Impacto ambiental de blockchain y las criptomonedas
Este artículo es un extracto de la publicación "Blockchain para lo Sostenibilidad: Ground Zero" de UNDP, D⅄N⛛MICS y EcoHouse.
Tl,dr: En este artículo se examina el impacto ambiental de la tecnología blockchain en general y, específicamente, en el caso de las criptomonedas que son su principal aplicación en la actualidad. Se destaca que la tecnología blockchain en sí no difiere significativamente de otras tecnologías centralizadas en términos de impacto ambiental. Sin embargo, el algoritmo de prueba de trabajo (proof of work, PoW) utilizado en muchas criptomonedas sí tiene un impacto sustancial en cuanto al consumo de energía, las emisiones de CO2 y los residuos electrónicos.
Introducción
Toda actividad humana, toda tecnología genera, en mayor o menor medida, impacto ambiental. Blockchain no es diferente. El objetivo de este artículo, basado en el informe Blockchain para la Sostenibilidad, es analizar el impacto ambiental de la blockchain y su principal aplicación en la actualidad, las criptomonedas, desde dos perspectivas: las emisiones de carbono por su consumo de energía y la generación de residuos electrónicos.
Blockchain en general no produce un impacto ambiental que los diferencie de otros sistemas como las bases de datos centralizadas. Sin embargo, las blockchain públicas masivas, particularmente aquellas que utilizan la prueba de trabajo (proof of work, PoW) como mecanismo de consenso consumen mucha energía (generada con altos porcentajes de combustibles fósiles), lo que produce una significativa cantidad de emisiones de carbono y residuos electrónicos.
Originalmente, las dos principales criptomonedas, Bitcoin y Ethereum, eran blockchain públicas que utilizaban PoW y producían una importante huella ambiental. Parte del impacto ambiental se redujo a partir de la exitosa migración de Ethereum a PoS (proof of stake), proceso conocido como “the Merge”, que implicó una reducción aproximada del 99,95% de su consumo de electricidad. Sin embargo, Bitcoin, la criptomoneda más grande, continúa utilizando PoW y no se ha planteado aún modificar su mecanismo de consenso.
Por diseño, PoW implica una competencia de suma cero (uno gana y los otros pierden) entre los mineros por resolver un acertijo computacionalmente complejo (sin ningún uso práctico1) y costoso, que requiere un alto consumo energético para solucionarlo. El hecho de que el acertijo sea difícil y costoso es lo que garantiza la seguridad del sistema, y la recompensa por resolver el acertijo (una criptomoneda), es lo que incentiva a los mineros a participar de esta competencia.
Cuanto más alto es el valor de recompensa, más incentivos tienen los mineros de resolver el acertijo, lo que aumenta la competencia entre mineros, el consumo energético y los residuos electrónicos (por la necesidad constante de actualizar el equipamiento para ser extremadamente eficientes), sin generar ninguna mejora de eficiencia en el sistema.
Por ende, PoW conlleva un alto consumo energético el que, a su vez, genera emisiones de gases efecto invernadero producto de la utilización de fuentes no renovables de energía. Su explicación se encuentra principalmente, en el hecho de que la mayoría de los mineros se encuentran ubicados en países con matrices energéticas hidrocarburíferas, que tornan a Bitcoin y otras criptomonedas en activos poco sostenibles.
En términos de impacto ambiental, PoW es el problema, no blockchain. Existen sistemas muy eficientes de blockchain, tanto públicos como privados, que consumen poca energía. La exitosa migración de Ethereum ha demostrado que es viable incluso para los sistemas ya establecidos. Como dice el referente cripto Bankless, “la solución a PoW es apagar PoW”.
En general, blockchain supone un consumo de energía ligeramente mayor que el de los sistemas tradicionales, sin embargo, también provee importantes ventajas operativas y de diseño que sistemas alternativos no proporcionan.
Eficiencia energética del blockchain
Existe una variedad de formas de aplicar blockchain, que generalmente difieren en dos dimensiones: mecanismo de consenso elegido y acceso (blockchain público vs. privado). Entonces, la eficiencia del sistema es una consecuencia directa del consumo energético, que depende del mecanismo de consenso utilizado y su aplicación.
Sedlmeir et al. (2020) compara la eficiencia energética aproximada de diferentes variantes de blockchain y sistemas centralizados para realizar una transacción, y concluye que los sistemas centralizados son más eficientes que cualquier versión de blockchain, inclusive versiones privadas, con un costo energético por transacción de 0.01 J en un servidor sencillo, 0.1 J en un sistema centralizado y 1 J en un blockchain privado.2
Las diferencias energéticas entre estas tecnologías no son tan amplias, particularmente si se considera que difieren en materia de seguridad y redundancia, por ende la elección de la tecnología adecuada dependerá de las funcionalidades necesarias en cada aplicación.3 Por ejemplo, elegir un blockchain privado significa que cada usuario puede tener una copia de la información, lo cual conlleva un gasto energético superior debido a la mayor redundancia y seguridad.
Sin embargo, hay importantes diferencias entre los sistemas centralizados y los blockchain públicos, pero incluso dentro de esta clasificación, existen importantes variaciones según del mecanismo de consenso elegido. Los autores estiman que una transacción en un blockchain público utilizando PoW como mecanismo de consenso consume 1.000.000.000 J (109 J), mientras que un blockchain público sin PoW consume aproximadamente 1.000 J (103 J) por transacción.
Por definición, los mecanismos de consenso y la redundancia implícita en las blockchain implican mayor consumo energético que los sistemas centralizados. Sin embargo, esta nueva tecnología tiene implicancias técnicas, políticas y económicas valiosas más allá de su consumo energético.
Criptomonedas
En la actualidad, las criptomonedas son la principal aplicación de blockchain públicos, que tal como se comentó previamente, fueron centrales para el desarrollo de esta tecnología. Por ende, es importante entender la dinámica e impacto ambiental de esta aplicación.
El punto más conflictivo respecto a las criptomonedas es su consumo de energía. En esta sección pretendemos analizar su impacto ambiental, como así también avizorar el futuro de esta tecnología que tiene solo 15 años de existencia, se encuentra en constante evolución y ha hecho grandes avances en materia de sostenibilidad.
No hay consenso sobre la metodología a utilizarse para medir el consumo electrónico de las diferentes criptomonedas, por ende, existe una variedad de estimaciones alternativas que suelen establecer rangos de confianza sobre elementos técnicos y/o económicos que conocemos de la tecnología. En general utilizaremos las más aceptadas en la literatura específica, pero también mencionaremos mediciones alternativas, que muchas veces resaltan elementos interesantes.4
Bitcoin
Sin lugar a duda, la criptomoneda que más energía consume es Bitcoin, tanto por su amplia adopción comparada con el resto de las monedas digitales, como por su diseño (ver figura debajo). La prueba de trabajo (PoW) elegida por Satoshi, (2008) por definición, es costosa en poder de cómputo y consecuentemente en energía, y el hecho de que sea tan costosa es lo que la hace segura e inmutable.5 De igual manera, las otras criptomonedas que utilizan PoW consumen amplias cantidades de energía, pero suelen ser menos adoptadas. Cabe señalar que el consumo energético de Bitcoin ha aumentado a medida que ha aumentado su adopción y su valor (ver figura 6 debajo).
Bitcoin: consumo anualizado de energía (TWh) – estimaciones y rango de confianza6
Fuente: elaboración propia sobre la base de CCFAF y Digiconomist (último dato disponible: 05/10/22)
El consumo anualizado de energía de Bitcoin es tan elevado que puede compararse con el consumo de electricidad de países completos, ubicándose en el puesto 34, con un nivel similar al de Kazakhstan (ver figura debajo).
Bitcoin vs. países: consumo eléctrico anualizado al 05/10/2022 (TWh, escala logarítmica)
Nota: el consumo de cada país está basado en estimaciones de la EIA, para el 2019 o el año más reciente. Fuente: CCFAF (2022)
Ethereum
La segunda criptomoneda más utilizada es Ethereum, que hasta el 15/09/2022 utilizaba PoW como mecanismo de consenso -al igual que Bitcoin- pero ha migrado hacia PoS reduciendo significativamente (99,95%) su consumo energético (ver sección “Alternativas PoW” para más información sobre la migración de Ethereum).7
Por ejemplo, el 13/09/2022 Ethereum utilizando PoW (que de ahora en más identificaremos como Ethereum-PoW) consumió 77,77 TWh (anualizado), pero a partir de la implementación de PoS, por ejemplo el 16/09/2022, Ethereum consumió únicamente 0,0124 TWh (anualizado) (ver figura debajo).8
Ethereum: consumo anualizado de energía (TWh) – estimaciones y rango de confianza
Fuente: elaboración propia sobre la base de Digiconomist (data al 05/10/22) y McDonald, K. (2021)
Antes de la migración a PoS, el consumo de electricidad de Ethereum-PoW era similar al consumo de Países Bajos (puesto 31) con la estimación de EECI o al de Ecuador (puesto 69) con la estimación de EEPUB (datos al 17/05/22). De sumarse el consumo de Bitcoin y Ethereum-PoW (BECI + EECI), el consumo energético era de 306 TWh, superior al de Italia (puesto 12).9
En general, se estimaba que Bitcoin constituía el 2/3 del total de consumo energético de las criptomonedas, mientras que el resto representaban un 1/3 adicional.10 La migración de Ethereum a PoS redujo sustancialmente el consumo de energía de las criptomonedas en general, pero el mismo continúa siendo elevado dado que Bitcoin continúa utilizando PoW.
Origen de la energía
A partir del consumo eléctrico de las diferentes criptomonedas, podemos estimar su huella de carbono. Sin embargo, el carbono equivalente generado por el consumo de electricidad de las criptomonedas depende del origen de la energía utilizada, es decir, si provienen de fuentes renovables o no renovables.
Existen dos formas de estimar el origen de la electricidad consumida, cada una con sus ventajas y desventajas. La primera, consiste en encuestas a los propios mineros donde autoreportan el porcentaje de energía renovable que utilizan.11 Según la encuesta realizada por CCFAF (2020), el 76% de los mineros utiliza energías renovables como parte de su mix de electricidad, pero únicamente el 39% de todo el consumo eléctrico utilizado para minar proviene de energías renovables (ver figura debajo).12
Energías renovables: porcentaje de mineros que utilizan algo de energía renovable y porcentaje total de la energía que proviene de fuentes renovables.
Fuente: CCFAF (2020)
Respecto a las fuentes de energía, el 62% de los mineros declara que utiliza energía hidroeléctrica, el 38% carbón, el 36% gas natural, el 17% energía eólica (ver CCFAF (2020) para mayor detalle). El mix de energías varía entre regiones, pero siempre predomina la energía hidroeléctrica, seguida de gas natural o carbón (en América Latina no se utiliza carbón), y en tercer lugar otras fuentes de energía.
La segunda alternativa, basada en la ubicación geográfica de los mineros, asume que estos utilizan energía renovable en la proporción de la matriz eléctrica de la región donde se encuentran ubicados.13 Es decir, si un minero está ubicado en Texas, EE. UU., se estima que consume energías renovables, gas natural y carbón en la misma proporción que la red general de electricidad de dicha región (metodología desarrollada originalmente por Vries et al. 2022).14
Sobre esta información podemos observar que en enero del 2022 los mineros de Bitcoin estaban ubicados en EE. UU. (38% del total), seguidos por los de China (21%), y luego los de Kazakstán (13%). Hasta mediados del 2021, China dominaba el minado de Bitcoin, incluso alcanzando un máximo de la serie del 75% del total en septiembre del 2019. En base a esta información, podemos estimar qué tipo de energía utilizan los mineros de esta red (ver figura debajo).
Origen de la electricidad consumida por la red de Bitcoin
Fuente: elaboración propia sobre la base de CCFAF a enero 2022.
La comunidad cripto en general tiene el objetivo de continuar aumentando la proporción de energía renovable, existiendo varias publicaciones que proponen alternativas en esa dirección.15 Sin embargo, su implementación y progreso todavía no han podido observarse. A su vez, muchos creen (mientras otros discuten) que las criptomonedas pueden contribuir al desarrollo de energías renovables, al estabilizar la demanda en la red e incentivar su desarrollo (ver sección “Energías renovables: ¿una alternativa realista?”).
Emisiones de carbono equivalente
En base a las estimaciones de consumo de energía eléctrica, la ubicación de los mineros e información sobre el mix de generación eléctrica, podemos calcular las emisiones carbono equivalentes del minado de las criptomonedas. Existe una variedad de estudios que estiman las emisiones de carbono equivalentes de Bitcoin, Ethereum-PoW o criptomonedas en general, que según los supuestos y las metodologías adoptadas pueden diferir sustancialmente.
Se estima que el minado de Bitcoin generó 56,3 MtCO2e durante el 2021 (estimaciones similares a De Vriers et al. (2022), 65.4 MtCO2 anuales según datos de agosto de 2021), y que las emisiones acumuladas alcanzarían 202,4 MtCO2e para finales de 2022 (ver figura debajo).16 A modo de comparación, las emisiones de Grecia son de 56.6 MtCO2, el equivalente a 0,19% de las emisiones totales a nivel global.17
De Vriers et al. (2022) estima que del total de emisiones de CO2 generadas por la red de Bitcoin en agosto 2021, Kazakhstan fue responsable de más del 25% de las emisiones (mientras solo procesaba el 18% del hashrate en dicho período), por generar mucha electricidad sobre la base de carbón duro (muchas emisiones). Le sigue EE. UU. con el 15,1% de las emisiones, donde se utiliza un importante mix de electricidad generada por gas natural (Texas) y carbón (Kentucky, Georgia).
Bitcoin: emisiones de carbono equivalente
Nota: hasta el 31/09/2019 se utiliza como referencia el mix de energía global, entre 01/10/2019 y 31/01/2022 se emplea el mix de energía según la ubicación geográfica de los mineros, y a partir del 01/02/2022 hasta el último dato disponible se usa el mix de energía al 31/01/2022 hasta disponer de nueva información. Fuente: elaboración propia sobre la base de CCFAF (datos hasta el 05/10/2022)
Un ejercicio interesante para visualizar el desafío de las emisiones de carbono generadas por Bitcoin, es realizado por Mora et al. (2018), donde estiman que se demoraría solamente 16 años en consumir el presupuesto de carbono disponible para evitar un aumento de 2ºC de la temperatura, suponiendo que Bitcoin se comienza a adoptar de forma generalizada para todos los pagos electrónicos.18
En conclusión, el gran consumo energético generado por las criptomonedas basadas en PoW tienen un importante impacto en materia de emisiones de carbono, dado que la generación de la electricidad requerida implica emisiones. Definitivamente, si la generación eléctrica fuera 100% renovable, el impacto ambiental de las criptomonedas basadas en POW sería menor (ver, por ejemplo, las bajas emisiones generadas por el minado de Bitcoin en el hipotético caso que toda la energía fuese hidroeléctrica). Sin embargo, hoy en día solo el 13,5% de la energía proviene de fuentes renovables, y la transición energética durará varias décadas, siendo una realidad con la que tenemos que coexistir y suponer una matriz renovable en la actualidad resulta utópico.19
Criptomonedas vs. medios de pagos centralizados
En la actualidad las criptomonedas conllevan un importante consumo de energía y sus consecuentes emisiones de carbono, a pesar de que su adopción todavía sigue siendo minoritaria, tanto en el porcentaje de la población que ha adquirido una criptomoneda como en el porcentaje del valor total transaccionado. Es decir, que conlleva un impacto ambiental significativo a pesar de su bajo nivel de utilización comparadas con otros medios de pagos.
La adopción de las criptomonedas continúa siendo baja a nivel internacional, pero crece rápidamente. Un primer indicador, es la cantidad de usuarios que utilizan criptomonedas. Por ejemplo, crypto.com (2022) estima que en diciembre 2021 el total de usuarios cripto alcanzará los 295 millones, principalmente impulsado por la adopción de Bitcoin (176 millones) y Ethereum (23 millones), y prevén alcanzar los mil millones de usuarios para fines de 2022.20 Sin embargo, no sólo es relevante el número de personas que utilizan las criptomonedas (usuarios o comercios) sino también la intensidad de uso (cuántas transacciones se realizan con ellas).
En comparación con medios de pagos electrónicos o únicamente con las tarjetas de crédito, las criptomonedas todavía son muy poco utilizadas. Durante el 2020, se estima que hubo 37,6 millones de transacciones en Bitcoin y 344,8 millones de transacciones en Ethereum, muy por debajo de las 468.000 millones de operaciones registradas por las principales empresas de tarjeta de compra (VISA, MasterCard y otros) o los 766.000 millones de transacciones electrónicas (no cash) que se estiman transcurren en un año.21
Entonces, para poner en perspectiva el consumo de energía y emisiones de carbono que generan las criptomonedas basadas en PoW, se suele comparar el consumo energético y las emisiones por transacción de una criptomoneda (generalmente Bitcoin) con las de un medio de pago centralizado, como puede ser una tarjeta de crédito (generalmente de VISA) (ver tabla debajo).22
Consumo de energía y emisiones por transacciones de criptomonedas
Fuente: elaboración propia en base a Digiconomist (05/2022 y 10/2022)
Desde la migración de Ethereum a PoS, su consumo energético por transacción se ha reducido sustancialmente (un 99,95% menos que antes) y se estima que actualmente cada transacción consume 26,06 Wh (es decir, 0,02606 KWh), encontrándose en un rango similar pero superior al de medios de pago centralizados.
Muchos critican la comparación entre sistemas descentralizados como Bitcoin/Ethereum y sistemas centralizados como VISA/Mastercard porque consideran que las criptomonedas no son un medio de pago, sino un sistema monetario y/o financiero independiente.23 Sin embargo, en nuestra opinión, su principal aplicación continua siendo como medio de pago, lo cual amerita dicha comparación, aunque en el futuro con la evolución de estas plataformas y el desarrollo de nuevas aplicaciones podría corresponder una interpretación y/o comparación diferente.
En resumen, las emisiones de las criptomonedas, en particular las criptomonedas que utilizan PoW como mecanismo de consenso, son muy altas. Esto sin considerar que el nivel de adopción de las criptomonedas todavía es muy bajo comparado con el de otros medios de pagos como tarjetas o pagos móviles. Sí más personas utilizan criptomonedas, o aumenta su intensidad de uso, el impacto ambiental de las mismas continuará creciendo rápidamente. Por ende, es importante analizar formas en las que blockchain pueda maximizar su impacto social minimizando su impacto ambiental.
Alternativas a PoW
El alto consumo energético de las criptomonedas y las emisiones generadas como consecuencia de la generación eléctrica se deben principalmente a la elección del mecanismo de consenso mayoritariamente utilizado en la actualidad. Por diseño, resolver los acertijos que presenta PoW requiere un importante costo computación, por ende energético y finalmente monetario, que busca garantizar la seguridad e inmutabilidad del sistema.
Por tal motivo, para reducir el impacto ambiental de las criptomonedas, la primera pregunta que debemos hacernos es si PoW es razonable. Cómo bien ha demostrado la migración de Ethereum a PoS, utilizar mecanismos de consenso alternativos, sea PoS o PoA, de por sí solo reduce fuertemente el consumo energético. Entonces, para algunos (dado que no existe un consenso) en la actualidad existe un trade-off entre la seguridad del sistema (PoW) y la mayor eficiencia energética (PoS/PoA).24
Con ese dilema en mente, la comunidad cripto ha tomado dos posturas. Por un lado, muchos desarrolladores consideran que la única solución al consumo eléctrico de PoW sería “directamente apagarlo”.25 Esa ha sido la postura que adoptó Ethereum, que en un largo proceso conocido como “The Merge” migró de PoW a PoS sin que el sistema estuviese desconectado en ningún momento.26 Fue una tarea altamente compleja que comenzó en 2020, finalizó el 15 de septiembre de 2022, y al día de la fecha se considera altamente exitosa debido a la alta adopción por parte de la comunidad Ethereum (usuarios, wallets, exchanges, etc.) que evitó un fork y permitió una reducción en el consumo de energía del sistema cercano al 99,95%, tal como se explicó anteriormente. En el gráfico“Ethereum: consumo anualizado de energía (…)”, podemos observar cómo a partir de la adopción de PoS se derrumba el consumo de energía utilizado por Ethereum.
Estimaciones como la de Platt et al. (2021) incluso consideran que sistemas basados en PoS pueden ser igual o más eficientes que sistemas centralizados como VISA.27 Otros trabajos como Sedlmeir (2020) consideran que PoS blockchain podría llegar a tener requerimientos energéticos superiores a los de los sistemas centralizados (pero muy por debajo de blockchain con PoW), dado que cada nodo de la red debe procesar y almacenar todas las transacciones. Sin embargo, el foco debería ponerse en el consumo energético de los mecanismos de consenso y no en los nodos ociosos (ver UE 2020).28
Una segunda alternativa a PoW que actualmente se analiza es la posibilidad de que el trabajo a realizar por parte de las computadoras sea útil, genere valor. Esta opción conocida como prueba de trabajo útil (Proof of Useful Work o Useful Proof of Work, PoUW o UPoW) no tiene aplicaciones prácticas pero es un concepto que está siendo ampliamente analizado y podría garantizar un alto nivel de seguridad y generar valor al canalizar el cómputo a tareas útiles.29
Una tercera alternativa sería incorporar sistemas intermedios más eficaces y menos costosos (en términos energéticos y ambientales), donde la mayoría de las transacciones ocurren, se agregan, y luego se reflejan en su formato definitivo en el blockchain de Bitcoin. Esta es la propuesta impulsada por “The Lightning Network” para Bitcoin, que busca implementar un sistema intermedio para transacciones entre dos nodos, permitiendo que se abra un “canal paralelo” (técnicamente es un smart contract off the chain) donde se realizan múltiples transacciones, y recién cuando se cierra dicho canal se registra en el blockchain de Bitcoin.30 Sistemas intermedios, que reducen el número de transacciones a realizarse en el blockchain de Bitcoin, ofrecen mecanismos de consenso más eficientes, menos costosos y permiten reducir el impacto ambiental de Bitcoin.31
Energías renovables: ¿una alternativa realista?
El impacto ambiental de las criptomonedas está definido principalmente por su consumo eléctrico. Por ende, si la energía utilizada por los mineros fuese renovable, sus emisiones se reducirían considerablemente. Sin embargo, la energía es fungible, es decir, la energía de fuentes renovables es igual a la energía de combustibles fósiles por lo que es muy difícil diferenciar qué tipo de energía utiliza cada minero o implementar cualquier sistema que garantice la utilización de minado con energías limpias.32
El primer problema es el alto nivel de consumo energético de las criptomonedas en un mundo de energía renovable insuficiente. Es decir, no hay suficientes fuentes de energía renovables para cubrir el consumo de las criptomonedas y si las criptomonedas demandaran más energías renovables desplazarían a otros consumidores de energía hacia fuentes no renovables.33
Adicionalmente hay quienes, como Bitcoin Clean Energy Initiative (2021) o el gobernador de Texas, conjeturan que el aumento de la demanda por parte de los mineros de criptomonedas (PoW principalmente) permitirá aumentar la oferta renovable al estabilizar la demanda de energía.34 Sin embargo, múltiples trabajos cuestionan su efectividad y los reguladores y proveedores de energía están altamente preocupados por el consumo eléctrico cripto.35 Para empezar, muchos sistemas eléctricos (por ejemplo los de Argentina, China, etc.) no tienen precios que fluctúen rápidamente y permitan reflejar la oferta y demanda del sistema, por lo que los mineros no tienen incentivos a modificar su comportamiento rápidamente. Segundo, en muchos países el consumo de energía está subsidiado con recursos públicos, por lo que se termina subsidiando el minado de criptomonedas. Tercero, el efecto en precios que puede generar el minado cripto en momentos de exceso de oferta resulta insignificante, de manera tal que no se impulsa la inversión en energías renovables.36 Cuarto, debido a la corta vida útil del hardware de minado, resulta fundamental que el mismo esté activo el mayor tiempo posible para maximizar el retorno de la inversión, manteniéndose prendido sin pausas salvo en circunstancias extraordinarias (al ser poco sensible a variaciones de precios, genera mayor consumo eléctrico de base).37
A su vez, para maximizar su inversión, los mineros requieren energía barata, sin importar su origen (renovable o no renovable), y mayor nivel de utilización del hardware mientras el mismo sea eficaz (se estima una vida útil de 1,3 años, ver sección “Residuos electrónicos”). Ninguno de estos dos comportamientos parece contribuir con el desarrollo de las energías renovables.38
Residuos electrónicos
Luego del consumo energético, el segundo impacto ambiental más importante es el causado por los residuos electrónicos generados por los mineros de criptomonedas. Los equipos utilizados comúnmente para resolver los acertijos de PoW sufren una rápida degradación debido a su uso continuo e intensivo, pero también son reemplazadas rápidamente para poder continuar siendo competitivos en una industria donde la tecnología y eficiencia de los equipos avanza tan rápidamente como las criptomonedas basadas en PoW.
De los 53,6 millones de toneladas métricas (Mt) de residuos electrónicos globales generados en el 2019, solo un 17,4% fue recolectado y reciclado, y se espera que los residuos electrónicos se dupliquen para 2050.39 En este contexto, las criptomonedas contribuyen a la producción de mayor cantidad de residuos electrónicos, particularmente Bitcoin, con sus equipos especializados de minado.
Eficiencia energética y competencia
Cómo todos los mineros compiten entre ellos para resolver el acertijo propuesto por el PoW, aquellos que tienen dispositivos más poderosos (y eficientes40) podrían resolverlo más rápidamente aumentando su probabilidad de ser recompensados.
La carrera entre mineros por tener el mejor hardware ha impulsado grandes avances en materia de eficiencia energética del hardware, particularmente para Bitcoin, mejorando a tasas de x50.41 Sin embargo, los equipos previamente adquiridos pueden volverse económicamente obsoletos muy rápidamente.42 Si un minero empieza a utilizar hardware más potente (tendrá más probabilidades de resolver el acertijo primero) y más eficiente (tendrá incentivos a comprar más máquinas), implicando que el resto de los mineros deberá adquirir dichas máquinas más poderosas para continuar siendo competitivos. Si todos tienen máquinas más poderosas y eficientes, la dificultad de los acertijos aumentará, y por ende los viejos hardware (menos eficientes) ya no serán económicamente rentables.43
Esto lleva aparejado que el hardware utilizado para minar criptomonedas se torne rápidamente obsoleto, sea por su uso continuo e ininterrumpido, o porque nuevos equipos lo tornan económicamente inviables.44 Adicionalmente, los equipos especializados (ASICs) no pueden ser reutilizados para otras funciones, únicamente sirven para minar la criptomoneda para la cual fueron creados. Por otra parte, los equipos genéricos, como el GPU para minar Ethereum-PoW, pueden ser reutilizados al tornarse económicamente inviables o ineficientes para minar criptomonedas, alargando su vida útil y reduciendo los residuos electrónicos.45
Bitcoin y residuos electrónicos
Debido a que el hardware utilizado para minar Bitcoin no puede ser reutilizado y a que su obsolescencia económica puede ser calculada en base a la eficiencia de nuevas máquinas y el precio de Bitcoin, de Vriers y Stoll (2021) estiman que Bitcoin genera 30,7 toneladas métricas anuales de residuos electrónicos (mayo 2021) o 272g de residuos electrónicos por transacción (112,5 millones de transacciones en 2020).46 Es decir, que cada transacción Bitcoin produce en promedio más residuos electrónicos (240g) que un iPhone 13 Pro Max.
La cantidad de residuos electrónicos que genera Bitcoin es comparable con la generación de residuos por parte de equipos de telecomunicaciones y computación como la de los Países Bajos (30 kt) (Vriers y Stoll, 2021). Adicionalmente los autores estiman que, debido a la creciente demanda de este tipo de equipos, los residuos electrónicos generados anualmente por la red de Bitcoin podrían alcanzar 64,35 kt.
Conclusión
El impacto ambiental de blockchain en general no es radicalmente diferente al producido por otras otras tecnologías actuales. Sin embargo, las blockchain públicas con mecanismo de consenso PoW son, por diseño, altamente contaminantes dado que utilizan grandes cantidades de energía eléctrica proveniente de fuentes no renovables.
La migración de Ethereum a PoS ha sido un primer paso para reducir el impacto ambiental de las criptomonedas en general, pero Bitcoin debería seguir el mismo camino, y difícilmente lo haga debido al rechazo de su comunidad, como así también de la industria de mineros, equipamientos e inversores construida alrededor de esta criptomoneda.
Avances tecnológicos, tanto en materia de energías renovables como de mecanismos de consenso podrían colaborar con la reducción de emisiones de las criptomonedas en general, pero lo cierto es que no hay todavía un panorama claro respecto a cuándo se aplicarían ni se tiene un conocimiento cabal de sus posibles efectos.
El acertijo es un problema computacional a ser resuelto que no tiene ninguna aplicación per se, salvo ser difícil de resolver. Es decir, el único objetivo de dicho acertijo es que sea difícil de resolver, y por ende, costoso, no que sea útil. Literalmente, Bitcoin consiste en generar números aleatorios hasta encontrar uno que cumpla con determinadas condiciones.
Los mismos autores aclaran que estas estimaciones son aproximadas y pueden variar dependiendo del hardware, medidas de seguridad y otras especificaciones en cada uno de los casos. No son medidas exactas, sino generales.
Para más información sobre los trade offs al momento de elegir esta tecnología, uno puede ver Kannengießer, N., Lins, S., Dehling, T., & Sunyaev, A. (2019). What does not fit can be made to fit! Trade-offs in distributed ledger technology designs. In Proceedings of the 52nd Hawaii international conference on system sciences.
Para una discusión sobre las diferentes metodologías utilizadas, buenas prácticas en este tipo de estimaciones y análisis detallado de muchos de los estudios mencionados en este documento, ver Lei, N., Masanet, E., & Koomey, J. (2021). Best practices for analyzing the direct energy use of blockchain technology systems: Review and policy recommendations. Energy Policy, 156, 112422. Los autores consideran que la información de CCFAF es la mejor estimación posible para Bitcoin.
Para poder superar el mecanismo de consenso elegido, un minero debería contar con más del 50% de poder de cómputo (y consumo de energía) de toda la red de Bitcoin, lo cual resulta poco plausible y muy costoso.
La exactitud de las estimaciones sobre el consumo energético de Bitcoin es discutida, sin embargo, hay estimaciones y rangos de confianza ampliamente aceptados en la literatura.
El primero es el “Índice de Consumo Eléctrico de Bitcoin – Cambridge” (CBECI por sus siglas en inglés), elaborado por el Centro para las Finanzas Alternativas (CCFAF) de Escuela de Negocios “Judge” de la Universidad de Cambridge, y el segundo es el “Índice de Consumo Eléctrico de Bitcoin” (BECI por sus siglas en inglés) elaborado por el investigador Alex de Vries y publicado en el portal Digiconomist (ver debajo evolución del consumo de energía de Bitcoin según ambas estimaciones).
Debido a las limitaciones de las metodologías, tanto el CBECI y BECI estiman un rango inferior suponiendo que todos los mineros utilizan el hardware más avanzado disponible y son extremadamente eficientes en el manejo energético (particularmente, la refrigeración de dichos equipos). Existen otras estimaciones sobre el consumo de Bitcoin, utilizando metodologías o supuestos diferentes, por ejemplo, Stoll et al. (2019), Zade et al. (2019), Krause y Tolaymat (2018), Coinshares (2022), NYDIG (2021), entre varios otros.
Para más información sobre la importancia de la migración de PoW a PoS en la red de Ethereum, ver “Ethereum’s energy consumption”, jmcook.eth, 09/02/2022. Link: https://bit.ly/3OGgjiA
Durante la etapa de PoW, el consumo energético de Ethereum aumentaba cuando se incrementa su adopción y/o valor (igual comportamiento que Bitcoin).
Existen dos estimaciones alternativas de consumo de energía por Ethereum, la primera, llamada “Índice de Consumo eléctrico de Ethereum” (EECI por sus siglas en inglés) realizada por el investigador Alex de Vries y publicado en el portal Digiconomist, siguiendo la misma metodología utilizada para calcular el consumo energético de Bitcoin (con supuestos diferentes), y otro realizado por el investigador Kyle McDonald (que identificamos con las siglas EEBUP, correspondientes a “Ethereum Energy: A bottoms up Approach”). Para información sobre las metodologías utilizadas, ver:
EECI: “Ethereum Energy Consumption Index”, Digiconomist, recuperado el 17/05/22. Link: https://bit.ly/3EzN5zC
EEBUP: McDonald, K. (2021). Ethereum Emissions: A Bottom-up Estimate. arXiv preprint arXiv:2112.01238. y “Ethereum Emissions: A Bottom-up Estimate”, Kyle McDonald, recuperado el 17/05/22. Link: https://bit.ly/3rO1pgv (Discontinuada luego de la migración de Ethereum a PoS).
A pesar de las diferencias metodológicas, Ethereum.org, la organización responsable del desarrollo de dicha plataforma acepta ambas estimaciones como valiosas y representativas. Ver: “Ethereum energy consumption”, Ethereum.org, recuperado el 17/05/22. Link: https://bit.ly/3yxCxgL y “Ethereum's energy usage will soon decrease by ~99.95%”, Ethereum.org, 18/05/2021, recuperado el 17/05/22. Link: https://bit.ly/3ExRMKi
Adicionalmente, uno podría sumar el consumo eléctrico de otras criptomonedas que utilizan PoW como Dogecoin (4,34 TWh), forks de Bitcoin o Litecoin.
Gallersdörfer, U., Klaaßen, L., & Stoll, C. (2020). Energy consumption of cryptocurrencies beyond bitcoin. Joule, 4(9), 1843-1846.
El problema de esta metodología para estimar la huella de carbono de las criptomonedas es el reporte impreciso, inexecta o deshonesto de los mineros acerca de su mix de consumo energético.
CCFAF (2020), 3rd global cryptoasset benchmarking study. Link: https://bit.ly/3R8uChB
Las estimaciones de ubicación están basadas en el IP de los mineros que deben ser provistos para participar de los pools de mineros. Adicionalmente, se complementa con datos de los vendedores de hardware y otras fuentes de información. Ver “Bitcoin Mining Map”, CCFAF, recuperado el 20/05/2022 (link: https://ccaf.io/cbeci/mining_map) y Stoll, C., Klaaßen, L., & Gallersdörfer, U. (2019). The carbon footprint of bitcoin. Joule, 3(7), 1647-1661.
Un desafío de esta metodología es que los IP de los mineros pueden modificarse a través de VPN. Por ejemplo, se reporta un número significativo de mineros en Irlanda o Alemania, pero no hay evidencia de que existan instalaciones de dicho tamaño en esos países, lo que lleva a suponer que los mineros modificaron sus IP para simular estar en esas jurisdicciones.
de Vries, A., Gallersdörfer, U., Klaaßen, L., & Stoll, C. (2022). Revisiting Bitcoin’s carbon footprint. Joule, 6(3), 498-502.
Por ejemplo, ver: NYDIG (2021). Bitcoin net zero. Link: https://bit.ly/3yDn0MW
Previo a la migración de Ethereum a PoS, McDonald (2021) estimaba que las emisiones de Ethereum-PoW era de 7,98 MtCO2e mientras que Digiconomist calculaba emisiones anuales 55,27 MtCO2.
Una tercera fuente, Stoll et al. (2019) estima las emisiones de Bitcoin en 22,0-22,9 MtCO2, Etherem-PoW ubicándose entre el ranking 77 (Corea del Norte) y 83 (Angola) en emisiones de carbono.
Mora, C., Rollins, R.L., Taladay, K. et al. (2018). Bitcoin emissions alone could push global warming above 2°C. Nature Clim Change 8, 931–933. Link: https://doi.org/10.1038/s41558-018-0321-8
El trabajo ha sido criticado básicamente por dos supuestos técnicos cuestionables. Primero, incluir máquinas de minado que no ya no eran rentables al momento de la realización del trabajo, y segundo, la imposibilidad técnica de que Bitcoin puede procesar el volumen de transacciones que estima el modelo que debería procesar (problema de escalabilidad).
Para la primera crítica ver Houy, N. (2019), Rational mining limits Bitcoin emissions. Nat. Clim. Chang. 9, 655. (Link: https://doi.org/10.1038/s41558-019-0533-6) y Masanet, E., Shehabi, A., Lei, N. et al. (2019) Implausible projections overestimate near-term Bitcoin CO2 emissions. Nat. Clim. Chang. 9, 653–654 (Link: https://doi.org/10.1038/s41558-019-0535-4). Para la segunda crítica, ver: Dittmar, L., Praktiknjo, A. (2019) Could Bitcoin emissions push global warming above 2 °C?. Nat. Clim. Chang. 9, 656–657 (Link: https://doi.org/10.1038/s41558-019-0534-5).
Hannah Ritchie, Max Roser y Pablo Rosado (2021), Renewable Energy, OurWorldInData.org, link: https://bit.ly/3CBvhl6
Crypto.com (2022), Crypto Market Sizing Global Crypto Owners Reaching 300M, January 2022. Link: https://bit.ly/3eiSaSw
Para Bitcoin, se consideraron las transacciones confirmadas diarias, según Blockchain.com, recuperadas el 25/05/22 (link: https://bit.ly/3EvhfnP) y para Ethereum las transacciones totales diarias, según Etherscan, recuperadas el 25/05/22 (link: https://etherscan.io/chart/tx).
Para “Pagos no cash”, se tuvo en cuenta las estimaciones realizadas por Capgemini Financial Services Analysis (2020), “World payments report 2020” (link: https://bit.ly/3emHP7R) sobre la base de ECB and BIS data y para “Pagos con tarjeta”, se tuvo en cuenta el total de transacciones realizadas según reporta Nielsen Report (2020), recuperado el 25/05/22, (link: https://bit.ly/3yxKH8V)
Existen estimaciones de consumo de energía levemente diferentes pero que demuestran de igual forma la poca eficiencia de PoW con respecto a sistemas centralizados. Deutsche Bank (2021) estima que una transacción de Bitcoin consume 118 KWh, una transacción de Ethereum-PoW consumía 20 KWh, y una operación de pago con tarjeta (VISA-Mastercard) consumía 0,00649 KWh. Para más información, ver: Deutsche Bank (2021), The Future of Payments: Series 2, Part II. When digital currencies become mainstream, January 2021, link: https://bit.ly/3fZHk4j.
Algunos consideran que las criptomonedas son un medio de pago, otros un activo financiero o un sistema monetario. Además, plataformas como Ethereum, Cardamo o Polygon ofrecen usos adicionales al del dinero tradicional. Al día de la fecha creemos que la mejor comparación sigue siendo con medios de pagos centralizados, sin embargo, trabajos como Valuechain (2022) o McCook (2018) comparan Bitcoin y otras criptomonedas con las emisiones del dinero papel, el sistema financiero global, etc. Valuechain (2022), Bitcoin: Cryptopayments Energy Efficiency, 16/06/2022, link: https://t.ly/UQ6s y McCook, H. (2018), The cost & sustainability of Bitcoin, 29/07/2018, Unpublished Working Paper.
Blockchain ampliamente adoptados con PoS con mecanismos de consenso son altamente seguros. Por ejemplo, ver “Why Proof of Stake (Nov 2020)”, Vitalik Buterin, 06/11/2020 (link: https://vitalik.ca/general/2020/11/06/pos2020.html) o “Proof of Stake FAQs”, Ethereum Wiki, recuperado el 27/05/22 (link: https://eth.wiki/concepts/proof-of-stake-faqs).
Sin embargo, algunos cuestionamientos persisten, ver: M. Saad, Z. Qin, K. Ren, D. Nyang and D. Mohaisen (2021), e-PoS: Making Proof-of-Stake Decentralized and Fair, in IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, vol. 32, no. 8, pp. 1961-1973, 1 Aug. 2021, doi: 10.1109/TPDS.2020.3048853.
Dicha cita suele atribuírsele al referente cripto Bankless. Ver: http://podcast.banklesshq.com/
Para más información sobre la migración de Ethereum de PoW a PoS, ver “The Merge”, Ethereum, recuperado 27/05/2022. Link: https://ethereum.org/en/upgrades/merge/ y “The Ethereum Proof-of-Stake Merge”. Link: https://ethmerge.com/
Platt, M., Sedlmeir, J., Platt, D., Tasca, P., Xu, J., Vadgama, N., & Ibañez, J. I. (2021). 2021 IEEE 21st International Conference on Software Quality, Reliability and Security Companion (QRS-C), 2021, pp. 1135-1144.
Por ejemplo, el poder de cómputo utilizado podría ser destinado a resolver modelos climáticos complejos, que para el minero no tiene ninguna utilidad, pero socialmente sería beneficioso.
Papageorgiou, O., Sedlmeir, J., Fridgen, G., Vlachos, I., Kostopoulos, N., Damvakeraki, T., & Slapnik, T. (2021). Energy Efficiency of Blockchain Technologies. European Union Blockchain Observatory & Forum.
Ball, M., Rosen, A., Sabin, M., & Vasudevan, P. N. (2021). Proofs of Useful Work.
Haouari, M., Mhiri, M., El-Masri, M., & Al-Yafi, K. (2022). A novel proof of useful work for a blockchain storing transportation transactions. Information Processing & Management, 59(1), 102749.
Lihu, A., Du, J., Barjaktarevic, I., Gerzanics, P., & Harvilla, M. (2020). A proof of useful work for artificial intelligence on the blockchain. arXiv preprint arXiv:2001.09244.
Para más información, ver https://lightning.network/ y su white paper: Poon, J. y Dryja, T. (2016), The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments, link: https://lightning.network/lightning-network-paper.pdf
Ver: Divakaruni, Anantha, y Zimmerman, Peter. 2022. The Lightning Network: Turning Bitcoin into Money. Working Paper No. 22-19. Federal Reserve Bank of Cleveland. Link: https://doi.org/10.26509/frbc-wp-202219.
Ni la tecnología ni sus usuarios pueden validar qué tipo de energía utiliza cada minero. Existen proyectos para certificar el origen de la electricidad, sin embargo, requieren visitas presenciales y no han sido ampliamente adoptados (ver Sustainable Bitcoin Standard, ver: https://www.sustainablebtc.org/
Difícilmente el minero de bitcoin sea el “consumidor marginal” que ante la suba del precio de la energía reduzca su consumo. Probablemente sean otros consumidores los que se desconecten antes de que lo haga el primer minero.
Por ejemplo: Bitcoin Clean Energy Initiative (2021), “Bitcoin is Key to an Abundant, Clean Energy Future”, 04/2021. Link: https://bit.ly/3nCNGHh. También “Texas Governor Abbott Turns to Bitcoin Miners to Bolster the Grid and His Re-Election”, Bloomberg, 27/01/22.
Ver “Kosovo bans cryptocurrency mining after blackouts”, BBC, 05/01/22, “New York is close to a bitcoin mining crackdown — here's what that means for the industry”, CNBC, 22/5/22, y “La criptominería pone en jaque al sistema eléctrico de Tierra del Fuego”, Clarin, 27/04/22.
“Crypto Mining for a More Stable Grid?”, Borenstein, S., Energy Institute Blog, UC Berkeley, March 21, 2022.
El equipamiento cripto tiene una vida útil de 1,5 años (18 meses), luego del cual debe ser reemplazado para continuar siendo competitivo razón por la cual los mineros deben maximizar su uso en el corto plazo.
Existe un argumento a favor de las criptomonedas con respecto a la sostenibilidad, y es que gracias a la alta movilidad de las instalaciones para minar criptomonedas ha incentivado la captura y utilización del metano producido por pozos petroleros que no puede ser almacenado ni transportado (falta de gasoductos), y termina liberándose en la atmósfera o quemándose, generando emisiones de CO2, proceso conocido usualmente como flaring. Algunos mineros (el 2,4% del total del hashrate por Coinshare 2022) aprovechan esta fuente de energía evitando 0,11 toneladas de emisiones de metano, equivalente a 2.1 MtCO2.
Ver: Sny de Vries, A. (2019). Renewable energy will not solve bitcoin’s sustainability problem. Joule, 3(4), 893-898. Otros consideran que cripto serviría para incentivar la producción de hidrógeno sobre la base de este gas descartado en los pozos. Syntnikov, P., & Potemkin, D. (2022). Flare gas monetization and greener hydrogen production via combination with crypto currency mining and carbon dioxide capture. iScience, 103769. Tambien ver, “Oil drillers and Bitcoin miners bond over natural gas”, Reuters, 21/05/21, link: https://reut.rs/3yFZFdq
Forti, V., Bald´e, C.P., Kuehr, R., Bel, G., (2020). The Global E-waste Monitor 2020: Quantities, Flows and the Circular Economy Potential. UNU/UNITAR SCYCLE, ITU, ISWA.
“With E-waste Predicted to Double by 2050, Business as Usual Is Not an Option”, United Nations University, 17/09/2019. Link: https://bit.ly/3yzglmu
Mayor eficiencia energética no necesariamente implica menor consumo total, dado que al reducir los costos de minado, se incentiva la inversión en mayor cantidad de máquinas para aumentar la probabilidad de resolver primero el acertijo.
Por ejemplo, la Bitmain Antminer S19 XP (140Th), lanzada en junio del 2022, consume 0.02 J/Gh, mientras que la Botmain Antiminer S3, lanzada en julio 2014, consumía 0,77 J/Gh. Esto significó una mejora de 38,5 veces.
McCook (2018) estima que los periodos de viabilidad técnica de los hardware ASIC es superior a su viabilidad económica. En otras palabras, se descartan equipos que funcionan correctamente, porque ya no son rentables. Por su parte, de Vriers y Stoll (2021) calcula que la vida útil promedio de un ASIC para Bitcoin es de 1,29 años.
Suponiendo precios constantes, los nuevos equipos consumen menos energía (menor costo) y tienen mayor poder de cómputo (mayores probabilidades de resolver el acertijo, mayor ingreso). Si el precio de la criptomoneda sube, el equipo menos eficiente se torna económicamente rentable, aumentando el consumo de la red y bajando la eficiencia del sistema.
La competencia para desarrollar y producir equipos de minado es una de las razones de la escasez global de microprocesadores. “Crypto-miners are probably to blame for the graphics-chip shortage”, The Economist, 19/06/2021. Link: https://econ.st/3ae1SmZ
Se estima que la vida útil de GPU para usos normales es de 3 años, pudiendo fácilmente extenderse la vida útil de equipamiento no ASIC. Ver Gaidajis, G., Angelakoglou, K., Aktsoglou, D. (2010), E-waste: environmental problems and current management, J. Eng. Sci. Technol. Rev. 3, 193–199. Link: https://doi.org/10.25103/jestr.031.32
De Vries, A., & Stoll, C. (2021). Bitcoin's growing e-waste problem. Resources, Conservation and Recycling, 175, 105901.