블록체인 전력 소비와 탄소배출: PoW·PoS 에너지 차이와 BlockSim 연구 결과

PoW와 PoS는 블록체인 합의를 유지하는 방식이 다르기 때문에 에너지 소비 구조도 다르다. PoW는 채굴 경제성과 계산 경쟁의 영향을 크게 받는 반면, PoS는 검증자 수와 서버 전력이 주요 변수로 작용한다.

채굴자 수만으로 블록체인 전력 소비를 설명할 수 있을까. 2026년 발표된 BlockSim 연구는 작업증명(PoW)의 에너지 소비가 코인 가격·채굴 보상·전기요금 같은 경제적 조건에 크게 좌우되는 반면, 지분증명(PoS)은 검증자 수와 서버 전력이 핵심 변수라는 점을 시뮬레이션으로 분석했다.

블록체인 PoW·PoS 에너지 연구 핵심 결과 한눈에 보기

라에드 S. 라시드(Raed S. Rasheed)와 아이만 A. 아부삼라(Aiman A. AbuSamra)는 블록체인 시뮬레이터 BlockSim에 에너지 소비량과 탄소배출량을 계산하는 기능을 통합했다. 경제적 작업증명(Proof of Work·PoW) 모델에서는 다른 조건이 동일할 때 채굴자가 50명에서 1,000명으로 증가해도 네트워크 전체 에너지는 24시간 기준 약 467.5GWh로 거의 변하지 않았다. 표준 100W 서버를 가정한 지분증명(Proof of Stake·PoS) 1,000검증자 모델은 약 2,387kWh를 소비했다. 같은 전력 소비량이라도 전력망의 탄소집약도에 따라 탄소배출량은 약 16배까지 차이가 났다.

PoW 블록체인 전력 소비는 채굴자 수만으로 결정되지 않는다

작업증명(Proof of Work·PoW)이란 컴퓨터가 반복적인 계산 경쟁을 수행해 블록을 생성하고 네트워크 합의를 유지하는 방식이다. 계산에 많은 전력이 필요하기 때문에 일반적으로 채굴자가 많아지면 블록체인 전체 전력 소비도 단순히 늘어난다고 생각하기 쉽다.

하지만 라에드 S. 라시드와 아이만 A. 아부삼라는 PoW의 에너지 소비를 채굴자 숫자 하나만으로 설명할 수 없다고 분석했다. 두 연구자는 이슬라믹 유니버시티 오브 가자(Islamic University of Gaza) 공학부 소속이며, 해당 연구는 2026년 8월 21일 학술지 Frontiers in Blockchain에 발표됐다.

연구진이 활용한 BlockSim은 블록 생성, 거래 전파, 메시지 전달, 체인 업데이트 같은 사건을 시간 순서대로 발생시키면서 실제 블록체인 네트워크의 움직임을 재현하는 이산사건 시뮬레이터다. 기존 BlockSim은 처리량, 지연시간, 블록 분기율 등을 분석할 수 있었지만 에너지 소비와 탄소발자국은 자체적으로 계산하지 못했다.

BlockSim이 블록체인 에너지 소비와 탄소발자국을 계산하는 방법

라시드와 아부삼라는 BlockSim 내부에서 계산 작업이나 네트워크 통신이 발생할 때마다 소비 에너지를 누적하도록 시뮬레이터를 확장했다. 각 노드가 블록 생성과 검증에 사용하는 계산 에너지와 거래·블록 메시지를 송수신하는 데 필요한 통신 에너지를 따로 기록한 뒤 이를 합산해 전체 네트워크의 에너지 사용량을 계산했다.

탄소발자국이란 특정 활동에서 발생하는 온실가스 배출량을 이산화탄소 환산량으로 나타낸 값이다. 이번 BlockSim 확장 모델은 전력 소비량(kWh)에 전력망의 탄소배출계수(kgCO2e/kWh)를 곱해 탄소배출량을 계산했다. 연구진은 저탄소 전력망 0.05kgCO2e/kWh, 세계 평균 수준 0.475kgCO2e/kWh, 고탄소 전력망 0.82kgCO2e/kWh의 세 가지 시나리오를 비교했다.

연구진은 50개, 100개, 500개, 1,000개 노드로 구성된 네트워크 조건을 설정하고 여러 PoW와 PoS 시나리오를 분석했다. 각 시나리오는 서로 다른 무작위 조건을 이용해 30회 반복했으며, 연구 결과는 평균값과 표준편차, 95% 신뢰구간으로 제시됐다.

채굴자가 50명에서 1,000명으로 늘어도 PoW 전체 에너지가 거의 같았던 이유

연구진은 PoW 전력 소비를 서로 다른 두 방식으로 분석했다. 채굴자 한 명에게 일정한 소비전력을 부여하는 고정전력 모델에서는 예상대로 채굴자 수가 증가할수록 네트워크 전체 에너지 소비량도 증가했다.

10,000초 동안 진행한 고정전력 비교 실험에서 기본 PoW 시나리오의 에너지 소비량은 채굴자 50명일 때 3.93kWh였지만 1,000명에서는 83.84kWh로 늘었다. 고처리량 PoW 비교 시나리오는 같은 조건에서 346.70kWh에서 6,934.13kWh로 증가했다.

그러나 채굴의 경제성을 반영한 경제적 PoW 모델에서는 전혀 다른 결과가 나왔다. 왜 채굴자가 늘어도 전체 전력 소비가 거의 변하지 않을 수 있을까. 경제적 PoW 모델에서는 채굴 산업 전체가 예상 채굴 수익으로 감당할 수 있는 범위에서 전기료를 지출한다고 가정하기 때문이다.

경제적 PoW에서 전체 에너지 소비를 좌우하는 핵심 요인은 코인 가격, 블록 보상, 거래 수수료, 전기요금, 채굴 장비 효율, 채굴 난이도와 전체 해시레이트다. 채굴자 수가 늘더라도 동일한 경제적 보상을 더 많은 채굴자가 나눠 갖는다면 전체 에너지 예산 자체가 반드시 증가하는 것은 아니다.

연구진의 경제적 PoW 모델에서 다른 경제 조건을 고정했을 때 채굴자 수가 50명에서 1,000명으로 변해도 전체 네트워크 에너지는 24시간 기준 약 467.5GWh로 거의 일정했다. 논문 6쪽 Figure 1에서도 네트워크 전체 에너지는 거의 수평선을 유지했지만 채굴자 한 명당 에너지 소비량은 참여자가 늘어날수록 약 1/N 비율로 감소했다.

조건 변화	BlockSim 모델에서 나타난 에너지 변화
PoW 채굴자 50명 → 1,000명	경제적 PoW 모델의 전체 에너지는 약 467.5GWh/24시간으로 거의 일정
코인 가격 2만 달러 → 10만 달러	PoW 에너지 155.8GWh → 779.1GWh/24시간
PoS 검증자 100개 → 1,000개	약 239kWh → 2,387kWh/24시간
거래량 1 tx/s → 100 tx/s	통신 에너지 15.0kWh → 1,455kWh/일

PoW 코인 가격이 오르면 블록체인 전력 소비가 증가할 수 있는 이유

경제적 PoW 모델에서 코인 가격은 전력 소비량을 결정하는 중요한 변수였다. 연구진의 조건에서 코인 가격이 2만 달러일 때 PoW 네트워크 에너지는 약 155.8GWh였지만 코인 가격이 10만 달러로 상승하면 약 779.1GWh로 증가했다.

왜 암호화폐 가격이 오르면 채굴 전력 소비도 증가할 수 있을까. 코인의 시장가격이 상승하면 채굴자가 블록 한 개를 채굴해 얻을 수 있는 경제적 보상의 가치도 커진다. 채굴 경쟁에 투입해도 수익을 낼 수 있는 전기료와 장비 비용의 범위가 넓어지기 때문에 경제적으로 감당 가능한 전체 에너지 소비량도 증가할 수 있다.

반대로 전기요금이 높아지면 같은 채굴 보상으로 사용할 수 있는 전력량은 줄어든다. 이번 모델은 PoW 에너지 소비를 단순한 컴퓨터 숫자의 문제가 아니라 채굴 보상과 비용 사이의 경제적 균형 문제로 설명한다.

PoS가 PoW보다 전력 소비가 적은 이유는 계산 경쟁이 없기 때문이다

지분증명(Proof of Stake·PoS)이란 막대한 계산 경쟁 대신 참여자가 맡긴 지분과 검증자 활동을 바탕으로 블록을 검증하고 네트워크 합의를 유지하는 방식이다. PoW처럼 지속적으로 대규모 해시 계산을 수행할 필요가 없기 때문에 에너지 소비 구조 자체가 다르다.

라시드와 아부삼라의 PoS 모델에서는 전체 전력 소비량이 검증자 수, 검증자 서버의 소비전력, 서버 가동시간과 통신 에너지에 따라 결정됐다. 표준 100W 서버를 가정하면 검증자 100개 네트워크는 24시간 동안 약 239kWh, 검증자 1,000개 네트워크는 약 2,387kWh를 소비했다.

논문 6쪽 Figure 2에서는 저전력 장비, 표준 서버, 고전력 서버라는 세 가지 하드웨어 조건 모두에서 검증자 수가 증가할수록 PoS 전체 에너지가 거의 직선적으로 증가했다. 이는 PoS의 에너지 사용량이 코인 가격보다 검증자 규모와 장비 소비전력에 직접 영향을 받는다는 모델의 구조를 보여준다.

연구진이 설정한 기준 조건에서 PoW와 PoS의 에너지 소비 차이는 약 196,846배였다. 다만 이 숫자를 모든 PoW와 PoS 블록체인에 그대로 적용할 수는 없다. 해당 값은 특정 암호화폐의 실제 전력 측정치가 아니라 연구진이 설정한 모델과 가정에서 나온 시나리오 결과다.

블록체인 탄소배출량은 같은 전력 사용량에서도 최대 16배 달라졌다

블록체인 에너지 소비량과 탄소배출량은 같은 개념이 아니다. 같은 1kWh의 전기를 소비해도 태양광·풍력·원자력 비중이 높은 저탄소 전력망과 석탄·가스 비중이 높은 전력망에서는 발생하는 온실가스의 양이 크게 달라질 수 있다.

연구진의 PoW 기준 모델에서 하루 탄소배출량은 전력망의 탄소배출계수가 0.05kgCO2e/kWh일 때 약 2만3,374톤이었다. 탄소배출계수가 0.82kgCO2e/kWh인 고탄소 전력망에서는 약 38만3,332톤으로 증가했다. 에너지 사용량이 동일해도 전기를 어디에서 생산했는지에 따라 탄소배출량이 약 16배 차이 난 셈이다.

따라서 블록체인 탄소발자국을 하나의 고정된 배출계수만으로 계산하면 실제 지역과 시간에 따른 차이를 제대로 반영하지 못할 수 있다. 연구진이 BlockSim에서 전력망 탄소집약도를 사용자가 변경할 수 있는 실험 변수로 만든 이유도 여기에 있다.

블록체인 처리량이 높으면 전력 소비도 반드시 증가한다는 해석은 주의해야 한다

논문의 고처리량 PoW 비교 시나리오는 기본 PoW 시나리오보다 같은 채굴자 수에서 약 83~88배 높은 에너지 소비량을 보였다. 예를 들어 채굴자 1,000명 조건에서는 기본 시나리오가 83.84kWh를 소비한 반면 고처리량 시나리오는 6,934.13kWh를 소비했다.

하지만 이 결과를 처리량이 증가했기 때문에 에너지 소비가 약 80배 증가했다고 해석해서는 안 된다. 두 시나리오에는 서로 다른 전력 모델과 장비 전력 가정이 사용됐기 때문이다. 연구진도 높은 에너지 소비량이 처리량 증가만의 인과적 결과는 아니라고 명시했다.

이번 BlockSim 연구가 강조하는 핵심은 특정 블록체인의 친환경성을 비교하려면 처리량이나 노드 수만 볼 것이 아니라 어떤 전력 모델과 경제적 조건을 가정했는지까지 함께 확인해야 한다는 점이다.

PoS와 고처리량 블록체인에서는 네트워크 통신 에너지도 중요해질 수 있다

블록체인 에너지 소비에는 합의 과정에서 사용하는 계산 전력뿐 아니라 블록과 거래 데이터를 다른 노드로 전달하는 통신 에너지도 포함된다. 이번 연구에서 peer degree 8, 블록 크기 1MB 조건을 적용했을 때 거래량이 초당 1건에서 100건으로 증가하면서 통신 에너지는 하루 15.0kWh에서 1,455kWh로 늘었다.

PoW의 대규모 합의 에너지와 비교하면 통신 에너지의 비중은 매우 작았다. 그러나 연구진은 PoS처럼 합의 자체의 전력 소비가 낮거나 거래량이 높은 블록체인에서는 통신에 사용되는 에너지가 무시하기 어려운 수준이 될 수 있다고 분석했다.

BlockSim 연구 결과를 실제 비트코인 전력 소비량으로 보면 안 되는 이유

이번 연구의 중요한 한계는 시뮬레이션에서 나온 절대적인 전력 소비량과 탄소배출량이 실제 비트코인이나 특정 암호화폐를 측정한 값이 아니라는 점이다. 연구진은 확장된 BlockSim을 특정 암호화폐의 정확한 에너지 소비 예측기가 아니라 조건을 바꿔가며 결과를 비교하는 what-if 시나리오 분석 도구로 규정했다.

PoW의 에너지 소비량은 코인 가격, 블록 보상, 거래 수수료, 전기요금, 채굴 장비의 효율, 채굴 난이도와 전체 해시레이트, 채굴자가 전기료로 사용할 보상 비율 등의 가정에 민감하다. PoS 역시 검증자 수, 서버 종류, 가동률, 시스템 중복성, 네트워크 통신량에 따라 결과가 달라진다.

탄소배출 계산에 사용한 세 가지 전력망 탄소집약도 역시 실제 세계에서 지역과 시간에 따라 변하는 모든 조건을 반영하는 것은 아니다. 연구진은 앞으로 실제 채굴 장비와 검증자 서버에서 측정한 하드웨어별 데이터를 추가하고, 시간과 지역에 따라 달라지는 전력망의 탄소집약도를 반영할 필요가 있다고 제안했다.

블록체인 전력 소비와 PoW·PoS 차이에 관한 자주 묻는 질문

채굴자가 많아지면 PoW 블록체인 전력 소비도 무조건 증가하나

경제적 PoW 모델에서는 반드시 그렇지 않았다. 코인 가격, 채굴 보상, 전기료, 장비 효율과 채굴 난이도 같은 조건이 같다면 채굴자 수가 증가해도 전체 네트워크의 에너지 예산은 거의 일정했고, 채굴자 한 명당 에너지 사용량이 줄어드는 형태로 나타났다. 다만 이는 특정 암호화폐의 실제 측정값이 아니라 경제적 가정을 적용한 시뮬레이션 결과다.

PoS는 왜 PoW보다 전기를 적게 사용하는가

PoS는 PoW처럼 막대한 계산 경쟁을 계속 수행해 합의를 유지하지 않기 때문이다. 이번 연구의 PoS 모델에서는 전력 소비량이 주로 온라인 상태를 유지하는 검증자의 수, 서버 소비전력과 가동시간에 따라 증가했다.

재생에너지나 저탄소 전기를 사용하면 블록체인 탄소배출이 줄어드나

같은 양의 전력을 소비한다면 탄소집약도가 낮은 전력망에서 블록체인의 이산화탄소 배출량은 감소한다. 이번 연구에서는 에너지 소비량이 동일한 조건에서도 전력망의 탄소배출계수 차이만으로 PoW 기준 탄소배출량이 약 16배까지 달라졌다.

이번 BlockSim 결과를 비트코인의 실제 전력 소비량으로 볼 수 있나

그렇게 해석해서는 안 된다. 라시드와 아부삼라 연구진은 이번 결과를 특정 암호화폐의 실제 소비량을 측정하거나 정확하게 예측한 값이 아니라 사용자가 설정한 조건에 따른 시나리오 기반 모델 출력값으로 규정했다.

블록체인 친환경성을 평가하려면 전력 소비량보다 에너지 소비 구조를 함께 봐야 한다

이번 연구가 보여주는 핵심은 블록체인 전력 소비를 채굴자 수나 노드 수 하나만으로 설명하기 어렵다는 점이다. PoW에서는 코인 가격과 채굴 보상, 전기요금, 채굴 장비 효율과 난이도가 에너지 소비를 결정하는 중요한 변수다.

PoS에서는 검증자 수와 서버의 소비전력이 에너지 사용량에 더 직접적으로 영향을 준다. PoW와 PoS의 에너지 소비 구조가 다르기 때문에 두 합의 방식을 동일한 계산 방식으로 비교하면 실제 차이를 왜곡할 수 있다.

같은 전력량을 사용하더라도 발전원의 구성에 따라 블록체인 탄소발자국은 크게 달라질 수 있다. 블록체인의 환경 영향을 평가할 때는 에너지 소비량뿐 아니라 해당 전기가 어떤 전력망에서 생산됐는지도 확인해야 한다.

블록체인을 설계하거나 서로 다른 프로토콜의 지속가능성을 비교할 때는 거래 처리속도만 보는 것으로 충분하지 않다. 처리량, 합의 방식, 경제적 보상 구조, 계산 에너지, 통신 에너지와 전력망 탄소집약도를 동일한 분석 안에서 함께 비교해야 한다.

확장된 BlockSim의 의미도 여기에 있다. 실제 블록체인을 구축하기 전에 채굴자 수, 검증자 수, 코인 가격, 전기요금, 거래량과 전력망 조건을 바꿔가며 성능과 환경 비용이 어떻게 달라지는지 미리 분석할 수 있기 때문이다.

출처

Rasheed, R. S., & AbuSamra, A. A. (2026). Extending BlockSim with energy and carbon footprint modeling for sustainable blockchain evaluation. Frontiers in Blockchain, 9, 1804830. DOI: 10.3389/fbloc.2026.1804830.