El gasto energético en Bitcoin

Desde hace unos años, los medios generalistas han publicado, publican y seguirán publicando artículos sobre el inmenso gasto energético que es necesario para mantener funcionando la red Bitcoin. Algunos medios indican el 1% del total de la energía mundial. La conclusión que quieren sacar (mejor dicho, la opinión que quieren crear en el lector) es evidente: si gasta tanto, entonces Bitcoin es malo para el medio ambiente.

De esta manera, buscan poner en contra a todos los concienciados con el medio ambiente que quieren un desarrollo energético sostenible basado en las energías renovables. Resulta que yo soy uno de esos concienciados y comprometidos con el desarrollo energético sostenible, así que el tema me preocupa bastante.

¿Será verdad, será tan perjudicial?

En primer lugar, vamos a calcular cuánto es el gasto energético a día de hoy y vamos a compararlo con el total mundial, para ver cómo de real es la estimación del 1%.
Después veremos si resulta necesario buscar un algoritmo o hardware más eficiente para disminuir este consumo.
Por último veremos la sinergia que el mining de Bitcoin tiene con las fuentes de generación renovable.

Parte I: Cálculo del gasto energético de Bitcoin

Antes de hacer unos cálculos, vamos a ver en qué consiste el mining, a efectos de lo que nos interesa. Bitcoin resuelve un problema fundamental para conseguir dinero elctrónico ¨peer to peer¨. Es el problema del doble gasto, es decir, cómo evitar que una cantidad concreta de moneda se use dos veces, en dos transacciones. Esto es trivial con dinero físico (el mismo billete no se lo puedes dar a dos personas ya que si se lo das a una dejas de tenerlo) o con el dinero electrónico mediante un tercero de confianza (Banco) pero era un problema sin resolver de manera ¨peer to peer¨, sin tercero de confianza para el dinero electrónico. Satoshi lo resolvió haciendo que todos los nodos lleguen a un consenso sobre cuál es la historia de las transacciones y ese protocolo de consenso se basa en Proof of Work.

¿Qué es Proof of Work? En esencia consiste en “hacer artificialmente difícil” que un bloque sea válido. ¿Cómo? Para que un bloque de transacciones sea válido no basta con que todas las transacciones sean válidas. Hay un requisito adicional, que es que el hash de la cabecera del bloque (sha256) sea más pequeño que cierto valor (target). De esta manera se hace muy difícil conseguir un bloque válido.
La tasa de aparición de bloques en la red es de 1 bloque cada 10 minutos en promedio, independientemente de cuánta gente mine. Si mina poca gente es más fácil y si mina más gente se vuelve más difícil. Bitcoin autoajusta la dificultad cada 2016 bloques, de manera que el promedio siga siendo un bloque cada 10 minutos.

Y … ¿por qué alguien dedicaría sus recursos de CPU y de energía para encontrar bloques? Por la recompensa de encontrar un bloque válido, que consiste en los nuevos bitcoins que en ese bloque se emiten (nuevos bitcoins creados) más las comisiones de las transacciones incluidas en el bloque.
Con este esquema de incentivos se consigue que de manera espontánea haya “miners” (los que realizan los hashes para encontrar bloques válidos) dedicando recursos (hardware + energía) a esta tarea.
Hacer operaciones SHA256 gasta energía. Así que el negocio del mining consiste esencialmente en consumir energía y vender los bitcoin minados para pagarla.
De ahí el nombre, ya que la analogía con el minado tradicional, de oro por ejemplo, es total en este sentido.

¿Cómo sabemos cuánta energía consume Bitcoin?
Tenemos que observar que se mina en todas partes del mundo, y mina quien quiere, sin restricciones. No hay ningún registro de quién mina, no hay “licencia para minar” (en Bitcoin todo es voluntario y “permisionless”), así que no podemos ir a un registro a “leer” esa cantidad. Hay que calcularla.
¿Cómo la calculamos?
Con algunos datos y haciendo aproximaciones y suposiciones. Veamos cuáles:
La capacidad total de hashing de la red Bitcoin en Agosto de 2020 es de 130 Exahashes/s. (130.000.000.000.000.000.000 hashes/s).(II)

Tomando los datos de uno de los ¨miners¨ más eficientes, el AntMiner S17 Pro de Bitmain (I):

  • Hashing power: 53 Th/s.
  • Consumo: 2094 w
  • Eficiencia: 40 J/Th o, equivalentemente, 11 kwh/EH

Con estos datos, ¿cuánto es la energía que consume la red en un año?

Et = H *Eh = 130*3600*24*365*11 = 45*109 kwh

Es decir, 45 Twh.

Posibles objeciones:

1.- No todos los equipos de minería son el AntMiner S17 Pro.

Cierto, no todos. Pero para que el negocio sea rentable no se puede minar con un equipo que sea mucho menos eficiente.
El ¨mining¨ se produce allí donde la energía es más barata y con los equipos más eficientes. De hecho con el actual ¨hashing rate¨ y precio de Bitcoin, incluso con el ¨miner¨ más eficiente, es necesario un precio de la energía inferior a 0,05 $/kwh para que sea rentable, lo cual es un precio bastante barato. Si la energía te cuesta más de lo que obtienes por los bitcoin minados, cuanto más minas, más pierdes.

Pero ¿y si tienes acceso a energía muy barata? En realidad tampoco tiene mucho sentido minar con un equipo poco eficiente. Si en un momento dado con un equipo cuya eficiencia sea la mitad del S17 estás obteniendo un 5% de margen (por ejemplo), entonces se obtendría más de un 50% de margen con el equipo más eficiente. Es decir, si la eficiencia es el doble, el margen no pasa del 5% al 10%, el margen pasa del 5% al 50%. Es decir, hay unos incentivos muy fuertes para minar con los equipos más eficientes en cada momento y conforme se va mejorando la tecnología de los ASIC para hacerlos más eficientes, los más antiguos (menos eficientes) van dejando de usarse.
Por todo esto, es razonable hacer la estimación con un miner eficiente, que además tiene ya un año de vida. No obstante, para nuestro cálculo conservador, vamos a considerar un 30% más de energía. Con esto en vez de 45 Twh, estimamos 58 Twh.

2.- Hay que considerar también la energía para la refrigeración.

Cierto. No toda la energía que se consume en un Data Center es dedicada a los equipos electrónicos. Hay otro equipamiento que también consume, en gran parte para refrigeración . El coeficiente PUE (Power Usage Effectiveness) es una medida de la eficiencia de un Data Center. Es la cantidad total de energía consumida por el DC dividida entre la energía consumida por los servidores (en nuestro caso los ¨miners¨). Data Centers con PUE por debajo de 1.2 son considerados eficientes. La media de PUE de los DataCenters de Google es de 1.11.
Según el estudio de la Universidad de Cambridge (IV), el PUE de los Data Centers dedicados al mining de Bitcoin es del orden de 1.1.
¿Es razonable este dato?
En la práctica no es posible hacer un análisis exhaustivo de todas las granjas de ¨mining¨ y, además, tampoco así llegaríamos a un valor exacto puesto que cualquiera puede minar desde su casa uninéndose a un ¨pool¨. No toda la capacidad de ¨mining¨ está en Data Centers. Pero podemos advertir dos cosas:

  • ¿Quién puede minar? Cualquiera. Bitcoin es permisionless.
  • ¿Dónde se puede minar? En cualquier parte del mundo.

Como prácticamente no existen barreras de entrada, el negocio está siempre muy ajustado. Esto implica que no habrá grandes granjas de servidores donde además de pagar la electricidad consumida por los miners haya que pagar también una cantidad importante de electricidad para refrigerar. Estas granjas no serían rentables.
Por otra parte existen casos donde el calor producido no es desperdiciado, sino que se usa para calentar una casa o un edificio. En este caso, no solo no necesitamos refrigeración, sino que el calor producido por el mining lejos de ser un desperdicio, tiene una utilidad. En este caso un miner es, además, un calefactor eléctrico. El coste de refrigerar podría considerarse incluso negativo.
Así pues, parece bastante razonable el dato del estudio de la universidad de Cambridge. Aun así, en este análisis vamos a ser conservadores y tomar 1.2 en vez de 1.1. Aplicando este factor al valor anteriormente obtenido tenemos 70 Twh.

Ahora nos queda la otra parte: ¿cuánta energía se consume en todo el mundo en 1 año?.

Este es un dato que no podemos calcular, pero hay diferentes estimaciones que podemos leer y que no difieren demasiado unas de otras. Tomamos el dato de wikipedia: 157.000 Twh / anuales (III)
Con esto, la proporción del gasto de Bitcoin respecto al total es: 70/157.000 = 0,045%

En resumen, después del análisis y los factores de corrección anteriores podemos decir que:

En 2020 la red Bitcoin consume menos del 0,05% de la energía total mundial.

¿Es mucho?
Mucho es relativo y también subjetivo. En el próximo apartado entraremos a analizar si es mucho o no, pero de momento sí hemos hallado una cosa muy importante, que conviene no pasar por alto: todos los artículos que hablan de un 1% de la energía mundial son, en el mejor de los casos, basura. Y digo en el mejor de los casos porque algunos son algo mucho peor: propaganda malintencionada. Propaganda con el objetivo de crear una opinión muy negativa en aquellos a los que nos preocupa el medio ambiente y el desarrollo sostenible.

Vamos ahora a ver el segundo aspecto, la crítica de que aunque no sea el 1%, se “desperdicia” demasiada energía porque el protocolo no es eficiente.

Parte II: El gasto energético de Bitcoin es excesivo e ineficiente

Esta parte no es tan sencilla. No basta con tomar unos datos, multiplicar, dividir y ver que nos mienten. Como he dicho antes, “mucho” o “excesivo” es relativo y subjetivo.

Pero el error es de base, puesto que al tratar de juzgar si es excesivo o no, estamos asuminedo que cuanto más gasta es peor. Y ese es, en mi opinión, un error que nace al no entender de dónde surge la inmutabilidad y seguridad en Bitcoin. En definitiva, se presenta como un problema algo que es una característica fundamental. Vamos a ver por qué no es malo este gasto energético y desde luego, no es ineficiente.
Algunos entusiastas de “blockchain” suponen que la inmutabilidad es una propiedad inherente de una blockchain simplemente porque los bloques están enlazados con un puntero hash, pero esto no es así. Si no hubiese Proof of Work, un PC de sobremesa podría reescribir toda la blockchain (todo el historial de transacciones) en poco tiempo, ya que serían necesarios “pocos” hashes para reescribir todo.

Sin Proof of Work, para cambiar algo en el bloque 1 habría que recalcular el hash del bloque 1 y por tanto modificar el puntero en el bloque 2, lo cual cambiaría el hash del bloque 2 y habría que calcularlo de nuevo para escribirlo en el bloque 3 y así sucesivamente. Un hash por bloque… menos de un millón de hashes. Las tarjetas gráficas de PC pueden hacer millones de hashes por segundo con lo cual, sin un mecanismo adicional a la propia estructura de la blockchain (sin Proof of Work), se podría reescribir toda la historia fácilmente.

La inmutabilidad no es una propiedad de blockchain, es una propiedad de Proof of Work + blockchain

Y ¿qué es Proof of Work? En realidad, algo muy simple. En esencia consiste en “hacer artificialmente difícil” que un bloque sea válido. ¿Cómo? Con el requerimiento de que el hash de la cabecera del bloque empiece por un número determinado de 0´s.
¿Cuántos 0´s? Al principio eran 10, actualmente 76. Bitcoin autoajusta la dificultad para que la tasa de aparición de bloques en la red sea, en media, de 1 cada 10 minutos.
Cuantos más 0´s son necesarios para considerar que el bloque sea válido, más hashes hacen falta en promedio para encontrar el hash adecuado y por tanto más difícil es encontrar un bloque valido.

Pero … ¿por qué alguien dedicaría sus recursos de CPU y de energía para encontrar bloques? Por la recompensa de encontrar un bloque válido, que consiste en los nuevos bitcoins que se emiten en ese bloque (nuevos bitcoins creados) más las comisiones de las transacciones incluidas en el bloque.

Con este esquema de incentivos se consigue que haya “miners” (los que realizan los hashes para encontrar bloques válidos) dedicando recursos (hardware + energía) a esta tarea. Así, la dificultad de reescribir el último bloque es proporcional a la dificultad de encontrar ese bloque válido (proporcional al Proof of Work de ese bloque). La dificultad de reescribir un bloque anterior es al menos el doble, puesto que hay que calcular 2 bloques válidos (aquí sí interviene la blockchain, dado que los bloques están encadenados por los punteros hash)… y todo esto en un tiempo menor al que el resto de la red encuentre el siguiente.

Cuanto más difícil es encontrar un bloque (más hashes son necesarios), más energía es necesaria, por tanto cuanta más energía, mayor seguridad (inmutabilidad).
¿Queremos que Bitcoin sea menos seguro? Que haya actores que puedan reescribir el historial de transacciones para quizás, decidir eliminar (censurar) alguna transacción o tal vez, robarnos nuestro dinero? No. No queremos que Bitcoin sea menos seguro. Por tanto:

No queremos que Bitcoin consuma menos energía. Es precisamente la energía que consume lo que proporciona la seguridad.

Pero, ¿y si encontráramos un algoritmo más “eficiente”? Eso sí lo queremos ¿no?.
Pues aunque parezca contra intuitivo, la realidad es que tampoco nos valdría para nada. Veamos por qué:

Digamos que encontramos una función hash que tiene todas las propiedades del SHA256 (usado en bitcoin) pero que se puede hacer un hardware cuya eficiencia energética es 10 veces mayor por hash, es decir, un hash con ese nuevo algoritmo se puede realizar con diez veces menos de energía. Pues bien, si ocurriera esto, en poco tiempo la red pasaría a realizar 10 veces más hashes y el coste energético total sería el mismo.

¿Por qué? ¿No podría consumir diez veces menos y seguir funcionando igual?
No. Bitcoin es open y esto no es solo una palabra bonita. De hecho es open en muchos sentidos: por supuesto en que es un proyecto opensource pero también en que es abierto a cualquiera que quiera participar en la red, cualquiera puede tener un nodo.

¿Qué tendrá que ver esto con la eficiencia del algoritmo y el gasto energético? Todo. Supongamos que se descubre un algoritmo nuevo que consume diez veces menos. Supongamos que con el “antiguo” algoritmo los mineros se gastan 60.000$ en electricidad por cada bloque y el beneficio de vender los bitcoins del bloque generado es de 61000$, entonces ganan 1000$ por bloque.
Si de repente se cambiara el algoritmo y generar un bloque costara 6000$ (diez veces menos)… entonces por cada bloque ganarían 55.000$… ¿Qué haría ese minero? ¿O qué haríamos los demás? Poner más recursos a minar. Entonces por un periodo de tiempo breve los mineros ganarían más dinero y habría bloques cada menos de 10 min, pero muy pronto la dificultad se ajustaría (incrementándose). Volverían a aparecer cada 10 minutos y con 10 veces más de hashes. En realidad no importa cómo de eficiente sea el algoritmo:

El coste de producir un bloque tenderá siempre a igualarse con los ingresos de producirlo.

No importa cómo de eficiente sea el nuevo algoritmo, no influye nada, el gasto energético lo determinará siempre el número de bitcoins obtenidos por un bloque multiplicado por el precio de un bitcoin. Sólo 2 variables que nada tienen que ver con la eficiencia de los equipos de mining ni de los algoritmos usados.
Algunos pueden pensar que entonces si el precio sigue subiendo el gasto energético aumentará indefinidamente. Pues tampoco tiene por qué ser así, puesto que Satoshi dejó grabada a fuego en el código la curva de emisión de Bitcoin. En el bloque h (h de height, es decir, la “altura” del bloque), el número de nuevos bitcoins creados (llamado “subsidio”) es:

donde E[x ] denota la parte entera de x.

Esto significa, 50 nuevos bitcoin en cada bloque durante los primeros 210.000 bloques, 25 bitcoin por bloque en los siguientes 210.000, 12,5 en los siguientes y así sucesivamente reduciéndose a la mitad cada 210.000 bloques (aproximadamente cada 4 años).
Es decir, cada vez se emiten menos bitcoins. De hecho llegará un momento donde ya no se emitan más. Sabemos (y lo sabemos desde el momento inicial), cuál será la cantidad total de bitcoins creados, que viene dado por:

Lo cual es algo menos (por el redondeo al octavo decimal) de 21 millones.

Como cada vez se emiten menos, hay también quienes se preocupan porque llegará un momento en el que no se emitan nuevos bitcoin (aproximadamente año 2140) y por tanto piensan que no habrá habrá miners. Entonces ¿se parará la red?

Pues no, tampoco pasará nada. De hecho, mucho antes de ese año, los ingresos de los miners serán mayores por las “fees” que por la emisión de los nuevos bitcoin de cada bloque. Hoy en día la recompensa de los miners está dominada por los nuevos bitcoin creados (emitidos) pero dado que esta recompensa se divide entre 2 cada 210000 bloques, llegará un momento donde la recompensa de los miners será fundamentalmente las “fees” de las transacciones incluidas en el bloque.

Por último, quiero resaltar que resulta contradictorio preocuparse al mismo tiempo por si el gasto es mucho y a la vez por si los miners no tienen suficientes ingresos. Como hemos visto antes, la recompensa de los miners y el gasto energético son dos maneras de ver la misma cantidad. No podemos estar preocupados de lo grande que es una y lo pequeña que es la otra porque son la misma.

Recapitulando:

  • 1.- La energía que consume Bitcoin no es el 1%. Es menos del 0,05% actualmente.
  • 2.- Este gasto, mucho o poco, no depende de la tecnología. Ni de la eficiencia de los ASICs ni de los algoritmos. No tiene ningún sentido buscar un algoritmo que no gaste.
  • 3.- El gasto energético es en última instancia la seguridad de la red. Más gasto, más seguridad, menos gasto, menos seguridad.
  • 4.- Debido a la curva de emision de nuevos bitcoin, una de las componentes del gasto se irá reduciendo, hasta llegar a 0.

Conclusión: el gasto energético no solo es mucho menor de lo que algunos medios quieren hacernos creer sino que además no tiene sentido intentar que sea menor.

Pero es que, además de todo esto, resulta que Bitcoin, al tener la capacidad de convertir la energía en dinero de manera ubicua, tiene una sinergia muy grande con las fuentes de energía renovables. Una posible instalación renovable podría ser rentable si va acompañada de algunos miners de Bitcoin y no ser rentable sin esto. Esto es debido a que el precio al que las centrales generadoras venden la energía es variable, en función de la oferta y demanda, pudiendo llegar incluso a 0 en algunos momentos del día. Las centrales de combustibles fósiles pueden dejar de quemar combustible si el precio no merece la pena pero un parque eólico no puede. Los parques eólicos y solares no consumen combustible, es el viento y el sol, que no son regulables. Bitcoin proporciona un “suelo” o precio mínimo al cual vender la energía generada.

Por todo lo anterior podemos concluir que Bitcoin no es malo para el medio ambiente, pero también podemos decir más:

Bitcoin es bueno para el medio ambiente, al ser un catalizador para la generación de energía eléctrica por medio de fuentes renovables.

Referencias:

(I) https://shop.bitmain.com/product/detail?pid=00020190407195201905KA2GYCYc0654
(II) https://www.blockchain.com/es/charts/hash-rate
(III) https://en.wikipedia.org/wiki/World_energy_consumption
(IV) https://www.cbeci.org/cbeci/methodology

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