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May 28, 2023

Die wirtschaftliche Schätzung der Klimaschäden durch Bitcoin-Mining zeigt, dass es eine größere Ähnlichkeit mit digitalem Rohöl als mit digitalem Gold gibt

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14512 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Dieses Papier liefert wirtschaftliche Schätzungen der energiebedingten Klimaschäden durch den Abbau von Bitcoin (BTC), der dominierenden Proof-of-Work-Kryptowährung. Wir stellen drei Nachhaltigkeitskriterien bereit, um zu signalisieren, wann die Klimaschäden möglicherweise nicht nachhaltig sind. Der BTC-Mining schlägt in allen drei Fällen fehl. Wir stellen fest, dass für 2016–2021: (i) die durch BTC verursachten Klimaschäden pro Münze mit der Reifung der Industrie zunahmen, statt abzunehmen; (ii) während bestimmter Zeiträume übersteigen die Klimaschäden von BTC den Preis jeder geschaffenen Münze; (iii) Im Durchschnitt war jeder geschaffene BTC-Marktwert für 0,35 US-Dollar an globalen Klimaschäden verantwortlich, deren Anteil am Marktwert in der Größenordnung zwischen der Rindfleischproduktion und der Verbrennung von Rohöl als Benzin liegt höher als Wind- und Solarenergie. Zusammengenommen stellen diese Ergebnisse eine Reihe von Warnsignalen für die Nachhaltigkeit dar. Während Befürworter BTC als „digitales Gold“ anbieten, funktioniert es aus Sicht der Klimaschäden eher wie „digitales Rohöl“.

Angesichts der sich schnell entwickelnden Blockchain-Technologie und des Einsatzes von Verschlüsselung und dezentralen, erlaubnisfreien öffentlichen Büchern hat das heutige sich weiterentwickelnde Internet die Entstehung verschiedener digital knapper Güter ermöglicht1. Diese digitale Wirtschaft umfasst nicht fungible Vermögenswerte wie Token für verschiedene digitale Medien2 sowie fungible, teilbare Vermögenswerte wie die mehreren tausend Kryptowährungen, die von Hunderten von Börsenplattformen unterstützt werden3. Ausgewählte digital knappe Güter nutzen Produktionssysteme mit intensivem Energieverbrauch4,5. Dazu gehören mehrere bekannte Kryptowährungen (z. B. Bitcoin, Ether), die bisher auf äußerst energieintensiven, wettbewerbsorientierten Produktionssystemen im Turnierstil basieren, die als Proof-of-Work (POW)-Mining bekannt sind, um die verschlüsselte Validierung in der dezentralen Öffentlichkeit bereitzustellen Hauptbücher6,7.

POW-basierte Kryptowährungen sind ein Teil der größeren Gruppe von Blockchain-Technologien, die im letzten Jahrzehnt oder länger auf disruptive Weise auf den globalen Märkten Fuß gefasst haben8. Die Produktion von Kryptowährungen war relativ dezentralisiert und weitgehend unreguliert, da sie zunächst Fuß fassten und dann einen größeren Raum einnahmen9. Kryptowährungen werden auf Märkten bewertet und gehandelt, weisen jedoch häufig erhebliche Volatilität10 und finanzielle Anomalien wie Spekulationsblasen11 oder Hinweise auf Preismanipulation12,13 auf. Dennoch argumentieren verschiedene Befürworter, dass solche Innovationen einen erheblichen Wert bieten oder in den Entwicklungsländern besonders benötigt werden (z. B. von der Bereitstellung nachhaltiger neuer Finanzgüter oder Tauschmittel für Unterversorgte14, der Diversifizierung von Investitionen15 oder der Umgehung von Regierungskorruption16). Andere bezweifeln den Nutzen solcher Störungen, insbesondere wenn die neuen Technologien (z. B. POW-Technologien) einen intensiven Energieverbrauch haben und möglicherweise hohe soziale Kosten durch die damit verbundenen Kohlenstoffemissionen verursachen17,18. Möglicherweise besteht erheblicher Spielraum zum Lernen19 und zur Umstellung auf alternative Produktionswege, die deutlich weniger Energie verbrauchen und dennoch die angeblichen Vorteile bieten20. Allerdings ist die Erzielung einer Nettoreduzierung des Energieverbrauchs aufgrund von Redundanzen (z. B. Anzahl der beteiligten Knoten oder Arbeitsbelastung) bei allen Arten der Blockchain-Technologie von Natur aus eine Herausforderung21. Vor diesem Hintergrund und im Rahmen umfassenderer Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels besteht die politische Herausforderung darin, Governance-Mechanismen für eine aufstrebende, dezentrale Industrie zu schaffen, zu der auch energieintensive Kriegsgefangenen-Kryptowährungen gehören22,23. Solche Bemühungen würden durch messbare, empirische Signale zu potenziell nicht nachhaltigen Klimaschäden unterstützt.

Mit Blick auf Bitcoin (BTC) schätzt diese Analyse die Klimaschäden durch Mining-Münzen und untersucht mehrere Kriterien, um zu signalisieren, wann diese Schäden möglicherweise nicht nachhaltig sind. Erstens sollte der Trend der geschätzten Klimaschäden pro abgebauten BTC mit zunehmender Reife der Branche nicht zunehmen. Zweitens sollte der Marktpreis pro abgebauten BTC immer die geschätzten Klimaschäden übersteigen; Das heißt, der BTC-Abbau sollte nicht „unter Wasser“ erfolgen, wobei die Klimaschäden pro Einheit für einen nennenswerten Zeitraum größer sind als die Münzmarktpreise. Drittens: Um die Nachhaltigkeit von BTC über einen bestimmten Zeitraum hinweg zu kontextualisieren, sollten die geschätzten Klimaschäden pro abgebauten Münze im Vergleich zu einem Referenzprozentsatz der Klimaschäden pro Marktwerteinheit anderer Sektoren und Rohstoffe günstig sein; z. B. solche, die wir regulieren oder die wir für nicht nachhaltig halten. Wir bieten diese messbaren Kriterien als „rote Fahnen“ für beginnende Klimaschäden durch eine aufstrebende Industrie an. Sie signalisieren die Notwendigkeit von Veränderungen (z. B. Produktionsalternativen). Ohne eine solche Änderung könnte es an der Zeit sein, auf einen „Business-as-usual“-Ansatz zu verzichten und kollektive Maßnahmen (z. B. eine stärkere Regulierung) in Betracht zu ziehen.

Die von Bitcoin (BTC) verwendete Proof-of-Work (POW)-Blockchain-Technologie ist energieintensiv5,24. Zum Vergleich: BTC ist eine Kryptowährung mit einer dezentralen Open-Source-Blockchain, deren öffentliches Hauptbuch im Jahr 200925 begann und Peer-to-Peer ohne zentrale Autorität (z. B. Bank oder Regierung) abgewickelt wird. Bis Dezember 2021 hatte BTC eine Marktkapitalisierung von etwa 960 Milliarden US-Dollar und einen weltweiten Marktanteil von etwa 41 % unter allen Kryptowährungen 26.

Die POW-Blockchain-Technologie ist energieintensiv, da der Blockchain neue Blöcke durch einen wettbewerbsorientierten, konsensgesteuerten Verifizierungsprozess hinzugefügt werden, der von Einzelpersonen oder Pools von „Minern“ durchgeführt wird. Miner verifizieren Transaktionen, die auf der Blockchain stattfinden, und konkurrieren gleichzeitig um die korrekte Bereitstellung einer eindeutigen Transaktionskennung oder eines „Hashs“ für einen Block27. Miner, die als Erste eine bestimmte Anzahl von Transaktionen verifizieren und die korrekte Hash-Kennung angeben, werden mit einer neuen Kryptowährung belohnt und ein neuer Block wird zur Kette hinzugefügt28.

Die Bereitstellung der richtigen Hash-Kennung erfordert aufgrund des dezentralen Produktionsprozesses enormen Energieaufwand, was den Wettbewerb fördert und ein „Winner-takes-all“-Spiel schafft27. Während Miner auf der ganzen Welt darum konkurrieren, so schnell wie möglich neue Blöcke zur Kette hinzuzufügen (d. h. indem sie Schätzungen über die Ziel-Hash-ID [„Hash-Rate“] generieren), setzen sie hochspezialisierte Computerausrüstung und -maschinen ein (bekannt als „ Bergbauplattformen“), die erhebliche Mengen Strom verbrauchen, um wettbewerbsfähig zu arbeiten4. Da Miner mit immer mehr Rechenleistung konkurrieren (z. B. wenn mehr Miner am Netzwerk teilnehmen oder effizientere Mining-Rigs eingesetzt werden oder beides), steigt die Gesamt-Hash-Rate des Netzwerks, was endogen die Rechenschwierigkeit erhöht, die zum korrekten Erraten erforderlich ist Ziel-Hash, wodurch der Gesamtenergieverbrauch der Mining-Aktivität erhöht wird29.

Unter Verwendung von Netzwerk-Hash-Rate-Daten von Januar 2016 bis Dezember 2021 und Daten zum Stromverbrauch und zur Effizienz von Mining-Geräten5,30 zeigt Abb. 1 den weltweiten Stromverbrauch von Mining-BTC und die Preise pro Münze. Auf der Grundlage dieser Schätzungen verbrauchte der BTC-Mining im Jahr 2020 75,4 TWh pro Jahr Strom, was mehr Energie ist als Österreich (69,9 TWh pro Jahr im Jahr 2020) oder Portugal (48,4 TWh pro Jahr im Jahr 2020)31. Es besteht ein allgemeiner Aufwärtstrend beim BTC-Stromverbrauch und eine enge Korrelation zwischen den BTC-Preisen und dem Energieverbrauch im Bergbau. Der Rückgang der BTC-Börsenpreise und des Energieverbrauchs im Bergbau im Sommer 2021 ist wahrscheinlich zum Teil darauf zurückzuführen, dass China Finanzinstituten und Zahlungsunternehmen die Bereitstellung von kryptowährungsbezogenen Transaktionen verbietet32.

Globaler 7-Tage-Durchschnitt des täglichen Stromverbrauchs der Bergbauaktivität (rechte Achse) und Münzwechselpreis in US-Dollar (linke Achse) für Bitcoin (BTC). Dargestellt sind Daten vom 1. Januar 2016 bis 31. Dezember 2021. Der Stromverbrauch wird auf der Grundlage der von Blockchain Charts (https://www.blockchain.com/charts) heruntergeladenen Netzwerk-Hash-Rate-Daten und der Effizienz der Mining-Rigs (siehe Abschnitt „Methoden“) berechnet. Preise heruntergeladen von Yahoo! Finanzen (https://finance.yahoo.com/cryptocurrencies/). Alle Netzwerk-Hash-Rate- und Preisdaten werden in den Zusatzdaten bereitgestellt.

Schätzungen der Universität Cambridge deuten darauf hin, dass der Großteil des Stroms, der zum Mining von POW-Kryptowährungen verwendet wird, aus Kohle und Erdgas stammt, obwohl die Nutzung von Wasserkraft in China wahrscheinlich vorherrschend war, bis das Mining von Kryptowährungen dort verboten wurde32,33. Weltweit werden schätzungsweise 39 % des POW-Bergbaus mit erneuerbarer Energie betrieben, was bedeutet, dass nicht erneuerbare Energien wie fossile Brennstoffe den Großteil (ca. 61 %) antreiben33. Aufgrund seines erheblichen Energieverbrauchs aus fossilen Brennstoffen trägt das Kryptowährungs-Mining zu globalen Kohlenstoffemissionen30,34 und damit verbundenen Umweltschäden35 bei. Goodkind et al.29 schätzten, dass im Jahr 2018 jeder durch Bergbau geschaffene BTC-Marktwert in Höhe von 0,49 US-Dollar (US-Dollar) an Gesundheits- und Klimaschäden in den USA und 0,37 US-Dollar (US-Dollar) in China verursacht wurde. Krause und Tolaymat5 schätzten, dass BTC-, Ether-, Litecoin- und Monero-Münzen im Zeitraum Januar 2016 bis Juni 2018 für 3–15 Millionen Tonnen CO2-Emissionen verantwortlich waren. Zum Vergleich: Im Jahr 2018 wurden aus Afghanistan ähnliche Mengen CO2 ausgestoßen (7,44 Millionen Tonnen). ), Slowenien (14,1 Millionen Tonnen) und Uruguay (6,52 Millionen Tonnen)36.

Da die Bergbauanstrengungen im Laufe der Zeit zugenommen haben, gehen wir davon aus, dass die CO2e-Emissionen (Kohlendioxidäquivalent) pro erstellter Münze stark ansteigen. Unter Verwendung einer globalen Schätzung des Standorts von BTC-Minern und des lokalen Strommixes sowie regionaler CO2e-Emissionskoeffizienten nach Erzeugungsart37 ist ein im Jahr 2021 abgebauten BTC für den 126-fachen CO2e-Ausstoß eines im Jahr 2016 abgebauten BTC verantwortlich – ein Anstieg von 0,9 auf 113 Tonnen (t) CO2e pro Münze von 2016 bis 2021 (Abb. 2A).

Globale Schätzungen der Klimaschäden, CO2e-Emissionen und Klimaschäden des Bitcoin (BTC)-Minings als Anteil des Münzpreises. (A) Geschätzte Klimaschäden ($/geminte Münze) und CO2e-Emissionen (t/geminte Münze; Balkendiagramm) von BTC. Eine nichtlineare Trendlinie wurde an die Schadensdaten pro Münze angepasst, um Zeittrends zu veranschaulichen (gepunktete Linie). (B) Klimaschäden als Anteil des Münzpreises für BTC. Bei den angezeigten Werten handelt es sich um den laufenden 7-Tage-Durchschnitt. Die Klimaschäden pro in (A) geschürfter Münze wurden durch den täglichen Marktpreis der Münze dividiert und mit 100 multipliziert, um sie für die Berechnung in (B) in Prozent umzuwandeln. 100-t-1-Schadenskoeffizient für CO2e-Emissionen, basierend auf Bereichen in der von Experten begutachteten Literatur. Der Schadensersatz ist in US-Dollar angegeben. Die Schätzungen reichen vom 1. Januar 2016 bis zum 31. Dezember 2021. Die verwendeten Emissionsfaktoren und die Daten zu Klimaschäden finden Sie in den Zusatzdaten.

Mit steigenden CO2e-Emissionen pro erzeugter Münze nahmen die Klimaschäden durch die Herstellung von BTC im Laufe der Zeit zu (Abb. 2A). Unter Verwendung eines Schadenskoeffizienten von 100 t−1 für CO2e-Emissionen (Dollarwerte in US-Dollar (US-Dollar), sofern nicht anders angegeben), der allgemein als soziale Kosten von Kohlenstoff (SCC) bezeichnet wird, führte jeder im Jahr 2021 geschaffene BTC zu Klimaschäden in Höhe von 11.314 US-Dollar , im Durchschnitt, wobei der weltweite Gesamtschaden aller im Jahr 2021 abgebauten Münzen 3,7 Milliarden US-Dollar übersteigt. Zwischen 2016 und 2021 werden die gesamten globalen BTC-Klimaschäden auf 12 Milliarden US-Dollar geschätzt. Angesichts des rasanten Preisanstiegs bei BTC Ende 2020 machten die Klimaschäden des Bergbaus im Jahr 2021 25 % der Marktpreise aus (Abb. 2B). Dieser Prozentsatz ist nützlich, um das Ausmaß der externen Effekte auf den Marktpreis des Produkts zu normalisieren. In Abb. 2B bieten wir zwei mögliche Bereiche an, die Anlass zur Sorge geben: wenn die Klimaschäden als Anteil des Münzpreises zwischen 50 und 100 % liegen (gelb dargestellt) und wenn sie > 100 % betragen (rot dargestellt). Ersteres läge über dem Durchschnitt von Goodkind et al.29, während letzteres Zeiten darstellt, in denen BTC pro Münze „unter Wasser“ war (d. h. Klimaschäden, die den Marktpreis der Münze überstiegen). Bei deutlich niedrigeren Preisen in den Jahren 2019 und 2020 betrugen die BTC-Klimaschäden durchschnittlich 64 % des Marktpreises. An mehr als einem Drittel der Tage im Jahr 2020 überstiegen die BTC-Klimaschäden den Preis der verkauften Münzen. Der Schaden erreichte im Mai 2020 mit 156 % des Münzpreises seinen Höhepunkt, was darauf hindeutet, dass jeder in diesem Monat geschaffene BTC-Marktwert für 1,56 US-Dollar an globalen Klimaschäden verantwortlich war.

Bei unserem ersten Nachhaltigkeitskriterium, dass „der Trend der geschätzten Klimaschäden pro abgebauten BTC nicht zunehmen sollte, während die Branche reifer wird“, scheitert BTC. Es gibt einen klaren Aufwärtstrend bei den pro Münze geschätzten Klimaschäden, wie aus der nichtlinearen Trendlinie in Abb. 2A ersichtlich ist. Anstatt mit zunehmender Reife der Branche zu sinken, ist jede neue BTC-Münze im Durchschnitt mit zunehmenden Klimaschäden verbunden.

BTC erfüllt auch unser zweites Nachhaltigkeitskriterium, dass „der Marktpreis pro abgebauten BTC stets über den geschätzten Klimaschäden liegen sollte.“ Aus Abb. 2B geht hervor, dass der BTC-Klimaschaden zu mehreren Zeitpunkten im Jahr 2020 im Verhältnis zum Münzpreis mehr als 100 % betrug (rot markierte Bereiche). BTC befand sich in diesen Zeiträumen „unter Wasser“, was bedeutet, dass jede abgebauten Münze Klimaschäden verursachte, die den Marktpreis der Münze überstiegen. Im Zeitraum 2016–2021 lag BTC an 6,4 % der Tage unter Wasser, und der Schaden überstieg an 30,6 % der Tage 50 % des Münzpreises.

Ein Schlüsselparameter, bei dem wir aufgrund der verfügbaren Beweise von einer Reihe von Werten ausgehen, ist der SCC. Für unsere Basisschätzung folgen wir Pindyck38 und wählen $100 t−1. SCC ist der geschätzte Barwert des finanziellen Schadens, der durch den heutigen Ausstoß einer zusätzlichen Tonne Kohlenstoff entsteht, und monetisiert die negativen sozialen externen Effekte der Kohlenstoffemissionen38. Aus politischer und regulatorischer Sicht ist SCC ein Schlüsselparameter für die Bewertung der sozialen Kosten (d. h. derjenigen, die nicht im Marktpreis berücksichtigt werden) eines Produkts oder einer Dienstleistung mit hohem Energieverbrauch. Carleton und Greenstone39 weisen auf die zentrale Rolle der offiziellen SCC-Schätzung der US-Regierung sowohl in der nationalen als auch in der internationalen Klimapolitik hin. Die SCC-Schätzung hat in der Wirtschaftswissenschaft eine lange Geschichte40,41,42 und solche Werte werden häufig verwendet39.

Allerdings besteht bei Analysen, die SCC-Schätzungen verwenden, zwar Annahmen über deren Wert oder Reichweite, es besteht jedoch kein Konsens38. Es gibt eine wachsende Literatur sowohl zur Schätzung des SCC als auch zur Modellierung des optimalen SCC für die Preisgestaltung der Externalität43. Der derzeit von der US-Regierung geschätzte SCC-Wert beträgt 51 t−1 CO2e in inflationsbereinigten Dollar für 202044. Allerdings ordnete Präsident Bidens Executive Order Nr. 13.990 (20. Januar 2021) eine Aktualisierung dieses Werts an45.

Selbst eine ausgewählte Übersicht aktueller Studien zur SCC-Schätzung deckt ein breites Spektrum an Werten ab38,40,43. Abhängig von unterschiedlichen Annahmen und Ansätzen können neuere empirische Studien problemlos einen Wertebereich um unseren SCC-Basiskoeffizienten von 100 $ t−1 CO2e unterstützen, von +/−50 $ t−1 auf beiden Seiten. Um einen Teil dieser Variabilität darzustellen, verwenden wir zwei alternative SCC-Werte, um die Basislinie von 100 t−1 zu erhöhen: (i) 50 t−1 CO2e (entspricht im Wesentlichen dem Wert für 2020 der Schätzung der US-Regierung von 2010) und; (ii) 150 t−1 CO2e.

Wir schätzen die Klimaschäden von BTC anhand dieser alternativen SCC-Werte neu (Ergänzungstabelle 1). Die hohen und niedrigen Werte des SCC passen die geschätzten Klimaschäden proportional zum Basiswert von 100 t−1 CO2e an und haben großen Einfluss auf die Größenordnung der geschätzten Schäden. Bei 150 t-1 CO2-Äquivalenten betrugen die BTC-Klimaschäden pro abgebauten Münze im Zeitraum 2016–2021 durchschnittlich 4.632 USD, verglichen mit 1.544 USD bei 50 t-1 CO2-Äquivalenten und 3.088 USD bei 100 t-1 CO2-Äquivalenten aus den Ergebnissen in Abb. 2A. Bei einem hohen SCC befanden sich die Klimaschäden zwischen 2016 und 2021 in 17 % der Fälle unter Wasser (69 % der Tage im Jahr 2020), wohingegen bei einem niedrigen SCC die Klimaschäden nie unter Wasser lagen. Unabhängig vom SCC-Wert haben die Klimaschäden des BTC-Bergbaus von 2016 bis 2021 erheblich zugenommen, mit anhaltender Aufwärtsbewegung.

Die Schätzungen der CO2e-Emissionen und Klimaschäden hängen entscheidend von Annahmen über den Anteil erneuerbarer Stromquellen ab, die beim Kryptowährungs-Mining verwendet werden. Aufgrund der dezentralen und anonymisierten Natur des Kryptowährungs-Minings ist die Bestimmung der tatsächlichen Energiequellen eine Herausforderung und es gibt keine primären Datenquellen30. Dies hat in der Literatur zu einer Reihe von Schätzungen geführt. Frühere Arbeiten deuten darauf hin, dass der Anteil erneuerbarer Energien (z. B. Solar-, Wind- und Wasserkraft), die bei POW-Bergbauprozessen genutzt werden, erheblich schwanken kann, von 25,1 % des gesamten Stromverbrauchs des Bergbaus37 über 39 %33 bis hin zu bis zu 73 %46. Einige der Unterschiede in den Schätzungen sind auf die untersuchten Zeiträume zurückzuführen. China, einst eine große Quelle des globalen Bitcoin-Minings, das wahrscheinlich erhebliche Mengen an erneuerbarer Wasserkraft nutzte30, verbot im Jahr 2021 das gesamte Kryptowährungs-Mining32. Dies scheint den weltweiten Anteil erneuerbarer Energien, die von Bitcoin-Minern genutzt werden, drastisch verändert zu haben, was zu einem erhöhten Einsatz fossiler Brennstoffe geführt hat37 . Daher wäre zu erwarten, dass die Schätzungen zum Anteil erneuerbarer Energien vor und nach dem China-Verbot unterschiedlich ausfallen würden, und zwar möglicherweise erheblich. Andere Unterschiede, wie etwa die zur Lokalisierung von Bergleuten verwendeten Methoden, Annahmen zur Effizienz von Bergbauanlagen und Kühlbedarf sowie Annahmen zu Stromquellen, können ebenfalls zu Unterschieden in der Bandbreite der Schätzungen führen, die in früheren Arbeiten gefunden wurden30,37.

Angesichts der großen ermittelten Bandbreiten erweitern wir unsere Analyse um ein alternatives Szenario mit höherem Anteil an erneuerbarem Strom. In diesem Szenario erhöhen wir den Anteil der erneuerbaren Energien, die zum Schürfen von Kryptowährungen verwendet werden, vom Basiswert von 38,5 % (plus 5,2 % Atomkraft) auf ein Szenario mit 50 % mehr erneuerbaren Energien (auf insgesamt 57,8 % plus 5,2 % Atomkraft). Dieses Szenario stellt eine hypothetische Situation dar, in der Kryptowährungs-Miner wesentlich mehr erneuerbare Energien als im Basisszenario nutzen und eine große Mehrheit (63 %) des Stroms aus direkt kohlenstofffreien Quellen (erneuerbare Energien und Kernenergie zusammen) stammen.

Im Vergleich zum Basisanteil erneuerbarer Energien verringert die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien beim BTC-Mining die damit verbundenen Klimaschäden pro abgebauten Münze (Ergänzungstabelle 2). Bei einem Anstieg des erneuerbaren Anteils um 50 % belaufen sich die BTC-Klimaschäden auf etwa zwei Drittel des Ausgangswerts. Doch selbst für dieses Szenario mit hohem Anteil erneuerbarer Energien belaufen sich die Klimaschäden immer noch auf durchschnittlich 23 % des Münzpreises (2016–2021), obwohl die Bergleute nur 37 % ihres Stroms aus fossilen Brennstoffen beziehen. Selbst wenn BTC-Miner den Großteil ihres Stroms aus erneuerbaren Energien und direkt kohlenstofffreien Quellen beziehen, gibt es immer noch große und wachsende Klimaschäden.

Aus Abb. 2B, die die Klimaschäden pro Münzmarktpreis zeigt, geht hervor, dass das Verhältnis der BTC-Schäden zum Preis von 2020 bis 2021 zurückgegangen ist. Dies bedeutet nicht unbedingt, dass der POW-Mining-Prozess nachhaltig ist. Um diese Verhältnisse zu kontextualisieren, vergleichen wir die Klimaschäden mit einigen anderen relevanten Rohstoffen und Wirtschaftsprodukten: (i) Stromerzeugung nach Quelle (Wasserkraft, Wind, Sonne, Kernkraft, Erdgas und Kohle), (ii) verarbeitetes und verbranntes Rohöl als Benzin, (iii) Automobilnutzung und -herstellung (Sport Utility Vehicles (SUVs) und mittelgroße Limousinen), (iv) landwirtschaftliche Fleischproduktion (Huhn, Schweinefleisch und Rindfleisch) und; (v) Edelmetallabbau (Seltenerdoxide (REOs), Kupfer, Platingruppenmetalle (PGMs) und Gold). Abbildung 3 zeigt die Klimaschäden pro Marktpreiseinheit (% des Preises) für BTC im Vergleich zu den Klimaschäden über den gesamten Lebenszyklus dieser 16 anderen Rohstoffe.

Die Klimaschäden des Bitcoin (BTC)-Minings als Anteil des Münzmarktpreises (2016–2021), verglichen mit der vollständigen Lebenszyklusanalyse der Klimaschäden als Anteil des Marktpreises für andere Rohstoffe (für ein einzelnes Jahr). Der Schadensersatz wird in Prozent ausgedrückt (% des Marktpreises). Zu den BTC-Klimaschäden zählen nur der Energieverbrauch und die Emissionen aus dem Betrieb von Bergbauanlagen, nicht jedoch Klimaschäden im Zusammenhang mit der Kühlung und Herstellung von Bergbauanlagen oder anderen potenziellen Quellen kohlenstoffäquivalenter Emissionen. Dadurch liegen die geschätzten BTC-Schäden im Vergleich zu den Schäden über den gesamten Lebenszyklus der anderen gezeigten Waren unter der Grenze. Die Klimaschäden für die anderen dargestellten Rohstoffe und Wirtschaftsprodukte werden anhand von Lebenszyklusschätzungen aus der Fachliteratur und von US-Regierungsbehörden in Kombination mit öffentlich verfügbaren Preisdaten berechnet. Alle Daten zu Rohstoffpreisen und Lebenszyklus-Klimaschäden finden Sie in den Zusatzdaten.

Der Klimaschaden von BTC betrug durchschnittlich 35 % seines Marktwerts (2016–2021) und 58 % (2020–2021). Damit gehört BTC zu den anderen energieintensiven oder stark umweltschädlichen Rohstoffen wie der Rindfleischproduktion, der Stromerzeugung aus Erdgas oder Benzin aus Rohöl und ist wesentlich schädlicher als das, was wir als nachhaltigere Rohstoffe wie die Hühner- und Schweinefleischproduktion bezeichnen könnten und erneuerbare Stromquellen wie Sonne und Wind. Insbesondere bei Solar- und Windkraftanlagen liegen die Klimaschäden über ihren gesamten Lebenszyklus als Anteil ihrer Marktpreise um eine Größenordnung unter denen von BTC im Zeitraum 2016–2021. Der BTC-Abbau erzeugt auch Klimaschäden pro Einheitspreis, die um eine Größenordnung über denen liegen, die durch den Abbau von Edelmetallen wie Gold, Kupfer, PGMs und REOs verursacht werden, die im Vergleich zu BTC alle einen durchschnittlichen Marktwert von < 10 % pro Einheit haben Durchschnittlich 35 % im Zeitraum 2016–2021. Im konkreten Fall von Gold, das von einigen als wichtiger Wertaufbewahrungsmittel und Absicherung gegen die Volatilität von Aktien, Anleihen und dem US-Dollar angesehen wird47, sind die Klimaschäden von BTC ein relativer Ausreißer. Bezogen auf den Marktpreis von Gold belaufen sich seine Klimaschäden auf durchschnittlich 4 %; Die durchschnittlichen Klimaschäden von BTC im Zeitraum 2016–2021 sind 8,75-mal höher.

Angesichts des hohen Anteils der Klimaschäden am BTC-Marktpreis fragen wir: „Welcher Nutzungsanteil erneuerbarer Stromquellen würde dazu führen, dass die BTC-Produktion ähnliche Auswirkungen auf die Klimaschäden hat wie nachhaltigere Rohstoffe?“ Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass, wenn der Anteil erneuerbarer Stromquellen für den Zeitraum 2016–2021 von 38,5 auf 88,4 % (mit zusätzlichen 5,2 % aus Kernkraft) – ein Anstieg um 129 % – steigen würde, der Anteil der Klimaschäden am Münzpreis für BTC von 35 sinken würde bis 4,0 %; in ihrer Größenordnung den Klimaschäden von Solarenergie oder Gold ähneln.

Ohne einen so extremen Anstieg des Anteils erneuerbarer Energie im Bergbau werden die Klimaschäden von BTC im Vergleich zu nachhaltigeren Rohstoffen ein Ausreißer bleiben. Somit erfüllt der BTC-Bergbau derzeit unser drittes Nachhaltigkeitskriterium nicht, nämlich dass „die geschätzten Klimaschäden pro abgebauten Münze im Vergleich zu einem Referenzprozentsatz der Klimaschäden pro Marktwerteinheit anderer Sektoren und Rohstoffe günstig sein sollten“. Obwohl der BTC-Abbau nicht so klimaschädlich ist wie die Kohleverstromung, verursacht er im Verhältnis zu den Marktpreisen ähnliche Schäden wie die Benzin-, Erdgas- und Rindfleischproduktion. Keines davon würde im Allgemeinen als nachhaltig angesehen werden48,49.

Digital knappe Güter werden wahrscheinlich weiterhin bestehen bleiben und Innovationen in verschiedenen wirtschaftlichen Dimensionen hervorbringen, die einen Mehrwert für die Menschen schaffen. Es ist wichtig, diesen breiteren Kontext von den Elementen dieser digitalen Wirtschaft zu trennen, die möglicherweise besonders große Nachhaltigkeits- und Klimabedenken haben (siehe die Executive Order von Präsident Biden zu Kryptowährungen für die US50 vom März 2022). Unser Fokus liegt auf der dominierenden Kryptowährung BTC, die ein äußerst energieintensives, wettbewerbsfähiges POW-Mining-System nutzt. Während Gesellschaft und Nationen die Vorteile und Kosten verschiedener digital knapper Güter abwägen, bieten wir einen empirischen Ansatz zur Bewertung von BTC-Nachhaltigkeitsbedenken.

Wir stellen fest, dass für 2016–2021: (i) die Klimaschäden durch BTC pro Münze zunahmen; (ii) Im Verhältnis zum Marktpreis lagen die Klimaschäden von BTC an 6,4 % der Tage unter dem Niveau und die Schäden überstiegen an 30,6 % der Tage 50 % des Münzpreises; und (iii) der durchschnittliche BTC-Klimaschadenanteil betrug im Berichtszeitraum 35 %, was im Bereich zwischen der Rindfleischproduktion und dem Benzinverbrauch (aus Rohöl verarbeitet) liegt, aber geringer ist als bei der Stromerzeugung aus Kohle. Die Klimaschäden von BTC pro Marktpreiseinheit sind etwa eine Größenordnung höher als bei der Wind- und Solarenergie; Das heißt, die Leistung liegt weit über allen verfügbaren Benchmarks für erneuerbare Energien. Zusammengenommen stellen die Ergebnisse eine Reihe von Warnsignalen für jede Betrachtung als nachhaltiger Sektor dar (Investition oder anderweitig). Während Befürworter BTC regelmäßig als eine Art „digitales Gold“51,52 anbieten, verhält sich BTC aus Sicht der Klimaschäden eher wie „digitales Rohöl“.

Es gibt eine Reihe wichtiger Vorbehalte bezüglich unserer angebotenen Kriterien. Was zunächst unser zweites Kriterium betrifft, könnte die Aussagekraft unseres „Unterwasser“-Benchmarks (bei dem das Verhältnis der Klimaschäden pro Münze zum Marktpreis 100 % nicht überschreitet) in Frage gestellt werden. Diese Überschreitung tritt bei BTC in 6,4 % des Studienzeitraums auf. Dies mag zwar eine eindeutige Alarmschwelle sein, ist sie aber möglicherweise zu schwach? Warum nicht 50 % oder sogar unter 25 % bleiben? Um dies zu berücksichtigen, wenden wir uns unserem dritten Kriterium zu, bei dem wir Vergleiche mit anderen Rohstoffen und Sektoren anstellen. Dabei könnte es ein bevorzugtes Nachhaltigkeitskriterium sein, unter einem Anteil von 10 % für eine aufstrebende Technologie zu bleiben – ein Wert, der von BTC an 96 % der Tage in unserer Studie überschritten wird.

Wir weisen darauf hin, dass die Anteile unserer Vergleichsrohstoffe alle vollständige Schadensschätzungen über den Lebenszyklus darstellen, nicht jedoch für BTC. Daher werden die BTC-Aktien in dieser ersten Untersuchung deflationiert und dabei die Kohlenstoffemissionen aus der Kühlung von Bergbauanlagen, der Herstellung von Bohranlagen, Elektroschrott, dem Bau von Gebäuden usw. außer Acht gelassen, wo in der Literatur nur sehr vorläufige Schätzungen der Auswirkungen zu finden sind35. Ein weiterer Vorbehalt in Bezug auf unser zweites und drittes Kriterium bezieht sich auf die sich häufenden Beweise dafür, dass die Preise einiger Kryptowährungen durch erhebliche Spekulationen und sogar Manipulationen (sogenanntes „Kryptowaschen“) in die Höhe getrieben werden können. 13. Natürlich wird ein überhöhter Preis künstlich sinken das geschätzte Verhältnis von Klimaschäden zu Preis. Sofern es zu einer künstlichen Preisinflation kommt, kann die Schadensquote bei einem nicht manipulierten Preis höher ausfallen als hier dargestellt. Schließlich haben wir uns ausschließlich auf Klimaschäden konzentriert, aber viele Technologiebewertungen berücksichtigen auch gesundheitliche Schäden durch Emissionen. Daher sind unsere Nachhaltigkeitsbewertungen für BTC aus mehreren Gründen äußerst konservativ.

Obwohl dies nicht der Schwerpunkt dieses Dokuments ist, könnte ein alternativer Prozess zur Herstellung von Kryptowährungen zu POW, bekannt als Proof-of-Stake (POS), verwendet werden, um den Energieverbrauch beim Kryptowährungs-Mining zu senken. POS funktioniert so, dass Validatoren Münzen halten und einsetzen müssen, wobei der nächste Blockschreiber auf der Blockchain nach dem Zufallsprinzip ausgewählt wird und denen mit größeren Einsatzpositionen höhere Gewinnchancen zugewiesen werden53. Da POS auf Randomisierung und gemeinsamer Validierung basiert, benötigt es keine nennenswerte Rechenleistung und verbraucht daher nur einen Bruchteil des Stroms wie POW-Mining. Ethereum, die zweitgrößte Kryptowährung nach Marktkapitalisierung26, soll irgendwann im Jahr 2022 von POW auf POS umsteigen und seinen geschätzten Energieverbrauch um 99,95 % senken54. Wenn Bitcoin, die dominierende globale Kryptowährung, ebenfalls von POW zu POS wechseln könnte, würden sein Energieverbrauch und damit auch seine in dieser Arbeit geschätzten Klimaschäden wahrscheinlich vernachlässigbar werden. Allerdings scheint die Wahrscheinlichkeit, dass BTC auf POS umsteigt, derzeit gering55.

Es gibt keinen Mangel an Befürwortern digital knapper Güter und der damit verbundenen Innovationen. Sogar auf den Seiten von Nature Climate Change argumentiert Howson20: „Eine übermäßige Fixierung auf die Ineffizienz einiger Kryptowährungen wird wahrscheinlich dazu führen, dass das Blockchain-Baby mit dem Badewasser von Bitcoin ausgeschüttet wird.“ Aber die Gefahr der Pfadabhängigkeit und der technologischen Bindung an eine aufstrebende Industrie56,57 stützt das Argument, dass POW-basierte Kryptowährungen, die den Marktanteil dominieren, tatsächlich besondere Aufmerksamkeit verdienen. Unsere kontrafaktischen Berechnungen zeigen, dass extreme Änderungen erforderlich wären, um BTC nachhaltig zu machen (z. B. beim erneuerbaren Mix). POW-basierte Kryptowährungen befinden sich auf einem unhaltbaren Weg. Wenn die Branche ihren Produktionsweg nicht von Kriegsgefangenen auf POS verlagert, muss diese Klasse digital knapper Güter möglicherweise reguliert werden, und Verzögerungen werden wahrscheinlich zu zunehmenden globalen Klimaschäden führen.

Schätzungen der Klimaschäden durch Bitcoin-Mining folgen den in der vorhandenen Literatur in diesem Bereich beschriebenen Methoden5,29. Die primäre Zinsschätzung ist der Stromverbrauch pro abgebauten BTC-Münze (in kWh pro Münze), abgeleitet aus der täglichen Netzwerk-Hash-Rate der BTC-Blockchain58; Dies ist die Anzahl der Berechnungen im Netzwerk in Gigahashes pro Sekunde (GH/s). Mithilfe einer Schätzung der durchschnittlichen Effizienz von BTC-Mining-Rigs in Joule (J) pro GH haben wir den Gesamtstromverbrauch (in kWh/Tag) des Netzwerks in Gleichung berechnet. (1), nach Umrechnung von J/s in Kilowatt (kW) und Multiplikation mit 24 Stunden pro Tag:

Wir haben die Gesamtzahl der pro Tag geschürften BTC-Münzen in Gl. berechnet. (2) unter Verwendung der durchschnittlichen Zeit in Minuten pro Tag, bis ein Block zur Blockchain hinzugefügt wird59, und der Miner-Belohnung in BTC-Münzen pro Block:

Wenn man den Stromverbrauch des Netzwerks durch die Anzahl der Münzen dividiert, erhält man den Strom pro Münze in Gl. (3):

Die Multiplikation von Strom pro Münze mit einer globalen Durchschnittsschätzung des Treibhausgasemissionsfaktors (EF) für Strom im BTC-Netzwerk (in kg CO2e/kWh) ergibt unsere Schätzung der Emissionen pro Münze in Gl. (4). Die verwendeten Emissionsfaktoren sind in den Ergänzenden Daten angegeben.

Klimaschäden pro Münze werden berechnet als Emissionen pro Münze multipliziert mit dem SCC (in $/t CO2e) in Gl. (5):

Der Schaden als Anteil des Münzpreises nimmt den Schaden pro Münze und dividiert ihn durch den täglichen Marktpreis von 60 BTC. Alle Schätzungen des jährlichen oder mehrjährigen Schadens pro Münze oder des Schadens pro Anteil des Münzpreises basieren auf einem täglich generierten gewichteten Durchschnitt über Tage hinweg (d. h. gewichtet nach der Anzahl der täglich generierten Münzen).

Während unseres Untersuchungszeitraums verbesserten Mining-Rigs die Effizienz der Hash-Berechnungen pro Energieeinheit. Für BTC haben wir die jährliche durchschnittliche Anlageneffizienz aus den Verkaufsdaten im Jahr 2016–2018 berechnet und dann die Effizienz des beliebten ANTminer s15 für die Anlageneffizienz für 2021 verwendet. Wir haben eine nichtlineare Beziehung (Gleichung 6) zwischen diesen Daten angepasst Berechnen Sie einen abnehmenden, aber abflachenden Rig-Energieverbrauch pro Hash für jeden Tag in unserem Untersuchungszeitraum:

Dabei ist „Tage“ die Anzahl der Tage seit dem 1.1.1900.

Die Treibhausgasemissionen der Stromerzeugung des BTC-Miner-Netzwerks stammen aus37. Wir haben ihre monatlichen Schätzungen der globalen Emissionsfaktoren (kg CO2e/kWh) von September 2019 bis August 2021 gemittelt und diesen Durchschnitt auf unseren Untersuchungszeitraum angewendet. Die Emissionsfaktoren in37 basieren auf den Standorten der Mining-Pools und den Strommixen von Ländern und Unterländern (China und USA) sowie erzeugungsquellenspezifischen Emissionsfaktoren. Als Sensitivitätsanalysen verwendeten wir Emissionsfaktoren aus zwei anderen Quellen: (i) von 30 und; (ii) der durchschnittliche US-Strommix pro Jahr unter Verwendung von Stromquellen- und Erzeugungsmix-Schätzungen verschiedener US-Regierungsbehörden61,62. Die Ergebnisse dieser Analysen sind in der Ergänzungstabelle 3 aufgeführt und ähneln qualitativ unseren Basisergebnissen.

Es werden Klimaschäden aus 16 Vergleichsgütern berechnet: Stromerzeugung nach Quelle (Wasserkraft, Wind, Sonne, Kernkraft, Erdgas und Kohle); Rohöl, das zu Benzin verarbeitet und verbrannt wird; Automobilnutzung und -herstellung (Sport Utility Vehicles (SUVs) und Mittelklasselimousinen); landwirtschaftliche Fleischproduktion (Huhn, Schweinefleisch und Rindfleisch) und; Edelmetallabbau (Seltenerdoxide (REOs), Kupfer, Platingruppenmetalle (PGMs) und Gold). Für jeden Rohstoff verwenden wir Schätzungen der CO2e-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus pro Produktionseinheit und multiplizieren diese mit dem SCC, um die Klimaschäden pro Einheit zu ermitteln. Die Klimaschäden pro Einheit werden durch den Marktpreis dividiert, um den Schaden als Anteil am Warenwert zu erhalten. Alle Daten zu Rohstoffpreisen und CO2e-Emissionen pro Produktionseinheit finden Sie in den Zusatzdaten.

Für den Stromsektor haben wir die durchschnittlichen Lebenszyklus-CO2e-Emissionen pro erzeugter kWh Strom für die USA aus dem NREL61 nach Quellentyp und den Stromerzeugungsmix nach Quellentyp für jedes Jahr aus dem US EIA62 verwendet. Für den Marktpreis für Strom verwenden wir den durchschnittlichen Einzelhandelspreis 2016–2021 für die Sektoren Wohnen, Gewerbe, Industrie und Transport aus der US-Umweltschutzbehörde EIA63.

Für den Agrarfleischsektor haben wir von der FAO64,65 Schätzungen der Lebenszyklus-CO2e-Emissionen pro Kopf erhalten; für Nordamerika (Schweinefleisch), für Nordamerika (Broiler), für Nordamerika (Rindfleisch). Wir haben die durchschnittliche Fleischmenge pro Schlachtkörper angepasst, um die Emissionen pro kg Fleisch zu erhalten (Schwein: 65 %, Rindfleisch: 65 %, Huhn: 100 %), wobei wir Daten von staatlichen Beratungsdiensten der Universitäten66,67 verwendet haben. Der Hähnchenpreis gilt pro Schlachtkörper (nicht pro kg Fleisch) und somit werden 100 % des Schlachtkörpers verwertet. Bei den Preisdaten handelt es sich um gemittelte Daten aus den Jahren 2016 bis 2020, die vom USDA Economic Research Service für Schweine-, Rind- und Hühnerfleisch stammen68.

Für Benzin aus Rohöl verwenden wir eine Schätzung der Well-to-Wheel-Lebenszyklusemissionen aus der Literatur69 und den durchschnittlichen Einzelhandelspreis für Benzin 2016–2021 aus der US-Umweltschutzbehörde EIA70.

Für Fahrzeuge verwenden wir über eine Lebensdauer von 15 Jahren Schätzungen der Gesamtbetriebskosten und der Emissionen aus dem Fahrzeugbetrieb. Dabei gehen wir von 14.263 Meilen pro Jahr71 aus, basierend auf einem Ford Explorer aus dem Jahr 2019 für ein Sport Utility Vehicle (SUV) und einem Toyota Camry aus dem Jahr 2019 als Mittelklassefahrzeug -große Limousine. Wir addieren Fahrzeugemissionen aus der Herstellung sowie der Materialproduktion und -gewinnung unter Verwendung von Daten aus der von Experten begutachteten Literatur72.

Für Edelmetalle wurden Jahrespreise (US-Dollar pro Feinunze, US-Dollar pro Pfund oder US-Dollar pro kg) für Seltenerdoxide (REOs), Kupfer, Platingruppenmetalle (PGMs) und Gold aus dem USGS-Mineral 2021 ermittelt Rohstoffzusammenfassungen für 2016–202073. Die CO2e-Emissionen pro Masseneinheit über den gesamten Lebenszyklus stammen von74 für Gold, von der International Platinum Group Metals Association75 für PGMs, von76 für Kupfer und von77 für REOs.

Alle in diesem Dokument verwendeten Daten sind im Artikel und in der Zusatzinformationsdatei enthalten oder wie angegeben online öffentlich verfügbar.

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Die Autoren möchten Eytan Libedinsky für seine Beiträge als wissenschaftlicher Mitarbeiter an diesem Projekt danken.

Fakultät für Wirtschaftswissenschaften, University of New Mexico, 1 University of New Mexico, MSC 05 3060, Albuquerque, NM, 87131, USA

Benjamin A. Jones, Andrew L. Goodkind und Robert P. Berrens

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Konzeptualisierung: BAJ, ALG, RPB; Methodik: BAJ, ALG, RPB; Untersuchung: BAJ, ALG, RPB; Visualisierung: ALG; Verfassen des Originalentwurfs: BAJ, RPB; Schreiben, Überprüfen und Bearbeiten: BAJ, ALG, RPB

Korrespondenz mit Benjamin A. Jones.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 13. April 2022

Angenommen: 17. August 2022

Veröffentlicht: 29. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18686-8

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