;干旱;农作物的损害;以及其他对维持人类生存的生态系统的危害。【2,3】气候变化造成的危害没有被平等地承担;服务水平不足的社区有时会承受气候变化带来的最严重的危害。【4】气候变化代价十分高昂:2021 年,气候灾害使美国损失了 1,450亿美元。【5】气候变化也给纳税人,联邦预算和联邦设施带来风险;如果不采取更多的行动,到本世纪末,气候变化可能每年使美国国内生产总值降低 3% 至 10%,使美国联邦收入每年减少 7%。【6】美国致力于抗击气候危机,到 2030 年将温室气体排放量在 2005 年的基础上减少 50% 至 52%,到 2035 年实现无碳污染电网,并最迟在2050 年实现净零排放,同时将环境正义放在首位。

与此同时,基于分布式分类帐技术的数字资产的使用规模正在扩大。数字资产是一种以数字形式表示的价值形式。作为一项新兴的创新技术,数字资产为某些美国居民和企业提供了一些好处和价值,并有可能通过新兴用途在未来获得利益。加密资产是使用加密技术实现的数字资产,目前全球总市值接近 1 万亿美元。然而,目前一些加密资产技术需要大量的电力来生产、拥有或交换资产。数字资产的耗电会增加温室气体排放、额外污染、噪音以及其他当地影响,具体取决于市场、政策和当地电力来源。根据所使用技术的能源密集度的不同,加密资产可能会阻碍有助于实现与美国气候承诺和目标相一致的净零碳污染的其他努力。

美国政府有责任确保电网稳定性,实现清洁能源的未来,并保护社区免受污染和气候变化的影响。本报告探讨了美国加密资产在能源和气候变化问题方面的挑战和机遇,并回答了第 14067 号行政命令中提出的四个主要问题:

  1. 数字资产如何影响能源使用,包括电网管理和可靠性、能源效率激励措施和标准以及能源供应来源?
  2. 相对于其他能源使用,数字资产对气候、能源和环境的影响有多大?基础数据需要哪些创新和政策才能进行有力的比较?
  3. 区块链技术在支持气候监测或缓解技术方面的潜在作用是什么?
  4. 为了最小化或减轻数字资产对气候、能源和环境的影响,需要哪些关键政策决策、关键创新、研发和评估工具?

数字资产如何影响能源使用,包括电网管理和可靠性、能源效率激励措施和标准以及能源供应来源?

加密资产消耗了大量电力。

2018 年至 2022 年,全球加密资产的年度用电量迅速增长,估计用电量增加了两倍至四倍。【7,8,9】截至 2022 年 8 月,公布的全球加密资产总用电量估计在每年 1,200 亿至 2,400 亿千瓦时之间,这一范围超过了许多国家(如阿根廷或澳大利亚)的年度用电量总和。这相当于全球年用电量的 0.4% 至 0.9%,【10,11】与世界上所有常规(即非加密资产)数据中心的年用电量相当。【12】据估计,美国拥有全球约三分之一的加密资产运营,目前占据美国总用电量的0.9% 至 1.7%。该用电量范围与美国总家用电脑或住宅照明设备用电量大致相同。【13】加密资产挖矿也具有高度的流动性。美国在全球全球最大的加密资产,比特币挖矿中的份额从 2020 年的 3.5% 上升到如今的 38%,美国用于加密资产挖矿的用电量虽然仍然相对较小,但自 2021 年 1 月以来已经增长了两倍。

尽管加密资产业务有快速增长的潜力,但未来的电力需求仍不确定。随着加密资产矿工为应对市值波动而启动或暂停挖矿,以及使用新设备和技术,用电量可能会发生变化。从 2021 年 7 月到 2022 年 1 月,全球加密资产年用电量增长了 67% 以上,之后的 8 月则下降了 17%。加密资产用电量快速增长的能力引发了人们对用电量快速增长以及对消费者和电网后续影响的担忧。例如,德克萨斯州正成为一个越来越有吸引力的加密资产挖矿地点,该地区用电高峰约占当地用电需求的 3%。在未来 10 年,德州可能会看到加密资产挖矿带来的额外 2,500 万千瓦的新电力需求 —— 相当于德州现有峰值电力需求的三分之一。【14】需求增加给维持电力可靠性带来了潜在的挑战。

随着最近《降低通货膨胀法》的颁布,联邦税收抵免和其他激励措施将刺激清洁能源的大规模发展,帮助美国的大部分交通运输、建筑和工业部门实现电气化。【15】至关重要的是,清洁能源通过新的电气化来满足这一需求。此外,快速增长的新电力需求必须避免对电网产生不可控制的影响,并用最高效的技术来实现。同样至关重要的是,发电量能满足家庭与企业需求。在两党基础设施法支持对电网现代化和扩建进行投资,以确保面对气候导致的极端天气和火灾时还能保留弹性之际,这一点尤为关键。【16】

不同加密资产技术的用电量差异不同。

几乎所有的加密资产用电都是由共识机制驱动的:用于挖掘和验证加密资产的分布式分类帐技术。主要的共识机制被称为工作证明机制(PoW),它被比特币和以太坊使用。比特币和以太坊,它们各自的加密资产合并占总加密资产市值的 60% 以上。PoW 机制旨在要求更多的算力,这是因为越来越多的实体试图验证交易以获得货币奖励,这一功能有助于抑制恶意行为者攻击网络。截至 2022 年 8 月,据估计比特币占全球加密总资产用电情况的 60% 至 77%,以太坊占 20% 至 39%。

据估计,另一种能源密集型共识机制——权益证明 (PoS) —— 在 2021 年消耗高达 2.8 亿千瓦时,不到全球用电量的 0.001%。目前关于减少加密资产用电量的讨论主要集中在 PoW 区块链,尤其是比特币。【17,18】越来越多的人呼吁 PoW 区块链采用能耗更低的共识机制。最引人注目的反应是以太坊承诺推出“以太坊2.0”,使用 PoS 共识机制。

相对于其他能源使用,数字资产对气候、能源和环境的影响有多大?基础数据需要哪些创新和政策才能进行有力的比较?

全球市值最大的加密资产发电每年产生的二氧化碳总量为 140 ± 3,000 万公吨 (Mt CO2/y),约占全球年度温室气体排放的 0.3%。

据估计,美国的加密资产活动将排放约 25 至 50 Mt CO2/y,占美国温室气体总量排放量的 0.4% 至 0.8%,相当于美国铁路使用的柴油燃料的排放。美国用电产生的温室气体排放量因地区而异;一些地区更多地依赖于碳密集型化石燃料,而另一些地区则使用更多的核能和可再生能源。除了购买电网电力外,加密资产挖矿还会造成由挖矿、电子垃圾、废气以及直接使用化石燃料发电带来的当地的噪音和水排放影响,以及与电网发电相关的额外废气、废水和废物排放污染。这些当地受到的影响会加重服务水平不足的社区的环境正义问题。更广泛地使用加密资产,加上可能引入新型数字资产,要求联邦政府采取行动去鼓励并确保负责任的发展。这包括最大限度地减少其对当地社区的影响,大幅降低能源密集度,并使用清洁能源供电。而具有下一代技术创新的数字资产研究可以促进美国在安全、隐私、公平、弹性和气候目标方面目标的实现。

区块链技术在支持气候监测或缓解技术方面的潜在作用是什么?

区块链技术有在环境市场中发挥作用的潜力,而 DLT 有可能实现分布式能源资源协调及更广泛的供应链管理。【19,20】

DLT 是各种市场正在探索的技术。其他解决方案可能同样有效,甚至更好。为了帮助美国履行其对气候变化的承诺,必须以能够减少温室气体排放的方式部署 DLT。相对于它们正在取代的市场或机制,DLT 潜在的效益需要超过其运营产生的额外排放及其他环境外部性影响,才能在碳信用市场生态系统中得到更广泛的使用。案例还在不断发生,就像所有新兴技术一样,潜在的正面和负面案例还有待观察。美国政府应促进那些能应对市场挑战、与环境和公平目标保持一致,且能实现客户和投资者保护并保证市场完整性的创新行为。

为了最小化或减轻数字资产对气候、能源和环境的影响,需要哪些关键政策决策、关键创新、研发和评估工具?

为了帮助美国实现其气候目标,即到 2030 年将 GHG 排放量减少 50% 至 52%,到 2035 年实现无碳污染的电力系统,到2050 年实现净零排放经济,向清洁能源过渡期间的加密资产政策应专注于几个目标:减少GHG 排放量,避免会增加消费者电力成本的操作,避免降低电网可靠性的操作,以及避免对公平、社区和当地环境的负面影响。

以下建议旨在:解决数据差距、管理电力需求、减少 GHG 排放、减少电子垃圾和污染、支持能公平惠及全国各地的社区的清洁能源过渡,并处理负担过重和服务水平不足的社区的长期存在的问题。

为确保负责任的数字资产发展,提出以下供考虑的行为建议:

最大限度地减少 GHG 排放、环境正义影响以及加密资产对当地的其他影响:环境保护署 (EPA)、能源部 (DOE) 和其他联邦机构应提供技术援助,并启动与各州、社区、加密资产行业等的协作流程,为负责任的设计、开发和使用对环境负责的加密资产技术制定有效的、基于证据的环境性能标准。这些标准应包括非常低的能源密集度、低用水量、低噪音、运营商使用清洁能源的标准,以及随着时间的推移,加强无碳生产以匹配或超过这些设施的额外电力负荷的标准。如果这些措施被证明在减少影响方面无效,政府应探索行政行动,国会可能考虑立法,限制或消除加密资产挖矿使用高能源强度共识机制。能源部和环保局应向各州公共事业委员会、环境保护机构和加密资产行业提供技术援助,来提高它们对减少加密资产挖矿的排放、噪音、水排放影响和负面经济影响的能力;减轻对负担过重的社区的环境非正义影响。

  • 确保能源的可靠性:能源部应与联邦能源监管委员会、北美电力可靠性公司及其区域实体协调,对当前和预计的加密资产挖矿作业对电力系统的可靠性和充足性进行可靠性评估。如果这些可靠性评估发现加密资产挖矿对电力系统造成当前或预期的风险,这些实体应考虑制定、更新和执行可靠性标准和应急操作程序,以确保在加密货币挖矿规模增长的条件下,系统能够保证其可靠性和充分性。
  • 获取数据以了解、监测和减轻影响:美国能源信息管理局 (Energy Information Administration) 和其他联邦机构应考虑在保护隐私的前提下收集、分析加密资产矿工和电力公司的信息,以便就加密资产的能源和气候影响做出循证决策。数据应包括挖矿能源的使用及燃料组合、电力购买协议、环境正义影响和需求响应参与情况。OSTP 可以建立一个国家科技委员会附属委员会,与其他相关机构协调,评估主要加密资产的能源使用情况。
  • 提高能源效率标准:政府应考虑与国会合作,为能源部提供支持,并鼓励其他联邦监管机构颁布并定期更新加密资产挖矿设备、区块链和其他操作的节能标准。
  • 鼓励透明度和改善环境绩效:应鼓励加密资产行业协会(包括矿业公司和设备制造商)公开报告加密资产的开采地点、年度用电量、使用现有协议的温室气体排放情况以及电子垃圾回收绩效。
  • 进一步研究以增强理解和创新:为了提高分析能力,提高用电量估计的准确性和可持续性,美国国家科学基金会、能源部、美国环保署和其他相关机构可以推进并支持提高数字资产环境可持续性的研究和开发重点,包括加密资产影响评价模型、环境正义影响评估,以及了解电网管理和环境缓解的有益用途。研究和开发的重点应该放在下一代数字资产技术的创新上,以促进美国在安全、隐私、公平和弹性方面,以及气候方面的目标。


 

1.动机及介绍

解决气候危机是拜登·哈里斯政府的首要任务

根据第 14008 号行政命令“应对国内外气候危机”,总统制定了到 2050 年将温室气体排放减少到净零的国家目标。【21】根据《巴黎协定》,美国提交了关于承诺到 2030 年,美国温室气体排放在2005 年的基础上减少 50% 至 52% 的“国家自主贡献”文件,并确定了到 2050 年实现温室气体净零排放的目标。【22】第 14008 号行政命令认为,美国面临着“威胁我们的人民和社区、公共卫生和经济的气候危机,甚至直接威胁着我们在地球上生存的能力”。这一行政命令旨在应对这一危机,包括通过“在政府范围内减少各个经济部门的气候污染……[并]保护公共健康”,并指示环境保护署、OSTP、财政部和其他联邦机构在决策过程和其他行动中“优先采取应对气候变化的行动”。第 13990 号行政命令:“保护公众健康和环境,恢复科学以应对气候危机”宣布,联邦政府必须以科学为指导来改善公众健康,保护环境,减少温室气体排放,确保获得清洁的空气和水,优先考虑环境正义,并创造高薪的工会工作岗位。【23】

2022 年 8 月 16 日,总统签署了《降低通货膨胀法案》(IRA),【24】这是美国历史上在清洁能源、减少温室气体排放和气候弹性方面唯一的最大投资。该法案为应对气候变化和加强美国能源安全提供了 3,690 亿美元。IRA 计划到 2030 年将碳排放量在 2005 年的基础上减少 40%。【25】美国的气候目标、行政命令、两党基础设施法、【26】芯片与科学法案【27】以及爱尔兰共和军共同设定了联邦政府应对气候危机的行动基准。

与此同时,数字资产用电量在美国迅速增长。例如,在 2020 年 1 月至 2022 年 1 月期间,美国在全球比特币挖矿中的份额从 4.5% 上升到 37.8%。【28】鉴于美国承诺减少排放,联邦政府必须确保在美国使用数字资产时,不会妨碍实现气候目标的能力。本报告对数字资产对气候和能源的影响的评估和建议与减少温室气体排放以保护公众健康和福利以及改善环境正义的联邦行动相一致。

美国必须促进负责任的数字资产发展

拜登总统关于确保数字资产负责发展的行政命令指出:“负责任的金融创新符合美国的利益”,联邦政府“必须采取有力措施,以降低数字资产可能给消费者、投资者和企业保护带来的风险……金融普惠性和公平性;还有气候变化和污染。”为此,行政命令的主要政策目标承认,联邦政府“必须保护消费者,投资者和企业”,“美国倾向于确保以负责任的方式开发、设计和实施数字资产技术及数字支付生态系统,这……减少某些加密货币挖矿可能导致的负面气候影响和环境污染。”

加密资产使用数字加密来维护财务记录

加密资产是一种依赖加密和 DLT 或类似技术的私营部门数字资产。尽管其他资产可能涉及价值相关的数字表示,但只有依赖于加密和 DLT 的资产(例如区块链)才是加密资产。分布式分类帐是一个数据库,公共网络上的参与者可以在其中记录交易。该分类帐为所有用户提供了一种对分类帐条目和交易达成一致的机制—— 称为共识机制。不同的共识机制为参与者何时提交分类帐更新执行不同的规则。例如,PoW 共识机制【29】(目前被用于比特币、以太坊和其他区块链)要求在一组交易或“区块”被验证并添加到账本之前完成计算密集型的进程。这样可以确保参与者愿意花费大量的计算和能源资源来为分类帐增加块。这种方法使得恶意参与者更难以强制执行不准确的账本,因为他们需要聚集大量计算资源,并消耗大量能源来达成共识。向网络提交区块的参与者被称为矿工。因为矿工在区块链中添加一个区块会获得新生成的加密资产形式的补偿,还能收取与区块内交易相关的费用,矿工受到激励,通过执行能源密集型计算将区块添加到共识分类帐中。【30】参与者确认新区块的有效性,将其添加到区块链分类账中,然后存储该分类账的最新副本。图 1.1 显示了对 PoW 加密资产挖矿的概述。

随着加密资产变得更有价值,挖矿报酬也会变得更有价值。这吸引了更多的矿工和计算资源来解决加密数学问题。随着矿工将更多的计算资源用于处理区块链的事务,数学问题将变得更加困难。这使得找到一个解所需的平均时间近似恒定。这种 PoW“经济模型”意味着,只要加密资产在矿工之间的分布保持不变,随着加密资产价值(和网络)的增长,PoW 网络会使用更多的电力。加密资产总价值的增长吸引了数千名矿工,他们使用电脑和定制硬件,其消耗的总电量与一个中等规模的国家或大城市地区消耗的电量相当。

对于能源密集型 PoW 共识机制而言,最受欢迎的替代方案是 PoS,它用于如 Solana、Cardano、拟议的以太坊 2.0 等的网络。在 PoS 中,参与者被称为验证者,他们通常“持有”一定量的加密资产,以获得添加新的交易块到分类帐的机会。验证者持有的加密资产越多,或者持有时间越长,被选中的机会就越大。发布不准确数据或进行欺诈性交易的验证者有可能失去他们的份额。PoS 共识机制中存在数十种变体;变体通常都遵循这样的原则:信任是由参与者愿意拿他们宝贵的加密资产冒险来推断的。因为 PoS 验证器依赖于风险资产而不是计算能力来验证交易,所以 PoS 加密资产的用电量远低于 PoW 加密资产,如附录表 A.1 所示。

除了 PoW 和 PoS 之外,还有许多其他类型的共识机制,包括但不限于容量证明和实用拜占庭容错,现有的加密资产都有使用这两种机制,如附录表A.2 所述。【31】除了电力使用,还有其他问题影响着加密资产的应用和市场接受度,包括可扩展性、防止篡改和伪造的安全性、吞吐量、延迟和去中心化。【32】每一种共识机制都有优点和缺点。加密资产社区尚未就共识机制的“最佳实践”构成达成一致,社区可能会出现其他具有不同优缺点的共识机制。负责任的数字资产开发将鼓励建立共识机制,最大限度地减少能源使用、降低环境负面影响,同时最大限度地使消费者受益。


 

图 1.1:理解加密资产挖矿中工作区块链的证明。改编自 Kilroy 区块链【33】


 

2.加密资产影响电力使用和电网

包括加密资产在内的数字资产的生产、拥有以及交换需要电力。加密资产网络使用电力来驱动四项主要功能:数据存储、计算、冷却及数据通信。其中,计算在加密资产网络中消耗了绝大多数电力。【34】因此,大多数研究都集中在估算计算设备的用电量,包括冷却所需的额外电力。【35】用于冷却的电力会增加计算设备本身消耗的电力,倍数从较低的百分比(气候寒冷时)到超过100%。【36,37,38】

电力使用情况因不同类型的加密资产而异

计算设备使用的电力规模和来源情况取决于加密资产用于确保安全性和有效性的技术,或其共识机制。对于 PoS 区块链,计算任务可以由通用计算机或服务器来执行。后者可以位于跨网络的传统数据中心。【38】在 PoS 区块链中,这些计算设备被称为验证节点(参与共识协议并产生新区块)和完整节点(验证交易)。【40】由于它们的高服务器密度,传统的数据中心需要额外的电力用于现场冷却。美国大多数的数据中心从当地电网购买电力,但一些大型数据中心运营商正在投资大规模的可再生能源项目,以抵消他们在当地电网产生的排放。【41,42】国际数据中心也是如此,因此国际PoS 区块链参与者的排放足迹取决于当地的发电能源。

PoW 区块链也使用通用节点来验证交易,验证共识协议,并存储区块链的共识副本。然而,使用 PoW 区块链的流行加密资产的计算也由专门的半导体执行,基于执行 PoW 计算的“挖矿机器”中包含的应用特定集成电路 (ASICs)。【43,44,45】这些挖矿设备通常位于购买电网电力的“挖矿”设施中,属于当地的大型电力负荷。【46】这些设施通常以低于居民用电的工业用电费率购买电力,有时还会获得特殊的经济激励,比如能源购置税减免。【47,48,49】

另外,PoW 挖矿作业可以建造设施来生产部分或全部的电力。挖矿作业可能会建造一个专用的有或没有能源储存功能的太阳能农场,或者可能会使用滞留的天然气在现场安装发电机。【50】挖矿作业也可以与单个电力设施签订合同,将挖矿设备直接连接到化石燃料发电厂、太阳能发电场、风力发电场、水力发电场等。

附录中的表 A.3 总结了 2021 年特定 PoS 和 PoW 区块链网络的计算设备数量及其典型电力需求的估计值。【51,52】这些估计表明,每台 PoS 计算设备所需的电力比 PoW挖矿的典型 ASIC 比特币矿机少 10 到 500 倍。

加密资产活动的用电量

虽然全球已经发行了数千种的加密资产,但已发表的研究只关注了相对较少的高市值加密资产。大多数公布的加密资产用电量估计都集中在比特币上,由于其高市值、受投资者和矿工欢迎以及能源密集型 PoW 共识机制,比特币被认为是所有加密资产中消耗电量最多的。研究人员还估算了其他高市值 PoW 和 PoS 加密资产的用电量,如附录表 A.1 所示。

目前加密资产网络的总用电量无法被直接监控,因为许多计算或挖矿中心不披露其位置,也不报告其用电量。然而,用电量可以通过分析来估算。与所有电力使用一样,加密资产的用电量是以千瓦小时 (kWh) 来衡量的:一小时内使用一千瓦 (kW) 的电力。美国家庭平均每年使用10,715 千瓦时,即每月 900 千瓦时。【53】作为参考,美国所有住宅照明每年消耗约 590 亿千瓦时,2021 年美国全年用电量为 39,300 亿千瓦时。【54,55】

2022 年,支持加密资产的区块链全球总用电量预计在每年 1,200 亿至 2,400 亿千瓦时。【56】这相当于全球年用电量的 0.4% 至 0.9% 。【57,58】这一范围与世界上所有常规(即非加密资产)数据中心的年用电量相当,这些数据中心在 2020 年的用电量在 2,000 至 2,500 亿千瓦时之间。【59】然而,随着矿工们为应对市值波动而启动或暂停挖矿,以及使用新矿机,加密资产的用电量可能会迅速变化。因此,到 2022 年为止,全球加密资产用电量的估计范围低至每年 105 至 178 亿千瓦时,高至每年 176 至 3,050 亿千瓦时,如附录表 A.1 所示。【60,61,62,63,64,65,66,67,68】

截至 2022 年 8 月,两个 PoW 区块链的用电量占绝大多数:据估计,比特币占全球加密资产总用电量的 60%至 77%,以太坊占 20% 至 39%。【69,70,71,72,73】比特币区块链的全球年用电量估计为 900 亿至 1,450 亿千瓦时,理论范围为 400 亿至 1,800 亿千瓦时。以太坊区块链的用电量估计为 230 亿至 940 亿千瓦时,下限为 160 亿千瓦时。所分析的 PoS 加密资产的全球用电量每年不到 2.8 亿千瓦时,不到全球用电量的 0.001%,约为全球电力总 PoW 用电量下限的 0.25%。考虑到上述对用电量的估计,大多数关于加密资产用电量的讨论都集中在PoW 应用上,尤其是比特币。【74,75】越来越多的人呼吁 PoW 区块链采用能耗较低的共识机制。最引人注目的反应是以太坊承诺推出“以太坊 2.0”PoS 区块链。

美国目前拥有世界上最大的比特币挖矿业,截至 2022 年 8 月,其比特币网络哈希率约占全球的 38%。【76】哈希率是每秒用于挖掘和处理 PoW 区块链的总计算能力。随着 PoW区块链上矿工数量的增加,破解加密数学难题变得更加困难,最终增加了哈希率。假设比特币用电量与哈希率成正比,【77】截至 2022 年 8 月 15 日,美国在全球比特币用电量中所占的份额将降至每年 330 亿至 550 亿千瓦时,即 2021 年美国总用电量的 0.9% 至 1.4%。【78】如果也考虑到美国在全球以太坊挖矿中的份额,美国 PoW 挖矿用电量将上升到每年360 至 660 亿千瓦时,或占美国年总用电量的 0.9% 至 1.7%(见表 A.1)。这使得美国 PoW 挖矿用电量与美国所有常规(即非加密资产)数据中心的用电量相当,最近的估计数据为每年 720 亿千瓦时。【79】图 2.1 显示,加密资产的用电量与一些国家、州或关键能源服务的用电量相似。


 

图2.1: 截至 2022 年 8 月,多个示例的年用电量与加密资产最佳估计值的比较,误差线代表最佳值范围。【80,81】

鉴于方法上以及现有电力估计所适用日期的差异,对电力估计的解释必须谨慎。随着比特币市场价值和网络哈希率的增加,比特币区块链的估计用电量稳步上升—— 其他支持加密资产的 PoW 区块链也可能会出现这种情况。此外,上限和下限之间的估计差异随着时间的推移而增加,这反映出当加密资产拥有更高的市场价值时,矿工所部署的矿机类型的不确定性。

虽然较大范围可以让政策制定者了解 PoW 用电量可能有多大,但它们也表明,加密资产公司需要报告其实际用电量,以减少不确定性。此外,由于加密资产市场价值的波动,对每日用电量的估计也会有变化。【82】任何公布的估计结果都会随着市场动态变化而过时。

与其他金融交易的比较

加密资产可以用于投资或投机目的,作为支付手段,或用于财富储存。虽然信用卡交易只涉及各方之间的一次支付,但多个比特币交易可以捆绑在一起成为一个“链上”交易,这可以将不同类型的金融活动合并记录到一条公开的区块链上。例如,当有人买卖比特币,或者用比特币买咖啡时,这些都被记录为比特币从一个地址到另一个地址的转移,并且这次转移的记录会与其他交易一起添加到下一个区块。比特币区块链上的一个区块通常包含 1,000 – 2000 笔交易,每个区块的交易量每天都在变化。【83】解决 PoW 数学问题并将一个比特币区块记录到账本的平均时间约为 10 分钟,因此每年将52,560 个区块添加到比特币区块链中。比特币目前的全球耗电量为每年 900 亿到 1,400 亿千瓦时。每个区块大约需要 170 万到 270 万千瓦时,可以进一步划分为对每个链上交易所需千瓦时的估计。这只是一个大概的估计。使用比特币,与使用其他加密资产交易一样,中心化的加密资产交易平台通常使用链下交易,并在某些活动中使用链上交易,例如,向平台外的参与者发送加密资产时。其结果是,加密资产平台只向区块链发送部分交易,链下活动的用电量不太可能被估计。与其他金融服务相比,这些因素为估算每笔交易的实际用电量带来了挑战。

与传统金融服务相比,目前链上加密资产交易的总数很少。在 2020 年,比特币和以太坊共同报告了约 4.6 亿笔的链上交易。【84,85】同年,Visa,MasterCard 和 American Express 总共处理了约 3,100 亿笔信用卡支付交易。【86】DLT,包括比特币和以太坊的区块链,构成了完整的支付系统,并允许各方之间的实时总结算。相比之下,信用卡商家需要正式的银行关系来结算交易,因为交易只授权支付,而不结算支付。因此,数字资产交易与信用卡交易之间存在根本区别。

注意,直接比较是复杂的,Visa、MasterCard 和 American Express 报告称,2020 年的用电量加起来约为 5 亿千瓦时,【87】包括除了电子支付之外的所有业务,【88,89,90】换而言之,尽管这三个实体处理的链上交易数量是比特币和以太坊的很多倍,也经营了更多的公司业务,它们消耗的电量还不到比特币和以太坊同年使用电量的 1%。【91】

负责任的数字资产开发包括在开发数字资产时,应保证低能源密集度的作业。

加密资产挖矿会影响电力消费者和电网

电力系统是人类健康、经济和美国国家安全的关键基础设施。它也是美国未来清洁能源经济的支柱,因为电力将逐步替代汽车、建筑以及某些工业生产中使用的化石燃料。美国需要加速最终用途的电气化进程,以实现其气候目标。21 世纪 20 年代是美国气候行动的决定性十年,每年电网需要多达 100 吉瓦 (GW) 的清洁电力来满足新增的电气化终端需求。【92】同时,电力基础设施面临着当今需求和气候引起的极端天气的压力,【93】还需要大量的再投资。

以六年为周期,过去六年发生的停电事件是前六年的两倍,为了适应新的电力需求,电网可靠性必须提高。【94】为 20 世纪的气候而设计的电力基础设施,现在不得不承受比过去更高的温度、更猛烈的风暴以及其他因气候变化而加剧的极端条件,这将给电网造成更大的压力,而且可能在消费者最需要电力的时候导致电力供应不足。【95】美国需要一个可靠、负担得起、清洁、公平、适应气候变化的电力系统。对该系统的新要求必须有助于,而不是阻碍,实现美国的气候目标。

在大多数电网中,首先用燃料成本低的可再生能源与核电站去满足电力负荷。燃料成本较高的灵活资源,如天然气或燃煤发电厂,则用于响应每日电力负荷的波动。随着加密资产挖矿对电力需求的增加,电力系统运营商将调度更多的天然气和煤炭发电厂。因为平均排放量和边际排放量存在差异,这些发电厂的电通常比平均电网电力的成本高,造成的污染也更严重。【96】

加密资产挖矿作业的负载系数通常很高:它们几乎不间断地用电。当这些设施在需求高峰期间运行时,它们会给电力基础设施造成压力,影响设备寿命,导致其他客户停电,还会带来火灾隐患。【97】华盛顿格兰特县的公共事业区针对加密资产矿工施行了费率等级制度,以收回由挖矿电力需求引起的增量成本。【98】华盛顿本顿县的公共事业区也采取了一项针对加密资产客户的政策,理由是担心分配系统的安全性和可靠性。【99】

加密资产挖矿带来的电力需求增加也会推高当地消费者的电价。纽约北部的加密资产挖矿使家庭年度电费增加了 82 美元,小企业年度电费增加了 164美元,2016 – 2018年当地消费者和企业的净总损失预计为 1.79 亿美元。【100】 2018 年,纽约市政电管局为加密资产的大容量数据处理中心制定了新的收费标准,以提高挖矿成本。【101】在社区居民和企业抱怨高昂的能源账单和噪音之后,纽约州的普拉茨堡颁布了一项为期 18 个月的暂停挖矿作业的禁令。如果挖矿业务在环境变化时转移到不同的地方时,挖矿还可能将成本对应转移到当地电力用户,让他们承担风险。这可能会让当地客户为挖矿作业的基础设施升级买单。

许多加密资产矿工已经将业务转移到德克萨斯州。德州电力可靠性委员会 (ERCOT) 是德州大部分地区的电网系统运营商,夏季电力需求峰值约为 76 吉瓦 (GW),目前加密资产挖矿活动约为 20 GW。约 17 GW 的加密资产设施正在连接到 ERCOT 运营的电网,预计在未来 12 至 15 个月内将有 5,000 万至 6,000 万的新需求(相当于休斯顿市的电力需求)。ERCOT 还可能在未来十年内增加 25 GW。【102】虽然其中许多项目可能无法完成,但加密资产挖矿带来的高达 25 GW 的新电力需求 —— 相当于德克萨斯州现有峰值电力需求的三分之一 ——给维持电力可靠性带来了潜在挑战,尤其是在近年来电力需求和极端温度都不断上升的情况下。

加密资产挖矿作业可以通过缩减或关闭挖矿钻机来迅速减少电力使用量。比特币矿工可以参与公用事业和电网运营商的项目,它们为了在电网压力峰值期间减少负荷,或平衡供需,会向大型电力用户支付费用—— 这一过程叫做需求响应。2022 年 7 月 11 日,高温和高预计电力需求导致 ERCOT 宣布电网紧急事件,据报道,使用 1 GW 电力的比特币矿工响应了ERCOT 的需求响应请求,减少了矿用电量。【103】在 2022 年 7 月,一家在德克萨斯州运营一家设施的比特币上市矿企德克萨斯州电网的需求响应计划中赚取了 950 万美元,这比该企业在同一个月生产的 318 个比特币的价值还多。【104】灵活的电力需求、快速的需求响应以及电力辅助服务是由可变可再生电力(如风能和太阳能)组成的脱碳电网的基本属性。加密资产挖矿作业可以随时开启或关闭的灵活性,有助于上述快速响应服务的实现。加密资产挖矿作业带来的电力需求增量也增加了电网需求的总体峰值水平。虽然在电网发生紧急情况时降低峰值是有价值的,但也有必要在加密资产矿工和电网运营商之间建立错位激励机制,用需求响应来满足增加的峰值。保证加密资产矿工和其他需求响应参与者在需求响应项目上的参与和报酬支付完全透明是至关重要的。保证透明度能够打击寻租和博弈的积极性,保护当地电力消费者,提高电力可靠性。【105】

在国际上,立法和监管已经解决了有关加密资产活动的环境问题。欧盟委员会即将出台的加密资产市场立法很可能要求增加对环境和气候影响信息的披露,并在两年内引入强制性最低可持续性标准,以建立共识机制。【106】在中国,大规模比特币挖矿与国家的环境目标的不一致是政府在 2021 年禁止加密资产交易的原因之一。【107】

未来的加密资产用电量预测不确定

能源使用预测根据能源系统模型进行估计,该模型展示了服务需求、技术效率、能源供应选择和价格之间的关系,以及人口规模和经济生产率等宏观经济因素随时间的变化之间的关系。【108】然而,现有的能源系统模型不能完全恰当地运用在数据中心和电信网络等数字技术上,更不用说加密资产和区块链网络了。这是众所周知的建模缺口,它阻碍了对数字系统的稳健能量预测。【109】未来由其他估计方法确定的预测需要对网络哈希率和矿机效率进行预测,这些变量又相互关联,且都受到加密资产的市场价值和现行电价的影响。

加密资产的数量、流行度以及采用何种共识机制也存在相当大的不确定性。这些因素都会影响电力需求。与 PoS 或其他能源密集型网络增长的相关风险远低于与 PoW 网络增长带来的风险。图2.2 绘制了 2016 年 8 月 1 日至 2022 年 8 月 24 日间,比特币网络市值和网络哈希率的历史趋势。【110】虽然网络哈希率在 2021 年 7 月至 9 月期间,因比特币市值暴跌而下降,但在 2021 年底开始的市值暴跌中,没有观察到市值和网络哈希率之间的类似相关性。因此,根据预测的货币市场价值来推断未来的网络哈希率具有很大的不确定性。因为不确定性的存在,关键的系统变量可能会发生变化,所以应避免推断未来的情况。在过去,简单外推法经常会对那些复杂且不断发展的信息技术系统(如组成区块链的系统)得出不切实际的能源需求预测结论。【111】


 

图 2.2:比特币市场价值和网络哈希率的历史趋势(EH/s)【112】

在 2016 年 8 月至 2022 年 7 月期间,由于计算效率的提高,预计部署钻机的平均能源强度降低了约 85%。【113,114】同一时间段,网络哈希率增加了 14000% 以上,导致网络用电量增加了 2000%。【115】这一增长表明,从历史上看,随着矿业竞争的加剧,矿机效率的提高会被提高的哈希率所抵消。然而,未来网络哈希率和部署的矿机效率之间的关系是不确定的。这是由于矿机未来在计算效率提高方面的潜力是未知的,并且对于某些加密资产,如比特币,其挖矿激励将如何受到未来区块奖励减少的影响也是未知的,而这可能会限制比特币用电量的增长。这些不确定性以及加密资产用电量快速增长的能力表明,要了解并监测加密资产用电量情况,还需要获得更合适的数据。


 

3.加密资产会导致温室气体排放及其他环境影响

使用电网电力的加密资产挖矿产生温室气体排放 – 除非挖矿使用清洁能源

加密资产挖矿产生温室气体排放并加剧气候变化,主要是在以下场景中燃烧煤炭、天然气或其他化石燃料造成的:1) 现场专用发电厂,2) 从电网购买电力,和/或 3) 生产和处理计算机和挖矿基础设施,以及生产发电厂燃料和建造基础设施。这三个类别对应于温室气体议定书的范围 1、2 和 3,【116】这是一项自愿性行业标准。

目前估计,2022 年全球加密资产挖矿的二氧化碳排放量为 110 至 170 万公吨(或 140±3,000 万公吨),美国约为 2,500 至 5,000 万公吨。【117,118,119】这分别占全球排放量的 0.2% 至 0.3%,美国排放量的 0.4% 至 0.8%。评估加密资产的排放十分复杂;因此,估计也存在不确定性。

由于加密资产挖矿的用电量可能会迅速波动,而国家挖矿份额也会随价格和挖矿业务活动而波动,因此与用电量相关的温室气体排放量也会波动。通过基于挖矿活动的经济和地理的估计,以及国家一级电力温室气体强度的数据,研究人员估计了与主要加密资产相关的温室气体排放范围。【120,121】

全球加密资产挖矿的排放量为140 Mt CO2/y,高于许多国家的排放量,相当于驳船、油轮以及其他船舶在内河航道上航行的全球排放量。【122】仅比特币就产生了约三分之二的全球加密资产温室气体排放。【123,124,125,126】比特币排放量从2017 年的 2 到 16 Mt CO2/y迅速增加【127,128,129】至 2022 年 5 月 30 日至 6 月 16 日的 100±20 Mt CO2/y,【130,131,132】在五年内增加了大约 10 倍。

由于挖矿作业地点的变化和年度流域水循环对水力发电的影响,对加密资产挖矿使用的全球能源组合的估计也有所不同。2019 年 9 月至 2021 年 8 月,比特币使用的电力平均有 30% 来自水力发电、太阳能、风能和其他可再生能源。【133】在此期间,中国的水电为比特币挖矿提供了大部分可再生电力。自 2021 年 9 月中国禁止加密资产挖矿以来,比特币使用的可再生能源有所减少。因此,2018年至 2021 年,估计比特币挖矿用电的平均碳强度从 480 克/千瓦时增加到 570 克/千瓦时二氧化碳。【134】

自 2005 年以来,美国电力生产的温室气体排放强度下降了 33% 以上,2020 年平均电力温室气体排放量为 373 g/kWh。【135】该排放率低于天然气发电厂的排放率 (412 g/kWh),比美国燃煤发电厂 (1,011 g/kWh ) 低约 63%。【136】2021 年,美国约 61% 的发电量来自化石燃料(天然气 38%,煤炭 22%,其他 1.3%)。美国剩余 39% 的电力来自核能 (18.9%) 和可再生能源(9.2% 风能、6.3% 水电、2.8% 太阳能、1.3% 生物质能和 0.4% 地热)。【137】美国的电力需求由发电厂、能源存储资产和电网管理工具根据客户需求的变化调控可用电量来满足。

区域电力系统运营商往往分布在多个州,它们通常会平衡电力供应和需求,并与邻近的电网运营商进行电力交易。【138,139】由美国环保署编制的排放与发电资源综合数据库 (eGRID) 是区域电力排放信息的权威且可获取的来源。【140】发电产生的温室气体排放量因地区而异。由于煤电储备相对较多,美国大平原的中部地区的碳强度约为 700 g/kWh,其产生的每非基负荷千瓦时产生的二氧化碳当量排放量 (234 g/kWh) 几乎是加州的三倍。这些都是平均排放率,而加密资产的新电力需求在短期内(通常需要使用非基负载排放系数)及长期内(随着电网组成的变化)都会影响电力来源。


 

图 3.1. 美国电力的温室气体强度因地区而异,包括非基本负荷(左)和平均电力(右)。【141】

根据一项已发表的研究,2021 年,美国在市值最大的加密资产(比特币、以太坊和狗狗币)的发电过程中产生了大约 15 Mt CO2/y 的温室气体。【142】按照这个速度计算,美国加密资产一年的温室气体排放量相当于 300 多万辆汽油动力车在美国平均旅行量的年排放量。【143】自那以后,美国的加密资产挖矿活动有所增加,目前美国拥有全球超过三分之一的比特币挖矿活动。

美国用于挖掘比特币的用电量已从 2021 年初的 80 亿至 110 亿千瓦时增加到 2022 年年中的 330 亿至 550 亿千瓦时。【144】根据 EPA eGRID 数据库中对美国非基载温室气体排放量的统计,美国比特币挖矿仅 330 – 550 亿千瓦时就会产生 21 – 35 Mt CO2/y 的排放。为了解释美国区域混合电力是如何影响温室气体排放的来龙去脉,如果以2022 年单个美国 eGRID 次区域的排放率来计算美国两项最大的加密资产(比特币和以太坊)挖矿时的温室气体排放,平均 420 亿千瓦时/年的用电量将在纽约州北部产生 17 Mt CO2/y,在美国大平原中部产生 38 Mt CO2/y 的温室气体排放。如果考虑到美国在全球加密资产活动中所占的份额,排放估计在25 至 50 Mt CO2/y 之间。如果使用平均排放率而不是非基排放率,排放量将减少一半左右。随着电网的脱碳化,电力的平均排放强度将继续下降。加密资产在预估温室气体排放方面的不确定性,以及未来增长的潜力,是要求利益相关方提供更好且及时的电力使用和排放数据的原因。

在蒙大拿州,【145,146】纽约州,【147】宾夕法尼亚州,【148】印第安纳州,【149,150,151】和其他地方,媒体报道了加密资产公司撤回了关闭化石燃料发电厂的计划,或重启之前关闭的发电厂的事件。【152,153】重启煤炭和其他化石燃料工厂将在一定程度上不利于美国在减少温室气体排放方面取得的进展。【154,155】

除了发电产生的排放,加密资产业务排放的范围 3 还包括计算机、建筑物、机动车和其他设备在其整个生命周期内的生产、运输、维护和处置过程中排放的温室气体。矿产开采以及生产用于制造计算设备的钢铁和其他材料也会排放温室气体,但与加密资产相关的主要排放来自加密资产挖矿的发电过程,总计约占生命周期排放量的 79% 至 99%。【156,157】

加密资产挖矿可以由搁浅的甲烷和可再生能源提供动力

加密资产行业可能会利用天然气的主要成分—— 搁浅的甲烷气体,来为挖矿发电。甲烷气体产生于天然气钻探和传输过程,以及油井、垃圾填埋场、污水处理和农业过程中。甲烷是一种强效温室气体,在 100 年的时间范围内,其造成的全球变暖潜势是二氧化碳的 27 至 30 倍,而在 20 年的时间范围内,其影响是二氧化碳的 80 倍左右。【158】减少甲烷排放可以减缓短期内的气候变暖,因此拜登·哈里斯政府在 2021 年发布了美国甲烷减排行动计划。【159】

在油和天然气井中排放和燃烧甲烷会浪费全球 4% 的甲烷产量。【160】2021 年,排气和燃烧甲烷排放的温室气体相当于 4 亿吨的二氧化碳,【161】约占全球温室气体排放的 0.7%。【162】因为建造永久性管道,或是因为从偏远的油气设施到终端用户的电力传输成本很高,亦或是因为在旧的垃圾填埋场安装设备的成本很高,这些甲烷会被排放或燃烧。加密资产公司目前正在探索利用油气井和垃圾填埋场排放和燃烧的甲烷发电的方法。

美国环保署和内政部已经提出了在石油和天然气作业中减少甲烷排放的新规定,而加密资产挖矿可以通过捕获排放的甲烷来发电,在燃烧过程中将甲烷转化为二氧化碳,从而对气候产生积极的影响。替代现有甲烷燃除的挖矿作业不太可能影响二氧化碳排放,因为这些甲烷会被燃除并转化为二氧化碳。不过,挖矿业在将甲烷转化为二氧化碳方面可能更可靠、更有效。虽然这样的操作可以减少甲烷的浪费,但另一种选择是利用现有的油气捕集技术以低成本回收甲烷,这能在 2030 年之前将全球甲烷排放量减少50%。 【163】

与实现净零排放相一致的气候政策将实现零甲烷排放以及零甲烷燃烧。监管与技术创新相结合有助于实现这一愿景。安装设备来使用被排放的甲烷发电的加密资产挖矿业,更有可能帮助,而不会阻碍美国的气候目标。

然而,除非将二氧化碳捕获并储存起来,否则在油气井中使用释放出来的甲烷仍然会产生二氧化碳排放,并导致气候变化。将排放或燃烧的甲烷用于加密资产挖矿也必须结合甲烷的其他用途进行评估,如生产氢气或通过管道将甲烷运输到最终用户。

使用电网的加密资产挖矿主要通过两种方式实现零直接温室气体排放: 1) 建设或承包新的清洁电力能源为挖矿提供动力,或 2) 使用现有的原本会被电网削减的可再生电力。当一个加密资产矿企从现有的可再生能源购买电力时,它在短期内取代了温室气体排放,却将可再生能源的用户转移到化石燃料。这是因为在美国,每增加一单位的电力需求,就需要额外的煤和天然气来发电。虽然可再生能源的使用量保持不变,但电力需求却在增加,因此预计将追加使用化石能源。【164】通过一种被称为泄漏的过程,这种取代不会导致净变化或全球总排放量的增加。【165,166,167,168,169,170,171】

如果加密资产运营建立或承包了新的零碳能源产能,并将年度用电量和挖矿时间配置与新的零碳发电量匹配,那么这种直接性挖矿活动是属于零排放的,因为挖矿将使用其提供的所有新的零碳发电量。为了帮助美国实现气候目标,行业可以自愿或被要求建立零碳能源产能,生产超过加密资产挖矿所需的电力,将多余的清洁能源卖回给电网。

美国的一些地区缺少足够的需求或没有输电能力让可再生能源发电的峰值水平得到充分利用,风能或太阳能发电机临时减少或停止发电,这一过程被称为“限电”。这是对可再生电力的浪费。如果在这段时间有足够的需求或输电能力,那么发电机就可以生产并销售可再生电力。2019 年,美国 2.6% 的风力发电受到削减,其中大平原各州的比例最高。在德克萨斯州,每年 5% 的太阳能被削减,在加州,2.4% 的太阳能被削减。【172】使用被削减的电力可以为可再生能源开发商提供额外的收入,并激励其建设更多的可再生能源产能。然而,它也会减少投入给建设从可再生能源处到现有用户的电力传输设施的财政激励,或减少储存过剩的可再生能源电力以在需求更高时使用的激励。此外,加密资产矿机不太可能只在限电期间运营,它们在所有其他时间也需要消耗电网电力。

环境影响包括空气和水污染、噪音和电子垃圾

加密资产挖矿主要使用从电网购买的电力。发电厂为加密资产挖矿以及所有用途产生的电力,都会损害环境、危害人类健康,其中包括燃烧化石燃料造成的空气污染、发电厂冷却产生的取水和热水污染、其他水污染、燃烧化石燃料产生的固体废物、勘探和挖矿造成的土地退化,以及燃料循环和发电厂建设对生命周期的影响。

加密资产挖矿引发了环境正义问题,因为它可能给有色人种社区、土著社区和低收入社区造成不成比例的不利公共卫生和环境负担。【173,174】例如,在纽约州北部奥内达加民族的祖籍地,一个比特币挖矿企业重新启动了之前关闭的格林尼治燃煤发电厂。在奥内达加的支持下,纽约州环境保护部于 2022 年 6 月 30 日拒绝了格林尼治关于更新其《清洁空气法》第 5 章运营许可的申请,因为它违反了纽约州的温室气体减排法。【175】重启之前关闭的燃煤电厂来开采新的加密资产,这在一定程度上破坏了之前改善的空气质量。由于服务水平不足的社区已经受到污染,再加上基础设施投资不足的影响,加密资产挖矿的额外影响可能会造成累积性负担。

加密资产挖矿过程中会产生噪音污染和水排放影响,直接使用化石能源发电会造成空气及其他污染,最终影响环境。与数据中心类似,加密资产挖矿作业的计算机组也会产生大量热量。许多加密资产挖矿设施必须使用风冷或液冷,以保持计算机在可接受的温度范围内运行。在标准的计算机数据中心内,一个典型的 10 千瓦风冷机架服务器每年将需要大约 63,000 加仑的饮用水【176】 ——相当于美国家庭每年的平均室内用水量。【177】当采用液冷—— 包括将计算机浸泡在液体中或通过闭合的液体循环直接从计算机芯片带走热量时—— 设备用水的需求会大大减少。【178】

直接为挖矿作业提供动力的化石能源电力也会影响当地的水资源。对于采用传统一次性冷却系统的火力发电厂而言,水是从河流或湖泊中提取的,提取过程以及释放到环境中的温水(包括用于清洁冷却系统的化学物质)都可能伤害鱼类和野生动物,还影响了居民娱乐活动以及水质。加热后的废水降低了水中氧的溶解度,增加了水生生物的代谢率,由于呼吸作用增加,这进一步降低了氧溶解度。水温上升也会导致形成藻华的生物大量繁殖,最终导致当地的水道含有毒素。其他水污染则是由化石燃料发电以及为发电厂生产煤和天然气造成的。

风冷式挖矿计算机含有高速风扇,可能会产生噪音污染。虽然缺乏关于风扇噪音的科学公开研究,但许多媒体报道描述了加密资产挖矿中心的风扇发出的巨大、恼人且连绵不绝的噪音。【179,180,181,182】噪音污染会给身体和精神带来压力,造成听力损失、睡眠损失以及心血管疾病。【183】噪音也会降低不动产价值。【184】一般而言,工业、道路交通和机场造成的噪音污染在有色人种社区和其他服务水平不足的人群中更高。【185】

最后,加密资产挖矿产生的废弃计算机、电路板、电缆等会形成电子垃圾。对其的处置如果没有适当的标准与强制执行措施,电子垃圾就会造成空气和水污染,工人可能接触到有毒物质,损害公众健康。铅和汞是电子垃圾中最常见的有毒元素。【186】此外,有价值的元素,包括钴、铟和金也被丢弃,未被回收并进入经济循环。2021 年 5 月,比特币挖矿活动每年产生的电子垃圾估计为 31,000 吨,【187】到 2022 年 6 月增加到每年 35,000 吨,【188】相当于荷兰每年产生的电子垃圾。【189】计算机处理速度每一年半就翻倍的创新速度推动了对ASIC 矿机(PoW 加密资产处理专用计算机单元)进行回收处理需求的产生。【190】目前,ASIC 矿机还不能用作其他用途,所以通常在使用 1 年零 4 个月后,老一代 ASIC 矿机就会被废弃、出售或减少使用频率。【191】ASIC 矿机的寿命比 3 到 5 年的标准数据中心服务器的寿命还短。【192】

经过认证的电子回收站可以减少电子垃圾。【193】目前,有两项受到认可的认证标准:电子产品回收商责任的回收标准及电子产品责任回收及再利用的电子管家标准。这两个认证项目都促进了最佳管理实践,以严格的环境标准为基础,最大限度地重用和回收电子垃圾,最大限度地减少其对人类健康和环境的危害,确保下游处理人员对材料的安全管理,同时要求销毁废旧电子设备的所有数据。回收电子垃圾除了能减少温室气体排放和限制处置外,还为关键矿物的回收提供了机会。当不能再使用或回收时,正规的电子垃圾处置应流程包括准确地描述垃圾的特征,并将其送往对应的许可处置地点。


 

4.新兴数字资产技术可支持气候监测或气候缓解

第 14067 号行政命令呼吁讨论区块链的潜在用途,以支持监测或减轻气候影响的技术。负责任地开发区块链和 DLT 能促进应用方面的创新,同时降低能源密集度,最大限度地减少整体环境损害,提高环境正义,并帮助美国履行其气候承诺。本节介绍了该领域的一些潜在应用,以及进一步创新的机会。

环境市场中的区块链和分布式分类账

一般来说,环境市场使用以市场为基础的方法来解决消费或生产给第三方带来有害影响或成本时的负外部。在环境和自然资源的消耗或退化过程中,负外部性包括水和空气污染、生物多样性减少、气候变化、生态系统威胁和经济影响。这些负面影响在范围和时间上是不确定的,可能会持续多年,并且很难用传统的会计核算来解释。【194】本届政府的关键优先事项之一就是有效地解决已经负担过重、目前服务水平不足的气候和其他环境污染的负外部性问题。【195】

碳市场旨在通过交易和使用碳限额和/或碳信用来减少温室气体排放。碳排放限额是一种可交易的工具,授权排放源根据监管计划排放一定数量的温室气体(如一吨二氧化碳)。碳信用是一种可交易的工具,代表大气中减少或消除的一吨温室气体。监管市场,也被称为“合规市场”,一直以来进行的是“限额交易”项目。【196】限额的设立,加上逐步降低的上限,为降低受管制污染源的排放提供了一条途径。一些合规市场允许受监管实体以有限数量使用碳信用额作为限额的补充,但碳信用额市场也可以在监管之外出现。这就是所谓的自愿碳市场 (VCMs)。在 VCMs 中,当前需求的主要驱动者是那些正试图履行自愿的气候中性承诺或其他可持续发展承诺的企业。

与其他市场一样,环境市场依赖于健全的市场基础设施,来使市场参与者能够有信心地进行交易。一个健全的市场基础设施应包括交易执行机制;支付、清算和结算;记录;和安全。碳市场的设计是为了确保碳排放额度和碳信用能认为可以实现所承诺的减排和气候目标。

区块链和 DLT 可在加强包括环境市场在内的一系列市场的基础设施方面发挥作用。用 DLT 取代现有市场基础设施技术的原理将取决于具体市场的环境,包括转换成本。特别是在环境市场中,那些建议采用 DLT 的人应该确保相对于现有市场基础设施技术的环境足迹而言,其环境效益是明确的。DLT 采用者还应确保 DLT 的环境足迹不会抵消相关环境市场产品的效益。

迄今为止,合规市场的管理者尚未采用区块链或 DLT。中央机构负责管理和控制碳排放配额的发放和交还过程。

涉及的实体有确保排放报告的完整性,并确保实现减排的监管要求。DLT 旨在解决去中心化的问题。因为合规市场是中心化的,所以 DLT 在合规市场中可能没有明显的优势。

在 VCMs 中,对 DLT 的应用正在规划中,尽管尚不清楚它们是否反映了对现有市场基础设施的改进。至关重要的是,一些利益相关方担心现有的碳信用额度可能不能代表额外的、永久性的温室气体减排。机构和市场参与者应确保产生信贷的项目能够减少或消除排放。基于区块链的方案可能会破坏改善信用质量的努力,例如,如果信用被代币化,信用的潜在质量变得更加难以识别。此外,越来越多的人认为,碳信用是一种“补充工具”,不应推迟或替代公司自身活动中的可行减排。因此,确保风险管理模式的完整性需要了解企业在何种情况下取消碳信用。基于区块链的交易在一定程度上隐藏了碳信用的最终用户的身份,它们将与高完整性的风险管理机制以及推动实现净零目标的更广泛努力背道而驰。最后,虽然区块链通常被宣传为增强信任,但受到质疑的往往是潜在的减碳或减排项目的完整性,而不是交易对手完成交易的可能性。VCMs 中的信任问题不是区块链或分布式账本解决的信任问题。

最终,区块链和 DLT 可能会在环境市场上有潜在的应用,就像这些技术在任何其他市场上一样,只要它们遵守既定的市场规则。这些市场面临的挑战是验证这些标准是否能确保特定市场实现预期的环境目标。这相当于根据这些标准验证身体活动和结果,并适当地执行这些标准。

成功的环境市场的要素不止在区块链或任何其他数据库或加密技术的功能性和增强信任的特性。由此可见,真正的挑战在于对实物资产的验证,而不是资产所有权的交易。

在市场和交易基础设施方面,区块链在碳市场的潜在应用会参考现有的市场情况,它们是否能够真正落实,将取决于区块链是否能在不造成额外环境危害的情况下,在成本、速度和安全性方面表现优于现有技术。将 DLT 负责的引入碳市场也要评估环境正义,以确定受影响社区的情况最终是如何恶化或改善的。

区块链为分布式能源的启用技术

区块链技术用于能源管理的新兴应用包括启用加州的灵活警报系统。该系统使电网运营商能够在电网紧急情况下推出节能请求,与客户安全地互动,在保持客户匿名的同时了解参与率。【197,198】除了信息交流,智能电网技术【199】有利用数以百万计的分布式能源资源 (DERs) 服务的潜力,如电动汽车、燃料电池、住宅和商业电池系统,以及太阳能发电系统,以提高电网的可靠性。DLT 有可能成为这些 DERs 在智能电网中注册、认证和参与的数字账本,随着更多可变可再生能源的采用,使电网的操作变得更加灵活。与任何新的、尚未成熟的创新技术一样,DLT 在电力领域的最终用途仍然未知。今天,电网和市场是高度集中的系统,少数供应商向大量消费者出售电力。而越来越多的电力消费者也成为电力供应商,这种情况可能在未来十年发生变化。DLT 支持的创新可以帮助电网数字化、自动化和分散化运行。【200】成熟 DLT 的一个关键特性是自动协商并执行协议的能力,这一过程被称为智能合约。【201】随着 DER 资产数量的增加,DLT 的自动化和分布式特性使其成为支持发展中的清洁电力市场的候选技术。

到 2040 年,将有超过 1 亿台新的存储设备接入电网。如果能够得到协调,所有设备都可以同时作为电力消费者和电力供应商运行。

高效、安全地参与 1 亿个 DERs 的市场,将需要实现电网的数字化控制,比现有技术目前未做到的自主性更强的分布式控制。【202】每个 DER 都有潜在的物理网络安全风险,可能会恶意破坏物理网格、硬件系统、软件系统和数据。在这个系统中以任何形式引入DLT 都需要有力的安全保障。

此外,在更多样化的供应商和消费者系统中,DLT 可以提高可靠性。DLT 可以通过允许网格运营商和聚合商通过分析抗篡改的分布式账本实时审计池中每个DER 提供的服务,从而实现验证。这一点很重要,因为电网运营商将要求验证聚合器是否提供了合同服务。此外,聚合器和电网运营商将需要证据,证明 DER 没有通过向两个不同的买家出售相同的服务来“双重消费”。使用加密资产社区中常用的零知识证明,【203】DLT 可以提供这些服务,同时还可以保护聚合器和 DER 所有者的身份和隐私,比如与 DER 类型、容量、位置、所有权和合同安排相关的信息。

随着 DERs 数量的增加,它们还可以帮助社区创建微网格,资源在社区内点对点共享。DLT 可能会有所帮助在这些微网格上管理 P2P 关系。这些微电网通常是“虚拟电网”,在这种电网中,电力通过电网运营商拥有的网络进行交易。除了满足客户在社区内生产和消费的偏好外,将电力的生产和消费本地化可以减少电网拥堵,这有利于社区内外的用户。P2P 能源交易需要一些与加密资产相同的使能技术,即基于加密的用户认证、通过智能合约的做市机制和支付系统、防篡改的交易账本以及完整的可审计性。网络上的 P2P 能源交易可以使用低能耗共识机制,如 PoS。

区块链和 DLT 有潜力促进环境和能源市场的发展,包括碳市场,【204,205】分布式能源资源协调以及一般供应链管理。区块链和 DLT 是各种市场正在探索的使能技术。然而,其他解决方案也可能同样有效,甚至更好。美国政府应寻求促进创新,以应对市场挑战,与环境和公平目标保持一致,并适当确保客户和投资者的保护以及市场诚信。


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 

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