نگاهی به شاخص مصرف انرژی بیت کوین

شاخص مصرف انرژی بیت کوین ، یک ابزار طراحی شده است تا مصرف انرژی شبکه بیت‌ کوین را تخمین بزند. این ابزار به‌روزرسانی‌های زمان‌واقعی در خصوص مصرف کل انرژی به واحد کیلووات‌ساعت (kWh) موردنیاز برای استخراج بیت‌کوین را پیگیری و ارائه می‌دهد.

هدف این شاخص افزایش آگاهی درباره طبیعت مصرف‌انرژی فعالیت‌های استخراج بیت کوین است و به عنوان یک ابزار برای اندازه‌گیری و درک تأثیر زیست‌ محیطی عملیات این ارز دیجیتال عمل می‌کند. این شاخص بینش‌های مفیدی درباره مقیاس استفاده انرژی در اکوسیستم بیت‌کوین ارائه می‌دهد که به مباحث مربوط به پایداری و استراتژی‌های احتمالی برای بهبود کارایی انرژتی در حوزه‌های بلاکچین و ارزهای دیجیتال کمک می‌کند.

شاخص مصرف انرژی بیت کوین آخرین برآورد از کل مصرف انرژی شبکه بیتکوین را ارائه می‌دهد.

آمار کل سالانه ردپای بیتکوین (در انتشار گازهای گلخانه‌ای)

ردپای هر تراکنش بیتکوین

*مفروضات زیربنایی این برآورد مصرف انرژی را می‌توان در اینجا یافت. انتقاد و اعتبار بالقوه برآورد در اینجا مورد بحث قرار می‌گیرد.

** منظور از “حداقل” این است که از کل هش‌ریت شبکه محاسبه می‌شود، با فرض اینکه تنها دستگاه ماینر مورد استفاده در شبکه Antminer S9 باشد (که هر کدام 1500 وات برق مصرف می‌کند). در 13 فوریه 2019، معیار “حداقل” به دستگاه Antminer S15 (با میانگین چرخشی 180 روز) تغییر کرد و پس از آن دستگاه Antminer S17e در تاریخ 7 نوامبر 2019 و سپس دستگاهAntminer S19 Pro  در 31 اکتبر 2020.

***توجه داشته باشید که این شاخص حاوی مجموع بیتکوین و بیتکوین‌کش است (سایر فورک‌های شبکه بیتکوین گنجانده نشده‌اند). مورد دوم در تاریخ 1 اکتبر 2019 حذف شده است.

آیا می‌دانستید بیتکوین بر روی یک شبکه پر انرژی کار می‌کند؟

از زمان آغاز به کار، اجماع اعتمادزُدای بیتکوین توسط الگوریتم اثبات کار آن فعال شده است. دستگاه‌هایی که “کار” را انجام می‌دهند، در حین انجام این کار، انرژی زیادی مصرف می‌کنند. علاوه بر این، انرژی مورد استفاده در درجه اول از سوخت‌های فسیلی تامین می‌شود. شاخص مصرف انرژی بیت کوین برای ارائه بینشی در مورد این مقادیر و افزایش آگاهی در مورد ناپایداری الگوریتم اثبات کار ایجاد شده است.

ماینرها دقیقاً چه کار می‌کنند؟

مجموعه‌های جدیدی از تراکنش‌ها (بلوک‌ها) تقریباً هر 10 دقیقه توسط به اصطلاح ماینرها به بلاکچین بیت‌کوین اضافه می‌شوند. این ماینرها  در حین کار بر روی بلاکچین نیازی به اعتماد به یکدیگر ندارند. تنها چیزی که ماینرها باید به آن اعتماد کنند، کدی است که بیتکوین را اجرا می‌کند.

این کد شامل چندین قانون برای تأیید تراکنش‌های جدید است. به‌عنوان مثال، یک تراکنش تنها در صورتی می‌تواند معتبر باشد که فرستنده واقعاً مالک مبلغ ارسال شده باشد. هر ماینر به طور جداگانه تأیید می‌کند که آیا تراکنش‌ها به این قوانین پایبند هستند یا خیر، و این فرایند نیاز به اعتماد به سایر ماینرها را از بین می‌برد.

ترفند کار در این است که همه ماینرها بر سر سوابق همسانی از تراکنش‌ها به توافق برسند. هر ماینر در شبکه به طور مداوم وظیفه دارد تا دسته بعدی تراکنش‌ها را برای بلاکچین آماده کند. فقط یکی از این بلوک‌ها به‌طور تصادفی انتخاب می‌شود تا به آخرین بلوک در زنجیره تبدیل شود. انتخاب تصادفی در یک شبکه توزیع شده آسان نیست، بنابراین اینجاست که الگوریتم اجماع اثبات کار وارد می‌شود.

در اثبات کار، بلوک بعدی از اولین ماینری می‌آید که یک مورد معتبر تولید می‌کند. گفتن این کار آسان تر از انجام آن است، زیرا پروتکل بیتکوین انجام این کار را برای ماینرها بسیار دشوار می‌کند. در واقع، میزان سختی کار به طور مرتب توسط پروتکل تنظیم می‌شود تا اطمینان حاصل شود که تمام ماینرها در شبکه به طور متوسط هر 10 دقیقه فقط یک بلوک معتبر تولید می‌کنند.

هنگامی‌که یکی از ماینرها در نهایت موفق به تولید یک بلوک معتبر شود، بقیه شبکه را مطلع خواهد کرد. سایر ماینرها این بلوک را به محض اینکه تایید کنند که به تمام قوانین پایبند است، می‌پذیرند و سپس هر بلوکی را که خودشان روی آن کار می‌کردند دور می‌اندازند. ماینر خوش شانس با مقدار ثابتی سکه بیتکوین، همراه با کارمزد تراکنش‌های مربوط به تراکنش‌های پردازش شده در بلوک جدید پاداش دریافت می‌کند. سپس این چرخه یافتن بلوک جدید تا 10 دقیقه بعدی مجدداً شروع می‌شود.

فرآیند تولید یک بلوک معتبر عمدتاً مبتنی بر آزمون و خطا است، جایی که ماینرها در هر ثانیه تلاش‌های متعددی را برای یافتن مقدار مناسب برای یک جزء بلوکی به نام نانس انجام می‌دهند و امیدوارند که بلوک تکمیل شده‌ی حاصله با نیازمندی‌ها مطابقت داشته باشد (زیرا هیچ راهی برای پیش بینی نتیجه وجود ندارد).

به همین دلیل، ماینینگ گاهی با قرعه‌کشی مقایسه می‌شود که در آن می‌توانید شماره‌های خود را انتخاب کنید. تعداد تلاش‌ها (هش‌ها) در ثانیه توسط هش‌ریت تجهیزات ماینینگ شما داده می‌شود. این عدد معمولاً بر حسب تراهش در ثانیه (هزار میلیارد هش در ثانیه) بیان می‌شود.

پایداری

چرخه استخراج مداوم بلوک، مردم را در سراسر جهان تشویق می‌کند تا بیتکوین استخراج کنند. ازآنجایی‌که ماینینگ می‌تواند جریان خوبی از درآمد ایجاد کند، مردم بسیار مایلند تا برای به دست آوردن بخشی از آن، دستگاه‌های تشنه‌ی برق را روشن کنند.

در طول سال‌ها، این امر باعث شده است که مصرف کل انرژی شبکه بیت‌کوین به ابعاد عظیمی افزایش یابد، زیرا قیمت رمزارز بیتکوین به بالاترین حد خود رسیده است. اکنون کل شبکه بیتکوین انرژی بیشتری نسبت به تعدادی از کشورها مصرف می‌کند. اگر بیتکوین یک کشور بود، مانند تصویر زیر رتبه بندی می‌کرد.

جدا از مقایسه قبلی، می‌توان مصرف انرژی بیتکوین را با برخی از بزرگترین کشورهای مصرف کننده انرژی در جهان مقایسه کرد. نتیجه در ادامه نشان داده می‌شود.

رد پای کربن

بزرگترین مشکل بیتکوین شاید حتی مصرف انبوه انرژی آن نباشد، اما این واقعیت است که اکثر تاسیسات استخراج در شبکه بیتکوین از سوخت‌های فسیلی تغذیه می‌کنند.

هال فینی، از اولین فعالان شبکه بیتکوین دو سه هفته بعد از شروع فعالیت این شبکه یک توییت با مضمون نگرانی‌اش درباره نحوه کاهش انتشار کربن دی اکسید در زمان گسترش استفاده از بیتکوین منتشر کرده بود.

جای‌گیری ماینرها

تعیین دقیق تاثیر کربن شبکه بیتکوین برای سال‌ها یک چالش بوده است. نه تنها لازم است که الزامات برق شبکه بیتکوین را بدانیم، بلکه باید بدانیم که این انرژی از کجا می‌آید. مکان ماینرها یک عنصر کلیدی برای دانستن میزان کثیفی یا تمیزی برقی است که آنها استفاده می‌کنند.

کمبریج از سال 2020 دیدگاه دقیقی در مورد تهیه نقشه ماینرهای بیتکوین در طول زمان ارائه می‌دهد. مقاله «بازبینی ردپای کربن بیتکوین» که در مجله علمی Joule در 25 فوریه 2022 منتشر شد، متعاقباً توضیح می‌دهد که چگونه می‌توان از این اطلاعات در مکان‌ ماینرها برای تخمین ترکیب برق و ردپای کربن شبکه استفاده کرد.

این مقاله به طور مشخص نشان می‌دهد که سهم انرژی‌های تجدیدپذیری که شبکه را تامین می‌کنند از 41.6 درصد به 25.1 درصد پس از ممنوعیت ماینینگ در چین در تاریخ بهار 2021 کاهش یافته است. ماینرها قبلاً زمانی که هنوز در چین بودند به مقدار قابل توجهی انرژی‌های تجدیدپذیر (در بخش محدودی از سال) دسترسی داشتند (یعنی انرژی آبی در فصل مرطوب در ماه‌های تابستان)، اما زمانی که مجبور به نقل مکان به کشورهایی مانند آمریکا و قزاقستان شدند، این منابع را از دست دادند.

این مکان‌ها در حال حاضر عمدتاً برق مبتنی بر زغال سنگ یا گاز را برای ماینرهای بیتکوین تامین می‌کنند، که همچنین شدت انتشار کربن برق مورد استفاده برای استخراج بیتکوین را افزایش داده است. این مقاله تاکید می کند که میانگین شدت کربن برق مصرفی شبکه بیتکوین ممکن است از 478.27 گرم کربن‌دی‌اکسید بر کیلووات‌ساعت (gCO2/kWh) به طور متوسط در سال 2020 به 557.76 گرم کربن‌دی‌اکسید بر کیلووات‌ساعت در آگوست 2021 افزایش یافته باشد. ردپای کربن ارائه شده توسط شاخص مصرف انرژی بیت کوین بر اساس این شدت کربن است. (منظور از شدت کربن نیز شدت انتشار کربن‌دی‌اکسید است)

پیشنهاد مطالعه: استخر استخراج ( استخر ماینینگ) چیست؟ آن چه باید در مورد استخر استخراج بدانید؟

ترکیب برق شبکه بیتکوین در طول زمان

چالش‌های کلیدی برای استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر

درک این نکته مهم است که در حالی که انرژی‌های تجدیدپذیر منبع متناوب انرژی هستند، ماینرهای بیتکوین نیاز به انرژی ثابتی دارند. یک دستگاه اسیک بیتکوین، پس از روشن شدن خاموش نمی‌شود تا زمانی که خراب شود یا نتواند بیتکوین را با سود استخراج کند.

به همین دلیل، ماینرهای بیتکوین تقاضای بار پایه را در یک شبکه افزایش می‌دهند. آنها فقط در صورتی انرژی مصرف نمی‌کنند که میزان بیش از حد انرژی‌های تجدیدپذیر موجود باشد، اما همچنان در زمان کمبود تولید برق نیز همچنان به برق نیاز دارند. در مورد دوم، ماینرهای بیتکوین از لحاظ تاریخی به استفاده از انرژی مبتنی بر سوخت فسیلی (که به طور کلی منبع انرژی پایدارتری است) ختم شده‌اند.

دلایل بیشتر در مورد اینکه چرا بیتکوین و انرژی‌های تجدیدپذیر بدترین تطابق را دارند را می‌توان در مقاله دانشگاهی بررسی شده “انرژی‌های تجدیدپذیر مشکل پایداری بیتکوین را حل نمی‌کنند” که در مجله علمی Joule ارائه شده است یافت. با توجه به تغییرات آب و هوایی که نوسانات تولید برقِ آبی را در مکان‌هایی مانند سیچوان افزایش می‌دهد، بعید است که این وضعیت در آینده بهتر شود.

مقایسه مصرف انرژی بیتکوین با سایر سیستم‌های پرداخت

برای در نظر گرفتن انرژی مصرف شده توسط شبکه بیتکوین، می‌توانیم آن را با سیستم پرداخت دیگری مانند ویزا مقایسه کنیم. طبق گزارش ویزا، این شرکت برای تمام عملیات خود در کل 740،000 گیگاژول انرژی (از منابع مختلف) در سراسر جهان مصرف کرده است. این بدان معناست که ویزا به انرژی برابر با حدود 19،304 خانوار آمریکایی نیاز دارد.

ما همچنین می‌دانیم که شرکت ویزا تعداد 138.3 میلیارد تراکنش را در سال 2019 پردازش کرده است. با کمک این اعداد، می‌توان هر دو شبکه را با هم مقایسه کرد و نشان داد که انرژی‌بر بودن بیتکوین در هر تراکنش بسیار بیشتر از ویزا است. تفاوت در شدت کربن نیز در هر تراکنش حتی بیشتر است (به آمار ردپاها در اول مقاله نگاه کنید)، زیرا انرژی استفاده شده توسط ویزا نسبتاً “سبزتر” از انرژی استفاده شده توسط شبکه ماینینگ بیتکوین است. ردپای کربن در هر تراکنش ویزا تنها 0.45 گرم معادل کربن‌دی‌اکسید (CO2eq) است.

البته، ویزا نماینده کاملی برای سیستم مالی جهانی نیست. اما حتی مقایسه با میانگین تراکنش غیر نقدی در سیستم مالی معمولی همچنان نشان می‌دهد که یک تراکنش متوسط بیتکوین به چندین هزار برابر انرژی بیشتری نیاز دارد.

مقیاس‌پذیری محدود باعث تشدید ردپای تراکنش‌ها می‌شود

یکی از دلایل کلیدی که چرا انتشار کربن‌دی‌اکسید در هر تراکنش بیتکوین می‌تواند بسیار شدید باشد این است که بلاکچین نه تنها بر اساس یک الگوریتمِ نیازمندِ انرژی ساخته شده است، بلکه از نظر ظرفیت پردازش تراکنش نیز بسیار محدود است.

یک بلوک برای بلاکچین بیتکوین می‌تواند حاوی یک مگابایت (1 MB) دیتا باشد. از آنجایی که یک بلوک جدید به طور متوسط تنها یک بار در هر 10 دقیقه تولید می‌شود، این محدودیت دیتا از پرداختن به بیش از 7 تراکنش در ثانیه توسط شبکه جلوگیری می‌کند. بنابراین در خوشبینانه‌ترین سناریو، بیتکوین از نظر تئوری می‌تواند سالانه حدود 220 میلیون تراکنش را انجام دهد.

در همین حال، سیستم مالی جهانی بیش از 700 میلیارد پرداخت دیجیتال را در سال انجام می‌دهد (و یک ارائه دهنده خدمات پرداخت مانند ویزا می‌تواند در صورت نیاز بیش از 65000 پرداخت در ثانیه انجام دهد). حداکثر ظرفیت تراکنش بیتکوین تنها 0.03 درصد از این عدد (به سرعت در حال رشد) را نشان می‌دهد.

این عدد کمتر از تعداد کل پرداخت‌های الکترونیکی پردازش شده در کشوری مانند مجارستان (بیش از 300 میلیون در سال) است، حتی با در نظر گرفتن این که پول نقد هنوز دو سوم کل تراکنش‌های پرداخت را در مجارستان تشکیل می‌دهد. با چنین محدودیت فوق العاده پایین، بیتکوین به سادگی قادر به دستیابی به هر شکلی از پذیرش جریان اصلی به عنوان یک ارز جهانی و/یا سیستم پرداخت نیست.

برخلاف محدودیت تراکنش شبکه، مصرف انرژی شبکه محدود نشده است. قیمت بیتکوین محرک اصلی تاثیرات زیست‌محیطی شبکه است و هیچ محدودیتی برای افزایش این رویه وجود ندارد. به همین دلیل، شبکه بیتکوین می‌تواند چندین برابر کل کشور مجارستان (که سالانه 43 تراوات ساعت مصرف می‌کند ) انرژی الکتریکی مصرف کند.

متأسفانه هنوز  هیچ راه حل واقعی برای این مساله مقیاس‌پذیری بیتکوین نیز وجود ندارد. طرفداران رمزارز  استدلال می‌کنند که راه حل‌های به اصطلاح لایه دوم مانند شبکه لایتنینگ به مقیاس بیتکوین کمک می‌کند، در حالی که عملا غیرممکن است که چنین راه حلی در مقیاس قابل توجهی کار کند. برای انتقال هر مقدار وجوه به شبکه لایتنینگ در وهله اول، همچنان به تراکنش تامین مالی در شبکه اصلی نیاز است.

شبکه بیتکوین 35 سال طول می‌کشد تا یک تراکنش تامین مالی برای تمام 7.7 میلیارد نفر (2021) در این سیاره پردازش کند، بدون توجه به هرگونه استفاده احتمالی دیگر از شبکه اصلی و رشد بیشتر جمعیت در این میان. تنها راه‌حل عملی برای مشکل مقیاس‌پذیری بیتکوین، تاکنون استفاده از اشخاص ثالث قابل اعتماد بوده است، زیرا این افراد می‌توانند تراکنش‌ها را به صورت داخلی بدون نیاز به استفاده واقعی از بلاکچین بیتکوین پردازش کنند. مشکل آشکار این است که صرفاً سیستمی ‌را دوباره اختراع می‌کند که ما در حال حاضر از آن برخورداریم.

دیدگاه دیگر

به دلیل مسائل مقیاس پذیری، اغلب استدلال می‌شود که بیتکوین بیشتر شبیه «طلای دیجیتال» است تا یک سیستم پرداخت. از این رو می‌توانیم استخراج بیتکوین را با استخراج طلا مقایسه کنیم. هر سال حدود 3531 تن طلا استخراج می‌شود که مجموع انتشار مربوط به آن به 81 میلیون تن کربن‌دی‌اکسید می‌رسد.

هنگامی‌که این میزان را با شدت کربن ماینینگ بیتکوین مقایسه می‌کنیم، می‌توانیم مشاهده کنیم که مورد حجم انتشار کربن ناشی از استخراج بیتکوین ‌از استخراج طلای واقعی بیشتر است (در زیر مقایسه می‌کنیم). توجه داشته باشید که این موضوع شامل هزینه‌های استخراج شده می‌شود، که در استخراج طلای واقعی قابل مقایسه نیست (زیرا باید طلای استخراج شده قبلی را دوباره در زمین قرار دهیم).

به همین ترتیب، مقایسه نیز ناقص است زیرا می‌توانیم استخراج طلای واقعی را متوقف کنیم، در حالی که بدون ماینینگِ فعال، فرایند به وجود آمدن بیتکوین به سادگی متوقف می‌شود.

می‌توان استدلال کرد که این صرفاً قیمت تراکنشی است که به شخص ثالث قابل اعتماد نیاز ندارد، اما این قیمت نباید آنقدر بالا باشد که در ادامه درباره آن بحث خواهد شد.

مدل مصرف انرژی و مفروضات کلیدی

با وجود اینکه کل هش‌ریت شبکه را می‌توان به راحتی محاسبه کرد، نمی‌توان گفت که این از نظر مصرف انرژی به چه معناست زیرا هیچ فهرست مرکزی برای همه دستگاه‌های فعال (و مصرف برق دقیق آنها) وجود ندارد. در گذشته، تخمین‌های مصرف انرژی معمولاً شامل این فرضیه بود که ببینیم چه دستگاه‌هایی هنوز فعال هستند و چگونه توزیع می‌شوند تا بتوانیم به تعداد معینی از وات مصرف‌شده در هر گیگاش در ثانیه (GH/s) برسیم.

بررسی دقیق یک استخراج بیتکوین در دنیای واقعی نشان می‌دهد که چرا چنین رویکردی قطعاً منجر به دست کم گرفتن مصرف انرژی شبکه بیتکوین می‌شود، زیرا عوامل مرتبط مانند اطمینان به دستگاه، آب و هوا، و هزینه‌های خنک‌کننده را نادیده می‌گیرد.

بنابراین، این رویکرد خودسرانه و دلخواهانه منجر به مجموعه وسیعی از تخمین‌های مصرف انرژی شده است گاهی اوقات بی‌توجه به پیامدهای اقتصادی پارامترهای انتخاب شده به شدت از یکدیگر منحرف می‌شوند. بنابراین، شاخص مصرف انرژی بیت کوین (Bitcoin Energy Consumption index) پیشنهاد می‌کند که مشکل را تغییر داده و از منظر اقتصادی به مصرف انرژی نزدیک شود.

این شاخص بر این فرض ساخته شده است که درآمد و هزینه‌های ماینر جزو موارد مرتبط هستند. ازآنجایی‌که هزینه‌های برق جزء اصلی هزینه‌های جاری است، نتیجه می‌شود که کل مصرف برق شبکه بیتکوین باید با درآمد ماینرها نیز مرتبط باشد.

به بیان ساده، هرچه درآمد ماینینگ بیشتر باشد، دستگاه‌های تشنه انرژی بیشتری را می‌توان پشتیبانی کرد. اینکه چگونه شاخص مصرف انرژی بیت کوین از درآمد ماینرها برای رسیدن به برآورد مصرف انرژی استفاده می‌کند، در اینجا به تفصیل توضیح داده شده است (همچنین در ادبیات آکادمیک بررسی شده در اینجا) و در اینفوگرافیک زیر خلاصه شده است:

درآمدهای ماینر بیتکوین و هزینه‌های (تخمینی) در حال حاضر (در زمان نگارش شاخص در وبسایت Digiconomist) به شرح زیر است:

توجه داشته باشید که ممکن است در مورد بکارگیری مفروضات مختلف به نتایج متفاوتی دست یابیم (محاسابتی که امکان آزمایش فرضیات مختلف را فراهم می‌کند در اینجا موجود است). مفروضات انتخاب شده به‌گونه‌ای انتخاب شده‌اند که بر اساس اطلاعات عملیات ماینینگ واقعی می‌توان آنها را هم بصری و هم محافظه‌کارانه در نظر گرفت. در پایان، هدف این شاخص تولید یک تخمین کامل نیست، بلکه تولید یک تخمین روزانه معتبر از نظر اقتصادی است که دقیق‌تر و قوی‌تر از تخمین مبتنی بر کارایی مجموعه‌ای از دستگاه‌های ماینینگ است.

جهت مطالعه فایل پی دی اف و دسترسی به منابع اینجا کلیک کنید.