[論文レビュー] An Analysis of Energy Consumption and Carbon Footprints of Cryptocurrencies and Possible Solutions

Varun Kohli, Sombuddha Chakravarty+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、ビットコインやイーサリアムなどのプルーフ・オブ・ワーク（PoW）型暗号通貨の高いエネルギー消費と炭素フットプリントを分析し、国家のエネルギー消費やビザのような中央集権的システムと比較している。主な解決策としてプルーフ・オブ・ステーク（PoS）とシャーディングを提示し、イーサリアム2.0とパイ・ネットワークの事例研究を通じて、これらがエネルギー消費を99％以上削減でき、分散性とスケーラビリティを向上させることを示している。

ABSTRACT

There is an urgent need to control global warming caused by humans to achieve a sustainable future. $CO_2$ levels are rising steadily and while countries worldwide are actively moving toward the sustainability goals proposed during the Paris Agreement in 2015, we are still a long way to go from achieving a sustainable mode of global operation. The increased popularity of cryptocurrencies since the introduction of Bitcoin in 2009 has been accompanied by an increasing trend in greenhouse gas emissions and high electrical energy consumption. Popular energy tracking studies (e.g., Digiconomist and the Cambridge Bitcoin Energy Consumption Index (CBECI)) have estimated energy consumption ranges of 29.96 TWh to 135.12 TWh and 26.41 TWh to 176.98 TWh respectively for Bitcoin as of July 2021, which are equivalent to the energy consumption of countries such as Sweden and Thailand. The latest estimate by Digiconomist on carbon footprints shows a 64.18 Mt$CO_2$ emission by Bitcoin as of July 2021, close to the emissions by Greece and Oman. This review compiles estimates made by various studies from 2018 to 2021. We compare with the energy consumption and carbon footprints of these cryptocurrencies with countries around the world, and centralized transaction methods such as Visa. We identify the problems associated with cryptocurrencies, and propose solutions that can help reduce their energy usage and carbon footprints. Finally, we present case studies on cryptocurrency networks namely, Ethereum 2.0 and Pi Network, with a discussion on how they solve some of the challenges we have identified.

研究の動機と目的

• ビットコインやイーサリアムのようなPoWベースの暗号通貨のエネルギー使用とCO₂排出量という観点から、環境的影響を評価すること。
• 暗号通貨のエネルギー消費を国家のエネルギー使用と、ビザのような中央集権的決済システムと比較すること。
• 高エネルギー消費の主な技術的・運用的要因を特定すること：PoWコンセンサス、ネットワークの冗長性、マイニングハードウェア、非再生可能エネルギー源。
• 持続可能な代替案の評価と提案、特にPoS、シャーディング、再生可能エネルギー統合。
• イーサリアム2.0とパイ・ネットワークの事例研究を通じて、エネルギー消費の低減と持続可能性の向上を実現した事例を提示すること。

提案手法

• 2018年から2021年までのビットコイン、イーサリアム、その他の主要な暗号通貨について、複数の出典（例：Digiconomist、CBECI）からのエネルギー使用量と炭素フットプリントの推定値を比較。
• 感度に基づくモデリングとMAC（最大利用可能容量）計算を用いて、エネルギー消費の上限を推定。
• マイニングハードウェア（例：ASIC）とエネルギー源が炭素排出に与える影響を分析し、地域の再生可能エネルギー容量の評価も含む。
• PoW、PoS、PoST、PoA、uPoW、REMといったコンセンサスメカニズムを評価し、PoSを最も実現可能性の高い代替案と位置づける。
• イーサリアム2.0におけるシャーディングのようなアーキテクチャ的イノベーションを検討し、ネットワークの冗長性を低減しスケーラビリティを向上させることを目的とする。
• パイ・ネットワークがステラ・コンセンサス・プロトコル（SCP）を採用することで、モバイルベースの低エネルギー消費マイニングを可能にし、分散性を高めることを分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビットコインとイーサリアムのエネルギー消費と炭素フットプリントは、主権国家やビザのような中央集権的決済システムと比べてどの程度か？
• RQ2 PoWベースの暗号通貨における高エネルギー消費の主な技術的・運用的要因は何か？
• RQ3 プルーフ・オブ・ステーク（PoS）とシャーディングは、ブロックチェーンネットワークにおけるエネルギー消費と炭素排出をどの程度低減できるか？
• RQ4 イーサリアム2.0やパイ・ネットワークのような新興ネットワークは、PoWに対する持続可能な代替策をどのように実装しているのか。また、それらの環境的影響の予測はいかがなものか？
• RQ5 主要な暗号通貨マイニング地域における再生可能エネルギー統合の可能性は何か。また、これにより全体の炭素フットプリントにどのような影響があるか？

主な発見

• 2021年7月のビットコインのエネルギー消費は135.12 TWhに達し、タイやスウェーデンと同等の水準であった。
• 2021年7月のビットコインの炭素フットプリントは64.18 Mt CO₂に達し、ギリシャやオマーンの排出量と類似していた。
• イーサリアムの年間エネルギー消費は15 TWhと推定され、チュニジアの排出量とほぼ同等であった。
• ビザは、研究対象のすべてのPoWベースの暗号通貨と比較して、取引1件あたりのエネルギー効率が著しく優れていた。
• イーサリアム2.0のPoS移行により、現在のPoWモデルと比較してエネルギー消費が99％以上削減される見込みである。
• パイ・ネットワークがSCPを採用することで、最小限のエネルギー消費でモバイルマイニングが可能になり、高価なハードウェアコストを伴わず、アクセス性と分散性が向上した。