比特币挖矿背后的能源消耗与节能减排挑战

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“未来能源”

主编 | 袁岳

2021年6月，四川省关闭大量矿井，原因之一就是节能减排。

这些矿场开采的不是煤炭或者某种贵金属，而是比特币。挖矿使用的工具不是铁锹和镐，而是电脑。他们日夜不停地进行计算，试图用这种方式解决复杂的数学问题，以获得比特币的奖励。

2016年，四川阿坝州某水电站附近的机房内，550台矿机昼夜轰鸣。图为工人检查矿机运行状况（视觉中国供图）

比特币本质上是一串只存在于虚拟世界的代码，没有对应的实物。但挖矿需要电力。四川省因水电廉价，一度拥有全球近50%的算力资源。但无论水电多么廉价，也需要用现实货币来兑换。虚拟的比特币行业增加了现实世界的碳排放，最终难逃被取缔的命运。

这是一个里程碑式的事件，标志着人类的能源消耗彻底摆脱了物质的束缚，进入了精神世界。

活力与幸福

人活着就是为了追求幸福，而幸福离不开物质的帮助。我们需要美味又营养的食物，漂亮又温暖的衣服，宽敞舒适的房子，随时可以出去旅游。话虽如此，一个人再爱美，家里的衣柜也是有限的；食物再美味，一日三餐也够吃；希望有大一点的房子，但房价往往会上涨；离家越远，越需要回家休息。

纪录片《难以忽视的真相》截图

也就是说，对于大多数普通人来说，无论是美食、美酒还是物质，提升幸福感的效果都是有限的。事实上，随着文明程度的提高，一个人的幸福感甚至可能与他的物质需求成反比。比如在营养过剩现象普遍的发达国家，一个人的体重与财富关系不大，只与受教育程度有关。受教育程度越高的人，吃饭时就越节俭。

但能量则不同。一个人的幸福感几乎总是与他的能量消耗成正比。一个生活在发达国家的现代人，摄入的营养物质并不比我们的祖先多多少，但他的平均能量消耗却是狩猎采集者的50多倍。充足的能量供应让这个现代人可以住在温度几乎恒定的房子里，可以随时和千里之外的亲朋好友通话，可以以比古代快100倍的速度与朋友见面。

纪录片《国土安全》截图

古人一定想到了所有这些能够提高幸福感的“奇迹”，但没有足够的精力去实现这些梦想。比如未来的能源，古人最大的梦想肯定是永远不挨饿。现代人靠着比一个世纪前高出10倍的粮食产量实现了这一目标。但实现这一目标的一个重要前提是，现代农业单位面积的能耗是百年前的90倍。现代农民可以驾驶柴油驱动的农业机械播种耕作，用电动水泵抽取地下水灌溉，通过消耗化石能源生产出足够的肥料。

同时，现代人也绝不会满足于仅仅吃饱饭，他的梦想可能是重建地球生态，与家人朋友环游世界，甚至乘坐宇宙飞船访问火星。所有这些想象都需要大量优质能源来实现，而想象越丰富，往往需要的能源就越多。人类的想象力是无穷无尽的，对能源的需求也是无穷无尽的。

元宇宙的能源消耗

有些人对能源的未来没有信心，于是创造了一个新概念，叫做元宇宙。按照他们的想法，未来的人类不需要把想象变成现实，只需要将大脑与元宇宙的世界连接起来。但别忘了，思考和想象也是需要能源的。很多人之所以没有意识到这一点，是因为我们的大脑是一个高效的思考机器，我们只需一碗米饭就能思考出这个世界。但即便如此，只占体重2%的大脑，依然要消耗全身20%的能量，可见思考消耗的能量有多大。

罗马尼亚克卢日-纳波卡的加密农场（图片来源：视觉中国）

思考的本质就是计算，当人类学会用计算机代替脑细胞进行计算的时候，才终于意识到计算是多么的耗能。比特币行业完全是建立在蛮力计算的基础上的，其2021年的总耗电量达到了2000亿千瓦时（1千瓦时就是1度电），几乎相当于两个三峡大坝一年的发电量。如果把整个比特币行业看作一个国家，其耗电量在全球排名25位左右，而且这个排名还会不断上升，因为按照比特币的定义，随着比特币储备量的减少，挖矿的成本也会随之上升。已知的比特币总量为2100万枚，目前已经开采了1850万枚，剩下的250万枚比特币的开采成本将成倍增加。

即便你不是矿工，只是一名普通的比特币玩家，你也会消耗大量的能源，因为每笔比特币交易大约会消耗 2300 度电，足够一个在中国小城市生活的三口之家用一年。要知道，比特币只是加密货币的一种，还有很多新兴的加密货币没有包括在内！

《银翼杀手 2049》剧照

有人可能会说，加密货币及其背后的区块链技术备受争议，并不是所有人都看好它们的未来。但整个数字行业耗电量惊人，而普通人却对此浑然不知，这是不争的事实。例如，芯片制造业的龙头企业台积电（台湾半导体制造有限公司）每年耗电量超过 140 亿千瓦时，大致相当于深圳居民一年的用电量。目前，全球各大互联网数据中心的耗电量已达到全球总用电量的 2%。随着 、 等流媒体应用的快速发展，到 2030 年，这一数字很可能上升到 8%。

被公认为未来经济支柱的人工智能（AI）是一只潜在的电力猛虎，因为现阶段的AI仍然离不开强力计算。击败李世石的谷歌围棋程序是一个庞然大物，总功率高达100万瓦，而人脑的功耗只有20瓦左右。缩小两者差距所需的关键技术还远未实现，导致任何基于人工智能的软件系统都消耗着惊人的电量。根据马萨诸塞大学阿默斯特分校的一项研究，训练一个错误率低于5%的图像识别模型需要花费高达1000亿美元，产生的碳排放量相当于纽约市一个月的碳排放量。如果要将错误率降低一半，理论上至少需要增加500倍的计算资源，成本将是天价，碳排放量更是难以承受。

合肥聚变堆承载关键系统集成研究设施（视觉中国供图）

当然，互联网的普及肯定会在某些方面减少碳排放，比如视频会议节省了与会者的交通费用。但在能源领域有一个著名的“杰文斯悖论”（ ），这个悖论最早是由19世纪英国经济学家威廉·斯坦利·杰文斯（ ）提出的。他发现，煤炭的使用效率越高，煤炭的需求就越大，而不是相反。对应到今天的世界，这就好比一个人买了一辆电动汽车，电动汽车每公里消耗的能量比汽油车少得多，但他很可能会因此而更愿意开车去买菜，而不是骑自行车，结果，他每个月的交通开支很可能会比开汽油车时更高。

总之，能源的未来不同于农业或材料的未来，后两者有上限，可以通过节约或提高效率实现可持续发展，而能源则不能，因为能源是一切进步的基础，人类对进步的追求是永无止境的。

纪录片《无知时代》截图

气候对未来能源的限制

但问题在于，人类能源消耗总量的80%以上仍然来自化石能源，这是不可持续的，原因有三。

首先，经过这么多年的媒体宣传，相信大家都已经知道二氧化碳排放导致全球气候变化。不管你打心底里相信与否，全球几乎所有国家都签署了2015年《巴黎协定》。这个协定要求本世纪内将气温上升控制在2℃以内，最好控制在1.5℃以内。而为了实现这个目标，人类活动造成的碳排放必须尽快降为零。于是各国政府相继公布了减排承诺，包括欧盟、美国、日本等100多个国家和地区都将2050年定为实现碳中和的最后期限，另外两个主要排放国巴西和印度则分别承诺在2060年和2070年实现碳中和。

中国是世界第一大排放国，....主席在2020年9月举行的第75届联合国大会上首次提出中国“双碳”发展目标，承诺力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，力争2060年前实现碳中和。

虽然有办法抵消化石燃料产生的碳排放，比如植树造林或碳捕获和储存技术，但这些方法是暂时的，而且理论上无法可持续使用。

其次，化石能源是有限资源，不可再生。根据最新统计，石油已探明储量仅够再使用53年，天然气可利用48.8年，煤炭稍长一点，但也仅够使用139年。有人认为，人类总能根据过去的经验开发出新的化石能源储量，并举出页岩气、油砂、海底甲烷水合物等例子。但化石能源本质上是埋藏在地下的远古生物的尸体，其总量肯定是有限的。上述新的化石能源储量不仅开采难度大，而且更容易污染环境，不到万不得已不能动用。

此外，石油、天然气等化石燃料还有一项不可替代的功能，就是作为化工工业的原料，如果把石油、天然气都当燃料烧掉，人类所需要的化工产品，比如塑料、化纤从哪里来？

国际热核聚变实验反应堆零部件正在法国CNIM集团生产车间生产。

第三，化石能源还有一个重要特点，就是分布极不均衡，导致能源垄断，引发许多国际冲突。三大化石能源中，煤炭状况相对较好，石油和天然气问题最为严重，因为前者在交通领域暂时无法替代，后者被视为碳中和的最佳过渡能源，也难以替代。因此，即使不考虑气候变化和储量限制，从保障国家能源安全的角度看，化石能源也不是长久之计，必须尽快找到替代品。

已发现的化石能源替代品，大多不受先天资源条件限制，只与技术水平有关，比较容易学**和转移。这打破了过去少数国家依靠地缘优势垄断全球能源市场的局面，类似上世纪70年代石油危机的能源危机将不复存在。中国在这方面起步虽晚，但追赶速度最快。据科研与医学信息分析公司爱思唯尔2021年1月5日发布的《通向净零排放之路：全球清洁能源研究现状》显示，自2001年以来，中国在清洁能源领域发表论文超过40万篇，居世界首位。截至2020年底，全球清洁能源领域约一半专利来自中国。

纪录片《难以忽视的真相》截图

基于以上三个原因，人类能源结构必须转型，彻底摆脱化石能源的束缚，别无他法。这就像一场有明确目标的赛跑，每个参赛者可以根据自己的实际情况选择不同的路线和方式，但终点只有一个，没有选择。

能源转型

说到能源转型，人类历史上已经发生过几次，每次都不容易。这一次能源转型会特别艰难，因为人类目前正处于经济发展的顶峰时期，能源需求的增长速度非常快。即使我们能够说服发达国家克制自己的欲望，放慢脚步，也无法阻止绝大多数发展中国家奋起直追，努力提高本国人民的生活水平。根据联合国有关机构的统计，全球仍有8亿人没有用上电，另有26亿人没有清洁的厨房能源。我们不能为了节能减排而阻止这些人过上好日子，这是不道德的，注定会失败。

纪录片《大卫·爱登堡：地球上的生命》截图

那么，人类能在保持经济快速发展的同时，完成这一能源转型吗？答案是肯定的，原因有三。

首先，能源是一个笼统的概念，它不仅以多种形式存在，如热能、势能、动能、化学能、原子能等，而且有多种不同的来源，如太阳能、风能、化石能源、核能等。理论上，不同形式和来源的能源是可以相互转换和替代的，如果一种形式的能源对环境有害，可以用另一种形式代替。它不像食物和材料，不同群体之间很难互换，灵活性要差很多。

位于英国埃塞克斯海岸的布拉德韦尔核电站。布拉德韦尔发电公司计划在未来20年内建造40GW的海上风力涡轮机——接近英国目前冬季发电市场保证的容量（图片来源：视觉中国）

其次，我们已经有转换不同能源形式的技术，但由于能量密度和价格的差异，转换成本相差很大。化石能源难以替代的原因在于它们的能量密度很高，而且运输和储存非常方便。因此，很多人认为，至少在目前的条件下，化石能源是最符合经济性的能源形式，替代它们是反人类的。

但这些人没有意识到，化石能源如此便宜，是因为我们没有把环境成本算进去。如果我们这一代人无节制地燃烧煤炭和石油，加剧气候变化，下一代人将为此付出更大的环境和经济代价，这是真正的反人类。因此，尽快替代化石能源其实是最经济的决定，为此多花的钱可能是人类历史上最明智的投资。

纪录片《大卫·爱登堡：地球上的生命》截图

再次，人类历史上有过两次大的能源转型，从柴火到煤炭，再从煤炭到石油。这两次能源转型都是因为我们找到了一种能量密度更高的能源形式，而且这种转换是自然的，不需要干预。这个规律能不能一直延续下去呢？答案是肯定的，因为我们开发了核能。核能是宇宙中能量密度最高的能源形式，它不仅完全符合人类能源发展的规律，而且几乎没有碳排放，是当前应该大力发展的新能源。

早在上世纪五十年代，人类就掌握了和平利用核能的技术。但不幸的是，由于几次核事故，以及一些媒体和反核组织的负面宣传，公众对核能充满了各种误解。这种情绪反过来又给核能的和平利用增加了很多不必要的成本，大大削弱了核能的竞争力。事实上，核能无论从投资回报还是实际安全性上都比化石能源要好得多，核裂变物质的储量也足够丰富，可以让人类至少安全使用数千年。

2021年9月，在法国的ITER（国际热核实验反应堆）现场，一名工程师站在世界上最大的磁约束装置前。

如果核裂变材料用完了，我们还有核聚变。地球上有取之不尽的核聚变材料，几乎不用担心枯竭。而且核聚变产生的核废料很少，不像核裂变那样容易处理。因此，核聚变将是人类最终的能源形式，人类对宇宙的终极想象将通过核聚变来实现。