Энергияның қайтарымдылығы: пайдалы энергияның арақатынасы

Кіріспе

Ресурстан алынатын пайдалы энергияның арақатынасы

Энергия экономикасы және экологиялық энергетика салаларында энергияның инвестициядан түсетін пайдасы (ЭИТП), кейде инвестицияланған энергияға қайтарылатын энергия (ЭИКЭ) деп те аталады, бұл нақты бір энергия ресурсынан алынатын пайдалы энергия мөлшерінің (экзергияның) сол энергия ресурсын алуға жұмсалынған экзергия мөлшеріне қатынасы болып табылады. Арифметикалық тұрғыдан ЭИТП былай анықталады: Отын немесе энергия көзі маңызды отын немесе энергия көзі ретінде қарастырылуы үшін, оның ЭИТП арақатынасы кем дегенде 3:1 болуы тиіс.

Тарих

Энергияны талдау саласын Чарльз А. С. Холл танымал етті, ол Нью-Йорк мемлекеттік университетінде жүйелік экология және биофизикалық экономика профессоры болған. Холл Экосистемалардың теңіз биологиялық зертханасында жасалған биологиялық әдістемені қолданды, содан кейін осы әдісті адамның өнеркәсіптік өркениетін зерттеуге бейімдеді. Бұл концепция 1984 жылы Холлдың Science журналының мұқабасында жарияланған мақаласы арқылы ең көп танылды.

Фотоэлектрлік

Бұл мәселе әлі де көптеген зерттеулердің нысаны болып табылады және академиялық пікірталас тудырады. Бұл негізінен "инвестицияланған энергияның" технологияға, әдістемеге және жүйе шекараларына жасалған болжамдарға тікелей байланысты болуынан туындайды. 2013 жылғы мета-зерттеуге сәйкес, нәтижесінде модульдің ауданына шаққандағы энергия мөлшері 2000 кВт/м² максимумнан 300 кВт/м² минимумға дейін, ал орташа көрсеткіш 585 кВт/м² құрайды. Нәтижеге қатысты айтқанда, ол жүйеден ғана емес, жергілікті күн сәулесінің қарқындылығына да байланысты, сондықтан болжамдар жасау қажет. Кейбір зерттеулер (төменде қараңыз) фотоэлектрлік станциялардың электр энергиясын өндіретінін, ал инвестицияланған энергияның бастапқы энергияның төмен сапалы түрі болуы мүмкін екенін ескереді. 2015 жылғы «Жаңаруға жарамды және тұрақты энергия туралы» шолуда түрлі фотоэлектрлік модульдердің энергияны қайтару мерзімі мен EROI көрсеткіштері бағаланды. Бұл зерттеуде, 1700 кВт/м²/жылдық күн сәулесінің қарқындылығы және 30 жылдық жүйелік қызмет мерзімі қолданылды, нәтижесінде орташа үйлесімді EROI 8,7 мен 34,2 аралығында болды. Орташа үйлесімді энергияны қайтару мерзімі 1,0 жылдан 4,1 жылға дейін ауытқып келді. 2021 жылы Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems еуропалық фотоэлектрлік қондырғылар үшін энергияны қайтару мерзімін шамамен 1 жыл деп есептеді (Оңтүстік Италиядағы Катания үшін 0,9 жыл, Брюссель үшін 1,1 жыл), бұл көрсеткіш пластиналық кремний PERC жасушаларымен қамтамасыз етілген.

Жел турбиналары

Ғылыми әдебиетте жел турбиналарының EROI буферлеусіз болғанда шамамен 16, буферленгенде 4-ке жуық. 2018 жылы жиналған деректер жел турбиналарының EROI орташа есеппен 19,8-ге тең екенін көрсетті, бұл көрсеткіш жел жағдайларына және жел турбинасының өлшемдеріне байланысты айтарлықтай өзгерді. Жаңа жел турбиналарының EROI, көне технологиялы жел турбиналарына қарағанда жоғары болады. Vestas компаниясы өздерінің V150 модельді жел турбинасының EROI көрсеткішін 31 деп хабарлайды.

Су электр станциялары

Су электр станцияларының EROI орташа есеппен 100 жыл бойы пайдаланылғанда шамамен 110-ды құрайды.

Мұнай құмдары

Мұнай құмдарынан (битумнан) мұнай өндіруге қажетті энергияның көп бөлігі жаңарту процесінде бөлінген төмен құнды фракциялардан түсетіндіктен, EROI есептеудің екі тәсілі бар: сыртқы энергиялық кірістерді ғана ескергенде жоғары мән, ал барлық энергиялық кірістерді, оның ішінде өзіндік өндірілгенін де ескергенде төмен мән шығады. Бір зерттеу көрсеткендей, 1970 жылы мұнай құмдарынан алынған таза энергияның пайдасы шамамен 1,0 болса, 2010 жылы ол шамамен 5,23-ке дейін артқан.

Кәдімгі мұнай

Мұнайдың дәстүрлі көздері әртүрлі геологиялық факторларға байланысты айтарлықтай өзгешеліктерге ие. Дәстүрлі мұнай көздерінен алынған тазартылған отынның EROI көрсеткіші шамамен 18-ден 43-ке дейін құбылады.

Мұнай шикізаты

Мұнай шайынынан мұнай алу процесіне қажетті жылу мөлшеріне байланысты EROI төмен болады. Көбінесе табиғи газ тікелей жағылып, процеске қажетті жылуды береді немесе электр энергиясын өндіретін турбинаны іске қосу үшін қолданылады, ал содан кейін электрлік қыздыру элементтері арқылы жер астындағы шайын қабаттарын қыздырып, керогеннен мұнай шығарылады. Соның салдарынан EROI шамамен 1.4-1.5 құрайды.

Табиғи газ

Табиғи газдың стандартты EROI көрсеткіші 1950 жылы 141,5-тен 2050 жылы шамамен 16,8-ге дейін төмендеуі күтілуде.

Ядролық қондырғылар

Ядролық электр станцияларының EROI көрсеткіші 43-тен 81-ге дейін ауыспайды.

Адам қолынан келмейтін энергия көздері

Инвестицияланған энергияны есептеуде табиғи немесе бастапқы энергия көздері ескерілмейді, тек адам қолданған энергия көздері ғана ескеріледі. Мысалы, биоотын жағдайында фотосинтезді қозғаушы күн сәулесінің энергиясы ескерілмейді, ал ядролық бөліну үшін пайдалы элементтердің жұлдыздарда синтезделуіне жұмсалған энергия да ескерілмейді. Қайтарылатын энергияға тек адам пайдалана алатын энергия ғана кіреді, қалдық жылу сияқты пайдасыз энергиялар кірмейді. Дегенмен, егер жылу кез келген түрінде нақты жылыту үшін қолданылса, оны есепке алуға болады. Бірақ, жылумен жабдықтау және суды тұщыландыру үшін когенерациялық станцияларда қалдық жылуды пайдалану сирек кездеседі, және практикада энергия көздерінің EROI талдауында көбінесе ескерілмейді.

Бәсекелестік әдістеме

Мерфи мен Холлдың 2010 жылғы мақаласында EROI зерттеулерінің барлық болашағы үшін ұсынылған кеңейтілген ["Ext"] шекаралық хаттама толық сипатталды. Олардың пікірінше, бұл бәсекелес әдістемедегі "әлсіз тұстар" деп саналатын нәрседен гөрі, шынайы бағалау жасауға және салыстыруларда үлкен дәйектілікке қол жеткізуге мүмкіндік береді. Алайда, соңғы жылдары АЭА-ның кейбір мүшелері қолдаған, әсіресе фотоэлектрлік күн панельдерінің мысалында, көбірек артықшылықты мәндер беретін басқа әдістеме жасалуы дау тудырып отыр. Фотоэлектрлік күн панельдері жағдайында, АЭА әдісі зауыт процесінде қолданылатын энергияға ғана назар аударады. 2016 жылы Холл осы саладағы жарияланған көптеген жұмыстардың бәсекелес технологияларға байланысты мүдделі тараптар немесе олардың өкілдері тарапынан жасалғанын, ал үкіметтік органдар бейтарап сарапшылардың толыққанды талдауын жүргізу үшін жеткілікті қаржыландыруды әлі де қамтамасыз етпегенін атап өтті.

Экономикалық ықпал

Энергия көзінің көптеген қасиеттері маңызды болғанмен (мысалы, мұнай энергияға толы және тасымалдауға ыңғайлы, ал желдің өзгеруі жиі), экономика үшін басты энергия көздерінің EROI көрсеткіші төмендеген кезде, энергияны алу қиындай түседі және оның салыстырмалы бағасы артуы мүмкін. Мұнай жаңадан ашылғанда, оның 100 баррелін табу, өндіру және өңдеу үшін орташа есеппен бір баррель мұнай жұмсалатын. АҚШ-тағы қазба отынның ашылу көрсеткіші соңғы ғасырда тұрақты түрде төмендеді, 1919 жылы 1000:1 болса, 2010 жылдары 5:1-ге дейін түсті. Зерттеушілер, кейінгі Рим империясындағы EROI көрсеткішінің төмендеуі V ғасырда Батыс империясының құлауына себеп болған факторлардың бірі екенін айтады. «The Upside of Down» атты еңбегінде EROI талдауы өркениеттердің өркендеуі мен құлдырауын талдау үшін маңызды негіз болып табылады деп санайды. Рим империясының ең үлкен аумағын (60 миллион) және оның технологиялық базасын қарастыратын болсақ, Римнің аграрлық базасы бидай үшін гектарына шамамен 1:12, ал люцерна үшін 1:27 (түйелер үшін 1:2.7 өнімділік) көрсеткен. Осы деректерді пайдаланып, Рим империясының өркендеген шағындағы халқын, бір адамға күніне шамамен 2500-3000 калория есебінен анықтауға болады. Есептеулерге сәйкес, бұл көрсеткіш тамақ өндірісінің ең жоғарғы деңгейіндегі аумаққа шамамен тең келеді. Алайда, экологиялық зиян (орманның жоғалуы, топырақтың құнарлылығының төмендеуі, әсіресе Оңтүстік Испанияда, Оңтүстік Италияда, Сицилияда және Солтүстік Африкада) 2-ші ғасырдан бастап жүйенің құлдырауына әкелді, себебі EROI көрсеткіші төмендеді. 1084 жылы Рим халқының саны 15 000-ға дейін азайды, ал Траян тұсында 1,5 миллионға жеткен еді. Бұл деректер майя және камбоджалық өркениеттердің құлдырау циклына да сәйкес келеді. Джозеф Тейнтер EROI көрсеткішінің төмендеуі күрделі қоғамдардың құлауының басты себебі екенін айтады, бұл ерте замандағы қоғамдарда ағаш ресурстарының таусылуымен байланысты болуы мүмкін. Жоғары сапалы қазба отын қорларының азаюынан туындаған EROI көрсеткішінің төмендеуі өнеркәсіптік экономика үшін үлкен қиындықтар тудырады, экономикалық өнімнің төмендеуіне және мәңгілік экономикалық өсім (тарихи тұрғыдан алғанда салыстырмалы түрде жаңа тұжырым) концепциясына күдік тудыруы мүмкін.

Although many qualities of an energy source matter (for example oil is energy dense and transportable, while wind is variable), when the EROI of the main sources of energy for an economy fall that energy becomes more difficult to obtain and its relative price may increase. In regard to fossil fuels, when oil was originally discovered, it took on average one barrel of oil to find, extract, and process about 100 barrels of oil. The ratio, for discovery of fossil fuels in the United States, has declined steadily over the last century from about 1000:1 in 1919 to only 5:1 in the 2010s. argues that a falling EROI in the Later Roman Empire was one of the reasons for the collapse of the Western Empire in the fifth century CE. In "The Upside of Down" he suggests that EROI analysis provides a basis for the analysis of the rise and fall of civilisations. Looking at the maximum extent of the Roman Empire, (60 million) and its technological base the agrarian base of Rome was about 1:12 per hectare for wheat and 1:27 for alfalfa (giving a 1:2.7 production for oxen). One can then use this to calculate the population of the Roman Empire required at its height, on the basis of about 2,500–3,000 calories per day per person. It comes out roughly equal to the area of food production at its height. But ecological damage (deforestation, soil fertility loss particularly in southern Spain, southern Italy, Sicily and especially north Africa) saw a collapse in the system beginning in the 2nd century, as EROI began to fall. It bottomed in 1084 when Rome's population, which had peaked under Trajan at 1.5 million, was only 15,000. Evidence also fits the cycle of Mayan and Cambodian collapse too. Joseph Tainter suggests that diminishing returns of the EROI is a chief cause of the collapse of complex societies, which has been suggested as caused by peak wood in early societies. Falling EROI due to depletion of high quality fossil fuel resources also poses a difficult challenge for industrial economies, and could potentially lead to declining economic output and challenge the concept (which is very recent when considered from a historical perspective) of perpetual economic growth.

EROI-ді сынға алу

EROI энергия шығынын энергия кірісіне бөлу арқылы есептеледі. Жалпы энергия шығынын өлшеу, әсіресе электр энергиясы түрінде болғанда, тиісті электр есептегіштерді пайдалану арқылы оңай болады. Дегенмен, зерттеушілер энергия кірісін қалай дәл анықтау керектігі туралы келіспейді, сондықтан энергияның бірден-бір көзі үшін әртүрлі мәнді нәтижелерге келеді. Энергия өндіруге қолданылатын құралдардың жеткізу тізбесінде қаншалықты тереңге бойлау керек? Мысалы, егер болат мұнайды бұрғылауға немесе атом электр станциясын салуға қолданылса, болаттың энергия кірісі ескерілуі керек пе? Болат өндіруге қолданылатын зауытты салуға жұмсалған энергия ескеріліп, амортизациялануы керек пе? Тауарларды тасымалдауға қолданылатын жолдардың энергия шығыны ескерілуі керек пе? Ал болат жұмысшыларының таңғы асын дайындауға кеткен энергия ше? Бұлар – қарапайым жауаптары жоқ күрделі сұрақтар. Толық есептеу үшін мүмкіндік шығындары мен осы экономикалық белсенділік болғанда және болмағандағы жалпы энергия шығындарын салыстыруды қарастыру қажет. Алайда, екі энергия көзін салыстырғанда, жеткізу тізбесіндегі энергия кірісі үшін стандартты тәсілді қабылдауға болады. Мысалы, болатты қарастырыңыз, бірақ жеткізу тізбесіндегі бірінші деңгейден жоғары зауыттарға жұмсалған энергияны ескермеңіз. Осылайша, толық қамтылған жүйелік себептерге байланысты, Мерфи мен Холлдың 2010 жылғы мақаласының қорытындысында, олардың кеңейтілген әдістемесі бойынша, тұрақтылықтың минималды деңгейіне жету үшін 5 EROI қажет деп саналады.

EROI-мен байланысты тағы бір мәселе, көптеген зерттеулер шешуге тырысады, қайтарылатын энергия әртүрлі формаларда болуы мүмкін, және осы формалардың әртүрлі пайдалылығы болуы мүмкін. Мысалы, электр энергиясы жылу энергиясынан қозғалысқа тиімдірек түрлендірілуі мүмкін, себебі электр энергиясының энтропиясы төмен. Сонымен қатар, кіріс энергиясының формасы шығыс энергиясынан мүлдем өзгеше болуы мүмкін. Мысалы, көмір түріндегі энергия этанол өндірісінде қолданылуы мүмкін. Бұл EROI 1-ден кем болуы мүмкін, бірақ сұйық отынның артықшылықтарына байланысты (егер олар өндіру және өңдеу процестерінде қолданылмаса) бәрібір қажет болуы мүмкін.

Қосымша EROI есептеулері

Қазіргі уақытта қолданылатын үш маңызды кеңейтілген EROI есебі бар: қолдану нүктесі, кеңейтілген және қоғамдық. Қолдану нүктесі EROI есебін өңдеу процесінде отынды тазарту және тасымалдау құнымен толықтырады. Бұл есептеу шегін кеңейтіп, өндіріс процесінің көбірек бөлігін қамтығандықтан, EROI көрсеткіші төмендейді. Қоғамдық EROI – бір қоғамда немесе елде қолданылатын барлық отын түрлерінің EROI көрсеткіштерінің қосындысы. Қоғамдық EROI ешқашан толық есептелген емес, және зерттеушілер осы есептеуді аяқтау үшін қажетті барлық факторларды білу қазіргі таңда мүмкін емес деп санайды, бірақ кейбір елдер үшін шамамен бағалаулар жасалған. Есептеулер ел ішінде өндірілген және импортталған отынның барлық EROI көрсеткіштерін қосу арқылы және нәтижені адам даму индексімен (АДИ) салыстыру арқылы жүргізіледі, бұл көрсеткіш қоғамдағы әл-ауқатты түсіну үшін жиі қолданылады. Осы есептеуге сәйкес, қоғамның қолда бар энергия мөлшері сол елде тұратын адамдардың өмір сапасын арттырады, ал энергиясы жеткіліксіз елдерде азаматтардың негізгі қажеттіліктерін қанағаттандыру қиынға түседі. Яғни, қоғамдық EROI мен жалпы өмір сапасы тығыз байланысты.

ЭСОЭИ

ESOEI (немесе ESOIe) EROI 1-ден төмен болғанда қолданылады. "ESOIe – сақтау құрылғысының қызмет ету мерзімі ішінде сақталған электр энергиясының, осы құрылғыны жасауға жұмсалынған электр энергиясының көлеміне қатынасы."

Тез өсіп келе жатқан EROI

Соңғы уақыттағы осыған байланысты мәселе – энергияны жегіштік, яғни климаттық бейтараптылық талап етілсе, энергия технологияларының өсу қарқыны шектелуі мүмкін. Көптеген энергия технологиялары қазба отындарының айтарлықтай көлемін алмастыра алады және осымен байланысты парниктік газдар шығарылымдарын азайтуға мүмкіндік береді. Алайда, қазіргі қазба отын энергия жүйесінің зор масштабы мен осы технологиялардың қажетті өсу қарқыны, өсіп келе жатқан сала үшін өндірілетін таза энергияның шектерінде толыққанды түсініксіз. Бұл техникалық шектеу энергияны жегіштік деп аталады және энергия өндіретін немесе энергия тиімділігі индустриясының қарқынды өсуі, қолданыстағы электр стансаларының немесе өндіріс орналастыруларының энергиясын пайдаланатын (немесе жейтін) энергияға деген қажеттілікті тудырады. Күн энергиясы бар өсіргіш (solar breeder) осы мәселелердің кейбіреуін шешеді. Күн энергиясы бар өсіргіш – фотоэлектрлік панельдерді өндіретін зауыт, ол өз панельдерін пайдалана отырып, өз шатырынан алынған энергияны қолдану арқылы энергия тәуелсіздігіне қол жеткізе алады. Мұндай зауыт тек энергиямен өзін-өзі қамтамасыз ету ғана емес, сонымен қатар жаңа энергияның маңызды көзіне айналады, сондықтан оны күн энергиясы бар өсіргіш деп атайды. Осы тұжырымдама бойынша зерттеулер Австралияның Жаңа Оңтүстік Уэльс университетінің Фотоэлектрлік инженерия орталығы жүргізді. Мэриленд штатының Фредерик қаласындағы күн модульдерін өңдеу зауыты бастапқыда осындай күн энергиясы бар өсіргіш ретінде жоспарланған. 2009 жылы Жапонияның Ғылым кеңесі Жапония мен Алжир арасындағы ынтымақтастық аясында Сахара күн энергиясы бар өсіргіш жобасын ұсынды, мақсаты – 30 жыл ішінде жүздеген ГВт қуаттылық құру.