本文估计了比特币到 2040 年时的发展。它会变得庞大到比特币网络将无法扩展，还是太低而无法保护系统？让我们来了解一下。
原文：How much energy will Bitcoin consume in the future?（Arcane Research）
作者：Jaran Mellerud
编译：白泽研究院
封面：Photo by Benedikt Jaletzke on Unsplash
有关比特币的辩论焦点，几乎集中在比特币当前的能源消耗上，但却很少有人考虑它未来将如何发展。在本文中，我们根据几种价格情景估算了比特币未来的能源消耗。
什么决定了比特币未来的能源消耗？
在深入估算之前，我们应该了解决定比特币未来能源消耗的因素。最重要的变量是比特币价格、交易费用、矿工在电力上花费的收入百分比以及矿工的平均电价。
比特币的年能耗 = BTC 价格 X（区块补贴 + 每区块平均交易费用）X 每年的区块数量 X 矿工在能源上花费的收入百分比 / 挖矿行业的平均能源价格
比特币价格
比特币价格是比特币未来能源消耗最关键的决定因素。
比特币价格乘以区块奖励决定了比特币矿工的全行业收入，包括他们的成本和利润率。比特币价格上涨带动全行业矿工收入增长，短期内增加矿工利润率。比特币挖矿是一个竞争激烈、进入门槛低的行业，这些丰厚的利润空间自然会吸引更多的矿工参与其中，从而导致能源消耗的增加。
交易费用
目前，大多数矿工几乎不考虑交易费用，因为它们只占矿工总收入的一小部分。因此，你可能会惊讶，我们为什么认为比特币的交易费用水平对其未来的能源消耗至关重要。
比特币矿工每年生产 52,560 个区块，第一个抢到区块的矿工将获得区块奖励。区块奖励由两部分组成：区块补贴和交易费用。
区块补贴是新铸造的比特币，而交易费用是由区块中包含的交易的发送方作为小费支付给矿工的比特币。
根据 CoinMetrics 的数据，每个区块的历史平均交易费用为 0.4 比特币，这只是当前区块奖励的一小部分。
交易费用可能看起来在区块奖励中并不重要，但由于区块补贴每隔大约四年就会减半一次，所以它的重要性将逐渐增加。
我们假设到 2040 年每个区块的交易费用将保持在 0.4 比特币。由于交易费用是恒定的，但区块补贴每四年减半，交易费用将逐渐成为区块奖励的更大份额。据我估计，到 2040 年，交易费用份额将增长到 67%，区块补贴为 0.195 比特币，交易费用为 0.4 比特币。
虽然比特币价格是比特币未来能源消耗的最关键决定因素，但交易费用紧随其后，其重要性在未来将进一步增长。
矿工在电力上花费的收入百分比
比特币矿工将收入的一定比例花在能源上，这个比例越高，行业的能源消耗就越高。要估计这个百分比在 2040 年会发展到何种地步，我们必须再次审视该行业的竞争性质。
在任何行业，费用都可以分为两个主要部分：CAPEX（资本支出）和 OPEX（运营费用）。对于比特币矿工来说，CAPEX 由设备和电气基础设施组成，而 OPEX 主要由能源组成。目前，基于 88 TWh 的能源消耗和每兆瓦时 50 美元的平均能源价格，比特币矿工将大约 50% 的收入用于能源。
我相信随着行业的成熟，比特币矿工在能源上的收入份额将比目前的水平有一定增长。随着行业走向成熟，它很可能成为有史以来最具竞争力的行业。这是一个难以监管且准入门槛低的全球性行业。竞争力量可能会长期抹去利润率，但能够获得异常廉价电力的矿工除外。
此外，由于 ASIC 的改进正在放缓，CAPEX 部分将逐渐降低。为了解释这些趋势，我假设用于电力的矿工收入百分比每年增长 2%，这意味着到 2040 年将达到 71%。
比特币挖矿行业的平均能源价格
正如我所解释的，比特币矿工将共同赚取特定的年收入，具体取决于比特币价格和区块奖励。他们将把这一收入的一定比例用于能源，这取决于行业的竞争方式。要了解能源成本会转化为多少能源，我们必须估算该行业的平均能源价格。
我们估计比特币挖矿行业的平均电价为每兆瓦时 50 美元，我相信在可预见的未来它将保持在这个水平。我们已经在全球范围内看到了高通胀，这种情况很可能会持续下去。尽管如此，比特币挖矿的超级竞争性仍会激励矿工寻找更便宜的能源。
比特币挖矿是一个与位置无关的行业，这意味着你几乎可以在任何法规允许的地方建立挖矿业务。到 2040 年，我相信大多数比特币矿工将使用比电网电力便宜得多的搁浅能源。一些矿工可能仍然与电网连接，但他们将通过提供需求响应服务或出售设备的热量输出，来降低能源成本。
矿工通过为能源行业提供积极的外部效应来降低能源成本，这将抵消通货膨胀的影响。因此，我相信挖矿行业的平均能源价格将保持在每兆瓦时 50 美元。
比特币可能成为重要的能源消耗者，但这取决于价格
如果你读过任何关于比特币挖矿的新闻头条，你可能会认为该行业目前是全球范围内的巨大能源消耗者。
然而，比特币挖矿每年仅消耗 88 TWh，是全球能源消耗 173,340 TWh 的 0.05%。这意味着比特币挖矿当前的能源消耗在全球范围内只是一个很小的数字。
比特币挖矿目前的能源消耗可能有限，但从历史上看，它随着比特币价格的上涨而快速增长。如果比特币价格在未来几十年继续飙升，比特币挖矿可能会成长为全球主要的能源消费者。
比特币价格是决定比特币未来能源消耗的最关键因素。因此，我模拟了三种场景：
- 比特币价格在 2040 年线性增长至 200 万美元的看涨情景。
- 比特币价格在 2040 年线性增长至 500,000 美元的中性情景。
- 比特币价格在 2040 年线性增长至 100,000 美元的看跌情景。
如下图所示，比特币未来的能源消耗因未来比特币价格而有很大差异。
如果到 2040 年比特币价格达到 200 万美元，那么比特币每年可能消耗 894 TWh——比如今的水平增加 10 倍。这一能源消耗预计相当于 2040 年全球能源消耗的 0.36%，对比今天 0.05% 的份额有相当大的增长。
让我们看看更中性的情景，即到 2040 年比特币价格达到 500,000 美元。在这种情况下，比特币每年将消耗 223 TWh，略高于当前水平的两倍。能源消耗的这种小幅增长令人惊讶，因为 500,000 美元的比特币价格意味着比特币价格上涨了 20 倍。在这里，我们看到了减半的影响，将在本文后面解释。
在我们看跌的情景中，比特币价格将在 2040 年达到 10 万美元。虽然这意味着是如今价格的 4 倍多，但比特币的年能源消耗量将减半至 45 TWh，占全球能源消耗量的 0.02%。就像在中性的情况下一样，这就是减半的魔力。
情景分析：比特币价格与交易费用
上面的三个场景仅在价格上有所不同。如前所述，交易费用的高低也对比特币未来的能源消耗产生巨大影响。因此，我包含了一个情景分析，以了解 2040 年比特币的能源消耗量将根据比特币价格和交易费用而有所不同。
在上表中，我们看到以 2040 年 200 万美元的比特币价格计算，交易费用对比特币的能源消耗产生了巨大影响。每个区块的交易费用每增加 0.1 比特币，比特币的能源消耗就会增加 150 TWh，几乎是目前 88 TWh 能源消耗的两倍。
表格中另一个有趣的结论是，以每个区块 0.4 个比特币的历史平均交易费用计算，比特币价格必须在 2040 年超过 20 万美元，其能源消耗才能保持在当前水平。在这里，我们再次看到减半的影响。
上图与上一张相同，但不是以 TWh 为单位显示能源消耗，而是以占全球能源消耗的百分比显示。在这里，我们假设到 2040 年全球能源消耗的年增长率为 2%。
如果到 2040 年比特币价格达到 200 万美元，且交易费用保持在历史平均水平，那么比特币在全球能源消耗中的份额将为 0.36%。与今天仅 0.05% 的水平相比，这是一个巨大的增长，但仍远低于某些比特币批评者所预估的 “世界末日”。在这样的能源消耗下，比特币挖矿将被认为是一个重要的能源密集型行业，但仍远低于水泥生产等行业，后者消耗了全球 2% 的能源。
减半限制了比特币的能源消耗增长
下图显示了我们对 2022 年至 2040 年间比特币能源消耗发展的估计。我们可以看到，所有价格情景的能源消耗都会每四年大幅减少。原因就是区块补贴每 210,000 个区块或每四年减半。
由于区块补贴每四年减半，比特币挖矿将逐渐减少能源消耗。随着时间的推移，区块补贴减半对比特币挖矿能耗的影响会逐渐减弱。
假设每个区块的交易费用为 0 比特币，那么只有当比特币价格上涨的速度快于区块补贴下降的速度时，比特币的能源消耗才会增加。区块补贴每四年减半，比特币价格必须每四年翻一番才能抵消这种影响。在这种情况下，比特币价格在 2040 年必须在 65 万美元左右，其能源消耗才能高于目前。
但是交易费用肯定会存在，比特币的历史平均每块交易费用为 0.4 个比特币。假设交易费用保持在这个水平，比特币价格不需要每四年翻一番来抵消区块补贴减半的影响。在这种情况下，高于 20 万美元的比特币价格才会增加 2040 年比特币的能源消耗。
结论
比特币未来的能源消耗非常不确定，取决于几个因素。不过，有一件事是肯定的：只有当比特币的价格达到数百万美元时，它才会成为主要的全球能源消费者。
虽然比特币价格的增长刺激了更多的挖矿活动和更高的能源消耗，但减半却产生了相反的效果。由于减半，比特币价格必须继续以惊人的速度上涨，比特币的能源消耗才能长期增加。减半的缓解效果可以被未来交易费用的增加所抵消。只有当比特币成为了全球主要的支付系统，并且需求很大时，才会发生这种增长。
这一事实使我们从本文中得出一个重要的结论。那就是：只有当人们将比特币视为价值存储和支付系统时，比特币未来的能源消耗才会增长。请记住，如果价格增长到数百万美元并且交易费用相当高，比特币将在 2040 年消耗大量能源。比特币价格取决于市场对比特币作为价值储存手段的需求，而交易费用则由比特币支付系统的使用需求来驱动。
因此我们可以说，只有比特币作为 “货币” 成功时，能源消耗才会达到极高的水平。即使在 2040 年 200 万美元的看涨价格情景中，比特币也只会消耗全球能源消耗的 0.36%。花费我们 0.36% 的能源来确保价值存储、并促进全球数十亿人的交易是非常值得的——这还没有考虑到比特币矿工的能源需求会刺激更多的能源生产。
对于那些希望看到比特币能源消耗下降的人来说，我们有一个好消息：因为如果比特币作为一种货币体系失败了，你的愿望就会实现。（doge）
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