Станет ли углеродный след от майнинга первой криптовалюты барьером на её пути?

«Биткойн использует больше электроэнергии на транзакцию, чем любой другой метод, известный человечеству, и поэтому это не очень хорошая вещь для климата», — сказал предприниматель и филантроп Билл Гейтс в беседе с журналистом CNBC и New York Times Эндрю Росс Соркином (Andrew Ross Sorkin).

Сначала о том, почему это происходит.

Блокчейн Биткоина использует механизм консенсуса Proof of Work (PoW), чтобы избежать двойных расходов и манипуляций. Процесс создания действительного блока в значительной степени основан на методе проб и ошибок, когда майнеры предпринимают многочисленные попытки найти правильное значение для компонента блока, называемого "nonce", и надеются, что хеш полученного блока транзакций будет соответствовать требованиям с учетом заданной сложности (difficulty).

По сути, это «цифроперемалывание» — вычислительная работа по поиску параметра nonce путем перебора значений (т.н. метод «грубой силы») и последующее хеширование. По этой причине майнинг иногда сравнивают с лотереей, в которой участник перебирает числа в надежде найти выигрышное. Количество попыток (хешей в секунду) определяется хешрейтом майнингового оборудования.

Сложность этих головоломок (difficulty) регулярно корректируется, чтобы учесть изменения в подключенной вычислительной мощности и поддерживать интервал примерно 10 минут между добавлением каждого блока.

Тот майнер, который первым решит головоломку получает право добавить созданный им блок в блокчейн и за это получает вознаграждение в виде эмиссии новых биткоинов и комиссионных с каждой транзакции в добавленном блоке.

Поскольку майнинг биткоина может обеспечить солидный приток доходов, люди во всем мире очень охотно запускают энергоемкое вычислительное оборудование, чтобы получить вознаграждение за добавленные блоки. Кроме того, работа этого оборудования сопровождается выделением тепла и необходимы дополнительные энергетические затраты на охлаждение.

С годами это привело к тому, что общее энергопотребление Биткоин-сети выросло до колоссальных масштабов, поскольку цена криптовалюты растет.

Вся майнинговая сеть Биткоина теперь потребляет больше энергии, чем ряд стран. По данным исследовательской платформы Digiconomist, среднегодовое энергопотребление Биткоин-сети составляет порядка 79,63 тераватт-часов (ТВт-час) и если бы Биткоин был страной, то его рейтинг был бы таким, как показано ниже.

По данным других исследований, которые провели ученые Кембриджского университета, Биткоин-сеть ежегодно потребляет около 127,7 тераватт-часов (ТВт-час) электроэнергии. Это больше, чем энергопотребление всей Аргентины.

Следует отметить, что если суммарный хешрейт Биткоин-сети можно легко рассчитать, то невозможно произвести такой же расчет для её энергопотребления, поскольку нет точных данных по энергопотреблению всего майнингового оборудования, как вычислительного, так и вспомогательного, включая охлаждающее.

Но самая большая проблема Биткоина, возможно, даже не в его огромном потреблении энергии, а в том факте, что значительная часть майнинговых предприятий расположены в регионах (в основном в Китае), которые в значительной степени полагаются на угольную энергию (либо напрямую, либо с целью балансировки нагрузки). Проще говоря, по словам исследователя энергетики из Мюнхенского технического университета Кристиана Столла (Christian Stoll), «уголь питает биткоин».

Это приводит к большому углеродному следу — выбросу углекислого газа (диоксида углерода) в атмосферу Земли. Что в значительной мере влияет на изменение климата из-за создания т.н. «парникового эффекта».

К слову сказать, на эту проблему еще в начале 2009 года обратил внимание Хэл Финни — известный криптограф и второй после Сатоши Накамото пользователь Биткоина.

«Размышляю над тем, как уменьшить выбросы CO₂ в результате широкого внедрения Биткоина», — написал Финни в твиттере 27 января 2009 года.

В 2019 году Кристиан Столл и его команда провели исследование и рассчитали годовой диапазон выбросов углерода в результате работы майнинговых мощностей Биткоина. Они получили значения от 22,0 до 22,9 млн тонн CO₂ —это эквивалент углекислого газа, выбрасываемого таким городом США, как Канзас-Сити. В рейтинге выбросов углерода по состоянию на ноябрь 2018 года Биткоин занимал место между Иорданией и Шри-Ланкой (82-е и 83-е места по величине выбросов). С того времени показатель Биткоина по выбросам углерода только увеличился.

В настоящее время (март 2021) углеродный след Биткоин-сети оценивается уже в 37,82 млн тн CO₂. Что сравнимо с выбросами углекислого газа такой страны, как Словакия.

В другом исследовании, результаты которого были обнародованы в октябре 2018 года, говорится, что сами по себе энергетические затраты на майнинг биткоина могут произвести к такому количеству выбросов CO₂, которое способно повысить температуру на нашей планете более чем на 2°C менее чем за три десятилетия.

Но не все согласны с таким выводом и считают, что такие оценки завышены, поскольку майнеры все чаще обращаются к источникам дешевой возобновляемой энергии, таким как гидроэнергетика. В специальном отчете, опубликованном в конце 2019 года, Кристофер Бендиксен из исследовательской группы CoinShares, утверждает, что большинство оценок углеродного следа Биткоина недооценивают роль возобновляемых источников энергии в майнинге. По его словам, так же, как центры обработки данных, которыми управляют крупные технологические компании, крупные майнинговые компании могут размещать свои фермы там, где самая дешевая энергия, которая часто бывает возобновляемой. Таким образом, майнеры перемещались к плотинам в таких местах, как северо-запад Тихого океана и северная часть штата Нью-Йорк, а также к гидротермальным установкам в Исландии. По оценкам CoinShares, около 74% добычи биткоинов осуществляется за счет возобновляемых источников энергии.

Важно понимать, что потребление энергии не обязательно эквивалентно выбросам углекислого газа и загрязнению окружающей среды. Например, один киловатт-час (кВт-час) электроэнергии, вырабатываемой угольной электростанцией, оказывает существенно иное воздействие на окружающую среду, чем 1 кВт-час электроэнергии, производимой солнечным парком.

Чтобы определить углеродный след Биткоин-сети и, следовательно, её реальное воздействие на окружающую среду, необходимо более внимательно изучить фактический баланс энергии (то есть все источники энергии, используемые для производства электроэнергии).

Совсем недавно исследования показали, что растущая доля общего потребления электроэнергии приходится на возобновляемые источники энергии, такие как гидроэнергетика, солнечная энергия и энергия ветра. Однако оценки сильно различаются: от примерно 20% от общего энергобаланса до более 70%.

Проблемы углеродного следа Биткоина

Как бы то ни было, но неоспоримо одно — Биткоин-сеть требует высоких энергетических затрат, а следовательно, — создает значительный углеродный след.

Это порождает противоречие и создает напряжение в бизнес-среде.

С одной стороны, компании всё чаще используют биткоин, позволяя клиентам проводить транзакции на своих платформах с использованием криптовалюты или напрямую инвестируя в нее.

С другой — компании и инвесторы также всё больше и больше обращают внимание на изменение климата. И точно так же, как акционеры подталкивают компании к сокращению своих углеродных выбросов, они высказывают аналогичные опасения по отношению к Биткоину.

А масс-медиа периодически поднимают эту тему в обществе. При этом сравнивая Биткоин с известными всемирными платежными системами — Visa и Mastercard.

Все это создает потенциальную угрозу массовому принятию Биткоина.

Энергозатраты Биткоина в сравнении с другими платежными системами

Вернемся к словам Билла Гейтса, с которых начинается эта статья:

«Биткойн использует больше электроэнергии на транзакцию, чем любой другой метод, известный человечеству».

Но так ли это? Давайте разберемся.

Для сравнения Биткоина с платежной сетью Visa используем данные исследовательской платформы Digiconomist (март 2021). Разумеется, в силу ряда причин, указанных выше, эти данные условные, но могут быть использованы для приблизительного сравнения.

Как видим из картинки слева, транзакция в Биткоине чрезвычайно энергоемкая по сравнению с VISA — средняя биткоин-транзакция требует в несколько сотен тысяч раз больше энергии.

Разница в углеродном следе за транзакцию еще больше (см. картинку справа), поскольку энергия, используемая VISA, относительно «зеленее», чем энергия, используемая сетью майнинга биткоинов. Углеродный след на транзакцию VISA составляет всего 0,45 грамма CO₂.

На первый взгляд эти сравнения показывают безоговорочное преимущество платежной сети Visa перед Биткоином. Но это не совсем так. И вот почему.

1. Visa и Биткоин несравнимы по своим функциям и возможностям:
   – Во-первых, Visa не может работать без банков, включенных в ее систему, а Биткоин — полностью автономная система.
   – Во-вторых, Visa не обеспечивает сохранность средств на карточных счетах. Это обязанность банков. А Биткоин может использоваться и в качестве долгосрочного хранилища стоимости (его часто называют «цифровым золотом»).
   – В-третьих, Visa не осуществляет эмиссию. А эмиссия Биткоина фактически происходит во время добавления блока транзакций.
   В целом, в отличие от Visa, Mastercard, PayPal и т.п., Биткоин — это больше, чем просто платежная система.

2. В энергозатраты на транзакцию в Visa не включены энергетические расходы, связанные с транзакциями, которые несут банки-эмитенты карт. А это — сотни тысяч отделений по всему миру со своими серверами, банкоматами, терминалами и внутрибанковскими сетями. В целом все эти энергозатраты банков оцениваются в 100 ТВт-час в год. Что сравнимо энергозатратами всей Биткоин-сети.

3. В энергозатраты на транзакцию в Visa не включены энергетические расходы на изготовление, транспортировку и утилизацию платежных карт. А это миллиарды карт в год.

4. Также в энергозатраты на транзакцию Visa не включены энергетические затраты на изготовление и транспортировку банкоматов, платежных терминалов и их обслуживание. Справедливости ради отметим, что и затраты на изготовление майнингового оборудования и его обслуживание также не включены в затраты на транзакции в Биткоине. Но очевидно, что они значительно меньше.

5. Одна биткоин-транзакция может содержать скрытую семантику, которая может быть не сразу видна или понятна наблюдателям. Например, одна транзакция может включать сотни платежей по отдельным адресам, сопоставлять сетевые платежи второго уровня (например, открытие и закрытие каналов в сети Lightning Network). Кстати, транзакции в LN значительно снижают общую энергетическую нагрузку и энергозатраты на единицу.

И самое важное замечание — энергозатратность Биткоина не зависит от числа транзакций в его сети. Собственно, высокие энергозатраты — это не столько поддержание работоспособности Биткоин-сети, сколько её защита от атак реорганизации, попыток захватить управление и установить контроль. Другими словами — это защита средств, находящихся на адресах пользователей и обеспечение надежности и безопасности всей системы.

Биткоин — это не обычная глобальная платежная сеть: в отличие от традиционных платежных систем, таких, как Visa и Mastercard, PayPal, Webmoney и пр., Биткоин предназначен для функционирования в качестве открытой цензуроустойчивой системы передачи стоимости, к которой любой желающий может получить доступ, не требуя разрешения. Достижение этих особых и уникальных свойств платежной системы требует различных компромиссов, которые, неизбежно приводят к огромным энергозатратам и неэффективности.

Возможные варианты решения проблемы углеродного следа Биткоина

Proof-of-Work был первым алгоритмом консенсуса, которому удалось зарекомендовать свою надежность, но это не единственный известный алгоритм консенсуса. В последние годы разрабатываются более энергоэффективные алгоритмы, такие как доказательство доли владения — Proof-of-Stake (PoS). В этом консенсусном алгоритме блоки создают владельцы монет, находящихся в т.н. стейке, а не майнеры. Тем самым не требуется энергоемкое вычислительное оборудование. Поэтому потребление энергии PoS значительно меньше по сравнению с PoW.

Биткоин потенциально может переключиться на такой алгоритм консенсуса, что значительно улучшит экологическую устойчивость. Единственным препятствием пока является то, что среди множества различных вариантов реализации алгоритма Proof-of-Stake ни одна из них еще полностью не зарекомендовала себя и не показала надежность, сравнимую с PoW Биткоина. Тем не менее работа над совершенствованием алгоритмов PoS дает хорошие надежды на будущее.

Другой путь — переход майнеров на т.н. «зеленую энергию» — возобновляемые источники энергии, такие как ветер, солнце и вода. Но из-за непредсказуемости и цикличности работы этих источников требуется также решить вопрос с надежным и эффективным аккумулированием энергии.

Даже Билл Гейтс, называющий себя скептиком по отношению к Биткоину, считает, что возможно это будет решением проблемы.

«Если это зеленое электричество, и оно не вытесняет другие виды использования, в конце концов, может быть, это нормально», — сказал он в беседе с журналистом Эндрю Соркином.

Третий путь — снижение энергозатратности оборудования для майнинга за счет применения новых технологий. Другими словами, более эффективные чипы майнеров снизят потребление энергии.

Помимо этого, использование естественного охлаждения майнингового оборудования — проточная природная вода, размещение в местах с низкой температурой воздуха — полярные районы и пр.

Также возможно использование тепла, выделяемого майнинговым оборудованием, для бытовых целей — обогрева жилищ или теплиц. Это приведет к уменьшению выбросов углерода котельными и теплопунктами, работающими на угле и углеводородном топливе.

Кроме того, использование сайдчейнов типа Lightning Network если и не снизит общую энергозатратность, то значительно увеличит количество транзакций, тем самым существенно снизив энергозатраты на одну транзакцию.

Биткоин — постоянно развивающаяся инженерно-технологическая система. За 12 лет он преодолел немало барьеров на своем пути. Надеюсь и это экологическое препятствие он одолеет.