近期，挪威诺德大学 Samuel Asumadu Sarkodie 教授团队在 Sustainable Horizons 发表封面研究文章，采用机器学习和计量经济学方法，分析了过去、现在和未来比特币的碳足迹变化。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.horiz.2023.100060
- 研究背景 -
比特币作为一种加密货币，在全球范围内享有广泛认可。然而，比特币挖掘所采用的基本共识算法（工作量证明，Proof-of-Work，PoW）对化石燃料消耗较高，产生大量碳排放；此外，为数众多的大型计算机基础设施也产生了大量的电子垃圾。迄今为止，鲜有文献从生态角度讨论关于比特币的技术驱动因素和基础设施构成对其碳足迹的影响。
- 研究方法 -
研究使用机器学习和计量经济学方法，根据 2010 年 7 月 18 日至 2021 年 12 月 4 日的每日数据集（共计 4,156 次观察），分析过去、现在和未来比特币的碳足迹变化，并衡量其对气候变化的潜在影响。该数据集包含的技术指标涵盖挖矿、网络使用、交易、地址和市场指标。
本文采用广义 KPSS（以下简称 GKPSS），利用二次谱内核和自动带宽滞后选择技术进行滞后截断，以此来保证受限样本中较低的 1 类错误流行率。与以往研究中利用因果关系检验对时间周期的敏感性相反，我们采用递归检验技术的时变格兰杰因果关系（Time-Varying Granger-Causality, TVGC），来确定比特币的技术指标及其碳足迹的时间因果关系，进一步预测比特币的技术指标对碳足迹的影响趋势，同时通过与历史数据拟合来解释它们的时间稳定性（Fig 1）。
Fig. 1. Supervised learning of Bitcoin carbon and energyfootprint. (a) The ConvLSTM inner structure; (b) Schematic representation ofthe model.
- 结果与讨论 -
研究记录了技术驱动因素、分解效应、因果关系和影响区块链不断增加的能源消耗和碳足迹。结果表明，比特币技术驱动因素可能会对其碳足迹产生潜在影响，进而影响全球气候变化。例如，网络的哈希率增加了挖矿难度，从而增加比特币能源消耗，进而增加碳足迹。我们观察到区块大小的边际效应与交易数量之间存在直接关联——这意味着更大的区块可以提高交易效率，然后减少比特币能耗和碳足迹。此外，从长远来看，低挖矿难度会增加比特币的市值，而增加挖矿难度会降低比特币的挖矿利润。这表明长期来看，挖矿的回报是呈递减趋势的。因此，采用先进的挖矿硬件将刺激能源和碳强度，但投资回报率较低（Fig 2）。
Fig. 2. The model training and validation process ofConvLSTM2D model (a) Electricity consumption (b) Carbon emissions. Featureimportance of the Prophet's model (c) Electricity consumption (d) Carbon emissions.
研究最终提供了两个可以预测比特币能源消耗和碳排放的 ConvLSTM2D 模型，并使用 RMSLE 指标（分别为 0.04 和 0.03）进行评估，结果表明，模型预测性能比较出色（Fig 3）。此外，本研究还提出了两个基于自变量预测目标的多变量时间序列 Prophet 模型。结果显示，在其他变量中，事务计数对目标的影响最大。据估计，在2022年，一笔比特币交易消耗的能源相当于数十万笔VISA卡交易。
Fig. 3. The comparison of ConvLSTM2D model predictionand validation from (a) Electricity consumption (b) Carbon emissions.Comparison of Prophet's model prediction and validation from (c) Electricityconsumption (d) Carbon emissions.
- 总结与展望 -
在这项研究中，我们从生态的角度讨论了比特币的技术驱动因素对碳足迹的影响。比特币的开采不仅造成了化石燃料的高消耗，产生了大量碳排放，“绿色比特币”的想法也缺乏技术支持，因为比特币矿工需要稳定且负担得起的能源供应，然而，可再生能源是间歇性能源。
因此，政策制定者必须制定环境法规或政策决定，以限制和减少比特币和其他PoW挖矿过程的能源消耗和碳排放。可能采取的措施包括：
1. 碳定价，激励矿工减少碳足迹；2. 规定采矿业可再生能源的份额，限制与采矿和交易过程相关的排放；3. 确保区块链行业的问责制，提高PoW挖矿的能源使用透明度；4. 为矿机等区块链硬件制定能源效率标准，减少每笔交易的能源使用；5. 加大对可持续区块链技术和创新的研发投资，促进更多的绿色加密货币开采，以降低能源和碳强度。
除了监管行动之外，行为改变和提升公众对不可持续的PoW挖矿对环境影响的认识可以促进清洁和节能技术的采用，从而减少碳足迹。
作者简介
Samuel Asumadu Sarkodie is a multidisciplinary researcher with Ph.D. in Environmental Sciences from Macquarie University (Australia). He was recognized by Clarivate–Web of Science as a Highly Cited Researcher in Environment & Ecology (in 2022) and Cross-field (in 2021). He's currently a research fellow at Nord University, Norway. His-research interest includes environmental and energy economics, environmental health, environmental modeling, environmental policy, climate change, health impact assessments, sustainable development, air pollution, and sustainable management of the environment. He has >100 peer-reviewed S/SCI-E journal articles and currently serves as a subject editor for Sustainable Production and Consumption (Elsevier), Sustainability (MDPI), and Earth (MDPI)––and Associate Editor for Sustainable Horizons (Elsevier), Heliyon (CellPress), and Frontiers in Environmental Science (Frontiers).
单位简介
诺德大学（Nord University）原身为博德大学学院，是一所位于挪威诺尔兰郡博德的公立大学，成立于1994年。在2016年，Nord University 合并了 University of Nordland、Nord-Trøndelag University College 和 Nesna University College。
引用格式：Sarkodie, S.A., Amani, M.A., Ahmed, M.Y., Owusu, P.A. 2023. Assessment of Bitcoin carbon footprint. Sustainable Horizons 7, 100060.
期刊官网（英文）：https://journals.elsevier.com/sustainable-horizons
期刊官网（中文）：https://www.sustainable-horizons.com/
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