撰文：
James Butterfill，CoinShares 研究主管
Max Shannon，CoinShares 分析师
Alex Schmidt，CoinShares 指数基金经理
Satish Patel，CoinShares 投资分析师
编译：Sean，Techub News
摘要
增长和可持续性问题：在 2023 年，比特币挖矿网络规模增长了 90%，这一迅猛增长引发了各界对比特币挖矿行为在环境、可持续性及盈利能力等方面的广泛关注与质疑，尤其在比特币网络效率和能源消耗成本方面。
挖矿动态及算力趋势：比特币挖矿难度调整机制保障了供应端的稳定性。在比特币减半事件发生后，较高成本的矿工可能因直接收益的下降而陷入困境。本报告评估了减半后单个比特币的平均挖矿成本，结果显示平均成本为 37,856 美元。
挖矿网络效率提升：比特币挖矿网络对电力的需求在不断攀升，与此同时，挖矿网络的效率也已实现显著提高。Nonce 数据有助于分析各类挖矿模型在效率层面的表现。当前，该网络的平均能效为 34 W/T，预计到 2026 年中期，可能降低至10 W/T。
比特币挖矿对环境影响：比特币矿工往往选择在偏远地区利用闲置能源进行挖矿活动。根据 Daniel Batten 的说法，当前约 53% 的比特币挖矿能源来源于可再生资源。此举大幅度减轻了天然气燃烧产生碳排放对环境造成的负面影响。
减半后矿工财务分析：2024年减半后，矿工的生产成本与盈利结构将发生变动。本文将重点关注上市矿企的成本结构差异以及其对减半事件的敏感度。
结论和矿企定位：多数矿企将面临高额的 SG&A（销售，一般和行政费用）挑战，亟待削减成本以维持盈利。若比特币价格不能够持续保持在 40,000 美元以上，预计仅有少数矿企能够实现盈利。
比特币挖矿网络的增长
比特币挖矿网络经历了快速的增长，截至 2023 年，全网算力实现了 104% 的提升。这种迅速扩张的现象引发了人们对其可持续性的担忧，主要涉及环境影响及挖矿盈利能力两个方面。在本文中，CoinShares 将针对这两个方面进行探讨。下列表格展示了比特币减半后，矿工个体平均挖矿成本的详细数据。其中，数据显示的平均挖矿成本为 37,856 美元，这一数据表现尤为突出。
在某种程度上，比特币挖矿与传统挖矿存在相似之处，即均通过消耗能源来创造具有价值的资产。然而，二者的相似点仅限于此。比特币挖矿难度调整机制确保了供应端的稳定性。在比特币挖矿周期的某一阶段，位于成本曲线价格之上矿工将承受损失，算力也会随之下降，原因在于价格涨幅无法抵消挖矿难度的提升。
无论矿工数量介于二人或高达二十万，新产生的比特币总量始终保持恒定，直至下一预定减半事件发生。在网络集体算力显著提升的情况下，挖矿难度将会相应上调，以维持目标产出水平，进而会导致成本较高的矿工逐渐被市场淘汰。CoinShares 的分析将关注上市矿企的成本结构差异，以及关注那些最易受到 2024 年 4 月比特币减半事件影响的矿企。
为了对未来算力的发展趋势进行预测，CoinShares 首要的任务是对历史数据进行分析。定性推理认为，算力增长在一定程度上将由比特币价格的变动所驱动：乐观的增长预期可能激发矿工提高算力，因为他们认为这样做有利可图。然而，这种观点仅取决于矿企对未来的价格预期。
历史数据显示，挖矿活动在减半事件发生前后有所上升。然而，由于其呈指数级增长，确立明确的周期具有一定的困难性（在此方面 CoinShares 已经做了相关工作）。鉴于算力往往为一个不稳定的数值，采用历史数据趋势中出现的偏差来分析相较于纯粹的定性分析，能够得出更为精确的研究成果。
问题的关键在于，多数趋势线对未来信息有一定的启示作用，CoinShares 当前所观察到的趋势线与过去趋势线所表现出的结果可能会存在差异。因此，最可靠的方法是依据样本外数据绘制一条趋势线，确保其不受未来发展的影响。
数据揭示了一种有趣的规律模式，即在减半周期之间存在一定的周期性变化。从历史角度来看，当前的算力峰值并不罕见。如下图所示，这一趋势呈现出了周期性的变化特征，清晰地展示了变化的规律。
自 2012 年首次实施比特币减半以来，随后分别在 2016 年和 2020 年进行了减半，至此呈现出一种特定模式：减半事件发生后，算力值往往较趋势线同期值低约 9%，此现象通常持续约六个月。2020 年后，情况相对特殊，由于中国实施了挖矿禁令，市场调整期被拉长，导致价格较趋势线同期值低约 42%。此类模型通常表现为算力在初始阶段呈现下降趋势，随后在周期中途中慢慢恢复，并在下一次减半前约一年的时间节点上出现活跃度激增。
在当前的周期中，这个逻辑推理依然适用：为实现减半预期下的竞争优势，矿工加大了资本支出，从而使算力显著偏离常态。在减半发生后，矿工的直接收入减少，进而影响了他们的资本支出周期。
值得注意的是，算力增长的峰值通常在减半前四个月左右出现，这可能源于｢比特币热潮｣导致挖矿难度急剧上升，从而迫使生产成本较高的矿工和矿机退出市场。当前的挖矿难度已处于历史高位，并与过往周期中的｢相对｣峰值相吻合。
在未来比特币算力的会达到什么数值？根据历史趋势，CoinShares 预测，比特币算力在 2024年 4 月经历减半事件后，将回升至约 450 EH/s 的水平。六个月后，预计算力可能降至 410 EH/s。此后，根据趋势线分析，2024 年底，算力将急剧上升至约 550 EH/s。
此次减半可能导致那些位于成本曲线较高部分的参与者被淘汰，从而让具备充足流动性的人士有机会以更优惠价格购置硬件。该情况的发生很大程度上取决于比特币价格是否上升至每个矿工的平均生产成本之上。此类现象的产生，可能是由于价格大幅度下滑，或是交易成本明显降低，如序数使用量减少等缘故所致。
提高挖矿网络效率
迄今为止，比特币挖矿设备种类众多，涵盖各种功耗、算力和效率。从历史角度来看，这种设备的多样性使得评估整体挖矿效率具有一定的挑战。CoinMetrics 的 Karim Helmy 利用随机数数据进行硬件指纹识别，进行了一系列有意义的研究。
在此，CoinShares 不对技术细节进行深入探讨，但 CoinShares 发现了一个关键点：比特币区块链上每个矿工模型都会留下显著的「vapour trail」。CoinShares 可以通过分析这个独特的签名，以确定网络内不同挖掘模型的分布。
鉴于各个挖矿模型的性能以能效（W/T）为单位，CoinShares 可以估算比特币挖矿队伍的整体效能。由于此路径呈现线性发展趋势，未来趋势也是相对可预测的。当前，网络加权平均能效为 34 W/T。仅 2023 年一年，能效便提升了 8%；过去三年里，能效增长了 28%。基于这一趋势，预计至 2026 年中期，随着芯片设计的不断优化及更高效挖矿硬件的应用，能效水平可能降至 10 W/T。
比特币挖矿始终致力于寻找最低成本的能源，这导致一些未接入现有电网的电力资源被使用。这类情况通常涉及偏远地区的可再生能源项目。因此，利用可再生能源产生的电力进行比特币挖矿活动的趋势日益凸显。
根据 Daniel Batten 的估算，当前比特币挖矿所使用的能源中，可再生能源的比例约为 53%。这一比例已经超过了金融行业，正如 Daniel Batten 所指出的，金融领域的能源消耗中，可再生能源所占比例仅约为 40%。
尽管近期算力显著提升，然而与之形成鲜明对比的是，网络效能却在持续下降。
CoinMetrics 的随机数数据详尽程度已达到前所未有的高度，从而使得 CoinShares 能够估算出年度用电成本，这一结果与剑桥大学的测算数据极为相近。
数据显示，尽管网络效率实现了显著提升，但年度累计用电量仍创下历史新高，达到 115 TWh，同比增长 44%。然而，得益于能效的持续优化，与算力增长相比，电力需求方面的增长相对较为缓和。
尽管部分数据来源难以追踪，但根据 Daniel Batten 关于挖矿排放强度的研究，碳排放量已呈现出显著下降趋势。自 2021 年以来，挖矿业每千瓦时的排放量已从接近 600 克二氧化碳降低至仅 299 克二氧化碳。
这一降低的原因可能在于可再生能源使用量的显著提升，可再生能源的使用比例由 2021 年的 33% 增长至目前的 52%。在一定程度上，ERCOT 电网燃料结构反映出了这一情况。根据 IEEFA 的数据，其中大部分比特币挖矿活动发生的地区，可再生能源在能源生产总量中所占比例从 2017 年的 20% 上升至 2023 年的 31%。
比特币有助于减少碳排放
正如 BBC 最近的一份报告所强调，天然气燃烧对环境造成的影响日益严峻。该报告揭示了海湾地区石油钻探活动以及与之相关的天然气过量燃烧的做法，这一做法对数百万人的生命产生了比先前认知更为严重的威胁。
尽管燃烧相较于排放更为环保，据 Mesa Solutions 称，燃烧能减少 92% 的二氧化碳当量排放，但其广泛应用仍引发诸多担忧。SkyTruth 提供的图像生动地揭示了在全球范围内该问题的严重性，黄色标记生动地展示了有过量燃烧活动的区域。
根据世界银行的数据预测，截至 2022 年，全球天然气燃烧量约为 1390 亿立方米，这一数字相当于中美洲与南美洲天然气消费总和。据 Mesa Solutions 数据显示，当前，传统燃烧甲烷的方式每 1000 BTU 将产生 59 克二氧化碳当量的排放。然而，采用现代涡轮发电机的方式，每 1000 BTU 仅造成 22 克二氧化碳当量的排放，减排幅度达到了 63%。传统燃烧甲烷造成的污染程度是燃油汽车的三倍。
过量燃烧的主要难题在于其涉及的能源难以经济有效地储存或输送，导致频繁的燃烧现象。这类情况通常发生在无法接入电网或管道的偏远地区。CoinShares 坚信，比特币挖矿能够显著降低燃烧所引发的排放问题。这是由于挖矿设备及必要的发电机可封装于集装箱内，且在远离现有电网的偏远地区运行。
此外，过度燃烧通常会增加甲烷泄漏的风险。当部分天然气未能充分燃烧，从而逸散至大气中时，便会产生此类现象，尤其在风速较大条件下更为普遍。相比之下，涡轮机是甲烷泄漏率较低的设备之一，能显著降低此类事件的发生概率。
现如今，每年约有 4.06 亿吨二氧化碳通过天然气燃烧排放。然而，若将当前所有天然气均用于比特币挖矿，其排放量可降低至约 1.52 亿吨二氧化碳。这意味着，在全球范围内，比特币挖矿有潜力将过量燃烧排放量降低至仅占全球二氧化碳排放总量的 0.41%，从而将全球二氧化碳排放量减少 1.1%。
迄今为止，仅约有 120 兆瓦的比特币挖矿效能得以利用闲置天然气资源。因此，若比特币挖矿业务进一步扩大对这类被浪费天然气的应用，其在降低全球碳排放方面将具有巨大潜力。
减半对比特币矿工的影响
在本文中，CoinShares 对 2023 年第三季度比特币生产成本与现金成本的加权平均值进行了估算，分别为约 16,800 美元和 25,000美元。预计 2024 年 4 月发生的减半事件将导致这些成本分别上升至 27,900 美元和 37,800 美元。鉴于其高效的成本结构和较长的运营期限，Riot 在应对这些变化方面具有较强能力。CoinShares 对上市及私人矿企财务报表的分析假设比特币价格为 40,000 美元，矿企所面临的较大压力可能主要源于 SG&A（销售，一般和行政费用）支出过高。
方法
CoinShares 针对 2023 年第三季度的财务分析，采取了制定调整后合并损益表的方法。此标准化适用于 14 家矿企的挖矿业务，其中 13 家为公开上市实体。截至 2023 年 12 月，这些矿企占所有比特币挖矿算力的 19%，在减半后约占 25%，网络算力为 450 EH/s。2023 年第三季度的数据主要来源于美国证券交易委员会（SEC）文件、官网公布的挖矿报告以及相关公开信息。
方法包括：
成本，主要是电力成本。
SG&A 去除了非现金支出，例如基于股票的分红等及增发等一次性付款。
利息费用仅考虑债务利息，不包括租赁费用及其他财务费用。
在减半事件之后，生产与运营的直接成本盈亏平衡点发生了显著变动，分别降至 27,900 美元与 37,800 美元。此种变化源于比特币区块奖励减半。
CoinShares 预测收入和支出的方法如下：
各家公司公布的预计算力决定了市场算力规模，CoinShares 估计减半时将达到 450 EH/s，相较于 500EH/s 下降约10%。
挖矿成本采用自下而上的计算方法，涵盖设备效率、电力成本、耗电量以及挖矿所获得的比特币数量。
假设公司 SG&A（销售，一般和行政费用）在与 2023 年第三季度相同的水准上保持稳定，基于公司费用不会因减半而导致较大变动。
利息支出取决于未偿还本金总额与定期利率的乘积。
CoinShares 全面的方法论确保了对减半前后的情况能够进行可标准化和可对比的财务分析，从而为 CoinShares 的运营决策提供有效指导。
矿工算力
比特币网络中，每隔十分钟，矿工们预计会计算出一个哈希值（随机 64 位字母数字），进而生成一个区块。随后，网络的其他部分将对该区块的正确性进行验证。
拥有更多算力（更多矿机，导致更多计算能力）的矿工控制着更大比例的网络算力，因此有更大的机会创建一个区块并获得区块奖励（目前为 6.25 枚比特币，2024 年 4 月左右，由于减半，将变为 3.125 枚比特币）并附加交易费用。矿工们本质上是在进行着一场算力竞赛，为此他们需要购置并接入尽可能多的设备。
矿工所使用的矿机数量越多，数据中心所需求的能源消耗也就越大。为满足这一需求，须投入大量资本支出，或依赖现金、股权融资，或采取债务融资方式。然而，债务融资可能因较高的利息支出对矿工的总生产成本产生不利影响，同时在比特币价格低谷时期，所面临的风险也将加剧。在 2022 年底，Core Scientific 公司进入破产保护程序，Mawson 公司未能偿还马歇尔贷款（Marshall Loan），这两家公司的案例均充分展现了这一现象。通过分析他们在 2023 年第三季度提交的文件，可见一斑（案例资料并不详尽）。
比特币的产量
比特币产量对于矿工的单位经济效益和成本结构具有至关重要的影响。为了在比特币产量减半后仍能保持相同的产出水平，矿工需要将其市场份额翻倍。然而，鉴于过去三年内网络算力的复合年增长率约为 53%，附加相关需要支出费用的增长，要达成这一目标无疑极具挑战性。比特币产量需要充分弥补减半后区块奖励减少造成的影响。
电费
比特币矿工的成本主要由能源费用和设备支出构成。根据 CoinShares 对矿企公开数据的分析，矿企的能源消耗平均为每千瓦时 4.5 美分。此类能源系通过批发市场购得，其主要来源可能包括现货市场、期货市场，或通过与能源供应商签订电力购买协议（PPA）来实现。
这类协议通常规定能源价格保持固定，并包含天然气等能源行业的「照付不议」（take-or-pay）条款。从另一方面来看，矿工对其设备拥有较大的控制权，他们也可通过采用能效更高的设备来减少能源费用。这些设备在单位哈希运算中消耗的电力相对会更少。
CoinShares 通过追踪的矿企数据，预计整体设备效能将在减半事件发生时，从 29 W/T 降低至 26 W/T。在 CleanSpark 和 Iris Energy 最近的一笔矿机交易中，CoinShares 观察到了矿工是如何通过更新设备来提升挖矿能效（即降低 W/T）的。此次交易中，它们分别购入了 4.4 EH/s 和 1.4 EH/s 的比特大陆 Antminer S21 矿机，其能效为 17.5 W/T，挖矿电费支出约为 14 美元/TH。
如图所示，尽管 T21 矿机属于较新的型号，但通过能耗与算力的综合比较，CoinShares 发现 S21 矿机在各方面均表现出色，超越了其他所有矿机。这主要归功于 S21 具备更高的算力和更低的功耗。
下图展示了矿企设备效率在减半前后的变化情况。需要注意的是，尽管多数矿企致力于提升设备整体能效（W/T），但其直接成本结构并未得到优化。这是因为，如上文所述，矿工在产出相同数量的比特币时，需增加对电力和资源的消耗。在减半前，比特币电力成本在现金成本结构中所占比例约为 68%，而在减半后，该比例上升至约为 71%。出现小幅增长的主要原因在于矿企挖矿规模及能源价格的小幅上升。
矿工生命周期（Miner runway)
CoinShares 将矿工生命周期（Miner runway）定义为，矿工运用现金及比特币储备以维持其运营能力的天数。在整个行业中，并无标准的资金管理策略。一部分人倾向于大量积累其产出的比特币，俗称「HODL」，而另一部分人选择将产出的比特币进行适时出售。
在比特币牛市行情中，那些资本充足且比特币余额较大的矿企可能会获得更高的股权溢价，比如 Riot。反之，在比特币的熊市周期中，那些在赛道上竞争力较弱的选手，若他们仍需高现金成本运营，可能就会面临风险，类似 Stronghold 这样的矿企就属于这种情况。
挖矿现金成本
如下图所示，CoinShares 认为，Riot、TeraWulf 和 Cleanspark 在即将到来的减半事件中具备优势。矿产企业所面临的一项重大挑战便是巨额的 SG&A 费用。为实现盈亏平衡，减半事件可能迫使矿企削减 SG&A 费用，否则将持续亏损，甚至不得不变现其「HODL」余额及其他流动资产。
备注：Iris Energy 和 Cormint 的数据基于 2023 年第二季度的文件、管理会议和月度产出报告
结论
根据 CoinShares 分析，Riot 可能在应对减半事件方面具有优势，这主要得益于其成本结构以及跨周期能力。矿企所面临的诸多困境可能主要源于 SG&A 费用，为了保持盈利，这些费用可能需要进行适度削减。
总体来说，CoinShares 认为，除非比特币价格稳定在 40,000 美元以上，否则仅有以下五家矿企有能力保持盈利：Bitfarms、Iris、CleanSpark、TeraWulf 和 Cormint。在市场竞争中，所有矿企都面临股权稀释的风险。这是因为矿企可能会采取扩大股本或债务转换等举措。
备注：Iris Energy 基于第二季度的文件，Cormint 基于第二季度的数据
声明：
本文档中包含的信息仅供一般参考。本文件中的任何内容均不应被解释为 CoinShares 集团任何成员对任何投资产品或服务的要约（或与之相关的任何招揽）。在任何情况下，使用 CoinShares 集团的任何投资产品或服务均须遵守相关的适用法律和法规。
本文件针对专业和机构投资者。投资价值可能会上升或下降，您可能会损失部分或全部投资金额。过去的表现并不一定能对未来有指导意见。本文档包含历史数据，历史表现并不代表未来的表现，投资价值可能会上下波动。
