本文估計了比特幣到 2040 年時的發展。它會變得龐大到比特幣網絡將無法擴展，還是太低而無法保護系統？讓我們來了解一下。
原文：How much energy will Bitcoin consume in the future?（Arcane Research）
作者： Jaran Mellerud
編譯：白澤研究院
封面： Photo by Benedikt Jaletzke on Unsplash
有關比特幣的辯論焦點，幾乎集中在比特幣當前的能源消耗上，但卻很少有人考慮它未來將如何發展。在本文中，我們根據幾種價格情景估算了比特幣未來的能源消耗。
什麼決定了比特幣未來的能源消耗？
在深入估算之前，我們應該了解決定比特幣未來能源消耗的因素。最重要的變量是比特幣價格、交易費用、礦工在電力上花費的收入百分比以及礦工的平均電價。
比特幣的年能耗= BTC 價格 X（區塊補貼+ 每區塊平均交易費用）X 每年的區塊數量 X 礦工在能源上花費的收入百分比/ 挖礦行業的平均能源價格
比特幣價格
比特幣價格是比特幣未來能源消耗最關鍵的決定因素。
比特幣價格乘以區塊獎勵決定了比特幣礦工的全行業收入，包括他們的成本和利潤率。比特幣價格上漲帶動全行業礦工收入增長，短期內增加礦工利潤率。比特幣挖礦是一個競爭激烈、進入門檻低的行業，這些豐厚的利潤空間自然會吸引更多的礦工參與其中，從而導致能源消耗的增加。
交易費用
目前，大多數礦工幾乎不考慮交易費用，因為它們只佔礦工總收入的一小部分。因此，你可能會驚訝，我們為什麼認為比特幣的交易費用水平對其未來的能源消耗至關重要。
比特幣礦工每年生產 52,560 個區塊，第一個搶到區塊的礦工將獲得區塊獎勵。區塊獎勵由兩部分組成：區塊補貼和交易費用。
區塊補貼是新鑄造的比特幣，而交易費用是由區塊中包含的交易的發送方作為小費支付給礦工的比特幣。
根據 CoinMetrics 的數據，每個區塊的歷史平均交易費用為 0.4 比特幣，這只是當前區塊獎勵的一小部分。
交易費用可能看起來在區塊獎勵中並不重要，但由於區塊補貼每隔大約四年就會減半一次，所以它的重要性將逐漸增加。
我們假設到 2040 年每個區塊的交易費用將保持在 0.4 比特幣。由於交易費用是恆定的，但區塊補貼每四年減半，交易費用將逐漸成為區塊獎勵的更大份額。據我估計，到 2040 年，交易費用份額將增長到 67%，區塊補貼為 0.195 比特幣，交易費用為 0.4 比特幣。
雖然比特幣價格是比特幣未來能源消耗的最關鍵決定因素，但交易費用緊隨其後，其重要性在未來將進一步增長。
礦工在電力上花費的收入百分比
比特幣礦工將收入的一定比例花在能源上，這個比例越高，行業的能源消耗就越高。要估計這個百分比在 2040 年會發展到何種地步，我們必須再次審視該行業的競爭性質。
在任何行業，費用都可以分為兩個主要部分：CAPEX（資本支出）和 OPEX（運營費用）。對於比特幣礦工來說，CAPEX 由設備和電氣基礎設施組成，而 OPEX 主要由能源組成。目前，基於 88 TWh 的能源消耗和每兆瓦時 50 美元的平均能源價格，比特幣礦工將大約 50% 的收入用於能源。
我相信隨著行業的成熟，比特幣礦工在能源上的收入份額將比目前的水平有一定增長。隨著行業走向成熟，它很可能成為有史以來最具競爭力的行業。這是一個難以監管且准入門檻低的全球性行業。競爭力量可能會長期抹去利潤率，但能夠獲得異常廉價電力的礦工除外。
此外，由於 ASIC 的改進正在放緩，CAPEX 部分將逐漸降低。為了解釋這些趨勢，我假設用於電力的礦工收入百分比每年增長 2%，這意味著到 2040 年將達到 71%。
比特幣挖礦行業的平均能源價格
正如我所解釋的，比特幣礦工將共同賺取特定的年收入，具體取決於比特幣價格和區塊獎勵。他們將把這一收入的一定比例用於能源，這取決於行業的競爭方式。要了解能源成本會轉化為多少能源，我們必須估算該行業的平均能源價格。
我們估計比特幣挖礦行業的平均電價為每兆瓦時 50 美元，我相信在可預見的未來它將保持在這個水平。我們已經在全球範圍內看到了高通脹，這種情況很可能會持續下去。儘管如此，比特幣挖礦的超級競爭性仍會激勵礦工尋找更便宜的能源。
比特幣挖礦是一個與位置無關的行業，這意味著你幾乎可以在任何法規允許的地方建立挖礦業務。到 2040 年，我相信大多數比特幣礦工將使用比電網電力便宜得多的擱淺能源。一些礦工可能仍然與電網連接，但他們將通過提供需求響應服務或出售設備的熱量輸出，來降低能源成本。
礦工通過為能源行業提供積極的外部效應來降低能源成本，這將抵消通貨膨脹的影響。因此，我相信挖礦行業的平均能源價格將保持在每兆瓦時 50 美元。
比特幣可能成為重要的能源消耗者，但這取決於價格
如果你讀過任何關於比特幣挖礦的新聞頭條，你可能會認為該行業目前是全球範圍內的巨大能源消耗者。
然而，比特幣挖礦每年僅消耗 88 TWh，是全球能源消耗 173,340 TWh 的 0.05%。這意味著比特幣挖礦當前的能源消耗在全球範圍內只是一個很小的數字。
比特幣挖礦目前的能源消耗可能有限，但從歷史上看，它隨著比特幣價格的上漲而快速增長。如果比特幣價格在未來幾十年繼續飆升，比特幣挖礦可能會成長為全球主要的能源消費者。
比特幣價格是決定比特幣未來能源消耗的最關鍵因素。因此，我模擬了三種場景：
- 比特幣價格在 2040 年線性增長至 200 萬美元的看漲情景。
- 比特幣價格在 2040 年線性增長至 500,000 美元的中性情景。
- 比特幣價格在 2040 年線性增長至 100,000 美元的看跌情景。
如下圖所示，比特幣未來的能源消耗因未來比特幣價格而有很大差異。
如果到 2040 年比特幣價格達到 200 萬美元，那麼比特幣每年可能消耗 894 TWh——比如今的水平增加 10 倍。這一能源消耗預計相當於 2040 年全球能源消耗的 0.36%，對比今天 0.05% 的份額有相當大的增長。
讓我們看看更中性的情景，即到 2040 年比特幣價格達到 500,000 美元。在這種情況下，比特幣每年將消耗 223 TWh，略高於當前水平的兩倍。能源消耗的這種小幅增長令人驚訝，因為 500,000 美元的比特幣價格意味著比特幣價格上漲了 20 倍。在這裡，我們看到了減半的影響，將在本文後面解釋。
在我們看跌的情景中，比特幣價格將在 2040 年達到 10 萬美元。雖然這意味著是如今價格的 4 倍多，但比特幣的年能源消耗量將減半至 45 TWh，佔全球能源消耗量的 0.02%。就像在中性的情況下一樣，這就是減半的魔力。
情景分析：比特幣價格與交易費用
上面的三個場景僅在價格上有所不同。如前所述，交易費用的高低也對比特幣未來的能源消耗產生巨大影響。因此，我包含了一個情景分析，以了解 2040 年比特幣的能源消耗量將根據比特幣價格和交易費用而有所不同。
在上表中，我們看到以 2040 年 200 萬美元的比特幣價格計算，交易費用對比特幣的能源消耗產生了巨大影響。每個區塊的交易費用每增加 0.1 比特幣，比特幣的能源消耗就會增加 150 TWh，幾乎是目前 88 TWh 能源消耗的兩倍。
表格中另一個有趣的結論是，以每個區塊 0.4 個比特幣的歷史平均交易費用計算，比特幣價格必須在 2040 年超過 20 萬美元，其能源消耗才能保持在當前水平。在這裡，我們再次看到減半的影響。
上圖與上一張相同，但不是以 TWh 為單位顯示能源消耗，而是以佔全球能源消耗的百分比顯示。在這裡，我們假設到 2040 年全球能源消耗的年增長率為 2%。
如果到 2040 年比特幣價格達到 200 萬美元，且交易費用保持在歷史平均水平，那麼比特幣在全球能源消耗中的份額將為 0.36%。與今天僅 0.05% 的水平相比，這是一個巨大的增長，但仍遠低於某些比特幣批評者所預估的 “世界末日”。在這樣的能源消耗下，比特幣挖礦將被認為是一個重要的能源密集型行業，但仍遠低於水泥生產等行業，後者消耗了全球 2% 的能源。
減半限制了比特幣的能源消耗增長
下圖顯示了我們對 2022 年至 2040 年間比特幣能源消耗發展的估計。我們可以看到，所有價格情景的能源消耗都會每四年大幅減少。原因就是區塊補貼每 210,000 個區塊或每四年減半。
由於區塊補貼每四年減半，比特幣挖礦將逐漸減少能源消耗。隨著時間的推移，區塊補貼減半對比特幣挖礦能耗的影響會逐漸減弱。
假設每個區塊的交易費用為 0 比特幣，那麼只有當比特幣價格上漲的速度快於區塊補貼下降的速度時，比特幣的能源消耗才會增加。區塊補貼每四年減半，比特幣價格必須每四年翻一番才能抵消這種影響。在這種情況下，比特幣價格在 2040 年必須在 65 萬美元左右，其能源消耗才能高於目前。
但是交易費用肯定會存在，比特幣的歷史平均每塊交易費用為 0.4 個比特幣。假設交易費用保持在這個水平，比特幣價格不需要每四年翻一番來抵消區塊補貼減半的影響。在這種情況下，高於 20 萬美元的比特幣價格才會增加 2040 年比特幣的能源消耗。
結論
比特幣未來的能源消耗非常不確定，取決於幾個因素。不過，有一件事是肯定的：只有當比特幣的價格達到數百萬美元時，它才會成為主要的全球能源消費者。
雖然比特幣價格的增長刺激了更多的挖礦活動和更高的能源消耗，但減半卻產生了相反的效果。由於減半，比特幣價格必須繼續以驚人的速度上漲，比特幣的能源消耗才能長期增加。減半的緩解效果可以被未來交易費用的增加所抵消。只有當比特幣成為了全球主要的支付系統，並且需求很大時，才會發生這種增長。
這一事實使我們從本文中得出一個重要的結論。那就是：只有當人們將比特幣視為價值存儲和支付系統時，比特幣未來的能源消耗才會增長。請記住，如果價格增長到數百萬美元並且交易費用相當高，比特幣將在 2040 年消耗大量能源。比特幣價格取決於市場對比特幣作為價值儲存手段的需求，而交易費用則由比特幣支付系統的使用需求來驅動。
因此我們可以說，只有比特幣作為 “貨幣” 成功時，能源消耗才會達到極高的水平。即使在 2040 年 200 萬美元的看漲價格情景中，比特幣也只會消耗全球能源消耗的 0.36%。花費我們 0.36% 的能源來確保價值存儲、並促進全球數十億人的交易是非常值得的——這還沒有考慮到比特幣礦工的能源需求會刺激更多的能源生產。
對於那些希望看到比特幣能源消耗下降的人來說，我們有一個好消息：因為如果比特幣作為一種貨幣體系失敗了，你的願望就會實現。（doge）
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