[논문 리뷰] An Analysis of Energy Consumption and Carbon Footprints of Cryptocurrencies and Possible Solutions

Varun Kohli, Sombuddha Chakravarty외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 20.

Blockchain Technology Applications and Security인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비트코인과 이더리움과 같은 작업증명(PoW) 암호화폐의 높은 에너지 소비와 탄소 배출량을 분석하며, 이는 국가 수준의 에너지 소비와 비자와 같은 중심화된 시스템과 비교된다. 작업증명(PoS)과 스파닝을 핵심 솔루션으로 제안하며, 이더리움 2.0과 파이 네트워크의 사례 연구를 통해 에너지 소비를 99% 이상 감소시키고 탈중앙화성과 확장성을 향상시킬 수 있음을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비트코인과 이더리움과 같은 PoW 기반 암호화폐의 에너지 소비와 CO₂ 배출량 측면에서 환경적 영향을 평가하기 위해.
• 암호화폐의 에너지 소비를 국가 수준의 에너지 소비와 비자와 같은 중심화된 결제 시스템과 비교하기 위해.
• 높은 에너지 소비의 핵심 원인을 규명하기 위해: PoW 합의 기법, 네트워크 중복성, 채굴 하드웨어, 비재생 에너지 자원.
• 지속 가능한 대안을 평가하고 제안하기 위해: PoS, 스파닝, 재생 에너지 통합.
• 이더리움 2.0과 파이 네트워크의 사례 연구를 통해 실제 적용 사례로서 에너지 소비 감소와 지속 가능성 향상을 제시하기 위해.

제안 방법

• 2018년부터 2021년까지 비트코인, 이더리움 및 기타 주요 암호화폐의 에너지 소비와 탄소 배출량 추정치를 여러 출처(예: Digiconomist, CBECI)에서 비교 분석한다.
• 감도 기반 모델링과 MAC(최대 이용 가능 용량) 계산을 통해 에너지 소비의 상한선을 추정한다.
• 채굴 하드웨어(예: ASIC)와 에너지 원천이 탄소 배출에 미치는 영향을 분석하며, 지역적 재생 에너지 잠재력 평가도 포함한다.
• PoW, PoS, PoST, PoA, uPoW, REM 등의 합의 기법을 평가하며, 특히 PoS를 가장 실현 가능한 대안로 중점적으로 다룬다.
• 이더리움 2.0의 스파닝 아키텍처 혁신을 분석하여 네트워크 중복성을 줄이고 확장성을 향상시킨다.
• 파이 네트워크의 스타리얼 합의 프로토콜(Single Consensus Protocol, SCP) 활용을 분석하여 모바일 기반 저에너지 채굴을 가능하게 하고 탈중앙화성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비트코인과 이더리움의 에너지 소비와 탄소 배출량은 주권 국가와 비자와 같은 중심화된 결제 시스템과 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ2 PoW 기반 암호화폐의 높은 에너지 소비를 이끌고 있는 주요 기술적 및 운영적 원인은 무엇인가?
• RQ3 작업증명(PoS)과 스파닝은 블록체인 네트워크의 에너지 소비와 탄소 배출량을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 이더리움 2.0과 파이 네트워크와 같은 신규 네트워크는 PoW에 대한 지속 가능한 대안을 어떻게 구현하고 있으며, 그 환경적 영향은 어떠한가?
• RQ5 주요 암호화폐 채굴 지역에서 재생 에너지 통합의 잠재력은 무엇이며, 이는 전체 탄소 배출량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 2021년 7월 기준 비트코인의 에너지 소비는 약 135.12 TWh로 태국과 스웨덴 수준과 유사하다.
• 2021년 7월 비트코인의 탄소 배출량은 약 64.18 Mt CO₂에 달했으며, 그리스와 오ман의 배출량과 유사하다.
• 이더리움의 연간 에너지 소비는 약 15 TWh로 추정되며, 튀니지의 탄소 배출량과 유사하다.
• 비자 시스템은 연구된 모든 PoW 기반 암호화폐보다 거래당 에너지 효율성이 뛰어나다는 것이 확인되었다.
• 이더리움 2.0의 PoS 전환은 현재 PoW 모델 대비 에너지 소비를 99% 이상 감소시킬 것으로 예측된다.
• 파이 네트워크의 SCP 활용은 최소한의 에너지 소비로 모바일 기반 채굴을 가능하게 하여 고가의 하드웨어 비용 없이도 접근성과 탈중앙화성을 향상시킨다.