Возврат инвестиций в энергию

Не путать с чистым приростом энергии .

В энергетической экономике и экологической энергетике энергетический возврат инвестиций ( EROI ), также иногда называемый возвратом энергии на вложенную энергию ( ERoEI ), представляет собой отношение количества полезной энергии ( эксергии ), доставленной из конкретного энергетического ресурса, к количеству эксергия, используемая для получения этого энергетического ресурса.

Арифметически EROI можно определить как:

$EROI={\frac {\hbox{Energy Delivered}}{\hbox{Energy Required to Deliver that Energy}}}$.

Когда EROI источника энергии меньше или равен единице, этот источник энергии становится чистым «поглотителем энергии» и больше не может использоваться в качестве источника энергии. Соответствующий показатель, называемый энергией, сохраненной на вложенной энергии ( ESOEI ), используется для анализа систем хранения.

Чтобы считаться жизнеспособным в качестве основного источника топлива или энергии, топливо или энергия должны иметь коэффициент EROI не менее 3:1.

История

Смотрите также: Экологическая экономика

Популяризацию области энергетического анализа приписывают Чарльзу А.С. Холлу , профессору системной экологии и биофизической экономики в Университете штата Нью-Йорк . Холл применил биологическую методологию, разработанную в Морской биологической лаборатории экосистем, а затем адаптировал этот метод для исследования человеческой индустриальной цивилизации. Наибольшее распространение эта концепция получила в 1984 году, когда статья Холла появилась на обложке журнала Science .

Применение к различным технологиям

Фотоэлектрический

Смотрите также: Фотогальваника из теллурида кадмия

Мировой рынок фотоэлектрических систем по технологиям в 2013 году.

  мульти-Si (54,9%)

  моно-Si (36,0%)

  CdTe (5,1%)

  а-Si (2,0%)

  CIGS (2,0%)

Этот вопрос до сих пор является предметом многочисленных исследований и вызывает академические споры. Это происходит главным образом потому, что «вложенная энергия» критически зависит от технологии, методологии и предположений о границах системы, что приводит к максимальному диапазону 2000 кВтч/м. ² площади модуля до минимума 300 кВтч/м ² при среднем значении 585 кВтч/м ² По данным мета-исследования 2013 года.

Что касается производительности, то она, очевидно, зависит от местной инсоляции , а не только от самой системы, поэтому необходимо делать предположения.

Некоторые исследования (см. ниже) включают в свой анализ, что фотоэлектрические батареи производят электроэнергию, в то время как вложенная энергия может быть первичной энергией более низкого качества .

В обзоре 2015 года, опубликованном в журнале Renewable and Sustainable Energy Reviews, были оценены время окупаемости энергии и EROI различных технологий фотоэлектрических модулей. В этом исследовании, в котором используется инсоляция 1700 кВтч/м ² В год и сроком службы системы 30 лет средние гармонизированные значения EROI находились в диапазоне от 8,7 до 34,2. Среднее время окупаемости гармонизированной энергии варьировалось от 1,0 до 4,1 года. В 2021 году Институт солнечных энергетических систем Фраунгофера рассчитал время окупаемости энергии примерно в 1 год для европейских фотоэлектрических установок (0,9 года для Катании на юге Италии, 1,1 года для Брюсселя) с кремниевыми элементами PERC на основе пластин .

Ветровые турбины

В научной литературе EROI ветряных турбин составляет около 16 небуферных и 4 буферных. Данные, собранные в 2018 году, показали, что EROI действующих ветряных турбин в среднем составляет 19,8 с высокой изменчивостью в зависимости от ветровых условий и размера ветряной турбины. EROI, как правило, выше для современных ветряных турбин по сравнению с ветряными турбинами более старых технологий.Vestas сообщает о EROI своей ветряной турбины модели V150 на уровне 31.

Гидроэлектростанции

EROI для гидроэлектростанций составляет в среднем около 110 при сроке эксплуатации около 100 лет.

Нефтяные пески

Поскольку большая часть энергии, необходимой для добычи нефти из нефтеносных песков (битумов) , поступает из низкоценных фракций, выделяемых в процессе обогащения, существует два способа расчета EROI: более высокое значение получается с учетом только внешних затрат энергии, а более низкое - с учетом только внешних энергетических затрат. с учетом всех энергозатрат, в том числе собственных. Одно исследование показало, что в 1970 году чистая энергетическая отдача от нефтеносных песков составляла около 1,0, но к 2010 году она увеличилась примерно до 5,23.

Обычное масло

Традиционные источники нефти имеют довольно большие вариации в зависимости от различных геологических факторов. EROI для очищенного топлива из традиционных источников нефти варьируется от 18 до 43.

Сланец

Из-за требований к технологическому потреблению тепла для добычи сланца EROI является низким. Обычно используется природный газ, который либо сжигается непосредственно для получения технологического тепла, либо используется для питания турбины, вырабатывающей электроэнергию, которая затем использует электрические нагревательные элементы для нагрева подземных слоев сланца для добычи нефти из керогена. Итоговый EROI обычно составляет около 1,4–1,5. С экономической точки зрения сланец может быть жизнеспособным из-за фактически бесплатного природного газа на месте, используемого для нагрева керогена, но оппоненты спорят о том, что природный газ можно добывать напрямую и использовать в качестве относительно недорогого транспортного топлива, а не нагревать сланец для более низкого EROI и более высокие выбросы углерода.

Масляные жидкости

Ожидается, что средневзвешенный стандартный EROI всех нефтяных жидкостей (включая уголь-жидкость, газ-жидкость, биотопливо и т. д.) снизится с 44,4 в 1950 году до стабильного значения 6,7 в 2050 году.

Природный газ

По оценкам, стандартный EROI для природного газа снизится с 141,5 в 1950 году до очевидного плато в 16,8 в 2050 году.

Атомные станции

EROI для атомных электростанций колеблется от 1 до 81.

Нетехногенные энергозатраты

Природные или первичные источники энергии не включаются в расчет инвестируемой энергии, а только источники, применяемые человеком.Например, в случае биотоплива не учитывается солнечная инсоляция, способствующая фотосинтезу , а энергия, используемая в звездном синтезе делящихся элементов, не учитывается для ядерного деления . Возвращаемая энергия включает только энергию, пригодную для использования человеком, а не отходы, такие как отходящее тепло .

Тем не менее, тепло в любой форме можно подсчитать там, где оно действительно используется для отопления. Однако использование отработанного тепла в системах централизованного теплоснабжения и опреснения воды на теплоэлектростанциях встречается редко, и на практике оно часто исключается из анализа EROI источников энергии.

Конкурирующая методология

В статье Мерфи и Холла 2010 года был подробно описан рекомендуемый расширенный протокол границ ["Ext"] для всех будущих исследований EROI. Чтобы дать то, что они считают, более реалистичной оценкой и добиться большей последовательности в сравнениях, чем то, что Холл и другие считают «слабыми местами» в конкурирующей методологии. Однако в последние годы источником продолжающихся разногласий является создание другой методологии, одобренной некоторыми членами МЭА , которая, например, особенно в случае фотоэлектрических солнечных панелей , противоречиво генерирует более благоприятные значения.

В случае фотоэлектрических солнечных панелей метод МЭА имеет тенденцию фокусироваться на энергии, используемой только в заводском процессе. В 2016 году Холл заметил, что большая часть опубликованных работ в этой области создана адвокатами или лицами, связанными с деловыми интересами конкурирующих технологий, и что правительственные учреждения еще не предоставили адекватного финансирования для тщательного анализа более нейтральными наблюдателями.

Связь с чистым приростом энергии

EROI и чистая энергия (прибыль) измеряют одно и то же качество источника или приемника энергии разными способами. Чистая энергия описывает количество, а EROI измеряет соотношение или эффективность процесса. Они связаны просто

${\hbox{GrossEnergyYield}}\div {\hbox{EnergyExpended}}=EROI$

или

$({\hbox{NetEnergy}}\div {\hbox{EnergyExpended}})+1=EROI$

Например, для процесса с EROI, равным 5, затраты 1 единицы энергии дают чистый прирост энергии в 4 единицы. Точка безубыточности достигается при EROI, равном 1, или чистом приросте энергии, равном 0. Время достижения этой точки безубыточности называется периодом окупаемости энергии (EPP) или временем окупаемости энергии (EPBT).

Экономическое влияние

Хотя многие качества источника энергии имеют значение (например, нефть является энергоемкой и транспортабельной, а ветер непостоянен), когда EROI основных источников энергии для экономики падает, энергию становится труднее получить, и ее относительная цена может измениться. увеличивать.

Что касается ископаемого топлива, то, когда нефть была впервые обнаружена, в среднем требовался один баррель нефти, чтобы найти, добыть и переработать около 100 баррелей нефти. Соотношение открытия ископаемого топлива в Соединенных Штатах неуклонно снижалось на протяжении последнего столетия с примерно 1000:1 в 1919 году до всего лишь 5:1 в 2010-х годах.

С момента изобретения сельского хозяйства люди все чаще использовали экзогенные источники энергии для увеличения мышечной силы.Некоторые историки объясняют это в основном более легко эксплуатируемыми (т.е. более высоким EROI) источниками энергии, что связано с концепцией энергетических рабов . Томас Гомер-Диксон утверждает, что падение EROI в Поздней Римской империи было одной из причин распада Западной империи в пятом веке нашей эры. В «Перевернутой стороне» он предполагает, что анализ EROI обеспечивает основу для анализа взлета и падения цивилизаций. Учитывая 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 производство волов 1:2,7). Затем можно использовать это для расчета численности населения Римской империи, необходимой на пике ее развития, исходя из примерно 2500–3000 калорий в день на человека. Оно выходит примерно равным площади производства продуктов питания на пике своего развития. Но экологический ущерб ( вырубка лесов , потеря плодородия почв, особенно на юге Испании, юге Италии, Сицилии и особенно в Северной Африке) привел к коллапсу системы, начиная со II века, когда EROI начал падать. Он достиг своего дна в 1084 году, когда численность населения Рима, достигшего пика при Траяна при 1,5 миллионах было всего 15 000.

Свидетельства также соответствуют циклу коллапса майя и Камбоджи. Джозеф Тейнтер предполагает, что уменьшающаяся отдача от EROI является основной причиной коллапса 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 задачу для промышленно развитых стран и потенциально может привести к снижению экономического производства и бросить вызов концепции (которая возникла совсем недавно, если рассматривать ее с исторической точки зрения) постоянного экономического роста.

Критика ГЕРОЕВ

Измерение выходной энергии является решенной проблемой; измерение входных данных остается предметом жарких дискуссий.

EROI рассчитывается путем деления выходной энергии на входную энергию. Измерить общую выработку энергии часто несложно, особенно в случае электрической мощности, где соответствующий счетчик электроэнергии можно использовать . Однако исследователи расходятся во мнениях относительно того, как точно определить энергозатраты, и поэтому приходят к разным цифрам для одного и того же источника энергии.

Насколько глубоким должно быть исследование цепочки поставок инструментов, используемых для производства энергии? Например, если сталь используется для добычи нефти или строительства атомной электростанции, следует ли учитывать энергозатраты стали? Следует ли учитывать и амортизировать затраты энергии на строительство завода, используемого для производства стали? Следует ли учитывать энергозатраты дорог, по которым перевозятся товары? А как насчет энергии, используемой для приготовления завтраков сталеварам? Это сложные вопросы, на которые уклоняются простые ответы. Полный учет потребует учета альтернативных издержек и сравнения общих затрат на энергию при наличии и отсутствии этой экономической деятельности.

Однако при сравнении двух источников энергии можно принять стандартную практику учета затрат энергии в цепочке поставок. Например, рассмотрим сталь, но не учитываем энергию, вложенную в заводы, находящиеся глубже первого уровня в цепочке поставок. Частично по этим полностью охватывающим системным причинам в выводах статьи Мерфи и Холла в 2010 году EROI, равный 5 по их расширенной методологии, считается необходимым для достижения минимального порога устойчивости. а значение 12–13 по методологии Холла считается минимальным значением, необходимым для технического прогресса и общества, поддерживающего высокое искусство.

Ричардс и Ватт предлагают коэффициент выхода энергии для фотоэлектрических систем в качестве альтернативы EROI (который они называют коэффициентом возврата энергии ). Разница в том, что здесь используется расчетный срок службы системы, который известен заранее, а не фактический срок службы. Это также означает, что его можно адаптировать к многокомпонентным системам, в которых компоненты имеют разный срок службы.

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 можно преобразовывать в движение более эффективно, чем тепловую энергию, из-за более низкой энтропии электричества. Кроме того, форма входной энергии может совершенно отличаться от выходной. Например, энергия в виде угля может быть использована для производства этанола. Это может иметь EROI меньше единицы, но все же может быть желательным из-за преимуществ жидкого топлива (при условии, что последнее не используется в процессах добычи и переработки).

Дополнительные расчеты EROI

Существует три основных расчета расширенного EROI: точечный, расширенный и социальный. Точка использования EROI расширяет расчет, включив в него стоимость переработки и транспортировки топлива в процессе переработки. Поскольку это расширяет границы расчета и включает в себя больше производственного процесса, EROI уменьшится. Расширенный EROI включает расширение точек использования, а также затраты на создание инфраструктуры, необходимой для транспортировки энергии или топлива после переработки. Социальный EROI — это сумма всех EROI всех видов топлива, используемых в обществе или стране. Социальный EROI никогда не рассчитывался, и исследователи полагают, что в настоящее время невозможно знать все переменные, необходимые для завершения расчета, но попытки оценить были сделаны для некоторых стран. Расчеты выполняются путем суммирования всех EROI для отечественного и импортного топлива и сравнения результата с Индексом человеческого развития (ИЧР), инструментом, который часто используется для понимания благосостояния в обществе. Согласно этому расчету, количество энергии, доступной обществу, повышает качество жизни людей, живущих в этой стране, а странам с меньшим количеством доступной энергии также труднее удовлетворять основные потребности граждан. Это означает, что социальный EROI и общее качество жизни очень тесно связаны.

EROI и сроки окупаемости некоторых типов электростанций

В следующей таблице представлены источники энергии. Минимальное требование – разбивка совокупных энергозатрат по данным материала. В литературе часто указываются коэффициенты вылова, происхождение значений которых не совсем прозрачно. Они не включены в эту таблицу.

Жирным шрифтом показаны цифры, приведенные в соответствующем литературном источнике, обычные печатные — производные (см. Математическое описание).

Тип	ГЕРОИ	Срок амортизации	Срок амортизации по сравнению с «идеальной» электростанцией
			ГЕРОИ	Срок амортизации
Ядерная энергетика (а)
Реактор с водой под давлением , 100% центрифужное обогащение	106	2 месяца	315	17 дней
Реактор с водой под давлением , 83% центрифужное обогащение	75	2 месяца	220	17 дней
Ископаемая энергия (а)
Бурый уголь , Открытый	31	2 месяца	90	23 дня
Черный уголь , подземная добыча без транспортировки угля.	29	2 месяца	84	19 дней
Газ (ПГУ) , Природный газ	28	9 дней	81	3 дня
Газ (ПГУ) , Био газ	3.5	12 дней	10	3 дня
Гидроэнергетика
Речная гидроэлектростанция	50	1 год	150	8 месяцев
Солнечная тепловая энергия (б)
Пустыня, параболические впадины + среда фенильных соединений	21	1,1 года	62	4 месяца
Ветроэнергетика (б)
1,5 МВт ( Е-66 ), 2000 часов при полной нагрузке VLh (немецкое побережье)	16	1,2 года	48	5 месяцев
1,5 МВт ( Е-66 ), 2700 часов при полной нагрузке VLh (немецкий берег), берег)	21	0,9 лет	63	3,7 месяца
2,3 МВт ( Е-82 ), 3200 часов при полной нагрузке VLh (немецкий берег), берег) (с)	51	4,7 месяцев	150	1,6 месяца
Парк 200 МВт (установка 5 МВт), 4400 часов полной нагрузки VLh (оффшор)	16	1,2 года	48	5 месяцев
Фотовольтаика (б)
Поликремний, установка на крыше, 1000 часов полной нагрузки VLh (Южная Германия)	4.0	6 лет	12	2 года
Поликремний, установка на крыше, 1800 часов полной нагрузки VLh (Южная Европа)	7.0	3,3 года	21	1,1 года

(а) Учтена стоимость перевозки топлива

(б) Значения относятся к общей выходной энергии. Затраты на аккумулирующие электростанции, сезонные резервы или традиционные электростанции с балансировкой нагрузки не учитываются.

(c) Данные для E-82 предоставлены производителем, но подтверждены TÜV Rheinland.

ИМ

ESOEI (или ESOI _e ) используется, когда EROI ниже 1. «ESOI _e — это отношение электрической энергии, накопленной в течение срока службы устройства хранения, к количеству воплощенной электрической энергии, необходимой для создания устройства».

Технология хранения	ИМ
Свинцово-кислотный аккумулятор	5
Цинк-бромидная батарея	9
Ванадиевая окислительно-восстановительная батарея	10
NaS-батарея	20
Литий-ионный аккумулятор	32
Насосная гидроэлектростанция	704
Энергетический накопитель сжатого воздуха	792

Одним из примечательных результатов оценки ESOI, проведенной командой Стэнфордского университета , было то, что, если бы гидроаккумулирующая энергия не была доступна, сочетание энергии ветра и широко предлагаемого сочетания с аккумуляторной технологией в том виде, в котором она существует в настоящее время, не окупило бы вложений, что предполагает вместо этого сокращение.

EROI в условиях быстрого роста

Связанной с этим недавней проблемой является энергетический каннибализм , при котором энергетические технологии могут иметь ограниченные темпы роста, если климатическая нейтральность требуется . Многие энергетические технологии способны заменить значительные объемы ископаемого топлива и сопутствующие выбросы парниковых газов . К сожалению, ни огромный масштаб нынешней энергетической системы, работающей на ископаемом топливе, ни необходимые темпы роста этих технологий не вполне понятны в пределах ограничений, налагаемых чистой энергией, производимой для растущей отрасли. Это техническое ограничение известно как энергетический каннибализм и относится к эффекту, когда быстрый рост всей энергопроизводящей или энергоэффективной отрасли создает потребность в энергии, которая использует (или поглощает) энергию существующих электростанций или производственных предприятий.

The Солнечный размножитель решает некоторые из этих проблем. Солнечная установка — это завод по производству фотоэлектрических панелей, который можно сделать энергонезависимым за счет использования энергии, получаемой от собственной крыши с использованием собственных панелей. Такая электростанция становится не только энергетически самодостаточной, но и крупным поставщиком новой энергии, отсюда и название «солнечный заводчик». Исследование этой концепции было проведено Центром фотоэлектрической инженерии Университета Нового Южного Уэльса, Австралия. Сообщаемое исследование устанавливает определенные математические соотношения для солнечного размножителя, которые ясно указывают на то, что огромное количество чистой энергии доступно от такой установки в неопределенном будущем. Завод по переработке солнечных модулей во Фредерике, штат Мэриленд. изначально планировался как такой солнечный бридер. В 2009 году проект солнечной энергии в Сахаре был предложен Научным советом Японии как сотрудничество между Японией и Алжиром с весьма амбициозной целью создания сотен ГВт мощности в течение 30 лет.

См. также

• Стоимость электроэнергии по источникам – приведенная стоимость энергии
• Воплощенная энергия
• Чрезвычайная ситуация
• Энергетический баланс
• Энергетический каннибализм
• Эксергия – полезная энергия
• Парадокс Джевонса - наблюдение множителя эффекта эффективности в 1880-х годах
• Постулат Хаззума-Брукса - обновленная версия парадокса Джевонса 1980-х годов
• Чистый прирост энергии
• Социальный метаболизм
• Термоэкономика

Внешние ссылки

• World-Nuclear.org. Архивировано 15 февраля 2013 г. в Wayback Machine , исследование Всемирной ядерной ассоциации по EROI с перечислением предположений.
• Web.archive.org , Архив Wayback of OilAnalytics.org, «EROI как мера доступности энергии»
• EOearth.org , Возврат инвестиций в энергетику (EROI)
• EOearth.org , Анализ чистой энергии
• H2-pv.us , Эссе о синергии селекционеров H2-PV