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希望还是噱头？再谈比特币与可再生能源
05月31日 14:37
图片来源：unsplash.com
2008年，中本聪（网名）提出了一个天才般的构想——人类历史上的首个加密货币——比特币。为了增加攻击者所需付出的成本，提高比特币系统的安全性、稳定性，中本聪提出了工作量证明（Proof of Work）这一共识机制。可不曾想到，随着比特币产业的发展，PoW 机制带来了巨大的能耗问题，引发了整个世界的关注。
5月13日，马斯克发推称，将停止接受用户用比特币购买特斯拉产品的计划，理由是比特币挖矿造成了严重的能源负担和化石燃料消耗，这一推文引发了比特币的大幅下跌，更将关于比特币能耗问题的争议彻底引爆。
争议的一方是英国金融时报（Financial Times）等传统行业的加密货币反对者。5月20日，金融时报发表专题文章批评日益突出的比特币能耗问题，直呼比特币是一种“肮脏的货币”（dirty currency）。文中引用剑桥大学研究，估算比特币挖矿每年耗电量为133.68TWh，若是将比特币挖矿业比作国家，耗电量排名将达到第27名，甚至超过了瑞典一整国的耗电量。
争议的另一方则是马斯克、方舟投资（Ark Investment）、多尔西旗下支付公司Square等加密货币支持者。5月20号，马斯克表示对大型比特币矿场消耗的可再生能源进行审计，可能会有助于缓解人们对加密货币造成能源浪费和环境污染问题的担忧。5月25日，马斯克在推特上表示，自己已与多家北美矿企会面，号召全球矿工使用清洁能源挖矿，以帮助比特币可持续发展。据悉，会议由Microstrategy公司CEO塞勒（Michael Saylor）主持，会中，北美挖矿企业称将成立比特币挖矿委员会（Bitcoin Mining Council），促进披露业内的能源消耗，以达成环境、社会和治理（ESG / Environmental, Social, and Corporate Governance ）目标。
争议之下，比特币对于环境的真正影响也变得扑朔迷离。那么，比特币产业究竟是“肮脏的”还是“清洁的”呢？
“肮脏”还是“清洁”
比特币挖矿是由矿机进行数学运算完成的，这一行为本身并不产生污染或碳排放，目前，市面上功率较小的矿机，能耗与家用的节能空调相近（蚂蚁s9矿机的功耗为1400w）。因此，比特币挖矿是“肮脏”还是“清洁”，取决于挖矿所消耗的电能是如何产生的。谈及挖矿，人们便会联想到烟囱、火焰和粉尘，但比特币挖矿可能比人们所想象的更为清洁。
全球比特币挖矿可再生能源渗透率
2019年，数字资产管理公司CoinShares发布了一项比特币挖矿研究（The Bitcoin Mining Network），报告中称，比特币矿业73%的耗电，是由诸如风能、太阳能、水能这样的清洁能源所供应的。尤其是中国四川省，由于地势剧烈起伏，拥有极为丰富的水能，可再生能源的使用比例（可再生能源渗透率，Renewables Penetration）更是达到90%。仅四川一省，提供的可再生能源就满足了全球比特币挖矿行业48%的所需。相比之下，挖矿耗能中化石燃料、核能的比例仅为27%。可再生能源的碳排放量远低于传统火力发电，风电所产生的碳足迹约在7-38 gCO2eq/kWh之间，水电大约2-13 gCO2eq/kWh，而对于煤炭，这一数据则高达846 gCO2eq/kWh。
而比特币矿业之所以形成如此“绿色”的能源结构，是出于矿商们单纯的经济考量。自新能源技术发展以来，太阳能、风能等可再生能源的建置成本已愈来愈低。根据EIA所公布的数据，传统火电的平准化发电成本（LCOE，levelized cost of energy）约为73美元/MWh，水电的发电成本为55.26美元/MWh，陆上风能的发电成本为37美元/MWh。而太阳能的发电成本则为48美元MWh，在美国加州、葡萄牙、中东等光能丰富的地区，甚至出现了22MWh美元乃至更低的报价。电力成本是比特币挖矿最主要的成本之一，成本推动下，矿商会自然而言地聚集于电价较为便宜的地区，尤其是水量丰富而人口稀少，电力需求较少的丘陵或山区。
2009-2020年全球光伏与风电平准化发电成本
在中国，由于工程成本较低，水电一般被认为是成本最低的发电方式，价格一般比火电要低0.1~0.2元。2019年8月，四川省政府官方网站公布《四川省水电消纳产业示范区建设实施方案》，将在甘孜州、攀枝花市、雅安市、乐山市、凉山州、阿坝州开展水电消纳产业示范区。截至去年5月，甘孜、雅安、凉山等市州都发布了吸引比特币挖矿项目的政策。据悉，水电消纳地区在丰水期中的废弃水电市场交易电价仅为0.075元/kWh，即便加上输配电价等相关费用，到户电价也仅在0.135-0.162元 /千瓦时之间。
由于在客观上，可再生能源成本较低，比特币挖矿行业也在某种程度上形成了对于可再生能源的偏好，从而变得较为“清洁”。
吃下可再生能源产业的所有“鸭肚”
在上篇讨论利用核能支持比特币挖矿业的文章中，笔者曾提到Square和方舟投资合作撰写的一篇论文（Bitcoin is Key to an Abundant, Clean Energy Future），文中称比特币挖矿为“最后的能源买家”（an energy buyer of last resort）。这与比特币挖矿的特殊属性密不可分。厂房落成后，挖矿最大的成本便是电能。所能获得的廉价电能越多，所能获得的算力也就越大，从而收获更多比特币，赚取更多收益。只要比特币价格维持高位，比特币挖矿有利可图，矿工就会成为廉价可再生电能的“最后买家”。
对于可再生能源来说，目前面临的一大挑战，在于平衡功率和负荷。不同于火电、核电可以持续输出稳定功率的电能，风能、水能、太阳能这样可再生能源的输出功率，往往受到自然条件的影响。从时间上来看，这种供需不平衡存既存在于一天之内，也存在季度之间。
一、日内供需不平衡
风能和太阳能的供应在一天之中是不平均的。太阳能在白天供应充足但会在晚上完全消失，风能功率主要随天气条件变化波动，但在大多数地区，夜间功率更高。而在需求端，大多数国家的电力需求会在每日下午或傍晚达到峰值，而在凌晨前后几小时达到低谷。下图是2016年美国加州某个秋日的用电曲线。蓝线是电网的电力需求，在19点达到峰值，灰线是太阳能发电量，在19点基本归零。两者相减则得到黄线，指扣除太阳能发电量后电网其他能源（如燃煤）的总负荷。曲线形状酷似一只鸭子，故而得名“鸭子曲线”。随着世界间歇性能源（如太阳能）比例越来越高，“鸭肚”便会越来越大，产生的调度问题也越来越严重。
越来越严重的“电能过剩”问题
为了解决可再生能源供给与电力需求不匹配带来的电力过剩，也就是“鸭肚”的问题，发展可再生能源储存技术是理想之道，但在可循环电池等储存技术充分发达前，比特币矿业也能在经济层面上帮助缓解这一问题。在电力过剩时期，可再生能源企业可以利用过剩电能开采比特币，这能够给电企带来额外收益，从而提高可再生能源行业的经济竞争力。有了开采比特币的收入给电企“兜底”，相关可再生能源项目能够获得更多投资，并且能够提早进行更大规模的建设，发展速度也会加快。
二、季节性供需不平衡
可再生能源的季节性供需不平衡由各地区的可再生资源分布，电力需求特点共同决定。对英国而言，风力资源是最为丰富的可再生能源，但这一资源在冬季远比需求丰富。对中国而言，由于国内水电站以径流式居多，发电量与河流流量直接相关，从而具有显著的季节性变化。西南地区河流每年水量最丰的4个月和水量最枯的3个月，径流平均相差达到了50%以上。尤其是在夏季，由于输电线输电能力有限，过剩的电能无法运出，只能被放弃从而产生弃电。
而比特币矿企则能够如同候鸟一般，周期性的前往能源过剩的地区，处理费电问题。在每年5月，四川将进入水能过剩的丰水期，此时大量比特币矿工会“迁移“到四川、云南，与当地水电站签订供电协议，利用廉价电能挖矿。在这种模型中，一种多方共赢的，矿场获得了挖矿收益，电企消纳了废电，赚取了额外收入，当地政府也获得了更多收入、就业岗位。
绑定电网的比特币矿业还可以在某种程度上起到更为深刻的调节作用。一方面，平时被挖矿所占据的电能，可以作为危急时期的“电力储备”，这种效应在2021年初德克萨斯州的电力危机中已经有所体现（尽管目前实际效果有限）。
在前述Square和方舟投资共著的论文中，研究者利用真实数据，研究了比特币开采对于新能源产业（论文中使用的是考虑了电池储能的太阳能电网）的影响。模型假设，光伏发电企业同时参与挖矿，并且出售自身生产的“过剩”电力。那么，随着整体光伏发电产业以及挖矿行业的壮大，光伏发电在电网中所占的比重也能够逐渐提升。研究表明，理想情况下挖矿产业的整合能够将电网中的清洁能源比例从40%提升到99%。
尽管比特币挖矿可能有助于清洁能源产业的发展，但是在事实上挖矿仍然消耗了大量电能。除了挖矿行业委员会推动清洁能源在比特币挖矿业的使用外，各国政府也在开始介入。2021年中国两会期间，碳达峰、碳中和两个概念被首次写入政府工作报告，中国政府表示将制定行动方案，力争在2030年前实现碳达峰，在2060年前实现碳中和。碳中和战略之下，比特币矿业作为耗能大户，自然难逃监管。
4月7日，清华大学、中科院在《自然-通讯》上联合发文，指出中国比特币挖矿对气候的影响。5月25日，内蒙古发改委发文要求进一步清理虚拟货币“挖矿”行为，强化打击惩戒力度，构建长效监管机制。
在能源结构上，内蒙古的煤炭资源丰富，现有煤炭产能达到了全国的1/4。内蒙古的挖矿产业，可再生能源渗透率仅为16%（2017年数据）。此次监管行动之前，内蒙古就曾对境内挖矿企业进行过多次整顿。在2019~2020年之间，已有许多矿企迁往了四川云南等地。目前四川已进入丰水期，但到10月四川进入枯水期后，企业无法就再法迁回内蒙古了。彼时，监管对中国比特币挖矿项目的影响也许才会真正体现。
对于比特币挖矿行业来说，监管无疑能够促进业内可再生能源的使用。预期风电、光电、水电等挖矿项目将会占有越来越高的比重，比特币挖矿产业在中国的无序发展的势头也将得到控制。
总结：比特币矿业的“可再生”愿景
可再生能源与比特币矿业结合，具有美好的前景。全球比特币挖矿产业耗能虽大，却也不及一个白鹤滩水电站的装机总量。而在市场“看不见的手”的推动下，矿工们对低价电能的追逐也与可再生能源产业不断压低成本的努力形成了合力。在可再生能源与比特币矿业结合的系统中，合理监管同样不可或缺。
尽管目前，比特币消耗了大量电能，但是将比特币接纳进全球能源系统，帮助发挥市场的资源调配作用，却也是促进可再生能源产业发展的有效手段。
参考材料：
CoinShares, The Bitcoin Mining Network: Trends, Average Creation Costs, Electricity Consumption
EIA, Levelized Costs of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2021
BCEI, Bitcoin is Key to an Abundant, Clean Energy Future
落基山研究所，能源转型委员会《电力增长零碳化（2020–2030）： 中国实现碳中和的必经之路》
作者：Gate.io 研究员：Edward.H
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