[论文解读] 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 7

一句话总结

本文分析了工作量证明（PoW）加密货币（如比特币和以太坊）的高能耗和碳足迹，将其与国家能源消耗及维萨等集中式系统进行比较。文章提出权益证明（PoS）和分片技术作为关键解决方案，并通过以太坊2.0和Pi网络的案例研究证明，这些方法可使能耗降低99%以上，同时提升去中心化程度和可扩展性。

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.

研究动机与目标

• 评估基于工作量证明（PoW）的加密货币（如比特币和以太坊）在能耗和二氧化碳排放方面的环境影响。
• 将加密货币的能耗与国家能源消耗及维萨等集中式支付系统进行比较。
• 识别高能耗的主要技术与运营驱动因素：PoW共识机制、网络冗余、挖矿硬件以及非可再生能源来源。
• 评估并提出可持续替代方案，包括PoS、分片技术以及可再生能源整合。
• 通过以太坊2.0和Pi网络的案例研究，展示能耗降低与可持续性提升的实际应用。

提出的方法

• 比较2018至2021年间多个来源（如Digiconomist、CBECI）提供的比特币、以太坊及其他主要加密货币的能耗与碳足迹估算数据。
• 采用基于敏感度的建模方法与最大可用容量（MAC）计算，估算能耗的上限。
• 分析挖矿硬件（如ASIC）与能源来源对碳排放的影响，包括对区域可再生能源容量的评估。
• 评估工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）、PoST、PoA、uPoW及REM等共识机制，重点分析PoS作为最具可行性的替代方案。
• 研究以太坊2.0中的分片技术等架构创新，以减少网络冗余并提升可扩展性。
• 分析Pi网络如何利用Stellar共识协议（SCP）实现基于移动设备的低能耗挖矿，从而增强去中心化程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 比特币与以太坊的能耗与碳足迹如何与主权国家及维萨等集中式支付系统相比？
• RQ2 基于工作量证明（PoW）的加密货币高能耗的主要技术与运营驱动因素是什么？
• RQ3 权益证明（PoS）与分片技术在多大程度上可降低区块链网络的能耗与碳排放？
• RQ4 新兴网络如以太坊2.0与Pi网络如何实施PoW的可持续替代方案？其预期环境影响如何？
• RQ5 主要加密货币挖矿区域在可再生能源整合方面具有多大潜力？这对整体碳足迹有何影响？

主要发现

• 2021年7月，比特币的能耗估计为135.12太瓦时，与泰国和瑞典的能耗水平相当。
• 2021年7月，比特币的碳足迹达到6418万吨二氧化碳当量，与希腊和阿曼的排放量相近。
• 以太坊的年能耗估计为15太瓦时，其碳足迹接近突尼斯的水平。
• 维萨在每笔交易上的能耗显著低于本文研究的所有PoW加密货币。
• 以太坊2.0转向PoS后，预计相比当前的PoW模式，能耗将降低99%以上。
• Pi网络通过使用SCP协议，实现了基于移动设备的低能耗挖矿，显著降低了能源消耗，同时提升了可访问性与去中心化程度，且无需高昂硬件投入。