[论文解读] A Cradle-to-Gate Life Cycle Analysis of Bitcoin Mining Equipment Using Sphera LCA and ecoinvent Databases

Ludmila Courtillat--Piazza, Thibault Pirson+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2024

Recycling and Waste Management TechniquesEnvironmental Science被引用 3

一句话总结

本研究采用Sphera LCA与ecoinvent数据库，对比特币ASIC挖矿硬件实施了从摇篮到大门的生命周期评估（LCA），结果表明，专用集成电路（ASIC）在所有影响类别中均为环境影响的主要来源，尤其在资源枯竭和生态毒性方面。尽管在高碳排放地区，其使用阶段的全球变暖潜力较低，但当挖矿使用低碳电力时，生产阶段的影响可占总生命周期影响的80%，凸显了在加密货币挖矿系统环境评估中纳入制造环节的紧迫性。

ABSTRACT

Bitcoin mining is regularly pointed out for its massive energy consumption and associated greenhouse gas emissions, hence contributing significantly to climate change. However, most studies ignore the environmental impacts of producing mining equipment, which is problematic given the short lifespan of such highly specific hardware. In this study, we perform a cradle-to-gate life cycle assessment (LCA) of dedicated Bitcoin mining equipment, considering their specific architecture. Our results show that the application-specific integrated circuit designed for Bitcoin mining is the main contributor to production-related impacts. This observation applies to most impact categories, including the global warming potential. In addition, this finding stresses out the necessity to carefully consider the specificity of the hardware. By comparing these results with several usage scenarios, we also demonstrate that the impacts of producing this type of equipment can be significant (up to 80% of the total life cycle impacts), depending on the sources of electricity supply for the use phase. Therefore, we highlight the need to consider the production phase when assessing the environmental impacts of Bitcoin mining hardware. To test the validity of our results, we use the Sphera LCA and ecoinvent databases for the background modeling of our system. Surprisingly, it leads to results with variations of up to 4 orders of magnitude for toxicity-related indicators, despite using the same foreground modeling. This database mismatch phenomenon, already identified in previous studies, calls for better understanding, consideration and discussion of environmental impacts in the field of electronics, going well beyond climate change indicators.

研究动机与目标

• 评估比特币挖矿硬件（尤其是ASIC矿机）的环境影响，此类影响在生命周期分析中常被忽视。
• 研究生产阶段对整体环境负担的贡献，尤其与运行期间的能耗相比。
• 评估电力来源和设备使用寿命对生产影响相对重要性的影响。
• 识别并讨论Sphera LCA与ecoinvent两大LCA数据库在毒性相关指标上的差异。
• 为未来包含生产和运行阶段的加密货币挖矿系统评估提供数据驱动的基础。

提出的方法

• 采用ReCiPe 2016分类方法，对Antminer S9 ASIC矿机实施从摇篮到大门的生命周期评估（LCA）。
• 采用Sphera LCA（GaBi）与ecoinvent 3.8数据库进行背景库存建模，支持跨数据库比较。
• 对ASIC矿机的完整生产链进行建模，包括材料开采、组件制造和系统集成。
• 通过多种电力来源和设备使用寿命的敏感性分析，评估其对总生命周期负担的影响。
• 将LCA模型适配至更新的Antminer S19 Pro，以比较不同代际ASIC矿机的影响。
• 识别并量化Sphera LCA与ecoinvent数据库在毒性相关影响类别上的差异，尽管前景建模完全相同。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同影响类别中，生产阶段对比特币ASIC挖矿硬件总环境影响的相对贡献如何？
• RQ2 电力来源和设备使用寿命的变化如何影响生产相关影响在整体生命周期中的重要性？
• RQ3 Sphera LCA与ecoinvent数据库之间的差异在多大程度上影响了电子硬件毒性相关环境影响的评估？
• RQ4 相较于旧型号（如Antminer S9），新型ASIC矿机（如Antminer S19 Pro）在单位算力下的隐含影响如何比较？
• RQ5 在电力为低碳的情况下，挖矿硬件的生产阶段在何时会成为总生命周期影响的主要贡献者？

主要发现

• ASIC芯片是ReCiPe 2016所有影响类别（包括全球变暖潜势、资源枯竭和生态毒性）中环境影响的主要来源。
• 当挖矿使用低碳或可再生能源时，生产阶段的影响可占总生命周期影响的80%，挑战了使用阶段能耗主导环境负担的传统假设。
• 尽管前景建模完全一致，Sphera LCA与ecoinvent数据库在生态毒性指标上的结果差异最高达四个数量级，表明数据存在显著不一致。
• 生产一台Antminer S19 Pro的环境影响估计是Antminer S9的2至2.5倍，表明更大、更强大的矿机具有显著更高的隐含影响。
• 研究结果表明，即使全球变暖潜势主要由使用阶段主导，生产阶段对非气候影响类别的影响也不可忽视。
• 研究结果强调了在加密货币挖矿系统LCA中纳入生产影响的重要性，尤其是在电网脱碳、运行排放减少的背景下。