來源：Techopedia
編譯：WEEX Exchange
在快節奏的數字貨幣世界中，比特幣已成為一個現象級存在，吸引了全球投資者的目光。這種革命性的加密貨幣的核心是一個叫做「挖礦」的過程，它推動了比特幣的運行，並對整個區塊鏈生態系統產生重大影響。本文將深入探討比特幣挖礦和能源消耗統計，以及為什麼「挖礦」對比特幣和環境的發展都至關重要。
無論你是經驗豐富的投資者，還是加密貨幣領域新手，了解比特幣挖礦的來龍去脈都是掌握這種數字資產真正潛力的必要條件。因此，讓我們深入探索比特幣挖礦的有趣世界，闡明其重要性，以及你需要了解的關鍵信息。
比特幣挖礦統計數據集錦
- 2023 年5 月，全球比特幣挖礦年耗電量約為95.58 太瓦時（TWh）。
- 據估計，比特幣消耗了全球加密資產用電量的60%-77%。
- 比特幣挖礦擁有81.1 億美元的總市值。
- 比特幣礦工每天獲得的收入為2770 萬美元。
- 美國擁有全球最大的比特幣挖礦產業，佔比特幣全網哈希率的38% 以上。
比特幣挖礦能耗統計
比特幣挖礦能源消耗已成為一個人們廣泛關注和審查的課題。隨著比特幣的普及和價值飆升，開採新幣和維護區塊鏈所需的能源也隨之增加。
據《紐約時報》報導，在比特幣早期，當它的追隨者有限時，一台台式電腦可以在幾秒鐘內毫不費力地挖出加密貨幣。而如今，開採一枚比特幣需要大約「9 年的典型家庭用電量」。 2023 年5 月，比特幣挖礦預計消耗約95.58 太瓦時的電力；其2022 全年的用電量達到204.5 太瓦時，超過了芬蘭全國的用電量。
圖1：比特幣挖礦估算用電量、最小用電量（TWh/year）
據白宮報告稱，2022 年美國比特幣挖礦消耗的能源總量達到500 億千瓦時（kWh），凸顯能源使用規模之大。比特幣挖礦所消耗的電能超過美國運行的所有計算機能耗的總和。當然，比特幣挖礦本身也包含在全國用電量數據之內。
圖2：美國家庭用電量和加密貨幣挖礦耗電量對比
上圖顯示，美國不同家庭場景用電量從高到低依次為：製冷、照明、電視、Crypto、電腦、風機和水泵、冰櫃、洗衣機、洗碗機（截至2022 年8 月，比特幣預計佔所有Crypto 用電量的60%-77%，WEEX 注）
一筆比特幣交易需要1,449 度電來記賬（挖礦），大約相當於美國普通家庭50 天的耗電量。以貨幣衡量，美國1 度電的平均成本為12 美分，也就是說，一筆比特幣交易記賬需要消耗約173 美元的電費。
比特幣挖礦消耗的能源約佔全球能源總量的0.5%，比Google 全球業務的總耗電量高出7 倍以上。如果將比特幣網絡的能源消耗和各國用電量對比，它排在全球第34 位。 （僅次於荷蘭，高於哈薩克斯坦，編者註）
圖3：各國能耗排名
單筆比特幣交易的能耗相當於近10 萬筆Visa 卡交易能耗。 2023 年5 月，比特幣每筆交易的用電量達到703.25 千瓦時，而Visa 卡的用電量只有148.63 千瓦時。
圖4：比特幣交易vs. Visa 卡交易能耗1）如何計算比特幣挖礦的能耗？
要確定比特幣挖礦的確切能耗具有挑戰性，因為影響因素很多，包括：
- 比特幣挖礦的去中心化特質
- 缺乏標準化的報告要求
- 動態且不斷變化的採礦格局
- 礦工使用的電力來源不同
- 礦場運營的私人性和保密性
精確估算能源使用量通常依賴於基於可用數據的假設、近似值和統計模型。 Digiconomist 發布的信息圖揭示了準確衡量比特幣能耗所面臨的挑戰。鑑於電力成本是持續支出的重要因素，比特幣網絡的總電力消耗與礦工的收入密切相關。
圖5：確定比特幣挖礦能耗的步驟2）美國比特幣礦場和能耗數據
《紐約時報》列出了34 個比特幣礦場，這些都是美國的大型礦場，能耗極大。這些礦場的運營會產生成本，例如電費增加和大量的碳排放，影響到附近的個人。這34 個挖礦項目中，每個項目的用電量至少是美國家庭平均用電量的3 萬倍。這些業務總共消耗超過3,900 兆瓦的電力，幾乎相當於周圍300 萬戶家庭的用電量。
圖6：美國大型比特幣礦場分佈
內布拉斯加州科爾尼的一個比特幣礦場消耗的電量與周圍7.3 萬個家庭的用電量相當。佐治亞州道爾頓一家礦場的用電量相當於周圍約9.7 萬個家庭用電量。位於德克薩斯州羅克代爾的Riot Platform 礦場是美國耗電量最大的比特幣礦場，它的用電量與周圍的30 萬戶家庭的用電量相當。
Riot 礦場位於Bitdeer 礦場附近，其消耗的總電量超過了40 英里半徑內所有家庭的總用電量。
德州的加密貨幣礦工已經獲得了長期合同，保證他們在長達十年的時間內享受大幅折扣的電價。
圖7：德州比特幣礦場分佈3）氣候變化與比特幣挖礦及能耗
截至2021 年8 月，比特幣網絡的平均排放因子為557.76 gCO2/kWh，預計電力負載需求為13.39 GW，比特幣挖礦每年可能排放約65.4 兆噸二氧化碳（MtCO2）。
比特幣挖礦的碳足跡可以根據礦工使用的電力來源來估算。下圖基本代表了比特幣挖礦的全球碳足跡，與希臘等國的排放量相近（2019 年為56.6 MtCO2），佔全球總排放量的0.19%。
圖8：比特幣挖礦的碳足跡
截至2021 年5 月，比特幣挖礦每年產生約3.1 萬噸電子垃圾。到了2022 年6 月，這一數字已上升至3.5 萬噸/年，相當於整個荷蘭的電子垃圾年產出量。
例如，紐約州的一家天然氣發電廠Greenidge LLC 在進行表後（behind-the-meter）比特幣挖礦時，每年排放的二氧化碳當量約為88,440 噸。假設一個發電廠發的電全部用於比特幣挖礦，那麼每年的排放量將達到656,983 噸二氧化碳當量。
溫室氣體排放總量中約有79% 來自發電，發電是主要的排放源。如果發電廠全負荷開機，其年排放量相當於約14 萬輛客車的排放量，或6 億磅煤炭燃燒產生的排放量。
4）比特幣挖礦能耗背後的好處
為了應對比特幣挖礦的不利影響，比特幣挖礦理事會（BMC）——一個由佔比特幣全網算力48.4% 的礦業公司組成的全球性論壇——透露，2022 年第四季度的運營數據顯示，可再生能源佔比特幣挖礦用電量的58.9 %。這相比2021 年第一季度報告的36.8% 估算值，有了顯著上升。
此外，比特幣清潔能源倡議備忘錄發布的一份研究論文報告稱，比特幣礦機是可再生能源和存儲的理想補充技術。該研究論文中強調的比特幣挖礦的其他主要亮點包括：
- 比特幣挖礦可以加速全球能源向可再生能源轉型。
- 比特幣挖礦可以鼓勵對太陽能的投資，而電力成本可能不會改變。
比特幣挖礦市場規模和收入統計
比特幣挖礦，即驗證交易和保護網絡安全的過程，已經發展成為一個競爭激烈的行業，導致其市場規模和收入呈指數級增長。該市場已經變得非常有利可圖，全球參與者眾多，包括個體礦工和大型採礦運營商。
與此同時，比特幣價格也於2021 年11 月突破65,000 美元，創加密貨幣的歷史新高。截至2023 年6 月，比特幣市值達到5978 億美元。
比特幣的最大供應量設定為2100 萬枚。這確保了稀缺性，是促進比特幣價值主張的一個重要因素。 2023 年3 月，已挖出的比特幣數量超過1900 萬枚，剩餘尚未挖出的數量為200 萬枚。一旦達到2100 萬枚的閾值，就不再有任何新的比特幣被挖出。
這種稀缺性反過來又支撐了比特幣挖礦的總市值，目前該市值為81.1 億美元。
1）最大的比特幣礦業公司數據
CompaniesMarketCap 編制的一份清單包括16 家最大的上市比特幣礦業公司估值。其中，Marathon Digital Holdings 是最大的比特幣礦商，市值達22.7 億美元。
圖9：比特幣礦業公司市值Top5
值得注意的是，這份名單並未包含其他一些市值較小的上市礦業公司，以及許多未上市的加密挖礦公司。
按收入計算，嘉楠耘智（Canaan）是排名第一的上市礦業公司，2022 年報告的總收入為6.5 億美元。中國比特幣礦業公司的收入主要來自於比特幣礦機銷售。
圖10：比特幣礦業公司收入Top5
按收益（Earnings，息稅前利潤）計算，嘉楠耘智同樣是排名第一的上市礦業公司，2022 年收益總計9233 萬美元。 2021 年，該公司的盈利大幅增長，達到3 億美元，較2020 年的虧損3120 萬美元明顯改善。
2）比特幣挖礦收入數據
截至2023 年6 月26 日，比特幣礦商每日產生的收入為2770 萬美元，較去年同期的1820 萬美元大幅增長52.20%。 2021 年4 月，比特幣礦工實現了自2018 年以來的最高日收入，達到8012 萬美元（主要得益於Ordinals、BRC20 帶來的BTC Gas 費上升，WEEX 注）。
圖11：比特幣礦工收入變化
據Glassnode 報導，2023 年6 月27 日，比特幣礦工向交易所單筆轉入創紀錄的1.28 億美元BTC。
圖12：礦工轉入交易所的BTC 數據3）比特幣挖礦收入的來源
礦工的收入有兩個來源：比特幣區塊獎勵和交易費用。
比特幣獎勵由在區塊鏈系統中成功挖出區塊的礦工獲得。為了領取獎勵，礦工將其添加到區塊的頭部。
大約每四年，在比特幣網絡中成功挖出一個新區塊的獎勵就會減半。當比特幣問世時，挖礦的區塊獎勵是50 個比特幣。截至2023 年6 月，每挖出一個新區塊的挖礦獎勵為6.25 個比特幣，大約每10 分鐘產出一個新區塊。下一次減半預計在2024 年，區塊獎勵將降至3.125 BTC。
圖13：比特幣歷次減半
比特幣大約每210,000 個區塊就會減半一次，直到2140 年左右，所有2100 萬枚比特幣被全部挖出。一旦區塊獎勵降到0，礦工將只能獲得交易費用回報。用戶支付交易費用，以讓礦工將其交易打包在比特幣區塊鏈中。用戶也可以通過提升交易費用激勵礦工優先打包自己的交易。
截至2023 年6 月28 日，比特幣平均交易費用為2.226 美元，高於12 個月前的1.168 美元。該數據有繼續增長潛力，類似於2021 年4 月發生的情況，當時的峰值接近62.79 美元。
圖14：比特幣Gas 費
比特幣交易費用可能取決於幾個因素：
- 網絡擁堵情況
- 交易數據大小
- 所需確認時間
費用計算通常根據交易大小（以字節為單位）而不是交易金額來計算。截至2023 年6 月28 日，平均區塊大小為1.69 MB。具有較高哈希率的礦工更有機會向區塊鏈添加新區塊，從而獲得區塊獎勵和交易費用。
在比特幣挖礦的背景下，哈希率是指挖礦設備或網絡可以執行加密計算（稱為哈希運算）的計算能力或速度。
在利潤和回報的驅動下，礦工通常根據財務標準來選擇挖哪種幣，包括每日獎勵金額或不同加密資產的價格等因素。
圖15：代幣選擇標準
2023 年5 月的算力指數報告顯示，平均算力價格為$82.23/PH/天（相當於0.00298 BTC/PH/天），較4 月份的平均值$77.87/PH/天（相當於0.00270 BTC/PH /天）上漲5.6%。
圖16：比特幣算力計量單位
2023 年5 月，礦工們總共獲得33,365 BTC（相當於9.185 億美元），比4 月份賺取的27,743 BTC（相當於8.008 億美元）增加了20%。在這些收入中，交易費用貢獻了4,540 BTC（1.258 億美元），與4 月份的812 BTC（2,350 萬美元）相比增長459%。
比特幣挖礦國別統計數據
從中國、美國等大國，到哈薩克斯坦、俄羅斯等國家，不同國家都對全球比特幣挖礦的複雜格局產生著影響。
1）中國的比特挖礦使用水電
在2021 年6 月禁止比特幣挖礦之前，中國在算力提供和電力消耗方面是無可爭議的領導者，擁有近50% 的網絡算力。該禁令嚴重影響了來自中國的挖礦活動，導致算力大幅下降。
圖17：各國挖礦耗電量（太瓦時）
根據劍橋比特幣電力消耗指數（CBECI），中國在鼎盛時期曾是全球最大的加密貨幣挖礦中心，佔全球比特幣網絡總算力65% 至75% 的份額。中國的月平均算力佔比從2019 年9 月的75.5%下降到2021 年9 月的22.3%，降幅超過50%。
圖18：比特幣挖礦市場格局演變
中國夏季豐水期，部分地區水力資源豐富，電費下降。礦工利用這一點，將業務轉移或拓展到四川等水電資源豐富的地區。 2020 年豐水季開始時，四川佔中國總算力的14.9%，這一數字在高峰時一度達到61.1%。相比之下，主要依賴煤電的新疆，算力份額從雨季開始時的55.1%下降到同期最低點9.6%。
圖19：中國的比特幣礦區2）美國比特幣挖礦統計
美國是全球最大的比特幣礦區，佔比特幣全網總算力的38% 以上。 2020 年1 月至2022 年1 月，美國比特幣挖礦份額大幅增長，從4.5% 攀升至37.8%。
喬治亞州的算力份額在全美最高，2021 年12 月占全國30.8%。德州以11.2% 的份額位居第二，肯塔基州以10.9% 的份額位居第三。
圖20：美國各州比特幣挖礦份額
夏威夷的採礦成本為54,862.05 美元，利潤為-24,617.20 美元，成為開採比特幣最貴的州。
下圖展示了開採一枚比特幣最昂貴的10 個州。 （依次為：夏威夷州、阿拉斯加州、康涅狄格州、羅得島、馬薩諸塞州、加州、新罕布什爾州、佛蒙特州、紐約州、新澤西州，WEEX 注）
圖21：美國各州挖礦成本Top10
路易斯安那州成本最低，總成本為14,955.14 美元，利潤為15,289.71 美元。
圖22：美國挖礦成本最低的州3）全球比特幣挖礦格局變遷
中國礦業的轉移改變了全球挖礦佈局，導致哈薩克斯坦和俄羅斯等國家成為算力重新分配的主要受益者。根據《世界人口綜述》（World Population Review）提供的數據，截至2023 年，主要比特幣礦區的算力佔比如下：
- 美國：35.4%
- 哈薩克斯坦：18.1%
- 俄羅斯：11.23%
- 加拿大：9.55%
- 愛爾蘭：4.68%
- 馬來西亞：4.58%
- 德國：4.48%
- 伊朗：3.1%
禁令實施後，許多中國礦工將業務遷至哈薩克斯坦，因為該國距離較近且天然擁有豐富的化石燃料。
2019 年，化石燃料佔哈薩克斯坦發電量的84%，水力發電佔比12%，太陽能和風能裝置貢獻不到2%。哈薩克斯坦北部地區豐富的煤炭存儲為該國70% 以上的發電廠提供動力。
哈薩克斯坦的電力由155 座不同所有製模式的發電廠提供。截至2022 年1 月1 日，該國發電廠總裝機容量達到23,957 兆瓦，可用容量為19,004 兆瓦。
2019 年9 月至2021 年9 月期間，哈薩克斯坦的全球比特幣挖礦份額顯著飆升，從1.3% 飆升至令人注目的24.3%。由於煤炭的可自足性和能源效率，該國的比特幣挖礦業務蓬勃發展。
不過，根據俄羅斯媒體《生意人報》（Kommersant）2023 年4 月的報導，俄羅斯已成為全球第二大比特幣礦區，僅次於美國。
俄羅斯頂級加密挖礦公司Bitriver 的數據中心由該國第三大石油生產商Gazprom Neft 提供支持。為了滿足加密挖礦的電力需求，直接用石油液化氣發電。
圖23：俄羅斯挖礦公司Bitriver
儘管美國以3-4 吉瓦的供電能力保持顯著的挖礦領先地位，但俄羅斯的供電能力在2023 年1 月至3 月已達到了1 吉瓦。俄羅斯排名的變化恰逢美國在州和聯邦層面對加密貨幣挖礦實施稅收和監管措施，從而使得美國挖礦產業面臨不太友好的政策環境。
比特幣挖礦vs. 其他資源成本
由於性能挑戰，比特幣通常被比作「數字黃金」 ，而不是支付系統。因此，可以將比特幣挖礦和黃金挖礦進行比較。
全球每年開採約3,531 噸黃金，產生的二氧化碳總排放量為8100 萬噸。將比特幣開采的碳強度與開採實物黃金的碳強度進行對比，很明顯前者超過了後者。
不過值得注意的是，此計算包含礦工費（mining fees），而礦工費在實物金礦開採中並不存在。此外，這樣進行比較不可取的地方還包括，我們可以停止開採實物黃金，但比特幣挖礦一刻也不能停，它是整個比特幣網絡不可或缺的一部分。
圖24：黃金開採與比特幣挖礦
根據具體資源和提取方法的不同，資源提取的能源成本可能會有很大差異。例如：
根據美國地質調查局(USGS) 的數據，銅礦開採每生產一噸銅(GJ/t) 的能源消耗為0.2 至1.5 吉焦耳，銅的電氣用途約佔總用量的3/4；生產一噸鋁大約需要17,000 千瓦時(kWh) 電力，生產鋁所需的電能通常來自火電廠，其最高運行效率約為30%。
2021 年，美國電力公司和獨立發電每生產1 度電(1 kWh) 的分別需要：1.12 磅煤、7.36 立方英尺天然氣、0.08 加侖石油液化氣、0.82 磅石油焦（Petroleum coke，石油的減壓渣油，經焦化裝置，在500-550℃ 下裂解焦化而生成的黑色固體焦炭，編者註）。