罗兰贝格:加密货币开采将会如何影响能源产业

引言

加密货币经济将继续存在，并且加密货币的挖矿和权益质押是投资基金、企业和政府关注的主要领域之一。r8J管理咨询网

对于比特币挖矿是否消耗了太多的能源这个备受争议的问题，答案是见仁见智的。例如，这取决于比特币正在取代哪些传统系统，以及它给社会带来了哪些好处。这是一个非常有趣的辩论，涉及到哲学、经济和慈善等方面。本文将重点讨论比特币挖矿（以及基于应用工作证明的挖矿）给电力系统带来的影响和变化，以及矿工们如何与世界各地的电力公司和公共事业公司形成共生关系。r8J管理咨询网

比特币开采的增长

加密货币挖矿指的是验证交易的过程，其确保了区块链协议的安全并为其助力。最著名的协议是比特币——自2009年创世区块以来，它是目前的加密货币之王。比特币开采是能源密集型的。在撰写本报告时，比特币的年度总耗电量为145 亿度电【1】（约占全球总能耗的0.32%）。能源强度取决于其共识机制的选择，通常被称为应用工作证明。然而，正是这种耗力的共识机制成为比特币安全的主要原因——对于怀有恶意之人来说，改写交易的成本太高（或者说需要太多的 "工作"）。简而言之，比特币挖矿设备由专门的机器组成，致力于解决算法难题。造成比特币挖矿高能耗的两个因素，是暴力（Brute Force）算法和挖矿难度动态调整算法，这两种算法可以使得每十分钟左右挖出一个区块（基于协议中内置的智能设计功能）。r8J管理咨询网

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图1：比特币开采过程r8J管理咨询网

比特币的开采需要消耗大量电力。一些较大的比特币矿场由专门的发电厂提供服务。虽然全球用于比特币开采的能源组合现在有超过57%来自清洁能源【2】，但其对电网造成的需求仍是巨大的。r8J管理咨询网

在过去的五年里，能源消耗从每年11.8亿度电增长到120.5亿度电【3】，这相当于每年增加2400个风机。对照来看，美国每年平均安装约3000台风机【4】。2022年2月12日，比特币网络哈希率（挖矿算法操作的总量）达到了每秒2.4811亿【5】的历史新高。比特币公司NYDIG【6】预计，在比特币价格维持高位的情况下，2027年电力消耗可能攀升到706 亿度电。r8J管理咨询网

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图2：比特币能源消耗和挖掘难度r8J管理咨询网

当一些国家由于担心挖矿对其公共事业电网造成的压力而开始限制挖矿，全球哈希率迅速拥有新的主力，美国已经在全球比特币挖矿中占据了领先地位。r8J管理咨询网

如果使用化石燃料作为动力来源，这种能源使用的大幅增长将影响到脱碳目标。鉴于监管机构和投资者对可持续发展的关注度越来越高，以及经济问题的影响，我们预计比特币开采将继续朝着使用清洁能源的方向发展。鉴于矿工固有的激励机制是将能源成本降到最低，而且大多数地方的清洁能源是最便宜的能源，我们预计比特币采矿业将继续迅速转向清洁能源【7】。在政策大力推动脱碳的国家，情况尤其如此。我们也看到了能源效率的持续提升，部分抵消了不断增长的能源使用。例如，英特尔称其最近的电路创新，每瓦特的性能比主流电路好1000倍【8】。r8J管理咨询网

毫无疑问，即使有了巨大的效率提升，尤其在美国，加密货币开采业务的指数级扩张将增加全球发电需求。这种新的需求激增将放大电力部门的需求，而电力部门已经面临着满足长期电气化需求的挑战，即让交通和建筑部门摆脱化石燃料，以实现净零目标。r8J管理咨询网

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图3：ASIC矿机效率r8J管理咨询网

比特币开采的特殊属性

虽然加密货币开采业务与其他类型的数据中心有着相同的相对平稳、且非常高负载率【9】的使用特点，但与其他类型的电力用户相比，它们的商业模式和输出性质创造了一套独特的客户属性。r8J管理咨询网

• 能源价格敏感：由于电力成本占比特币运营成本的80%以上，矿工对电力成本极为敏感，并被高度激励在全球范围内寻找最佳交易机会。为了寻求最低的电力价格，矿工们经常寻求与公共事业和发电厂达成协议，直接在现场（并规避电网成本）或利用多余的能源（如燃烧的气体）。r8J管理咨询网

• 不受地点限制，灵活性强：采矿机通常被组织在模块化的集装箱中，使得它们的部署和移动非常灵活。矿工们更喜欢有稳定监管制度的地方，这些地方与公共事业部门有良好的关系，而且有较冷的气候以减少冷却要求。在得克萨斯州和中东等较热的地区，采用水力冷却和浸入式冷却等新技术是可行的——值得注意的是阿联酋宣布它将部署500多兆瓦的采矿能力。矿工们可以在世界任何地方运作，以创造一个全球市场。除了冷却基础设施，矿工们只需要稳定的互联网+连接。此外，比特币矿工试图最大限度地利用他们的资产，包括将热量用于其他用途（例如温室）。r8J管理咨询网

• 专注于短期：矿工使用专门的计算机，为了尽可能快地进行比特币开采。那些拥有更快挖掘的机器的人赚得更多。因为矿机的利润率很高（平均在30%以上），所以矿机行业有快速的技术迭代和机器的密集使用。基于此，矿机的使用寿命不到三年。同时，加密货币市场有公认的波动性，这意味着矿工一般不愿意做出超过三年的电力合同承诺。超过3年的矿机往往只在矿工能源成本非常低（或几乎免费）的地区使用。因此，从公共事业的角度来看，矿工可以被视为整个电力系统的短期用户，可以帮助弥补在进一步经济发展前的供应过剩的情况。另一方面，基于采矿作业的时间跨度较短（在矿工不决定持续升级技术并承诺长期运营的情况下），如果矿工不支付基础设施升级的长期全部成本，公共事业部门将不会投资额外的基础设施来配合其工作。r8J管理咨询网

• 需求响应准备：矿工可以与公共事业部门形成完美的共生关系，在整个系统内短期内平衡供需。虽然矿工希望尽可能多地运作，但如果他们停止运作，除了损失收入外，没有任何不利影响。挖矿奖励是在短期内获得的，而不是马拉松的形式，并且这不受一天中某个时间段的约束。矿工们在区块链上验证一个交易区块，以比特币为例，平均每10分钟验证一次。矿工们可以控制他们停止运作的速度和程度，因此从需求响应资源的模式看，可以有很好的延展性。当然，公共事业部门或市场运营商必须使矿工认为其中断收入来源是值得的。很少有需求这么大的能源用户，且拥有高度灵活性，可以在几分钟内增加和减少工作。一些矿工声称他们可以在几秒钟内停止工作。r8J管理咨询网

基于这些独特的属性，以及大量的快速可中断电力，加密货币开采可以在三个方面为电力系统服务：r8J管理咨询网

• 新的收入来源和资产优化r8J管理咨询网

• 需求响应和负载平衡r8J管理咨询网

• 系统控制和规划r8J管理咨询网

加密货币开采对电力系统的影响

 // 新的收入来源和资产优化

由于加密货币在地理位置上的灵活性，这种负载易于发生在发电点附近。通常情况下，系统的工作方式是相反的，发电站尽可能靠近配电网负荷中心或大型输电系统，从更远的地方输送负荷。这为从未被充分利用的发电能力中获取价值提供了一个独特的机会。r8J管理咨询网

加密货币开采提供了一种全新的发电商业化方式。它基本上可以将电力转化为全球接受的加密货币。任何地方有多余电力的发电机都可以从这些电力中赚钱，不需要通过缩减能源或寻找并连接到其他用户的方式赚钱。比特币可以为能源释放新的用途，否则这些能源就不会被使用。例如，水坝在雨季可以产生更多的电力，石油和天然气公司可以利用燃烧的气体，等等。受制于输电的发电机可以为他们的电力找到新的出路，有可能在农村地区产生更多的太阳能和风能。将采矿集装箱放在这些发电机附近，有助于提高资产的利用率，并延长其市场寿命。美国的核设施开始使用加密货币挖矿，以增加他们的收入，并在与低价发电中提升经济效益。这甚至可能影响到社区太阳能或其他虚拟发电厂的新收入来源，使其减少对监管补贴的依赖。r8J管理咨询网

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图4：电力成本对比特币价格的影响r8J管理咨询网

考虑到绿色能源转型，人们的注意力聚焦在任何潜在有助于提高化石燃料发电厂的盈利能力和寿命的工具。该行业正面临着使用清洁发电的巨大压力。太阳能发电领域也可以有所助力，为那些处于互联网+络中的项目或在某个特定地点已经充满了太多的太阳能发电的地区注入价值。有了加密货币资本的额外价值流，可以加速可再生能源的建设。r8J管理咨询网

这有可能改变输电的经济性，特别是对于那些主要是为了在两个不同地区套利发电价格的项目。由于成本低，远程发电现在有了一个可供选择的使用方式，而不是依赖输电线路将电力连接到城市和负荷中心。另外，在气候较热、季节性需求曲线差异明显的地区（如中东地区），比特币矿工可以帮助提高冬季的资产利用率，因为冬季的负荷明显低于夏季（主要基于交流电的消耗）。r8J管理咨询网

// 需求响应和负载平衡

客户在非常短期内更积极地平衡电力供应和需求，是公用事业行业的一大趋势。为了保持电力的可靠性和质量，电力系统运营商必须实时地匹配供应和需求。随着电力供应变得高度可变（如太阳能和风能），以及新的电力需求也更加不稳定（如电动汽车充电），管理供应和需求的灵活工具就更加重要并且有价值。r8J管理咨询网

典型的供应手段是将可用的发电量与客户的负荷相匹配，包括灵活调峰的发电站，或电池和其他形式的存储方式。需求方用于实时系统平衡的主要手段是极端峰值定价（阻止峰值使用）和需求响应计划（自愿控制峰值使用）。与其增加新的供应资源来满足电力系统的峰值需求，不如招募那些愿意根据电力公司的要求减少用电的客户，以换取折扣或抵扣付款金额，这样做的成本通常较低。因此有了 "需求响应 "一词。这为公用事业公司和客户都节省了资金。r8J管理咨询网

加密货币开采可以将需求响应提升到一个新的水平，大的负荷可以迅速削减，并从中收取费用。福布斯将其描述为 "绿色电力的减震器"。它可以在炎热的气候中提供季节性的平衡，因为空调的使用和水的淡化会产生季节性的负荷模式。r8J管理咨询网

黑山能源（Black Hills Energy）等创新的公用事业公司正在开发新的灵活定价模式，以适应这种新的使用情况。这些电价的其他用途可能是可中断的数据中心负荷，这将包括其他非关键任务计算的应用，如一些机器学习和计算生物学。这些电价也可用于其他大型灵活的负载应用，如绿氢的生产，这是另一个用例，将与加密货币开采竞争低能源价格并削减能源。r8J管理咨询网

// 系统控制和规划

正如需求响应可以在批发层面实施并管理系统一样，加密货币采矿也有可能帮助当地公用事业公司进行分配管理。鉴于采矿业务的选址灵活性，公用事业部门可以从战略上将业务放在从系统控制的角度最有利的地方。随着分布式发电的整合，电网正变得越来越复杂，电力需要在两个方向而不是一个方向流动。鉴于系统必须始终处于平衡状态，而且在这种环境下更难预测新的需求和供应，公用事业部门将需要更多工具来管理和控制电力流动。加密货币开采可以是一个额外的工具，是一种真空工具，在系统中不需要的地方吸收 "浪费 "的电力，使电网能够更顺利地运行。这个工具可以被添加到其他战略中，如先进的控制系统、需求响应和改进的系统结构，以优化未来的电网。r8J管理咨询网

加密货币开采产生的系统性风险

如果大型采矿作业是在未证明有能力处理预期增加的负荷的电网中进行的，那么加密货币采矿的密集用电会导致电网可靠性和设备问题。由于加密货币的开采对已经承受压力的电网的可靠性产生影响，许多政府已经禁止或大力监管加密货币的开采。如果采矿负荷的增加发生在电网处于或接近容量上限的地区，加密货币采矿的增长可能会在其他国家引起类似的选址问题。r8J管理咨询网

从其他公用事业客户的角度来看，如果所要求的能源量需要对长期存在的发电或输电资产进行大量新的公用事业投资，那么对新的大型加密货币开采负荷的服务可能是有害的。由于加密货币市场的波动性，加密货币矿工不愿意承诺长期的能源购买义务，以及矿工的主要实物资产（他们的电脑）的便携性，额外的固定成本投入可能不会被收回。换句话说，如果加密货币矿工在履行其成本责任之前离开，该公用事业公司及其其他客户将面临多余发电量或输电成本的重大风险。r8J管理咨询网

公用事业单位在代表加密货币矿工进行系统扩展投资之前，可以通过向他们收取预付款或保证义务，以及通过管理一个分阶段的互连过程，随着任何系统扩展项目的进展，要求加密货币矿工的财务承诺水平不断提高，从而在很大程度上减轻这种风险。这有助于提高可能具有投机成分的新服务请求的可信度。大多数公用事业公司已经为新的大客户负荷制定了这种服务。r8J管理咨询网

同样，为了公平地展示风险情况，如果现有的发电和输电系统有足够的能力为新的加密货币开采者负荷服务，或者如果加密货币开采业务没有连接到电网，这些系统可靠性以及投资被浪费的威胁要小得多，也更容易管理。r8J管理咨询网

结论

加密经济的崛起和对采矿活动投资的增加，对能源系统产生了重大影响。如果有正确的监管以及商业模式设置得当，加密经济将为接受潜在共生关系的产业和公用事业带来非常积极的机会，并间接加速可再生能源的增长。另一方面，如果没有从能源系统和能源转型目标的整体角度进行适当设计，它将导致系统性风险。因此，关键是要了解行业的内在机制，并将加密经济与国家能源战略联系起来。r8J管理咨询网

【1】范围从55亿度电到361亿度电（2022年2月17日的数据），来源于剑桥比特币电力消费指数（Cambridge Bitcoin Electricity Consumption），剑桥大学r8J管理咨询网

【2】根据比特币采矿委员会（Bitcoin Mining Council）2021年第三季度报告，将清洁能源定义为水力发电、风力发电、太阳能发电、核能发电、地热发电和带有碳中和的碳燃烧发电r8J管理咨询网

【3】剑桥大学r8J管理咨询网

【4】美国地质勘探局r8J管理咨询网

【5】哈希是由支持区块链的专门采矿计算机运行的计算r8J管理咨询网

【6】NYDIG，比特币静零（Bitcoin Net Zero），2021年9月r8J管理咨询网

【7】“可用”能源r8J管理咨询网

【8】https://www.intel.com/content/www/us/en/newsroom/opinion/thoughts-blockchain-custom-compute-group.html#gs.qb4u05r8J管理咨询网

【9】负载率是一段时间内实际使用的能量除以这段时间内的总峰值能量；它被用来衡量效率r8J管理咨询网