来源：Techopedia
编译：WEEX Exchange
在快节奏的数字货币世界中，比特币已成为一个现象级存在，吸引了全球投资者的目光。这种革命性的加密货币的核心是一个叫做「挖矿」的过程，它推动了比特币的运行，并对整个区块链生态系统产生重大影响。本文将深入探讨比特币挖矿和能源消耗统计，以及为什么「挖矿」对比特币和环境的发展都至关重要。
无论你是经验丰富的投资者，还是加密货币领域新手，了解比特币挖矿的来龙去脉都是掌握这种数字资产真正潜力的必要条件。因此，让我们深入探索比特币挖矿的有趣世界，阐明其重要性，以及你需要了解的关键信息。
比特币挖矿统计数据集锦
- 2023 年 5 月，全球比特币挖矿年耗电量约为 95.58 太瓦时（TWh）。
- 据估计，比特币消耗了全球加密资产用电量的 60%-77%。
- 比特币挖矿拥有 81.1 亿美元的总市值。
- 比特币矿工每天获得的收入为 2770 万美元。
- 美国拥有全球最大的比特币挖矿产业，占比特币全网哈希率的 38% 以上。
比特币挖矿能耗统计
比特币挖矿能源消耗已成为一个人们广泛关注和审查的课题。随着比特币的普及和价值飙升，开采新币和维护区块链所需的能源也随之增加。
据《纽约时报》报道，在比特币早期，当它的追随者有限时，一台台式电脑可以在几秒钟内毫不费力地挖出加密货币。而如今，开采一枚比特币需要大约「9 年的典型家庭用电量」。2023 年 5 月，比特币挖矿预计消耗约 95.58 太瓦时的电力；其 2022 全年的用电量达到 204.5 太瓦时，超过了芬兰全国的用电量。
图 1：比特币挖矿估算用电量、最小用电量（TWh/year）
据白宫报告称，2022 年美国比特币挖矿消耗的能源总量达到 500 亿千瓦时（kWh），凸显能源使用规模之大。比特币挖矿所消耗的电能超过美国运行的所有计算机能耗的总和。当然，比特币挖矿本身也包含在全国用电量数据之内。
图 2：美国家庭用电量和加密货币挖矿耗电量对比
上图显示，美国不同家庭场景用电量从高到低依次为：制冷、照明、电视、Crypto、电脑、风机和水泵、冰柜、洗衣机、洗碗机（截至 2022 年 8 月，比特币预计占所有 Crypto 用电量的 60%-77%，WEEX 注）
一笔比特币交易需要 1,449 度电来记账（挖矿），大约相当于美国普通家庭 50 天的耗电量。以货币衡量，美国 1 度电的平均成本为 12 美分，也就是说，一笔比特币交易记账需要消耗约 173 美元的电费。
比特币挖矿消耗的能源约占全球能源总量的 0.5%，比 Google 全球业务的总耗电量高出 7 倍以上。如果将比特币网络的能源消耗和各国用电量对比，它排在全球第 34 位。（仅次于荷兰，高于哈萨克斯坦，编者注）
图 3：各国能耗排名
单笔比特币交易的能耗相当于近 10 万笔 Visa 卡交易能耗。2023 年 5 月，比特币每笔交易的用电量达到 703.25 千瓦时，而 Visa 卡的用电量只有 148.63 千瓦时。
图 4：比特币交易 vs. Visa 卡交易能耗
1）如何计算比特币挖矿的能耗？
要确定比特币挖矿的确切能耗具有挑战性，因为影响因素很多，包括：
- 比特币挖矿的去中心化特质
- 缺乏标准化的报告要求
- 动态且不断变化的采矿格局
- 矿工使用的电力来源不同
- 矿场运营的私人性和保密性
精确估算能源使用量通常依赖于基于可用数据的假设、近似值和统计模型。Digiconomist 发布的信息图揭示了准确衡量比特币能耗所面临的挑战。鉴于电力成本是持续支出的重要因素，比特币网络的总电力消耗与矿工的收入密切相关。
图 5：确定比特币挖矿能耗的步骤
2）美国比特币矿场和能耗数据
《纽约时报》列出了 34 个比特币矿场，这些都是美国的大型矿场，能耗极大。这些矿场的运营会产生成本，例如电费增加和大量的碳排放，影响到附近的个人。这 34 个挖矿项目中，每个项目的用电量至少是美国家庭平均用电量的 3 万倍。这些业务总共消耗超过 3,900 兆瓦的电力，几乎相当于周围 300 万户家庭的用电量。
图 6：美国大型比特币矿场分布
内布拉斯加州科尔尼的一个比特币矿场消耗的电量与周围 7.3 万个家庭的用电量相当。佐治亚州道尔顿一家矿场的用电量相当于周围约 9.7 万个家庭用电量。位于德克萨斯州罗克代尔的 Riot Platform 矿场是美国耗电量最大的比特币矿场，它的用电量与周围的 30 万户家庭的用电量相当。
Riot 矿场位于 Bitdeer 矿场附近，其消耗的总电量超过了 40 英里半径内所有家庭的总用电量。
德州的加密货币矿工已经获得了长期合同，保证他们在长达十年的时间内享受大幅折扣的电价。
图 7：德州比特币矿场分布
3）气候变化与比特币挖矿及能耗
截至 2021 年 8 月，比特币网络的平均排放因子为 557.76 gCO2/kWh，预计电力负载需求为 13.39 GW，比特币挖矿每年可能排放约 65.4 兆吨二氧化碳（MtCO2）。
比特币挖矿的碳足迹可以根据矿工使用的电力来源来估算。下图基本代表了比特币挖矿的全球碳足迹，与希腊等国的排放量相近（2019 年为 56.6 MtCO2），占全球总排放量的 0.19%。
图 8：比特币挖矿的碳足迹
截至 2021 年 5 月，比特币挖矿每年产生约 3.1 万吨电子垃圾。到了 2022 年 6 月，这一数字已上升至 3.5 万吨/年，相当于整个荷兰的电子垃圾年产出量。
例如，纽约州的一家天然气发电厂 Greenidge LLC 在进行表后（behind-the-meter）比特币挖矿时，每年排放的二氧化碳当量约为 88,440 吨。假设一个发电厂发的电全部用于比特币挖矿，那么每年的排放量将达到 656,983 吨二氧化碳当量。
温室气体排放总量中约有 79% 来自发电，发电是主要的排放源。如果发电厂全负荷开机，其年排放量相当于约 14 万辆客车的排放量，或 6 亿磅煤炭燃烧产生的排放量。
4）比特币挖矿能耗背后的好处
为了应对比特币挖矿的不利影响，比特币挖矿理事会（BMC）——一个由占比特币全网算力 48.4% 的矿业公司组成的全球性论坛——透露，2022 年第四季度的运营数据显示，可再生能源占比特币挖矿用电量的 58.9 %。这相比 2021 年第一季度报告的 36.8% 估算值，有了显著上升。
此外，比特币清洁能源倡议备忘录发布的一份研究论文报告称，比特币矿机是可再生能源和存储的理想补充技术。该研究论文中强调的比特币挖矿的其他主要亮点包括：
- 比特币挖矿可以加速全球能源向可再生能源转型。
- 比特币挖矿可以鼓励对太阳能的投资，而电力成本可能不会改变。
比特币挖矿市场规模和收入统计
比特币挖矿，即验证交易和保护网络安全的过程，已经发展成为一个竞争激烈的行业，导致其市场规模和收入呈指数级增长。该市场已经变得非常有利可图，全球参与者众多，包括个体矿工和大型采矿运营商。
与此同时，比特币价格也于 2021 年 11 月突破 65,000 美元，创加密货币的历史新高。截至 2023 年 6 月，比特币市值达到 5978 亿美元。
比特币的最大供应量设定为 2100 万枚。这确保了稀缺性，是促进比特币价值主张的一个重要因素。2023 年 3 月，已挖出的比特币数量超过 1900 万枚，剩余尚未挖出的数量为 200 万枚。一旦达到 2100 万枚的阈值，就不再有任何新的比特币被挖出。
这种稀缺性反过来又支撑了比特币挖矿的总市值，目前该市值为 81.1 亿美元。
1）最大的比特币矿业公司数据
CompaniesMarketCap 编制的一份清单包括 16 家最大的上市比特币矿业公司估值。其中，Marathon Digital Holdings 是最大的比特币矿商，市值达 22.7 亿美元。
图 9：比特币矿业公司市值 Top5
值得注意的是，这份名单并未包含其他一些市值较小的上市矿业公司，以及许多未上市的加密挖矿公司。
按收入计算，嘉楠耘智（Canaan）是排名第一的上市矿业公司，2022 年报告的总收入为 6.5 亿美元。中国比特币矿业公司的收入主要来自于比特币矿机销售。
图 10：比特币矿业公司收入 Top5
按收益（Earnings，息税前利润）计算，嘉楠耘智同样是排名第一的上市矿业公司，2022 年收益总计 9233 万美元。2021 年，该公司的盈利大幅增长，达到 3 亿美元，较 2020 年的亏损 3120 万美元明显改善。
2）比特币挖矿收入数据
截至 2023 年 6 月 26 日，比特币矿商每日产生的收入为 2770 万美元，较去年同期的 1820 万美元大幅增长 52.20%。2021 年 4 月，比特币矿工实现了自 2018 年以来的最高日收入，达到 8012 万美元（主要得益于 Ordinals、BRC20 带来的 BTC Gas 费上升，WEEX 注）。
图 11：比特币矿工收入变化
据 Glassnode 报道，2023 年 6 月 27 日，比特币矿工向交易所单笔转入创纪录的 1.28 亿美元 BTC。
图 12：矿工转入交易所的 BTC 数据
3）比特币挖矿收入的来源
矿工的收入有两个来源：比特币区块奖励和交易费用。
比特币奖励由在区块链系统中成功挖出区块的矿工获得。为了领取奖励，矿工将其添加到区块的头部。
大约每四年，在比特币网络中成功挖出一个新区块的奖励就会减半。当比特币问世时，挖矿的区块奖励是 50 个比特币。截至 2023 年 6 月，每挖出一个新区块的挖矿奖励为 6.25 个比特币，大约每 10 分钟产出一个新区块。下一次减半预计在 2024 年，区块奖励将降至 3.125 BTC。
图 13：比特币历次减半
比特币大约每 210,000 个区块就会减半一次，直到 2140 年左右，所有 2100 万枚比特币被全部挖出。一旦区块奖励降到0，矿工将只能获得交易费用回报。用户支付交易费用，以让矿工将其交易打包在比特币区块链中。用户也可以通过提升交易费用激励矿工优先打包自己的交易。
截至 2023 年 6 月 28 日，比特币平均交易费用为 2.226 美元，高于 12 个月前的 1.168 美元。该数据有继续增长潜力，类似于 2021 年 4 月发生的情况，当时的峰值接近 62.79 美元。
图 14：比特币 Gas 费
比特币交易费用可能取决于几个因素：
- 网络拥堵情况
- 交易数据大小
- 所需确认时间
费用计算通常根据交易大小（以字节为单位）而不是交易金额来计算。截至 2023 年 6 月 28 日，平均区块大小为 1.69 MB。具有较高哈希率的矿工更有机会向区块链添加新区块，从而获得区块奖励和交易费用。
在比特币挖矿的背景下，哈希率是指挖矿设备或网络可以执行加密计算（称为哈希运算）的计算能力或速度。
在利润和回报的驱动下，矿工通常根据财务标准来选择挖哪种币，包括每日奖励金额或不同加密资产的价格等因素。
图 15：代币选择标准
2023 年 5 月的算力指数报告显示，平均算力价格为 $82.23/PH/天（相当于 0.00298 BTC/PH/天），较 4 月份的平均值 $77.87/PH/天（相当于 0.00270 BTC/PH/天）上涨 5.6%。
图 16：比特币算力计量单位
2023 年 5 月，矿工们总共获得 33,365 BTC（相当于 9.185 亿美元），比 4 月份赚取的 27,743 BTC（相当于 8.008 亿美元）增加了 20%。在这些收入中，交易费用贡献了 4,540 BTC（1.258 亿美元），与 4 月份的 812 BTC（2,350 万美元）相比增长 459%。
比特币挖矿国别统计数据
从中国、美国等大国，到哈萨克斯坦、俄罗斯等国家，不同国家都对全球比特币挖矿的复杂格局产生着影响。
1）中国的比特挖矿使用水电
在 2021 年 6 月禁止比特币挖矿之前，中国在算力提供和电力消耗方面是无可争议的领导者，拥有近 50% 的网络算力。该禁令严重影响了来自中国的挖矿活动，导致算力大幅下降。
图 17：各国挖矿耗电量（太瓦时）
根据剑桥比特币电力消耗指数（CBECI），中国在鼎盛时期曾是全球最大的加密货币挖矿中心，占全球比特币网络总算力 65% 至 75% 的份额。中国的月平均算力占比从 2019 年 9 月的 75.5%下降到 2021 年 9 月的 22.3%，降幅超过 50%。
图 18：比特币挖矿市场格局演变
中国夏季丰水期，部分地区水力资源丰富，电费下降。矿工利用这一点，将业务转移或拓展到四川等水电资源丰富的地区。2020 年丰水季开始时，四川占中国总算力的 14.9%，这一数字在高峰时一度达到 61.1%。相比之下，主要依赖煤电的新疆，算力份额从雨季开始时的 55.1%下降到同期最低点 9.6%。
图 19：中国的比特币矿区
2）美国比特币挖矿统计
美国是全球最大的比特币矿区，占比特币全网总算力的 38% 以上。2020 年 1 月至 2022 年 1 月，美国比特币挖矿份额大幅增长，从 4.5% 攀升至 37.8%。
乔治亚州的算力份额在全美最高，2021 年 12 月占全国 30.8%。德州以 11.2% 的份额位居第二，肯塔基州以 10.9% 的份额位居第三。
图 20：美国各州比特币挖矿份额
夏威夷的采矿成本为 54,862.05 美元，利润为 -24,617.20 美元，成为开采比特币最贵的州。
下图展示了开采一枚比特币最昂贵的 10 个州。（依次为：夏威夷州、阿拉斯加州、康涅狄格州、罗得岛、马萨诸塞州、加州、新罕布什尔州、佛蒙特州、纽约州、新泽西州，WEEX 注）
图 21：美国各州挖矿成本 Top10
路易斯安那州成本最低，总成本为 14,955.14 美元，利润为 15,289.71 美元。
图 22：美国挖矿成本最低的州
3）全球比特币挖矿格局变迁
中国矿业的转移改变了全球挖矿布局，导致哈萨克斯坦和俄罗斯等国家成为算力重新分配的主要受益者。根据《世界人口综述》（World Population Review）提供的数据，截至 2023 年，主要比特币矿区的算力占比如下：
- 美国：35.4%
- 哈萨克斯坦：18.1%
- 俄罗斯：11.23%
- 加拿大：9.55%
- 爱尔兰：4.68%
- 马来西亚：4.58%
- 德国：4.48%
- 伊朗：3.1%
禁令实施后，许多中国矿工将业务迁至哈萨克斯坦，因为该国距离较近且天然拥有丰富的化石燃料。
2019 年，化石燃料占哈萨克斯坦发电量的 84%，水力发电占比 12%，太阳能和风能装置贡献不到 2%。哈萨克斯坦北部地区丰富的煤炭存储为该国 70% 以上的发电厂提供动力。
哈萨克斯坦的电力由 155 座不同所有制模式的发电厂提供。截至 2022 年 1 月 1 日，该国发电厂总装机容量达到 23,957 兆瓦，可用容量为 19,004 兆瓦。
2019 年 9 月至 2021 年 9 月期间，哈萨克斯坦的全球比特币挖矿份额显着飙升，从 1.3% 飙升至令人注目的 24.3%。由于煤炭的可自足性和能源效率，该国的比特币挖矿业务蓬勃发展。
不过，根据俄罗斯媒体《生意人报》（Kommersant）2023 年 4 月的报道，俄罗斯已成为全球第二大比特币矿区，仅次于美国。
俄罗斯顶级加密挖矿公司 Bitriver 的数据中心由该国第三大石油生产商 Gazprom Neft 提供支持。为了满足加密挖矿的电力需求，直接用石油液化气发电。
图 23：俄罗斯挖矿公司 Bitriver
尽管美国以 3-4 吉瓦的供电能力保持显著的挖矿领先地位，但俄罗斯的供电能力在 2023 年 1 月至 3 月已达到了 1 吉瓦。俄罗斯排名的变化恰逢美国在州和联邦层面对加密货币挖矿实施税收和监管措施，从而使得美国挖矿产业面临不太友好的政策环境。
比特币挖矿 vs. 其他资源成本
由于性能挑战，比特币通常被比作「数字黄金」 ，而不是支付系统。因此，可以将比特币挖矿和黄金挖矿进行比较。
全球每年开采约 3,531 吨黄金，产生的二氧化碳总排放量为 8100 万吨。将比特币开采的碳强度与开采实物黄金的碳强度进行对比，很明显前者超过了后者。
不过值得注意的是，此计算包含矿工费（mining fees），而矿工费在实物金矿开采中并不存在。此外，这样进行比较不可取的地方还包括，我们可以停止开采实物黄金，但比特币挖矿一刻也不能停，它是整个比特币网络不可或缺的一部分。
图 24：黄金开采与比特币挖矿
根据具体资源和提取方法的不同，资源提取的能源成本可能会有很大差异。例如：
根据美国地质调查局 (USGS) 的数据，铜矿开采每生产一吨铜 (GJ/t) 的能源消耗为 0.2 至 1.5 吉焦耳，铜的电气用途约占总用量的 3/4；生产一吨铝大约需要 17,000 千瓦时 (kWh) 电力，生产铝所需的电能通常来自火电厂，其最高运行效率约为 30%。
2021 年，美国电力公司和独立发电每生产 1 度电 (1 kWh) 的分别需要：1.12 磅煤、7.36 立方英尺天然气、0.08 加仑石油液化气、0.82 磅石油焦（Petroleum coke，石油的减压渣油，经焦化装置，在 500-550℃ 下裂解焦化而生成的黑色固体焦炭，编者注）。
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