В энергетической экономике и экологической энергетике возврат инвестиций в энергию ( EROI ), также иногда называемый возвратом энергии на инвестированную энергию ( ERoEI ), представляет собой отношение количества полезной энергии ( эксергии ), полученной из конкретного энергетического ресурса, к количеству эксергии, использованной для получения этого энергетического ресурса. [1]
Арифметически EROI можно определить как:
Когда EROI источника энергии меньше или равен единице, этот источник энергии становится чистым «поглотителем энергии» и больше не может использоваться в качестве источника энергии. Связанная с этим мера, называемая энергией, сохраненной на инвестированной энергии ( ESOEI ), используется для анализа систем хранения. [3] [4]
Чтобы считаться жизнеспособным в качестве важного источника топлива или энергии, топливо или энергия должны иметь соотношение EROI не менее 3:1. [5] [2]
Область изучения энергетического анализа популяризировал Чарльз А. С. Холл , профессор системной экологии и биофизической экономики в Государственном университете Нью-Йорка . Холл применил биологическую методологию, разработанную в Экосистемной морской биологической лаборатории, а затем адаптировал этот метод для исследования человеческой индустриальной цивилизации. Эта концепция получила наибольшее распространение в 1984 году, когда статья Холла появилась на обложке журнала Science . [6] [7]
Этот вопрос все еще является предметом многочисленных исследований и вызывает академические споры. Это в основном потому, что «вложенная энергия» критически зависит от технологии, методологии и предположений о границах системы, что приводит к диапазону от максимума в 2000 кВтч/м 2 площади модуля до минимума в 300 кВтч/м 2 со средним значением 585 кВтч/м 2 согласно мета-исследованию 2013 года. [9]
Что касается выходной мощности, то она, очевидно, зависит от локальной инсоляции , а не только от самой системы, поэтому приходится делать предположения.
Некоторые исследования (см. ниже) включают в свой анализ тот факт, что фотоэлектрические системы производят электроэнергию, в то время как вложенная энергия может быть первичной энергией более низкого качества .
Обзор 2015 года в Renewable and Sustainable Energy Reviews оценил время окупаемости энергии и EROI различных технологий фотоэлектрических модулей. В этом исследовании, в котором используется инсоляция 1700 кВтч/м2 / год и срок службы системы 30 лет, были найдены средние гармонизированные EROI от 8,7 до 34,2. Среднее гармонизированное время окупаемости энергии варьировалось от 1,0 до 4,1 года. [10] [ необходим лучший источник ] В 2021 году Институт Фраунгофера по системам солнечной энергетики рассчитал время окупаемости энергии около 1 года для европейских фотоэлектрических установок (0,9 года для Катании на юге Италии, 1,1 года для Брюсселя) с кремниевыми ячейками PERC на основе пластин . [11]
В научной литературе EROI ветряных турбин составляет около 16 небуферизованных и 4 буферизованных. [12] Данные, собранные в 2018 году, показали, что EROI действующих ветряных турбин в среднем составляет 19,8 с высокой изменчивостью в зависимости от условий ветра и размера ветряной турбины. [13] EROI, как правило, выше для новых ветряных турбин по сравнению с ветряными турбинами старых технологий. Vestas сообщает о EROI 31 для своей ветряной турбины модели V150. [14]
Средний показатель EROI для гидроэлектростанций составляет около 110 при сроке эксплуатации около 100 лет. [15]
Поскольку большая часть энергии, необходимой для добычи нефти из нефтяных песков (битума) , поступает из низкоценных фракций, отделенных в процессе обогащения, существует два способа расчета EROI: более высокое значение, полученное с учетом только внешних энергетических затрат, и более низкое значение, полученное с учетом всех энергетических затрат, включая самогенерируемую. Одно исследование показало, что в 1970 году чистая энергетическая отдача от нефтяных песков составляла около 1,0, но к 2010 году она увеличилась до 5,23. [16] [ необходимо разъяснение ]
Традиционные источники нефти имеют довольно большой разброс в зависимости от различных геологических факторов. EROI для очищенного топлива из традиционных источников нефти варьируется от 18 до 43. [17]
Из-за требований к технологическому теплу для сбора сланца EROI низок. Обычно используется природный газ, либо напрямую сжигаемый для получения технологического тепла, либо используемый для питания турбины, вырабатывающей электроэнергию, которая затем использует электрические нагревательные элементы для нагрева подземных слоев сланца для получения нефти из керогена. Результирующий EROI обычно составляет около 1,4-1,5. [17] С экономической точки зрения горючий сланец может быть жизнеспособным из-за фактически бесплатного природного газа на месте, используемого для нагрева керогена, но противники спорят о том, что природный газ можно было бы добывать напрямую и использовать в качестве относительно недорогого транспортного топлива, а не для нагрева сланца для более низкого EROI и более высоких выбросов углерода.
Ожидается, что средневзвешенный стандартный EROI всех жидких нефтепродуктов (включая уголь в жидкость, газ в жидкость, биотопливо и т. д.) снизится с 44,4 в 1950 году до плато в 6,7 в 2050 году. [18]
Стандартный EROI для природного газа, по оценкам, снизится с 141,5 в 1950 году до очевидного плато в 16,8 в 2050 году. [19]
EROI для атомных электростанций колеблется от 20 [20] до 81 [21].
Природные или первичные источники энергии не включены в расчет инвестированной энергии, только источники, применяемые человеком. Например, в случае биотоплива солнечная инсоляция, приводящая в движение фотосинтез , не включена, а энергия, используемая в звездном синтезе делящихся элементов, не включена для ядерного деления . Возвращаемая энергия включает только энергию, пригодную для использования человеком, а не отходы, такие как отходящее тепло .
Тем не менее, тепло любой формы может быть учтено там, где оно фактически используется для отопления. Однако использование отработанного тепла в централизованном теплоснабжении и опреснении воды на когенерационных установках встречается редко, и на практике его часто исключают из анализа EROI источников энергии. [ необходимо разъяснение ]
В статье 2010 года Мерфи и Холла был подробно описан рекомендуемый расширенный ["Ext"] граничный протокол для всех будущих исследований EROI. Для того, чтобы произвести, как они считают, более реалистичную оценку и генерировать большую согласованность в сравнениях, чем то, что Холл и другие рассматривают как "слабые места" в конкурирующей методологии. [22] Однако в последние годы источником постоянных споров является создание другой методологии, одобренной некоторыми членами МЭА , которая, например, особенно в случае фотоэлектрических солнечных панелей , спорно генерирует более благоприятные значения. [23] [24]
В случае фотоэлектрических солнечных панелей метод МЭА, как правило, фокусируется на энергии, используемой только в процессе производства. В 2016 году Холл заметил, что большая часть опубликованных работ в этой области была создана сторонниками или лицами, связанными с деловыми интересами среди конкурирующих технологий, и что государственные учреждения еще не предоставили достаточного финансирования для строгого анализа более нейтральными наблюдателями. [25] [26]
EROI и чистая энергия (прирост) измеряют одно и то же качество источника или стока энергии численно разными способами. Чистая энергия описывает количество, в то время как EROI измеряет отношение или эффективность процесса. Они связаны просто
или
Например, если процесс имеет EROI = 5, то расходование 1 единицы энергии дает чистый прирост энергии в 4 единицы. Точка безубыточности достигается при EROI = 1 или чистом приросте энергии = 0. Время достижения этой точки безубыточности называется периодом окупаемости энергии (EPP) или временем окупаемости энергии (EPBT). [27] [28]
Хотя многие качества источника энергии имеют значение (например, нефть энергоемка и транспортабельна, а ветер изменчив), когда EROI основных источников энергии для экономики падает, эту энергию становится сложнее получить, а ее относительная цена может возрасти.
Что касается ископаемого топлива, когда нефть была первоначально обнаружена, в среднем требовался один баррель нефти, чтобы найти, добыть и переработать около 100 баррелей нефти. Соотношение, для открытия ископаемого топлива в Соединенных Штатах, неуклонно снижалось в течение последнего столетия с примерно 1000:1 в 1919 году до всего лишь 5:1 в 2010-х годах. [2]
С момента изобретения сельского хозяйства люди все чаще использовали экзогенные источники энергии для увеличения человеческой мышечной силы. Некоторые историки приписывают это в значительной степени более легко эксплуатируемым (т. е. более высокому EROI) источникам энергии, что связано с концепцией энергетических рабов . Томас Гомер-Диксон [29] утверждает, что падение EROI в Поздней Римской империи было одной из причин краха Западной империи в пятом веке н. э. В «The Upside of Down» он предполагает, что анализ EROI дает основу для анализа подъема и падения цивилизаций. Рассматривая максимальный размер Римской империи (60 миллионов) и ее технологическую базу, аграрная база Рима составляла около 1:12 на гектар для пшеницы и 1:27 для люцерны (что дает 1:2,7 производство для волов). Затем можно использовать это для расчета населения Римской империи, необходимого на ее пике, на основе примерно 2500–3000 калорий в день на человека. Она примерно равна площади производства продовольствия на пике своего развития. Но экологический ущерб ( вырубка лесов , потеря плодородия почвы , особенно на юге Испании, юге Италии, Сицилии и особенно в Северной Африке) привел к краху системы, начиная со 2-го века, когда EROI начал падать. Она достигла дна в 1084 году, когда население Рима, достигшее пика при Траяне в 1,5 миллиона, составляло всего 15 000 человек.
Доказательства также соответствуют циклу краха майя и камбоджийцев. Джозеф Тейнтер [30] предполагает, что уменьшение доходности EROI является главной причиной краха сложных обществ, который, как предполагалось, был вызван пиком древесины в ранних обществах. Падение EROI из-за истощения высококачественных ресурсов ископаемого топлива также представляет собой сложную проблему для индустриальных экономик и может потенциально привести к снижению экономического производства и поставить под сомнение концепцию (которая является совсем недавней, если рассматривать ее с исторической точки зрения) постоянного экономического роста. [31]
EROI рассчитывается путем деления выходной энергии на входную энергию. Измерение общей выходной энергии часто бывает простым, особенно в случае электрической выходной энергии, где можно использовать подходящий счетчик электроэнергии . Однако исследователи расходятся во мнениях о том, как точно определить входную энергию, и поэтому получают разные числа для одного и того же источника энергии. [32]
Насколько глубоко должно быть зондирование цепочки поставок инструментов, используемых для выработки энергии? Например, если сталь используется для бурения нефтяных скважин или строительства атомной электростанции, следует ли учитывать энергозатраты стали? Следует ли учитывать и амортизировать энергозатраты на строительство завода, используемого для строительства стали? Следует ли учитывать энергозатраты дорог, используемых для перевозки товаров? А как насчет энергии, используемой для приготовления завтраков сталеваров? Это сложные вопросы, на которые нет простых ответов. [33] Полный учет потребовал бы рассмотрения альтернативных издержек и сравнения общих расходов на энергию при наличии и отсутствии этой экономической деятельности.
Однако при сравнении двух источников энергии можно принять стандартную практику для энергозатрат цепочки поставок. Например, рассмотрим сталь, но не будем учитывать энергию, вложенную в заводы глубже первого уровня в цепочке поставок. Отчасти по этим причинам, связанным с полностью охваченными системами, в выводах статьи Мерфи и Холла в 2010 году EROI 5 по их расширенной методологии считается необходимым для достижения минимального порога устойчивости, [22] в то время как значение 12–13 по методологии Холла считается минимальным значением, необходимым для технологического прогресса и общества, поддерживающего высокое искусство. [23] [24]
Ричардс и Уотт предлагают коэффициент выхода энергии для фотоэлектрических систем в качестве альтернативы EROI (который они называют коэффициентом возврата энергии ). Разница в том, что он использует проектный срок службы системы, который известен заранее, а не фактический срок службы. Это также означает, что его можно адаптировать к многокомпонентным системам, где компоненты имеют разный срок службы. [34]
Другая проблема с EROI, которую пытаются решить многие исследования, заключается в том, что возвращаемая энергия может быть в разных формах, и эти формы могут иметь разную полезность. Например, электричество может быть преобразовано в движение более эффективно, чем тепловая энергия, из-за более низкой энтропии электричества. Кроме того, форма энергии на входе может полностью отличаться от формы на выходе. Например, энергия в виде угля может использоваться при производстве этанола. Это может иметь EROI меньше единицы, но все равно может быть желательно из-за преимуществ жидкого топлива (предполагая, что последнее не используется в процессах извлечения и преобразования).
Существует три основных расширенных расчета EROI: расчет точки использования, расширенный и общественный. Расчет точки использования EROI расширяет расчет, включая стоимость переработки и транспортировки топлива в процессе переработки. Поскольку это расширяет границы расчета, включая больше производственного процесса, EROI уменьшится. [2] Расширенный EROI включает расширение точки использования, а также стоимость создания инфраструктуры, необходимой для транспортировки энергии или топлива после переработки. [35] Общественный EROI представляет собой сумму всех EROI всех видов топлива, используемых в обществе или стране. Общественный EROI никогда не рассчитывался, и исследователи полагают, что в настоящее время невозможно узнать все переменные, необходимые для завершения расчета, но попытки оценить его для некоторых стран были сделаны. Расчеты выполняются путем суммирования всех EROI для отечественного и импортируемого топлива и сравнения результата с Индексом развития человеческого потенциала (ИРЧП), инструментом, часто используемым для понимания благополучия в обществе. [36] Согласно этому расчету, количество энергии, доступной обществу, повышает качество жизни людей, живущих в этой стране, а странам с меньшим количеством доступной энергии также сложнее удовлетворять основные потребности граждан. [37] Это означает, что общественный EROI и общее качество жизни очень тесно связаны.
Следующая таблица представляет собой компиляцию источников энергии. [38] Минимальным требованием является разбивка совокупных расходов энергии в соответствии с материальными данными. Часто в литературе приводятся факторы урожая, для которых происхождение значений не совсем прозрачно. Они не включены в эту таблицу.
Числа, выделенные жирным шрифтом, приведены в соответствующем литературном источнике, обычные печатные числа являются производными (см. Математическое описание).
ESOEI (или ESOI e ) используется, когда EROI ниже 1. «ESOI e — это отношение электрической энергии, запасенной в течение срока службы устройства хранения, к количеству воплощенной электрической энергии, необходимой для создания устройства». [4]
Одним из примечательных результатов оценки ESOI группой Стэнфордского университета стало то, что если бы гидроаккумулирующие установки были недоступны, сочетание ветроэнергетики и обычно предлагаемого сочетания с технологией аккумуляторных батарей в том виде, в котором оно существует в настоящее время, не было бы достаточно оправданным для инвестиций, поэтому вместо этого предлагалось бы сокращение. [44]
Связанная с этим недавняя проблема — энергетический каннибализм , когда энергетические технологии могут иметь ограниченный темп роста, если требуется климатическая нейтральность . Многие энергетические технологии способны заменить значительные объемы ископаемого топлива и сопутствующие выбросы парниковых газов . К сожалению, ни огромный масштаб текущей энергетической системы ископаемого топлива, ни необходимый темп роста этих технологий не изучены в рамках ограничений, налагаемых чистой энергией, производимой для растущей отрасли. Это техническое ограничение известно как энергетический каннибализм и относится к эффекту, когда быстрый рост всей отрасли по производству энергии или энергоэффективности создает потребность в энергии, которая использует (или каннибализирует) энергию существующих электростанций или производственных предприятий. [45]
TheСолнечный бридер решает некоторые из этих проблем. Солнечный бридер — это завод по производству фотоэлектрических панелей, который может быть сделан энергонезависимым, используя энергию, получаемую с его собственной крыши с помощью его собственных панелей. Такой завод становится не только энергетически самодостаточным, но и крупным поставщиком новой энергии, отсюда и название солнечный бридер. Исследования по концепции проводились Центром фотоэлектрической инженерии, Университет Нового Южного Уэльса, Австралия. [46] [47] Представленное исследование устанавливает определенные математические соотношения для солнечного бридера, которые ясно указывают на то, что огромное количество чистой энергии доступно от такого завода в течение неопределенного будущего. [48] Завод по переработке солнечных модулей во Фредерике, штат Мэриленд [49] изначально планировался как такой солнечный бридер. В 2009 году Научный совет Японии предложил проект Sahara Solar Breeder в качестве сотрудничества между Японией и Алжиром с весьма амбициозной целью создания сотен ГВт мощности в течение 30 лет. [50]
{{cite web}}
: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)