BTC の実際の電力消費量は世界の発電量のわずか 0.15% ですか?

タイラー・ベイン

翻訳・編集：シェリー

近年、ビットコインと、SHA-256 プルーフ・オブ・ワークを介してネットワークを保護するマイナーが、エネルギーを消費しすぎるという主張が多くなされています。しかし、これらの主張はどのようなデータに基づいているのでしょうか?ソース内の計算では、欠陥のある方法や仮定が使用されていますか、それとも合理的な方法や仮定が使用されていますか?ビットコインネットワークはこれまでどれくらいの電力を消費してきましたか?

方法と誤解

ビットコイン ネットワークは大規模かつグローバルに分散されたトポロジーであるため、マイナーが消費する電気とエネルギーの量を完全に検証することはできず、推定する必要があります。過去数年間にわたり、多くの信頼できる情報源が、より冷静でデータに基づいた方法でビットコインのネットワークエネルギー消費量を推定しようと試みてきました。

ケンブリッジ大学ジャッジビジネススクール（JBS）

国際エネルギー機関（IEA）

電力研究所 (EPRI)

コインセンター

コインシェア

マーク・ベヴァン

ハス・マクック

アレックス・デ・フリース

自分自身

推定方法は、財務上の仮定に基づく経済的方法と工学原理に基づく物理学的方法という2 つの大きなカテゴリに分類されるようです。 BTC2019カンファレンスでは、これら2つの推定方法の包括的な比較と対比を実施しました。

これらすべての年間使用量の推定値を理解するには、電力消費量が通常、瞬間的な値（電力、ワット、キロワットなど）と、同じ瞬間電力測定値を時間とともに積分した値（エネルギー、ジュール、キロワット時（kWh）など）の 2 つの方法で測定されることを理解することが重要です。

経済学に基づくネットワークエネルギー推定の問題

ビットコイン ネットワークのエネルギー消費量を推定する経済学に基づくアプローチでは、通常、完全に合理的な市場行動が想定されますが、これは、いくつかの入力変数に関する誤った想定によって簡単に操作される可能性があります。

理論的には、ビットコインのマイニング産業は合理的で、利益を最大化し、完全に競争的です。つまり、マイニングの限界収益は限界費用 (MR = MC) と等しくなる傾向があります。これは、十分に長い期間にわたって、市場が均衡点を見つけ、ビットコイン 1 単位あたりの生産エネルギー コストが、ビットコインが鋳造された時点での市場価値とほぼ等しくなることを意味します。この計算は、「ビットコイン ネットワークのマイナーはどれだけの電力を供給できるか」ということになります。

通常、これらのタイプの推定は、ビットコインの市場取引価格という単一の変動しやすい変数に過度に依存しています。次に、そのような推定の簡単な例を示します。

次のように推定してみましょう。ビットコインは 10 分ごとに約 1 つのブロックを生成します。つまり、1 時間あたり 6 つ、1 日あたり 144 つです。現在、ビットコイン ブロックには 6.25 BTC のコインベース ブロック報酬が含まれています。これは 1 時間あたり 37.5 ビットコイン、つまり毎日 900 の新しいビットコインがマイナーに報酬として支払われることになります。本稿執筆時点で、ビットコインの現在の市場価格は約 10,750 ドルで取引されており、これはビットコインマイナーが発電に利用できる 1 日あたりの金額に換算すると 9,675,000 ドルになります。

このエネルギーは、ビットコインの価格が1年間一定であり、米国の平均電気料金が一定であると仮定すると、ビットコインマイナーが毎年使用する約35.3テラワット時の電力に相当します。

このアプローチはビットコインの価格に過度に依存しているが、マイナーの想定電気コストにも大きく依存している。このような推定値の計算と結論は、入力として使用される仮定（エネルギーコスト（$/kWh）とビットコイン価格（$/BTC））に応じて大幅に異なる可能性があり、操作される可能性もあります。

ここでは、米国の平均電気料金である 0.10 ドル/kWh を使用します。しかし、米国では、電気料金は実際には季節によって異なり、州ごと、都市ごと、場合によっては地域ごとに異なります。同様の不一致は世界の電気料金にも存在します。これには広範な産業、商業、住宅の電気料金も含まれておらず、経済に基づく推定手法にさらに多くの誤差の原因が加わります。実際、この計算がエネルギー価格に大きく依存していることには別の欠陥がある。非常に創造的な鉱山労働者の中には、本来は無駄になったり、利用できなかったり、削減されたりするはずの余剰エネルギーを採掘する際に、燃料コストをほとんどゼロにできる人もいるのだ。

私の意見では、この簡単な演習は、なぜこの経済ベースの見積もり方法が単純化しすぎており、次のような問題を伴うのかを浮き彫りにしています。

ビットコインのマイニング、コンピューティング能力、ネットワークのエネルギー消費は、これらの経済ベースの推定方法に比べて、突然の価格変動に対する反応が鈍くなります。

経済ベースのモデルによれば、ビットコインのブロック報酬の半減サイクル（つまり、210,000ブロックごと、または約4年ごと）の後、エネルギー使用量とネットワークマイナーの報酬は半分に削減されると主張しており、難易度とプルーフオブワークベースのデータもこれを裏付けています。

このようなモデルでは、単一の世界平均エネルギーコスト（kWh）を想定しています。電気料金は地域、季節、さらにはエネルギー源によっても大きく異なります。

これはおそらく上限の見積もりです。

物理ベースのネットワークエネルギー推定の利点

一方、ネットワークのエネルギー推定に対する物理学ベースのアプローチは、ビットコイン コミュニティが慣れ親しんでいる非常に厳密な「数値を実行する」タイプのものになる傾向があります。

これらの方法では、独立して検証されたオンチェーンの難易度、作業証明データ、および OEM (Original Equipment Manufacturer) が公開した熱効率標準を使用して、ビットコイン マイニング システムへの過去のエネルギー入力をより正確に推定します。物理的な評価の試みは、「ビットコインの化学量論比単位分析計算」と表現するのが最も適切です。

それでは、ビットコインのプルーフ・オブ・ワークデータと OEM が公開したデータを使用して、このタイプの推定を試してみましょう。ビットコイン ネットワークの難易度は、2,016 ブロックごと、つまり約 2 週間ごとに調整されます。この難易度調整は、ブロック生成速度の違い、ひいてはネットワークのハッシュレートの変動を補正することを目的としています。

難易度とプルーフ・オブ・ワークの関係により、ブロック生成率と関連する難易度レベルに基づいて、ネットワークのハッシュレートの推定値を導き出すことができます。過去 10 年間にさまざまな難易度レベルで行われた作業量から、ビットコイン ネットワークによって毎年計算される SHA-256 ハッシュの量を、テラハッシュ/年 (Th/年) または兆ハッシュ/年単位で概算することができます (下の図を参照)。同じ作業を毎日のデータで実行して、より微妙な計算を行うこともできます。

2020 年現在、ビットコイン ネットワーク上で計算されたヨタ ハッシュは約 3934 個、セプティリオン ハッシュは約 3934 個あります (「ヨタ」と「セプティリオン」は、現在までの Science International (SI) の最大のプレフィックスです (10²⁴))。

年間のハッシュレートの見積もりができたので、次に、この量の作業を実行するのにどれだけのエネルギーが必要かを理解するために、過去 11 年間のマイニング効率データをまとめる必要があります。

ここでは、長年にわたってビットコイン ブロックチェーンで動作してきたさまざまな種類のマイニング機器を理解することが重要です。それぞれの時代と年には、作業証明の効率特性が明確に異なり、時間の経過とともにネットワークのエネルギー消費値が変化していきます。ビットコインのジェネシス ブロックは CPU (中央処理装置) の働きによって動作していましたが、ビットコイン ネットワークが驚異的なペースで進化するにつれて、ブロックは最終的に GPU (グラフィックス処理装置)、次に FPGA (フィールド プログラマブル ゲート アレイ)、最後に ASIC (特定用途向け集積回路) に採用されました。

重要な注意: 効率は、その作業を完了するために消費されたエネルギーによって行われた有用な作業として定義されます (テラハッシュ/ジュール - Th/J)。ただし、ASIC OEM は通常、消費エネルギーと有効な作業 (テラハッシュあたりのジュール - J/Th) を示す、ある種の熱速度仕様、または効率の逆数を引用します。

下の対数目盛りのグラフからわかるように、ビットコインマイニング ASIC の人気は過去 8 年間で毎年着実に低下しており、ネットワークマイニングの効率が向上していることを意味します。

このデータを年間平均発熱量に変換すると（下記）、ビットコインマイニングの歴史を通じて同様に急激な減少が見られます。 CPU、GPU、FPGA ベンチマークと公開された OEM 電力使用量データを使用して、2009 年から 2012 年までのネットワーク コンピューティングの平均使用量を推定しました。2020 年に発表された ASIC マイナーは、ハッシュレートの熱が継続的に低下していることを示すために上下に視覚化されていますが、まだ公開されていないため、エネルギー推定からは除外されています。

それで、必要なデータ（年間ハッシュレートと年間ハッシュレート発熱率）をすべて集めたので、それをエンジニアによるビットコインマイニングエネルギー化学量論の試みと組み合わせてみましょう。

1 年間に行われる作業量 (テラハッシュ/年) に、システム上のマイナーの推定年間発熱量 (ジュール/テラハッシュ) を掛けるだけで、ジュール/年の推定値が得られます。ジュール/年を kWh/年 (1kWh は 360 万ジュールに相当) に変換すると、次のグラフに年間エネルギー推定値が表示されます。

しかし、この物理ベースの推定方法にもいくつかの問題があります。

効率レベル別のアクティブなマイナーの数は不明であり、この物理ベースのモデルでは、市場に存在するすべてのマイナーが発売年に平等に参加していると想定しています。

このモデルでは、入力として年間熱消費率データのステップ関数も使用しました。この年間データは、古い鉱夫が徐々に引退し、新しい鉱夫が働き始めるため、毎年 1 日目に突然変化し、熱効率の段階的な低下がより現実的になります。

これは、高齢の鉱夫が 1 年後に引退することを想定しているが、機器のライフサイクルは現在 2 年以上であるため、これも実現しそうにない。

これはおそらく下限型の推定値です。

さまざまなネットワークエネルギー推定値の比較

これらの年間エネルギー消費量の推定値は、前述の計算の試みの中でどこに位置するのでしょうか?興味深いことに、私たちの2つの計算は、方法論がまったく異なり、上で説明したすべての欠点があるにもかかわらず、経済ベースの推定値（35.3 TWh）と物理学ベースの推定値（40.17 TWh）は数値的に非常に似ています。これらは、以下の表に示すように、著名な個人、団体、機関によって行われた他のさまざまな一般的な推定値の範囲内にも当てはまります。これらの推定値はすべてかなり似ており、推定者の多様性、使用される方法の多様性、および異なる仮定に信頼性を与えています。

注目すべきは、ビットコイン ネットワークのハッシュレート (EH/s) が、一般的な年間エネルギー (TWh/年) の推定傾向から切り離され始めているように見えることです。これは、推定が物理学に基づいている場合は SHA-256 ASIC マイニング リグの発熱率の低下による可能性があり、推定が経済学に基づいている場合は半減期と価格停滞による可能性があります。

上記のグラフは、公開時点での年間エネルギー推定値（TWh/年）のスナップショットを示していますが、これらの情報源の一部（ケンブリッジ大学 [C-BECI] およびアレックス・デ・フリース [D-BECI]）は、実際には数年前に日次グラフでこれらの年間推定値を公開していました。これは、エネルギーと電力に関する以前の議論に戻ります。論理的には、年間エネルギー推定値を日次軸上にプロットすることは避けるべきです。

いずれにせよ、これらの公表された推定値を、2017 年末（前回の市場最高値）まで遡るより連続的な時系列データを使用して得られる推定値と比較することは価値があると思います。経済的および物理的な計算、ケンブリッジの推定値、およびデジコノミストの結果は、時間の経過とともにすべてかなり類似しており、これらのさまざまな推定手法にピアレビューと妥当性が再び追加されています。

上記の推定値は、他のさまざまな日次間隔の年間エネルギー推定値とよく一致しているように見えるため、それらを平均して、複合ビットコインエネルギー指数 (CBEI) を作成しました。これは、以下に TWh/年で示されています。それぞれの推定には異なる仮定、レベル、不正確さの原因があるため、それらを組み合わせるとより正確になる可能性があります。この複合推定値 (CBEI) は、ビットコインの年間ネットワークエネルギー消費量合計の 60 TWh のしきい値をつい最近再テストしました。

この複合エネルギー指数は、時間の経過に伴うビットコイン ネットワークのハッシュレートとどのように比較されるのでしょうか? 2019 年の初め頃、CBEI は同様の分離現象を示し、ハッシュレートとエネルギーは引き続き上昇し、エネルギー消費は比較的安定し、ASIC の発熱率とビットコイン マイニングのインセンティブは縮小しました。

興味深いことに、ビットコイン消費量のスナップショット推定値は、時間的なデータや証拠を裏付けることなく、年間のエネルギー量（TWh/年）として表されることが多く、年間を通じて推定されることが多い。ネットワーク電力の毎日の推定値は、毎日のグラフにプロットされた年間エネルギー消費量の推定値よりもはるかに人気があります。このグラフの間違いは、データの大きな誤解を招いた驚くべきグラフの誤りです。年間エネルギー推定値が日軸上にプロットされています。したがって、私はデータの誤解を招く上記のグラフ上のエラーを修正するために、これらの毎日の間隔推定値を毎日の電力推定値のグラフに変換することにしました。

ここでは、D-BECI と最小値、C-BECI の最大値、最小値、推定値、および上で示した経済学と物理学に基づく推定値から作成した Composite Bitcoin Power Index (CBPI) を紹介します。

この CBPI 複合指標は、電力の単位であるワットで表されたビットコインの瞬間的な電力使用量を推定します。 CBPIは最近、約7.58GWのピークに達しました。これはデロリアンタイムマシン約6台分に相当する1.21GWに相当します。

環境におけるCBPI

このような大きなエネルギー値は、特に年間の観点からは理解が難しいため、いくつかの簡単な比較でこれらの推定値を理解してみましょう。

銀行システムは年間650TWhを消費する

金採掘 200 TWh/年

PCおよびコンソールゲーム 75 TWh/年

ビットコインマイニング（CBEI）60 TWh/年

紙幣と硬貨 11 TWh/年

米国のクリスマスライト 7TWh/年

上記の推定に基づくと、ビットコイン ネットワークは年間約 40～60 TWh を消費しますが、これは世界の年間電力生産量 (26,700 TWh) の約 0.15% に相当し、世界の総エネルギー生産量 (14,421,151 ktoe) のわずか約 0.024% に相当します。 (Ktoe もエネルギーの単位で、1,000 トンの石油換算値、または 11.36 メガワット時になります。)

その結果、ビットコインの現在のエネルギー消費は、多くの人が重大な問題だと考えるもの、つまり増え続ける人間のエネルギー消費のほんの一部に過ぎません。 1世紀前、ニコラ・テスラはこの問題に対する興味深い解決策を提案しました。 2020年9月には、ビットコインネットワークの約76%がクリーンエネルギーで稼働しているという調査結果が出ました。また、アインシュタインが質量とエネルギーの等価性を発見し、人類が原子に内在するエネルギーを利用できるようになってから、人類の進歩の原動力となるエネルギー源が豊富になったことも思い出してください。

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