Energiavkastning på investeringar - Energy return on investment

Inom energiekonomi och ekologisk energi är energiavkastning på investeringar ( EROI ), även ibland kallad energi som returneras på investerad energi ( ERoEI ), förhållandet mellan mängden användbar energi ( exergin ) som levereras från en viss energiresurs till mängden exergi som används för att erhålla den energiresursen.

Aritmetiskt kan EROI definieras som:

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

När EROI för en energikälla är mindre än eller lika med en, blir energikällan ett netto "energisänk" och kan inte längre användas som energikälla. En relaterad åtgärd Energy Stored On Energy Invested (ESOEI) används för att analysera lagringssystem.

För att kunna betraktas som livskraftigt som framstående bränsle eller energikälla måste ett bränsle eller energi ha ett EROI -förhållande på minst 3: 1.

Historia

Energianalysens studieområde krediteras för att ha populariserats av Charles AS Hall , professor i systemekologi och biofysisk ekonomi vid State University of New York . Hall tillämpade den biologiska metoden, utvecklad vid ett ekosystem marint biologiskt laboratorium och anpassade sedan den metoden för att undersöka människans industriella civilisation. Konceptet skulle ha sin största exponering 1984, med ett papper av Hall som dök upp på omslaget till tidskriften Science .

Tillämpning på olika tekniker

Solceller

Frågan är fortfarande föremål för många studier och föranleder akademiska argument. Det beror främst på att den "investerade energin" kritiskt beror på teknik, metodik och systemgränsantaganden, vilket resulterar i ett intervall från högst 2000 kWh/m ² modulyta ner till minst 300 kWh/m ² med ett medianvärde av 585 kWh/m ² enligt en metastudie.

När det gäller produktion beror det uppenbarligen på den lokala insolationen , inte bara själva systemet, så antaganden måste göras.

Vissa studier (se nedan) inkluderar i sin analys att solceller producerar elektricitet, medan den investerade energin kan vara primärenergi av lägre kvalitet .

En granskning från 2015 i förnybara och hållbara energirecensioner bedömde återbetalningstiden för energi och EROI för en mängd olika PV -modultekniker. I denna studie, som använder en isolering på 1700 kWh /m ² /år och en systemlivslängd på 30 år, hittades medelharmoniserade EROI mellan 8,7 och 34,2. Genomsnittlig harmoniserad återbetalningstid för energi varierade från 1,0 till 4,1 år.

Vindturbiner

I den vetenskapliga litteraturen varierar EROI för senaste vindkraftverk normalt mellan 20 och 50 .. Data som samlats in 2018 visade att EROI för operativa vindkraftverk i genomsnitt var 19,8 med hög variation beroende på vindförhållanden och vindkraftstorlek. EROI tenderar att vara högre för de senaste vindkraftverken jämfört med äldre teknik vindkraftverk. Vestas rapporterar en EROI på 31 för sitt vindkraftverk i V150 -modellen.

Oljesand

Eftersom mycket av den energi som krävs för att producera olja från oljesand (bitumen) kommer från fraktioner med lågt värde som separeras från uppgraderingsprocessen, finns det två sätt att beräkna EROI, det högre värdet som ges genom att endast ta hänsyn till de externa energiinmatningarna och det lägre med med tanke på alla energiinmatningar, inklusive självgenererad. En studie visade att oljesandens nettoåtervinning år 1970 var cirka 1,0 men 2010 hade ökat till cirka 5,23.

Konventionell olja

Konventionella oljekällor har en ganska stor variation beroende på olika geologiska faktorer. EROI för raffinerat bränsle från konventionella oljekällor varierar från cirka 18 till 43.

Skifferolja

På grund av kraven på processvärme för skördolja, är EROI mycket lägre än för konventionella oljekällor. Normalt används naturgas, antingen direkt förbränd för processvärme eller används för att driva en elproducerande turbin, som sedan använder elektriska värmeelement för att värma de underjordiska skifferlagren för att producera olja från kerogenet. Resulterande EROI är vanligtvis runt 1,4-1,5. Ekonomiskt sett kan oljeskiffer vara livskraftigt på grund av den effektivt fria naturgasen som används för uppvärmning av kerogen, men motståndare har diskuterat att naturgasen kan utvinnas direkt och användas för relativt billigt transportbränsle snarare än uppvärmning av skiffer för ett lägre EROI och högre koldioxidutsläpp.

Oljevätskor

Den vägda genomsnittliga EROI-standarden för alla oljevätskor (inklusive kol-till-vätskor, gas-till-vätskor, biobränslen, etc.) förväntas minska från 44,4 år 1950 till en platå på 6,7 år 2050.

Naturgas

Standard EROI för naturgas beräknas minska från 141,5 1950 till en uppenbar platå på 16,8 år 2050.

Icke-konstgjorda energiinmatningar

De naturliga eller primära energikällorna ingår inte i beräkningen av investerad energi, bara de mänskligt applicerade källorna. Till exempel, när det gäller biobränslen, ingår inte solens isolering som driver fotosyntesen , och energin som används vid stjärnens syntes av klyvbara element ingår inte för kärnklyvning . Den energi som återlämnas inkluderar endast mänsklig användbar energi och inte avfall som spillvärme .

Ändå kan värme av vilken form som helst räknas där den faktiskt används för uppvärmning. Användning av spillvärme i fjärrvärme och avsaltning av vatten i kraftvärmeverk är dock sällsynt, och i praktiken utesluts det ofta i EROI -analys av energikällor.

Konkurrerande metod

I ett papper från Murphy och Hall 2010 beskrivs det rekommenderade förlängda ["Ext"] gränsprotokollet för all framtida forskning om EROI. För att producera, vad de anser, en mer realistisk bedömning och generera större konsekvens i jämförelser, än vad Hall och andra ser som de "svaga punkterna" i en konkurrerande metod. Under senare år är emellertid en källa till fortsatt kontrovers skapandet av en annan metod som godkänts av vissa medlemmar i IEA, som till exempel mest i synnerhet när det gäller solcellspaneler , genererar kontroversiellt mer gynnsamma värden.

När det gäller solcellspaneler tenderar IEA -metoden att fokusera på energin som används enbart i fabriksprocessen. 2016 konstaterade Hall att mycket av det publicerade arbetet på detta område produceras av förespråkare eller personer med koppling till affärsintressen bland de konkurrerande teknikerna, och att statliga myndigheter ännu inte hade tillhandahållit tillräcklig finansiering för noggranna analyser av mer neutrala observatörer.

Förhållande till netto energivinst

EROI och Net energy (gain) mäter samma kvalitet på en energikälla eller sjunker på numeriskt olika sätt. Nettoenergi beskriver mängderna, medan EROI mäter förhållandet eller effektiviteten i processen. De är relaterade helt enkelt av

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

eller

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

Till exempel, med tanke på en process med ett EROI på 5, ger en energianvändning en nettoinergivinst på 4 enheter. Nollpunkten sker med en EROI på 1 eller en netto energiförstärkning på 0. Tiden för att nå denna jämnpunkt kallas energiåterbetalningstid (EPP) eller energiåterbetalningstid (EPBT).

Ekonomiskt inflytande

Även om många egenskaper hos en energikälla spelar roll (till exempel olja är energität och transportabel, medan vinden är variabel), när EROI för de viktigaste energikällorna för en ekonomi sjunker, blir energin svårare att få och dess relativa pris kan öka.

När det gäller fossila bränslen, när olja ursprungligen upptäcktes, tog det i genomsnitt ett fat olja att hitta, utvinna och bearbeta cirka 100 fat olja. Förhållandet, för upptäckt av fossila bränslen i USA, har sjunkit stadigt under det senaste århundradet från cirka 1000: 1 1919 till endast 5: 1 under 2010 -talet.

Sedan uppfinningen av jordbruket har människor alltmer använt exogena energikällor för att multiplicera mänsklig muskelkraft. Vissa historiker har tillskrivit detta till stor del till lättare utnyttjade (dvs. högre EROI) energikällor, som är relaterat till begreppet energislavar . Thomas Homer-Dixon hävdar att ett fallande EROI i det senare romerska riket var en av anledningarna till det västra imperiets kollaps under 500-talet e.Kr. I "The Upside of Down" föreslår han att EROI -analys ger en grund för analysen av civilisationernas uppgång och fall. Ser man på det maximala omfattningen av Romarriket , (60 miljoner) och dess tekniska bas, var Roms jordbruksbas cirka 1:12 per hektar för vete och 1:27 för alfalfa (vilket gav en produktion på 1: 2,7 för oxar). Man kan sedan använda detta för att beräkna befolkningen i det romerska riket som krävs på dess höjd, baserat på cirka 2 500–3 000 kalorier per dag och person. Det kommer ut ungefär lika med området för livsmedelsproduktion på sin höjd. Men ekologiska skador ( avskogning , förlust av jordens bördighet, särskilt i södra Spanien, södra Italien, Sicilien och särskilt Nordafrika) såg en kollaps i systemet som började på 2: a århundradet när EROI började falla. Den bottnade 1084 när Roms befolkning, som hade toppat under Trajanus på 1,5 miljoner, var bara 15 000.

Bevis passar också cykeln för Maya och Kambodjansk kollaps. Joseph Tainter föreslår att minskad avkastning på EROI är en huvudorsak till sammanbrottet av komplexa samhällen, vilket har föreslagits orsakat av toppträ i tidiga samhällen. Fallande EROI på grund av utarmning av fossila resurser av hög kvalitet utgör också en svår utmaning för industriella ekonomier och kan potentiellt leda till minskande ekonomisk produktion och utmana konceptet (som är mycket nytt när man betraktar det ur ett historiskt perspektiv) om evig ekonomisk tillväxt.

Tim Garrett kopplar EROI och inflation direkt, baserat på en termodynamisk analys som kopplar dagens energiförbrukning i världen (Watts) till en historisk ackumulering av inflationsjusterad global rikedom (amerikanska dollar), känd som Garrett Relation. Denna ekonomiska tillväxtmodell indikerar att global EROI är den inversa av global inflation under ett givet tidsintervall. Eftersom modellen aggregerar leveranskedjor globalt ligger det lokala EROI utanför dess tillämpningsområde.

Kritik av EROI

Att mäta energiproduktionen är ett löst problem; mätning av inmatningen förblir starkt debatterad.

EROI beräknas genom att dividera energiutmatningen med energiinmatningen. Det är ofta enkelt att mäta total energieffekt, särskilt när det gäller en elektrisk effekt där en lämplig elmätare kan användas. Forskare är dock oense om hur man bestämmer energiinmatning exakt och kommer därför fram till olika nummer för samma energikälla.

Hur djupt ska sonderingen i leveranskedjan för de verktyg som används för att generera energi gå? Om till exempel stål används för att borra olja eller bygga ett kärnkraftverk, bör man ta hänsyn till stålets energitillförsel? Ska energitillförseln till byggandet av fabriken som används för att konstruera stålet beaktas och amorteras? Bör energitillförseln på de vägar som används för att färja godset beaktas? Hur är det med energin som används för att laga stålarbetarnas frukostar? Det här är komplexa frågor som undviker enkla svar. En fullständig redovisning skulle kräva överväganden av möjlighetskostnader och att jämföra totala energikostnader i närvaro och frånvaro av denna ekonomiska verksamhet.

Vid jämförelse av två energikällor kan dock en standardpraxis för energikällan i leveranskedjan antas. Tänk till exempel på stålet, men betrakta inte energin som investeras i fabriker djupare än den första nivån i leveranskedjan. Det är delvis av dessa helt omfattande systemskäl att i slutsatserna i Murphy och Halls dokument 2010, anses ett EROI på 5 med deras utökade metod vara nödvändigt för att nå minimitröskeln för hållbarhet, medan ett värde på 12-13 av Halls metod anses vara det minsta värde som krävs för tekniska framsteg och ett samhälle som stöder hög konst.

Richards och Watt föreslår ett energiavkastningsförhållande för solcellsanläggningar som ett alternativ till EROI (som de kallar Energy Return Factor ). Skillnaden är att det använder systemets livslängd, som är känd i förväg, snarare än den faktiska livslängden. Detta innebär också att den kan anpassas till flerkomponentsystem där komponenterna har olika livslängder.

En annan fråga med EROI som många studier försöker ta itu med är att energin som returneras kan ha olika former och dessa former kan ha olika nytta. Till exempel kan el omvandlas mer effektivt än termisk energi till rörelse på grund av elens lägre entropi. Dessutom kan ingångens energiform vara helt annorlunda än utgången. Exempelvis skulle energi i form av kol kunna användas vid produktion av etanol. Detta kan ha en EROI på mindre än en, men kan fortfarande vara önskvärd på grund av fördelarna med flytande bränslen (förutsatt att lattern inte används i extraktions- och transformationsprocesser).

Ytterligare EROI -beräkningar

Det finns tre framträdande utvidgade EROI -beräkningar, de är användningsställen, utökade och samhälleliga. Användningsområde EROI utökar beräkningen till att inkludera kostnaden för raffinering och transport av bränslet under raffineringsprocessen. Eftersom detta utökar gränserna för beräkningen till att omfatta fler produktionsprocesser kommer EROI att minska. Utökat EROI inkluderar utvidgningar av användningsplatser samt kostnaden för att skapa den infrastruktur som behövs för transport av energi eller bränsle när de förfinats. Samhällets EROI är en summa av alla EROI för alla bränslen som används i ett samhälle eller en nation. En samhällelig EROI har aldrig beräknats och forskare tror att det för närvarande kan vara omöjligt att veta alla variabler som är nödvändiga för att slutföra beräkningen, men försök till uppskattningar har gjorts för vissa nationer. Beräkningar gjorda genom att summera alla EROI för inhemskt producerade och importerade bränslen och jämföra resultatet med Human Development Index (HDI), ett verktyg som ofta används för att förstå välbefinnande i ett samhälle. Enligt denna beräkning ökar mängden energi ett samhälle har att tillgå för dem livskvaliteten för människorna som bor i landet, och länder med mindre tillgänglig energi har också svårare att tillgodose medborgarnas grundläggande behov. Det vill säga att samhällets EROI och övergripande livskvalitet är mycket nära kopplade.

EROI och återbetalningstider för vissa typer av kraftverk

Följande tabell är en sammanställning av energikällor från tyska Wikipedia . Minimikravet är en uppdelning av de kumulativa energikostnaderna enligt materialdata. Ofta i litteraturen rapporteras skördefaktorer, för vilka värdenas ursprung inte är helt transparent. Dessa ingår inte i denna tabell.

De djärva siffrorna är de som anges i respektive litteraturkälla, de normala tryckta är härledda (se matematisk beskrivning).

(a) Kostnaden för bränsletransport beaktas

(b) Värdena avser den totala energiproduktionen. Kostnaden för lagerkraftverk, säsongsreserver eller konventionella lastbalanseringskraftverk beaktas inte.

(c) Uppgifterna för E-82 kommer från tillverkaren, men bekräftas av TÜV Rheinland.

ESOEI

ESOEI (eller ESOI _e ) används när EROI är under 1. "ESOI _e är förhållandet mellan elektrisk energi lagrad under en lagringsenhets livstid och mängden förkroppsligad elektrisk energi som krävs för att bygga enheten."

Ett av de anmärkningsvärda resultaten av Stanford University -teamets bedömning av ESOI var att om pumpad lagring inte var tillgänglig skulle kombinationen av vindenergi och den vanligtvis föreslagna parningen med batteriteknik som den för närvarande existerar inte vara tillräckligt värt investeringen, vilket tyder på istället inskränkning.

EROI under snabb tillväxt

En relaterad nyligen oro är energikannibalism där energiteknik kan ha en begränsad tillväxttakt om klimatneutralitet krävs. Många energiteknologier kan ersätta betydande volymer fossila bränslen och därmed sammanhängande utsläpp av växthusgaser . Tyvärr är varken den enorma omfattningen av det nuvarande energisystemet för fossila bränslen eller den nödvändiga tillväxttakten för dessa tekniker väl förstådda inom de gränser som nettoenergin produceras för en växande industri. Denna tekniska begränsning är känd som energikannibalism och hänvisar till en effekt där snabb tillväxt av en hel energiproducerande eller energieffektiv industrin skapar ett behov av energi som använder (eller kannibaliserar) energin från befintliga kraftverk eller produktionsanläggningar.

De soluppfödare övervinner några av dessa problem. En soluppfödare är en solcellspanelstillverkningsanläggning som kan göras energioberoende genom att använda energi från sitt eget tak med sina egna paneler. En sådan anläggning blir inte bara energi självförsörjande utan en stor leverantör av ny energi, därav namnet soluppfödare. Forskning om konceptet genomfördes av Center for Photovoltaic Engineering, University of New South Wales, Australien. Den rapporterade undersökningen fastställer vissa matematiska samband för soluppfödaren som tydligt indikerar att en enorm mängd nettoenergi är tillgänglig från en sådan anläggning för en obestämd framtid. Solmodulens bearbetningsanläggning i Frederick, Maryland var ursprungligen planerad som en sådan soluppfödare. År 2009föreslogs Sahara Solar Breeder Project av Science Council of Japan som ett samarbete mellan Japan och Algeriet med det mycket ambitiösa målet att skapa hundratals GW kapacitet inom 30 år. Teoretiskt kan uppfödare av alla slag utvecklas. I praktiken är kärnuppfödningsreaktorer de enda storskaliga uppfödare som har konstruerats från och med 2014, med 600 MWe BN-600 och 800 MWe BN-800-reaktorn , de två största i drift.

Se även

• Kostnad för el efter källa - nivåiserad energikostnad
• Förkroppsligad energi
• Emergy
• Energi balans
• Energikannibalism
• Exergi - nyttig energi
• Jevons paradox - 1880 -talets observation av effektivitetseffektmultiplikatorn
• Khazzoom-Brookes Postulate- 1980-talets uppdatering av Jevons paradox
• Netto energivinst
• Social metabolism
• Tabell över olja NER

Referenser

externa länkar

• World-Nuclear.org , World Nuclear Association-studie om EROI med antagna antaganden.
• Web.archive.org , Wayback Archive of OilAnalytics.org, "EROI som ett mått på energitillgänglighet"
• EOearth.org , Energy return on investment (EROI)
• EOearth.org , Net energy analysis
• H2-pv.us , uppsats om H2-PV uppfödarsynergier