中央银行数字货币（CBDC）的环境影响

正如七国集团（G7）、欧洲中央银行（ECB）和英格兰银行（BoE）在其公开声明中阐述的，在设计CBDC时考虑环境影响变得越来越重要。然而，目前在这个主题上的研究较少。世界银行（WB）通过比较分布式结构内的技术机制和能源消耗来探讨CBDC的环境影响，并说明了CBDC与其他支付方式（加密货币、现金和卡）之间的碳足迹差异。由于CBDC的合法性得到中央银行信任的支持，CBDC不需要通过其技术结构来证明其合法性。因此，CBDC不需要像加密货币一样使用能源密集型共识或挖矿机制，因此其能源消耗较低。此外，CBDC可以设计为使用各种系统，例如实时总结算（RTGS）、分布式账本技术（DLT）或两者的混合。仔细考虑CBDC的发行目标和影响将非常重要，因为其可以成为未来金融创新的催化剂。

东亚和太平洋（EAP）地区三分之二的中央银行已开始研究或测试央行数字货币（CBDC）。同时，该地区的二氧化碳排放量占世界的三分之一，容易受到气候风险的影响。正如七国集团（G7）、欧洲中央银行（ECB）和英格兰银行（BoE）在其公开声明中阐述的，在设计CBDC时考虑环境影响变得越来越重要。然而，目前在这个主题上的研究较少。本文通过比较其分布式结构内的技术机制和能源消耗来探讨CBDC的环境影响。本文还说明了CBDC与其他支付方式（加密货币、现金和卡）之间的碳足迹差异。由于CBDC的合法性得到中央银行信任的支持，CBDC不需要通过其技术结构来证明其合法性。因此，CBDC不需要像加密货币一样使用能源密集型共识或挖矿机制，因此其能源消耗较低（与信用卡系统相比）。CBDC可以设计为使用各种系统，例如实时总结算（RTGS）、分布式账本技术（DLT）或两者的混合。仔细考虑CBDC的发行目标和影响将非常重要，因为其可以成为未来金融创新的催化剂。

‍研究背景‍

尽管人们越来越意识到需要考虑全球金融和货币政策对环境的影响，但在近年来引起许多央行关注的中央银行数字货币（CBDC）方面却鲜有此类讨论。CBDC有望给货币政策措施带来根本性的变化，因此大多数关于CBDC的研究都集中在其对金融稳定和支付系统的影响上。自去年以来，关于CBDC的环境影响的公开讨论似乎已经开始了。七国集团（G7）、欧洲中央银行（ECB）和英格兰银行（BoE）各自宣布了设计CBDC的原则或要求，其中之一是考虑生态足迹。然而，真正涉及环境方面的研究仍处于起步阶段，因为CBDC是一个没有实践先例的新领域，只有少数几个国家实施了CBDC。如果未来全面推广采用CBDC，CBDC的环境问题将很重要，因为它关系到一个经济体的长期可持续性。气候变化将通过物理风险（如极端生活事件和气候的长期变化）和转型风险（即为更绿色的世界而发生的行为变化）长期影响货币和金融稳定。总体环境影响将不限于个人的生活，而是影响整体金融稳定和货币政策工具。因此，提前评估CBDC对环境的潜在影响至关重要。气候变化与CBDC之间的这种直接和间接关系如图1所示。

图1 气候变化与CBDC之间的关系

因此，本文旨在为CBDC的探索做出贡献，并提高人们对其环境影响的认识，特别是对于东亚和太平洋（EAP）地区的国家。根据气候观察，亚太地区特别容易受到气候变化的影响。根据2000年至2019年间极端天气事件造成的人员和经济损失构建长期气候风险指数，该指数表明，来自亚太地区的6个国家跻身世界上面临气候风险最脆弱的20个国家之列。更频繁和更严重的自然灾害、热带病的流行以及糟糕的空气和水质都是该地区增长和福祉的重大风险。同时，如表1所示，亚太地区地区三分之二的中央银行已着手研究或测试CBDC的实施。在这方面，有必要提前研究CBDC对亚太地区地区的生态影响的经验教训，以更好地主动应对这些预期风险。这也符合世界银行集团的绿色、弹性和包容性发展（GRID）框架，该框架建议采取一种平衡的方法，以适合国家发展需求和目标的方式关注发展、包容性和可持续性。

表1 亚太地区地区的CBDC发展阶段

（白色表示零售型，黑色表示批发型）

本文不寻求形成政策建议，而是指出了在设计CBDC时需要了解的环境因素。同样，本文并非旨在创建评估支付系统（包括CBDC）碳足迹的方法（这一工作必须基于非常广泛的数据和资源）；相反，本文使用现有的研究论文和数据来检查和比较每个支付系统的环境影响。但由于现有论文和数据的局限，未来有更多数据可用时，将需要进一步研究。

‍假设和方法论

为了识别CBDC的环境影响并评估潜在的风险，本文旨在从环境角度分析CBDC的内在结构和特征以及它与其他支付方式的区别。如图2所示，本文主要关注CBDC生命周期的两个过程，即生产和流通。旨在根据主要发现提供批判性解释，并展示需要进一步研究的领域。

图2.比较方法的概念化

（1）生产环节：CBDC可能使用多少能源？CBDC设计中的哪些技术因素比其他技术因素消耗更多的能量？仍有一些对CBDC的误解认为CBDC和加密货币是相同的。批评者担心比特币和类似加密货币的开采会污染地球，因为它们需要大量能源，目前会产生大量温室气体排放。因此，一些人担心CBDC也会对影响环境。要解决这一误解，重要的是要讲清楚CBDC的内在特征、工作原理，并确定与其他加密货币之间的差异，以确定CBDC可能对环境产生的影响。因此，本文将探讨CBDC与加密货币的不同之处，并比较CBDC的设计方案及其能耗。

（2）流通环节：CBDC是否比其他支付方式消耗更少的能源？如果是这样，是怎么做到的？可以从其他支付方式中吸取哪些经验教训？随着对CBDC的内在特征和基础设施的深入研究，本文还试图将其与其他支付方式进行比较，以进行比较估计。与其他支付方式的比较将提供一个机会来衡量CBDC的环境足迹并支持对其影响程度的比较性解释。

CBDC技术：工作原理和与众不同之处

为了考虑CBDC的环境影响，还需要了解可用于CBDC的技术及其与当前支付方式的区别。本节介绍当前支付结算系统和加密货币背后的技术结构的概念和差异。然后探讨了CBDC的哪些技术架构可能与环境影响相关、哪种解决方案可能与环保相关，以及CBDC设计时应考虑的问题。

1.当前支付系统和实时结算（RTGS）系统

让我们考虑一下银行系统通常如何处理汇款。当您想使用智能手机向您的朋友汇款时，您选择您的账户并输入转账金额和您朋友的账户。当您点击确认时，交易信息通过互联网发送到银行的服务器。然后银行系统检查其数据库以查看交易是否有效：您是否是请求提款的账户的所有者，账户余额是否充足，目标账户是否存在，等等。如果交易有效，则交易会记录在数据库中，您和您朋友的账户余额也会相应更新。然后系统通知您和您的朋友转移完成。而且，如果你的账户和你朋友的账户属于不同的银行，交易应该在银行之间结算。这个结算过程有几种方法。银行可以结算他们之间一天的全部交易，或者银行可以将交易发送给结算代理，后者代表他们结算交易。随着银行数量的增加，银行之间的直接结算变得复杂，通过可信赖的代理进行结算过程通常被视为有效的替代方案。

中央银行通常充当结算代理，因为包括银行和其他金融机构在内的每个支付服务提供商都应在中央银行结算系统中持有账户。随着数字化转型的加速，中央银行采用了具有CBDC使用潜力的实时总结算（RTGS）系统。与传统的定期结算的结算系统相比，RTGS能够实时结算交易，降低了流动性短缺等结算风险。理论上来说，RTGS系统可用于发行CBDC，因为它具有管理账户、余额和结算流程的功能。

2.分布式账本技术与区块链

区块链技术随着加密货币的发展而受到关注，在技术上具有合法性的数字货币也引起了各国中央银行的关注。在基本层面上，像比特币这样的加密货币是基于区块链技术的。区块链是一种特定类型的分布式账本。分布式账本技术（DLT）是将交易记录存储在账本中并确保在分布式网络参与者之间共享相同账本记录的基础设施和协议。区块链是一种分布式账本，它使用定义账本规范状态的共识机制来防止没有受信任第三方时的双重支出问题。因此，区块链可用于记录交易，以替代实时总结算（RTGS）系统中的数据库。

CBDC系统可以设计成混合形式，最好理解为与集中式RTGS系统和基于区块链的系统相关但又不同。它们之间的区别在于区块链系统使用更强大的共识机制来确保即使在恶劣的环境中（作恶节点较多）记录也是正确的。

3.深入了解区块链和底层共识机制

从技术上讲，区块链是一种数据结构。记录在账本上的交易被分组为块，每个块通过使用基于前一个块和当前块中的交易计算的哈希值与前一个块链接。“区块链”一词来自这种链接块结构。这种结构使得账本很难被修改，因为哈希值是唯一的；因此，如果有人想修改过去区块中的交易，他们不仅应该更新目标区块，还应该更新该区块之后的整个区块链。在比特币网络中，矿工创建和提议区块并在区块被接受时获得挖矿奖励。因此，矿工将交易记录到账本中，这意味着矿工可以决定哪些交易将被记录或不被记录，哪些交易将首先被记录。此外，当同一矿工的多个区块被顺序接受时，可能会发生双重支出。因此，决定谁将成为区块创建者很重要。

4.CBDC设计中的机会

国际清算银行（BIS）将CBDC的设计领域确定为：RTGS系统和区块链之间的选择，基于账户和基于代币的方法之间的选择，以及批发和零售之间的选择。欧盟区块链观察站和论坛（EUBOF）则选择访问方法（基于账户或基于令牌）、账本基础设施（RTGS或区块链）和管理（集中式或联邦制）作为CBDC类型的划分。从这些设计中，重点将放在账本基础设施和管理结构上，因为它与共识机制密切相关。构建零售CBDC系统的考虑可以类似地应用于批发CBDC系统；因此，在这里对这两个系统进行不同的处理是没必要的。此外，所有权验证方法的选择，基于账户或基于令牌，在对环境的影响方面并没有太大的区别。因此，下一节将探讨RTGS和DLT之间的选择以及谁将参与共识机制。

RTGS、区块链和共识机制的环境影响

1.账本基础设施：RTGS与区块链

在设计CBDC时，账本基础设施的选择很重要。RTGS和区块链之间的选择可能会根据CBDC使用的优先级和目标而有所不同，这将对安全级别和计算成本产生影响，从而影响能源消耗。许多国家正在使用RTGS或RTGS等效系统进行银行之间的结算。一些国家最近使用了新的RTGS系统（欧盟、澳大利亚、匈牙利、香港、巴西）或计划开发一个新的系统（美国、瑞典）。RTGS系统已经在支付结算领域进行了多年的测试和使用，通过不断努力实现了高弹性和较高的性能。

与RTGS系统相比，区块链系统的关键优势在于没有单点故障（SPOF）。SPOF是指，当系统的某一部分无法正常工作时，它会停止整个系统的运行。由于SPOF可能成为恶意玩家的攻击目标，因此消除SPOF是系统需要不间断地连续运行的关键目标之一。即使某些网络参与者是恶意的，区块链技术也可以正常运行。因此，适当地采用区块链技术实现CBDC系统可能有助于实现更高的弹性。区块链技术的这一优势源于其分布式结构内的共识机制。这是基于RTGS的系统和区块链系统之间最显着的区别，并且区别延伸到环境影响。

与基于RTGS的系统相比，区块链系统需要额外的计算才能在没有SPOF的情况下达成共识。这种计算成本会影响系统的能耗。成本因采用的共识机制而异。例如，具有最少额外计算的区块链机制在能耗方面与基于RTGS的系统没有什么不同。因此，如果减少CBDC的能源消耗是重中之重，最好选择RTGS，因为区块链系统会产生额外的能源消耗，尽管通常非常少。但是，国家当局将希望根据CBDC系统的目标考虑使用区块链的优点，因为它可以提供独特的安全优势。

2.共识机制的环境影响选择

将区块链技术作为CBDC账本基础设施的设计选项后，就该选择符合系统总体目标的合适共识机制了。区块链运营的关键是在网络内维护记录在区块链上的信息的共识，这会影响运营的财务参数和安全性。有各种不同特性的共识机制会影响不同的能源消耗水平。图3显示了各种共识对环境的影响、安全优势和总体性能的概念总结。细节可能因实施而异。

图3.CBDC设计选择之间权衡的概念总结

除了其内在的运行机制外，参与者的数量和分布也会根据共识协议影响能源消耗。例如，在许多共识机制的验证时，计算成本随着参与者数量的增加呈线性增加，但在基于实用拜占庭容错（PBFT）的共识协议下呈指数增长。限制参与者的数量可以节省能源，尤其是对于基于PBFT的机制，但这将降低安全优势并增加攻击的漏洞。此外，从分布的角度来看，在单个空间内拥有许多节点，或由单个实体管理，在安全性方面并没有带来巨大的优势，并且可能是SPOF。然而，除了环境影响之外，让许多不同的实体作为节点运营商参与还会产生高昂的管理成本和与隐私相关的问题。

因此，重要的是要了解CBDC的设计没有灵丹妙药。在权衡各方面的情况下为CBDC做出合适的设计选择至关重要。

比较CBDC与其他支付方式的环境足迹

1.加密货币

加密货币内在的限制将不可避免地限制设计完全节能的加密货币系统的努力。当前的系统被设计为在去信任的环境中运行，并采用了一种能源密集型机制来实现这一目标。因此，在去中心化的生态系统下，加密货币网络很难将能源消耗水平降低到现有货币的水平。高能耗和负面环境影响被认为是加密货币的关键副作用；这引起了担忧并阻碍了其快速采用。能源消耗可能因加密货币的类型及其底层结构而异。例如，按市值计算的第二大加密货币以太坊目前正在为其Sybil抵抗机制使用工作量证明。以太坊网络估计每年消耗87.97TWh，与芬兰和比利时的年耗电量相当。为了应对对可持续性的日益关注，加密货币最近采用了更环保的共识机制。几种加密货币，如Solana、Cosmos、Algorand或Polkadot都使用权益证明，它比工作量证明消耗更少的能量。以太坊还计划在2022年第一季度或第二季度转向权益证明。以太坊基金会估计，转向权益证明将使其能源消耗减少至少99.95%。剑桥替代金融中心（CCAF）还表明加密货币挖矿可以利用可再生能源。

虽然加密资产的内在结构需要大量能源，但CBDC处于不同的能源消耗结构中。因为它得到中央银行的支持，它不需要在像比特币这样的去信任环境中赢得信任，并且它的环境指纹将比加密货币更能与现有的数字货币系统相媲美。

2.现金和卡支付

目前业界一直在努力验证无现金社会的气候影响，并不断完善CBDC的假设，英格兰银行2021年6月发布的“中央银行数字货币：英格兰银行工作的最新情况——汤姆·马顿的演讲”、荷兰中央银行2018年发布的“现金支付的生命周期评估”S.Rochemont 2018年发布的“无现金社会：收益、风险、问题”、国际清算银行2020年发布的“中央银行数字货币：基本原则和核心特征”都谈到了这个问题。荷兰中央银行表示，现金支付的总生态影响是借记卡支付的1.5倍。Ripple是一家基于区块链的支付协议公司，它测量了加密货币、现金和卡支付（Visa和Mastercard）对环境的影响。如下表2所示，据估计，卡支付网络使用的能源少于区块链资产和现金。

表2.每笔交易的最新可用电力估计

追踪纸币整个生命周期的能源消耗是很困难的，因为这个过程因国家和原材料的使用而异。然而，已经有许多努力基于多种方法来估计它。S.Rochemont的一项研究将他们的方法论集中在印刷纸币和纸币流通上。根据该研究，美国雕刻和印刷局票据制造商的平均电费对应于11.38美分/千瓦时。此外，研究表明，自动柜员机（ATM）的能源消耗是影响能源消耗的主要因素，据估计，美国ATM每年消耗的能源为0.84TWh。包括借记卡和信用卡在内的卡网络消耗的能源要少得多，Visa和Mastercard等公司承诺实现净零排放，以创造更可持续和更具包容性的数字经济，并努力减少每笔交易的电力消耗。当前的业务用电量和数据中心的特定消耗已被捕获，估计每笔Visa和Mastercard交易对应的能源消耗分别为0.0008kWh和0.0006kWh。显然，这些金额远远低于加密货币和纸币。

CBDC将采用数字货币的形式。BIS报告称，CBDC是一种以国家记账单位计价的数字支付工具，是中央银行的直接负债。在CBDC世界中，每个虚拟货币单位将在数字钱包中拥有一个唯一的数字代码，并将由钱包持有人无缝转移到个人的其他数字钱包。它与我们今天在大型科技公司提供的金融科技和其他数字钱包中看到的非常相似，包括移动支付应用程序和传统银行提供的不需要兑换纸币的钱包。

当前大多数CBDC项目都使用混合CBDC，其中账户代表中央银行的负债，但私人中介可以处理零售支付。欧洲央行指出，“并行基础设施也将与发行数字欧元以改善支付成本和环境足迹的目标背道而驰。”虽然在直接比较未来CBDC和其他支付方式的生态足迹时仍然存在无法克服的限制，欧洲中央银行2020年10月发布的“关于数字欧元的报告”声明，加密货币会消耗最多的能源，其次是现金和卡。虽然从能源消耗的角度来看，卡支付网络对环境的影响最小，但与其特征和基础设施最相似且更优的支付方式是CBDC。

结论

本文试图解决有关CBDC对环境影响的疑虑，探讨各种设计方案之间的差异，并将它们与现有支付系统进行比较，以提高中央银行、监管机构和政策制定者对CBDC对环境影响的认识。虽然本文侧重于亚太地区受众，但下文提出的要考虑的问题也适用于其他地区的国家。以下是我们要强调的主要考虑因素。

1.中央银行，特别是亚太地区地区的央行，需要考虑CBDC的环境影响。

亚太地区地区三分之二的央行开展了CBDC相关研究或已经进行了实施准备。关于亚太地区对环境影响的脆弱性的研究表明，该地区的中央银行可能需要仔细考虑CBDC的环境影响和潜在的气候风险。亚太地区地区是温室气体排放量上升的主要贡献者之一。该地区有六个国家被确定为最容易受到气候变化影响，并且相对更容易受到环境风险的影响。考虑到这些特点，亚太地区的中央银行在探索和采用CBDC时应考虑环境影响和潜在的气候风险。

2.环境影响因CBDC设计方案而异。

CBDC可能成为金融创新的催化剂；然而，需要仔细审议以平衡CBDC的目标及其影响。根据自身情况，中央银行正在探索具有各种目标的CBDC，包括弹性和包容性支付服务。分类账基础设施和共识机制选择中的设计选择对环境的影响可能会有所不同，并且选择需要在能源消耗、安全优势和性能之间进行权衡。设计选择的权衡与目标密切相关，因此追求一个方面可能难以实现其他目标。

3.评估技术选择以实现战略和环境目标的重要性。

CBDC不依赖于单一技术，可以采用区块链和数字支付解决方案。区块链技术不是CBDC的强制性要求，现有的数字支付解决方案如基于RTGS的系统或信用卡支付系统也可以用于CBDC。CBDC的能源消耗和环境风险可能因技术选择而异。CBDC预计消耗的能源少于加密货币，类似于卡网络或移动支付的能源消耗。因此，对于国家当局来说，评估每项技术如何同时满足其战略目标和环境目标并选择最有利于长期金融稳定的最佳选项至关重要。

CBDC正处于探索的早期阶段，但其正在迅速发展。考虑到CBDC的社会经济影响，重要的是要考虑环境和气候战略以实现长期的财务可持续性。本文旨在梳理解决此问题的一些初步想法和假设。展望未来，CBDC的发展和相关数据的积累将支持更好地预测碳足迹。