Bitcoin-Mining ist ein energieintensiver Prozess. Laut PowerCompare.co.uk(1) könnte es aufgrund des exponentiellen Wachstums die gesamte Energie der Welt benötigen - geschätztes Datum im Februar 2020.
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Es ist eine medienwirksame Geschichte, die von einer Vielzahl von Medien übernommen wurde, aber es ist kein kontinuierliches signifikantes exponentielles Wachstum zu erwarten. Schauen wir uns an, wie man den Stromverbrauch der Bitcoin-Blockchain berechnet und ob es überhaupt einen Grund dafür gibt, dass der Energiehunger ewig anhält.
Der Proof-of-Work-Prozess macht Bitcoin zu einem sehr sicheren, dezentralen Netzwerk. Aufgrund des dezentralen Charakters der Bitcoin-Blockchain weiß niemand genau, wie viel Strom dafür benötigt wird. Es gibt viele sehr ausgeklügelte Versuche, den Energiebedarf direkt zu bestimmen, deren Ergebnisse leider aber aufgrund zu vieler unsicherer Annahmen und unrealistischer Ergebnisse nicht genutzt werden können, z.B. Bitcoin mining now consuming more electricity than 159 countries including Ireland & most countries in Africa.
Deshalb ist hier ein indirekter Berechnungsansatz sinnvoll, indem der Umsatz der Miner berechnet sowie die Energiekosten und der Energieverbrauch in Prozent vom Umsatz ermittelt werden. Ausgehend von den Annahmen auf bitcoinenergyconsumption.com (B) , habe ich diese Formel abgeleitet.
Der Stromverbrauch aller Bitcoin-Miner insgesamt pro zehn Minuten beträgt durchschnittlich:
wobei
E = Durchschnittlicher Gesamt-Hashing-Stromverbrauch aller Miner (nicht anderer Knoten), um einen
neuen Block in der Blockchain zu erzeugen (kWh, nicht inbegriffen ist der Stromverbrauch für die ASIC-Produktion, für Bürokosten, Gehälter usw....).
f = Summe der Transaktionsgebühren des Blocks in US$
r = Coinbase-Blockvergütung für den Hash-Puzzle gewinnenden Miner (50 BTC; 25 BTC; aktuell 12,5 BTC, ...)
p = Bitcoin-Durchschnittspreis in US$/BTC
k = Durchschnittspreis einer kWh (US$/kWh). Bei $0.05/kWh ist die Formel E = 12 kWh (f+rp)
Diese Formel hilft uns, viele Fragen bezüglich des Bitcoin-Energieverbrauchs zu beantworten. Wir untersuchen der Reihe nach, ob diese Formel Größen enthält, die in der Lage sind, ein exponentiell wachsendes E mit einer monatlichen Rate von 29,98% zu verursachen, was einer jährlichen Rate von 2.225,5% entspricht.
Der Durchschnittspreis könnte mit der Inflationsrate exponentiell wachsen, wenn aber überhaupt, dann wirkt das gegen das exponentielle Wachstum von E. Wenn k exponentiell zerfallen würde, dann würde dies das exponentielle Wachstum von E zumindest fördern. Dies ist ein sehr unwahrscheinliches Szenario.
Die Coinbase-Vergütung, d.h. die pro Block erzeugte Menge Bitcoin, geht mit Sicherheit exponentiell in die andere Richtung und hilft E in keiner Weise zu exponentiellem Wachstum.
Die Summe der Transaktionsgebühren eines Blockes könnte zunehmen, aber wenn dies exponentiell mit einer außerordentlichen Rate wäre, würde es diesem Wachstum selbst im Wege stehen (Auto-Kannibalisierung), weil die Nutzer Transaktionen vermeiden und wo immer möglich auf andere Währungen umstellen würden, was wiederum die Gebühren senken würde.
Die Bitcoinpreis wird immer weniger wichtig für den Energieverbrauch im Laufe der Zeit (aufgrund des exponentiellen Zerfalls von r). Jetzt, in den ersten Jahren von Bitcoin, hat er noch einen bedeutenden Einfluss. Für den Fall, dass p exponentiell wachsen würde, zeigt die Formel, dass dies E in ein exponentielles Wachstum mit ähnlicher Geschwindigkeit treiben könnte. p ist nachfrageorientiert.
21.776.000.000.000 kWh = 21.776 TWh = E = 12 kWh (f+rp) ⇒ p = 145,2 Mio. US-$
Dies hätte wiederum Auto-Kannibalisierungseffekte zur Folge. Der US-$-Preis für alle 18,16 Mio. Bitcoin ($2.637 Billionen) würde das bestehende Angebot(5) bei weitem übersteigen, so dass dies eine enorme Inflation erfordern würde.
Dieser Betrag ist mehr als 12-mal höher als der geschätzte Wert aller Immobilien der Welt(5).
Die Inflation würde in diesem Szenario den Preis pro kWh deutlich erhöhen, was zu einer Senkung des Energieverbrauchs nach unserer Formel führen würde.
BTC-Durchschnittspreis über das gesamte Jahre 2017 = p = $3.524
Blockvergütung = r = 12,5 BTC
Durchnittszahl der Transaktionen/Block: 1970
Durchschnittliche Transaktionsgebühren: $4,65
Gesamtgebühren pro Block = f = $9.160,50
Mit k=$0,05 folgt
E = 638.526 kWh
Energieverbrauch pro Transaktion = 324 kWh
Stromkosten einer durchschnittlichen Transaktion = $16.20
Gesamtstromverbrauch des Bitcoin-Netzwerks 2017: 33,56 TWh oder 3.831 MW permanent/durchschnittlich
Nicht unbedingt. Faktoren, die den Stromverbrauch beeinflussen, sind
f Die Summe der gezahlten Gebühren. Dies ist marktorientiert. Wenn die Nachfrage sinkt, sinken die Gebühren.
r Blockvergütung. Diese ist exponentiell zerfallend (Halbierung alle 4 Jahre), was ein Reduktionsfaktor ist.
p Je höher der Bitcoinpreis, desto höher der Verbrauch in den ersten Jahren, später hat der Prei keinen Einfluss mehr, weil er mit einem Wert multipliziert wird, der schnell gegen Null geht
k als fix angenommen (A). Bei einem Anstieg sinkt der Stromverbrauch.
Z.B. wenn der Bitcoin-Preis unter aktuellem Protokoll $100.000 im Jahr 2049 betragen würde, verursacht dies nur 0,6*0,0244140625 * $100.000/0,05$ = 150 MWh pro Block, wobei $10.000 heute 0,6*12,5*$10,000/0,05$ = 1.500 MWh pro Block verursachen.
Oder wenn Leute ihre Bitcoin halten und die Handelsnachfrage gering ist, dann liegen die Gebühren nahe Null.
Nein, der technische Fortschritt hilft hier nicht weiter (und wenn ja, dann nur kurzfristig). Wenn die Miner effizientere IT einsetzen, wird die Schwierigkeit des Puzzles automatisch entsprechend zunehmen. Dann wird jeder einzelne Hash mit geringerem Stromverbrauch berechnet, was aber dadurch kompensiert wird, dass mehr Hashes berechnet werden müssen. Unterm Strich gehen 60% des Einkommens des Miners in die Stromrechnung, wenn er nun mehr Hashes damit berechnen kann, dann können es auch die Konkurrenten tun, und alle haben den gleichen Prozentsatz an Erfolg auf einem höheren Niveau.
Nein (zumindest nicht aus diesem Grund). Es gibt keinen Zusammenhang zwischen den Transaktionsgebühren und der Blockvergütung. Offensichtlich haben Änderungen der Transaktionsgebühren keinen Einfluss auf die im Protokoll fest codierte Coinbase Vergütung. Und wenn sich die Coinbase-Vergütung ändert, hat dies keinen Einfluss auf die Gebühren. Für schnelle Transaktionen wird das Preisniveau für Gebühren ausschließlich durch die Marktnachfrage bestimmt (Transaktionen mit der höchsten Gebühr von oben nach unten gelangen in den nächsten Block, bis der Block voll ist) und die Coinbase-Vergütung wird durch das Bitcoin-Protokoll definiert. Zum Beispiel, wenn der Bitcoin-Preis p $100.000 (oder $1) beträgt und nur fünf Personen alle zehn Minuten kaufen und verkaufen, dann sind die Transaktionsgebühren sehr niedrig, wenn Zehntausende von Transaktionen unter den aktuellen Umständen konkurrieren, dann sind die Gebühren sehr hoch. Die Gebühren können sich erhöhen, aber es gibt keinen Zusammenhang mit der Belohnung.
Ja. Die Reduzierung der Coinbase-Vergütung erfolgt an den sogenannten Halbierungstagen (geschätzter nächster Halbierungstag ist der 8. Juni 2020: www.bitcoinblockhalf.com, vorherige Halbierungstage gab es 2016 und 2012).
Was passiert, wenn man einen Halbierungstag mit dem Tag davor vergleicht?
Die Miner bekommen nur die Hälfte der Bitcoins aus der Blockvergütung, aber die Nachfrage nach Bitcoins (also auch die Gebühren und damit der $-Preis für Bitcoin werden durch diese Reduzierung nicht beeinflusst).
Der Effekt ist, dass so viele Miner bald aus dem Geschäft aussteigen, bis die verbleibenden wieder Gewinn machen. Die Hashleistung sinkt und somit sinkt der Stromverbrauch. Das bedeutet, dass der hartcodierte exponentielle Zerfall der Coinbase-Vergütung den Stromverbrauch des Bitcoin-Netzwerks im Laufe der Zeit reduziert.
Natürlich kann der Gesamtverbrauch steigen, wenn die Nachfrage und der Preis steigen. Aber im Vergleich zu einer Welt ohne Vergütungsreduzierung ist der Anstieg geringer, die niedrigere Belohnung verlangsamt zumindest den Stromverbrauchsanstieg.
Dieser Effekt ist in der Formel sichtbar: Eine Reduktion von r bewirkt eine Reduktion von E. Hier ein Beispiel dafür, wie der Stromverbrauch E in kWh über die Jahre pro Block sinkt, wobei r alle vier Jahre halbiert wird und die anderen Werte aus Vergleichsgründen als fix angenommen werden (f=9.160,50 US-$; p=10.000 US-$/BTC, k=0,05 US-$/kWh):
Ja. Wenn die Nachfrage über ein bestimmtes Niveau steigt, passen die nicht verbrauchten Transaktionen nicht in den nächsten Block, so dass nur diejenigen mit den höchsten Gebühren (top down) ausgewählt werden. In der Formel sehen Sie, dass höhere Gebühren f zu einem höheren Verbrauch von KWh führen. Dasselbe passiert, wenn viele Leute ihre Bitcoins verkaufen.
Nicht unbedingt (siehe Beispiel oben). Je weiter wir vom Bitcoin-Start 2009 entfernt sind, desto geringer ist der Einfluss des Bitcoin-Preises auf den Stromverbrauch. Heute beträgt die Auswirkung 25% der anfänglichen Auswirkung, die immer noch stark ist. Im Jahr 2140 gibt es keine Auswirkung mehr (nach den derzeitigen Regeln). Sollte es jedoch eine bemerkenswerte und nachprüfbare Korrelation zwischen dem Bitcoin-Preis und der Anzahl der Transaktionen geben (was ich nicht vermute), dann müsste diese Aussage relativiert werden.
Wenn wir uns die Formel ansehen, definitiv ja. Diese sind jedoch selbstbegrenzend, da die Anzahl der Transaktionen mit stark überhöhten Gebühren abnimmt.
Dies könnte theoretisch in Zukunft mit einem ausgeklügelten neuen Konsensus-Algorithmus, der per Fork eingeführt wird, der Fall sein. Mit dem heutigen Proof-of-Work-Algorithmus würde dies nach unserer Formel nur theoretisch funktionieren, wenn der Strompreis k gegen unendlich geht oder wenn der Bitcoinpreis oder die Gebühren negativ wären, nämlich:
p = -f/r
Das Szenario negativer Preise kann vernachlässigt werden, da das Protokoll dies nicht zulässt und ohnehin jeder seine Bitcoin behalten würde, wenn der Preis negativ wäre. Die Miner würden aufhören, Transaktionen in ihre Blöcke einzufügen, wenn die Gebühren negativ wären. Die Sicherheit der Transaktionen wäre nicht mehr gewährleistet.
f, k und r sind in der Formel nicht betroffen, so dass p der verbleibende Kandidat ist.
Die Verkaufsaktivitäten würden tendenziell einen Rückgang des BTC/Fiat-Wechselkurses fördern. Sie unterstützen einen niedrigeren p-Wert und damit einen geringeren Energieverbrauch.
In einem starken Aufwärtstrend wird dies keine messbaren Effekte haben, in einem starken Abwärtstrend beschleunigt dies den Trend (aber wenn man bedenkt, dass pro Tag 12,5*6*24 BTC = 1800 BTC neu generiert werden bei 50% Reduktion alle vier Jahre und dass heute mehr als 300.000 BTC täglich gehandelt werden, ist der Effekt gering.
Dies kann sich ändern, wenn die Anzahl der Transaktionen signifikant sinkt, bevor die Block-Vergütung sich auflöst.
Das Mininggeschäft ist sehr wettbewerbsintensiv mit einer niedrigen Eintrittsschwelle. Die Miner müssen daher so effizient wie möglich arbeiten und werden (oft automatisiert) auf andere Kryptocoins umsteigen, wenn ein höherer Umsatz bei gleicher Hashing-Power erzielt werden kann.
Eine Änderung führt natürlich zu einem geringeren Stromverbrauch im Bitcoin-Ökosystem. Aber dann wird die Energie für eine andere Kryptowährung verwendet. Dies zeigt, dass der Stromverbrauch des Bitcoin-Netzwerks nicht völlig isoliert vom Rest der Proof-of-Work-Ökosysteme gesehen werden sollte. Die Beziehungen sind komplex.
Nein. Es gibt Ansätze, einen Proof-of-Work-Algorithmus so umzugestalten, dass die vielen Berechnungen doch einen nützlichen Kollateral-Effekt haben. Beispielsweise hat Intel kürzlich ein Patent für einen solchen Proof-of-Work-Algorithmus angemeldet(6).
Hat dies Auswirkungen auf den Stromverbrauch der Miner?
Sollten die Miner in der Lage sein, aus den zusätzlichen Vorteilen des Minings neue Einkünfte zu generieren, so wird dies tatsächlich den Stromverbrauch erhöhen und nicht reduzieren. Die Schwierigkeit würde zunehmen, da zusätzliche Einnahmen nur bedeuten würden, dass alle Miner mehr Hashes pro Zeiteinheit erzeugen können. Aus diesem Grund wird auch der Energieverbrauch steigen. Verwendet eine Blockchain einen PoW-Algorithmus (Proof-of-Work), der den Miner zwingt, den Zusatznutzen kostenlos zur Verfügung zu stellen, dann würde der Energieverbrauch nicht steigen (aber auch nicht sinken). Dies wäre sinnvoll, wenn der Zusatznutzen dem Gemeinwohl dient.
Leider nein. Dieses wird derzeit in Sibirien angewendet(7). Die Miner fungieren dann als Energielieferant (Wärmeenergie) und generieren so zusätzliche Einnahmen.
Vorübergehend kann dies den Profit von einzelnen erhöhen, aber dann, um wettbewerbsfähig zu bleiben, wird dies zum Standard und die zusätzlichen Einnahmen werden die Hashing-Schwierigkeit und den Stromverbrauch erhöhen. So können nur die ersten Miner profitieren und nur vorübergehend. Das macht die Energiebilanz nicht positiver, sie bleibt gleich oder verschlechtert sich.
Es besteht kein Risiko, dass sich das Bitcoin-Netzwerk die gesamte elektrische Energie einverleibt.
Wenn man den künftigen Stromverbrauch des Bitcoin-Netzwerks berechnet, muss man berücksichtigen
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Stromkosten steigen können, was den Stromverbrauch reduzieren würde. Von einem Steigen der Stromkosten ist jedoch nicht auszugehen, was Nachrichten im Rahmen des ITO der Envion AG zeigen. Das Unternehmen verkauft mobile Mining-Container und betreibt ferngesteuerte Mining-Einheiten an Standorten mit überschüssigem/kostengünstigem Strom — größtenteils Ökostrom.
Ein weiterer limitierender Faktor für die Gebühren (und damit auch für den Stromverbrauch) ist, dass bei sehr hohen Gebühren Transaktionen in andere Währungen (Fiat oder Altcoins) verlagert würden.
Es ist daher nicht zwingend erforderlich, dass der Stromverbrauch des Bitcoin-Netzwerks weiter ansteigt.
Wenn jedoch die hausgemachten Mechanismen im Zusammenspiel mit den Nutzern und dem Rest der Kryptowelt zu einem geringen Stromverbrauch führen, könnte die Sicherheit der dezentralen Blockchains leiden. All dies unter den gegenwärtigen Umständen.
Ich bin sicher, dass es künftige Entwicklungen geben wird, die das Skalierungsproblem lösen und als Ergebnis haben werden, dass eine große Anzahl von Transaktionen ohne nennenswerte zusätzliche Ressourcen abgewickelt werden können.
Vielen Dank an alle Gesprächspartner, die mir wichtige Anregungen zum Thema gegeben haben.
(mg)
Erklärung zu Interessenskonflikten:
Der Autor erklärt, dass es keinen Interessenskonflikt gibt.
Dieser Artikel ist ein Open-Access-Artikel, der unter die Bedingungen der Creative Commons Attribution (CC BY 4.0) Lizenz fällt. (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de).
(A) 1. Bild: Elektrizitätskosten in China
(B) 2. Bild: Bitcoin-Energieverbrauchsindex
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(1) Bitcoin mining now consuming more electricity than 159 countries including Ireland & most countries in Africa
https://powercompare.co.uk/bitcoin
(2) Sustainability of bitcoin and blockchains (Vranken, Harald), October 2017
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877343517300015?via%3Dihub
(3) Bitcoin price stats and information (data extracted on December 22,2017)
https://bitinfocharts.com/bitcoin/
(4) Blockchain Charts (data extracted on December 22,2017)
https://blockchain.info/charts/
(5) All the World’s Money and Markets in One Visualization
http://money.visualcapitalist.com/worlds-money-markets-one-visualization-2017/
(6) Harnessing Energy from Bitcoin Mining to Sequence Genetic data
https://cointelegraph.com/news/harnessing-energy-from-bitcoin-mining-to-sequence-genetic-data
(7) Siberians Use Cryptocurrency Miners to Heat Homes
https://news.bitcoin.com/siberians-use-cryptocurrency-miners-heat-homes/