Введение

Отношение полезной энергии, полученной из ресурса

В энергетической экономике и экологической энергетике энергетическая отдача от инвестиций (EROI), также иногда называемая энергией, возвращаемой на затраченную энергию (ERoEI), представляет собой отношение количества полезной энергии (экзергии), полученной от конкретного энергетического ресурса, к количеству экзергии, затраченной на его добычу. Арифметически EROI определяется как:
Для того чтобы считаться жизнеспособным в качестве значимого источника топлива или энергии, топливо или энергия должны иметь отношение EROI не менее 3:1.

История

Поле исследования энергетического анализа получило известность благодаря Чарльзу А. С. Холлу, профессору экологии систем и биофизической экономики в Государственном университете Нью-Йорка. Холл применил биологическую методологию, разработанную в Морской биологической лаборатории Экосистем, и затем адаптировал её для изучения человеческой индустриальной цивилизации. Наибольшую известность эта концепция приобрела в 1984 году, когда статья Холла была опубликована на обложке журнала Science.

Фотоэлектрические

Этот вопрос по-прежнему является предметом многочисленных исследований и вызывает научные дискуссии. Это в основном связано с тем, что "затраченная энергия" критически зависит от используемых технологий, методологии и принятых границ системы, что приводит к диапазону значений от максимума в 2000 кВтч/м² площади модуля до минимума в 300 кВтч/м², при медианном значении 585 кВтч/м² согласно мета-анализу 2013 года. Что касается выходной энергии, то она очевидно зависит от местной солнечной инсоляции, а не только от самой системы, поэтому необходимо делать определенные предположения. Некоторые исследования (см. ниже) учитывают в своем анализе тот факт, что фотоэлектрические установки производят электроэнергию, в то время как затраченная энергия может представлять собой первичную энергию более низкого качества. Обзор 2015 года, опубликованный в журнале Renewable and Sustainable Energy Reviews, оценил время энергетической окупаемости и EROI различных технологий фотоэлектрических модулей. В этом исследовании, использующем инсоляцию 1700 кВтч/м²/год и срок службы системы 30 лет, были получены средние гармонизированные значения EROI от 8,7 до 34,2. Среднее гармонизированное время энергетической окупаемости варьировалось от 1,0 до 4,1 года. В 2021 году Институт солнечной энергетики Фраунгофера рассчитал время энергетической окупаемости для европейских фотоэлектрических установок примерно в 1 год (0,9 года для Катании, расположенной на юге Италии, и 1,1 года для Брюсселя) для кремниевых элементов PERC на основе пластин.

Ветряные турбины

В научной литературе EROI ветровых турбин составляет около 16 для неаккумулирующих систем и 4 – для систем с аккумулированием. Данные, собранные в 2018 году, показали, что средний EROI эксплуатируемых ветровых турбин составил 19,8, с существенной вариативностью в зависимости от ветровых условий и размера турбины. EROI, как правило, выше для современных ветровых турбин по сравнению с турбинами более ранних моделей. Компания Vestas заявляет о EROI 31 для своей ветротурбины модели V150.

Гидроэлектростанции

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

Нефтяные пески

Поскольку значительная часть энергии, необходимой для добычи нефти из битуминозных песков (битума), поступает из низкокачественных фракций, выделяемых в процессе переработки, существует два способа расчета EROI: более высокий, учитывающий только внешние энергозатраты, и более низкий, учитывающий все энергозатраты, включая собственные. Одно исследование показало, что в 1970 году чистый энергетический выход от битуминозных песков составлял около 1,0, но к 2010 году он увеличился примерно до 5,23.

Обычная нефть

Обычные источники нефти демонстрируют значительные колебания в зависимости от различных геологических факторов. Показатель EROI для рафинированного топлива, полученного из обычных источников нефти, варьируется от примерно 18 до 43.

Нефтяные сланцы

В связи с необходимостью значительных тепловых затрат при добыче нефти из горючих сланцев, показатель EROI оказывается низким. Как правило, используется природный газ, который либо сжигается непосредственно для обеспечения тепла, необходимого в процессе, либо применяется для привода турбины, вырабатывающей электроэнергию, которая затем используется для нагрева подземных слоев сланца и извлечения нефти из керогена. В результате EROI обычно составляет около 1,4–1,5.

Природный газ

Ожидается, что стандартный показатель EROI для природного газа снизится с 141,5 в 1950 году до, по всей видимости, плато в 16,8 к 2050 году.

Ядерные электростанции

EROI для атомных электростанций варьируется от 43 до 81.

Непроизводственные энергетические ресурсы

Природные или первичные источники энергии не включаются в расчет затраченной энергии, учитываются только источники, используемые человеком. Например, в случае биотоплива солнечная радиация, приводящая в действие фотосинтез, не учитывается, равно как и энергия, затраченная на синтез делящихся элементов в звездах, при ядерном делении. Возвращаемая энергия включает только энергию, пригодную для использования человеком, и не включает отходы, такие как рассеянное тепло. Тем не менее, тепло в любой форме может быть учтено, если оно фактически используется для обогрева. Однако использование отработанного тепла в системах центрального отопления и опреснения воды на когенерационных установках встречается редко, и на практике оно часто исключается из анализа EROI источников энергии.

Конкурирующая методология

В статье 2010 года, написанной Мерфи и Холл, был подробно описан рекомендованный расширенный ["Ext"] протокол границ для всех будущих исследований EROI. Это было сделано для получения, по их мнению, более реалистичной оценки и обеспечения большей согласованности при сравнении, чем то, что Холл и другие считают "слабыми местами" конкурирующей методологии. Однако, в последние годы источником постоянных споров стало создание альтернативной методологии, поддерживаемой некоторыми членами МЭА, которая, в частности, в случае фотоэлектрических солнечных панелей, вызывает разногласия, генерируя более выгодные результаты. В случае фотоэлектрических солнечных панелей, методика МЭА обычно фокусируется исключительно на энергии, затраченной в процессе производства. В 2016 году Холл отметил, что значительная часть опубликованных работ в этой области создается сторонниками или лицами, связанными с коммерческими интересами конкурирующих технологий, и что государственные учреждения пока не выделили достаточного финансирования для проведения независимого и тщательного анализа.

Экономическое влияние

Хотя многие характеристики источника энергии имеют значение (например, нефть энергоемка и транспортируема, а энергия ветра непостоянна), когда EROI основных источников энергии для экономики снижается, эта энергия становится все более труднодоступной, и ее относительная цена может расти. Что касается ископаемого топлива, то при первоначальном открытии нефти в среднем требовался один баррель нефти для обнаружения, добычи и переработки примерно 100 баррелей. Соотношение для обнаружения ископаемого топлива в Соединенных Штатах неуклонно снижалось в течение последнего столетия – с 1000:1 в 1919 году до 5:1 в 2010-х годах. Утверждается, что снижение EROI в Поздней Римской империи было одной из причин падения Западной империи в V веке нашей эры. В книге "The Upside of Down" предполагается, что анализ EROI предоставляет основу для анализа подъема и падения цивилизаций. Рассматривая максимальную территорию Римской империи (60 миллионов) и ее технологическую базу, аграрная основа Рима составляла примерно 1:12 на гектар для пшеницы и 1:27 для люцерны (что дает производительность для волов в соотношении 1:2.7). Затем это можно использовать для расчета численности населения Римской империи в период ее расцвета, исходя из примерно 2500–3000 калорий в день на человека. Полученное значение примерно соответствует площади сельскохозяйственного производства в период его пика. Однако экологический ущерб (вырубка лесов, потеря плодородия почвы, особенно в южной Испании, южной Италии, Сицилии и особенно в Северной Африке) привел к краху системы, начавшемуся во II веке, по мере снижения EROI. Наименьшее значение было достигнуто в 1084 году, когда население Рима, достигшее пика в 1,5 миллиона человек при Траяне, составило всего 15 000 человек. Данные также соответствуют циклам краха цивилизаций майя и кхмеров. Джозеф Тейнтер предполагает, что уменьшение отдачи от EROI является основной причиной краха сложных обществ, что было обусловлено пиком доступности древесины в ранних обществах. Снижение EROI из-за истощения высококачественных ресурсов ископаемого топлива также представляет собой серьезную проблему для промышленных экономик и потенциально может привести к снижению экономического производства и поставить под сомнение концепцию (которая, с исторической точки зрения, является относительно новой) вечного экономического роста.

Критика EROI

EROI рассчитывается путем деления полученной энергии на затраченную энергию. Измерение общей выработки энергии часто бывает простым, особенно в случае электрической энергии, когда можно использовать подходящий электросчетчик. Однако исследователи расходятся во мнениях относительно того, как точно определить затраты энергии, и поэтому получают разные значения для одного и того же источника энергии. Насколько глубоко следует прослеживать цепочку поставок инструментов, используемых для производства энергии? Например, если сталь используется для бурения нефти или строительства атомной электростанции, следует ли учитывать затраты энергии на производство стали? Следует ли учитывать и амортизировать затраты энергии на строительство завода, используемого для производства стали? Следует ли учитывать затраты энергии на дороги, используемые для транспортировки товаров? А как насчет энергии, затраченной на приготовление завтрака для сталелитейщиков? Это сложные вопросы, не имеющие простых ответов. Полный учет потребует рассмотрения альтернативных издержек и сравнения общих энергетических затрат в случае наличия и отсутствия данной экономической деятельности. Однако при сравнении двух источников энергии можно принять стандартный подход к учету затрат энергии в цепочке поставок. Например, учитывать сталь, но не учитывать энергию, затраченную на заводы, находящиеся глубже первого уровня в цепочке поставок. Отчасти из-за этих системных соображений, в выводах работы Мерфи и Холла 2010 года, EROI равный 5, рассчитанный по их расширенной методологии, считается необходимым для достижения минимального порога устойчивости.

Другая проблема, связанная с EROI, которую пытаются решить многие исследования, заключается в том, что возвращаемая энергия может быть в разных формах, обладающих различной полезностью. Например, электричество можно преобразовать в движение более эффективно, чем тепловую энергию, из-за более низкой энтропии электричества. Кроме того, форма энергии на входе может существенно отличаться от формы энергии на выходе. Например, энергия в виде угля может быть использована для производства этанола. Это может привести к EROI меньше единицы, но все же может быть целесообразно благодаря преимуществам жидкого топлива (при условии, что последнее не используется в процессах добычи и переработки).

Дополнительные расчеты EROI

Существует три основных расширенных расчета EROI: EROI в точке использования, расширенный и общественный. Расчет EROI в точке использования расширяет исходный расчет, включая стоимость переработки и транспортировки топлива в процессе его получения. Поскольку это расширяет границы расчета, охватывая больше производственных процессов, значение EROI снижается. Общественный EROI представляет собой сумму EROI всех видов топлива, используемых в обществе или стране. Общественный EROI никогда не рассчитывался, и исследователи полагают, что в настоящее время невозможно учесть все необходимые переменные для выполнения расчета, хотя для некоторых стран предпринимались попытки оценки. Расчет производится путем суммирования EROI для топлива, произведенного внутри страны и импортируемого, и сравнения полученного результата с Индексом развития человеческого потенциала (ИРЧП) – инструментом, часто используемым для оценки благосостояния в обществе. Согласно этому расчету, объем энергии, доступной обществу, повышает качество жизни его граждан, а странам с меньшими энергетическими ресурсами сложнее удовлетворять базовые потребности населения. Таким образом, общественный EROI и общее качество жизни тесно взаимосвязаны.

ЭСОЭИ

ESOEI (или ESOIe) используется, когда EROI ниже 1. "ESOIe – это отношение электрической энергии, накопленной за время жизненного цикла устройства хранения, к объему воплощенной электрической энергии, необходимой для его производства."

EROI под стремительным ростом

Недавняя связанная с этим проблема – энергетический каннибализм, когда энергетические технологии могут иметь ограниченную скорость роста при требовании достижения климатической нейтральности. Многие энергетические технологии способны заменить значительные объемы ископаемого топлива и сопутствующие выбросы парниковых газов. К сожалению, ни огромный масштаб существующей системы энергетики, основанной на ископаемом топливе, ни необходимая скорость роста этих технологий недостаточно хорошо изучены в контексте ограничений, налагаемых чистой энергией, производимой для развивающейся отрасли. Это техническое ограничение известно как энергетический каннибализм и относится к эффекту, при котором быстрый рост всей энергопроизводящей или энергоэффективной отрасли создает потребность в энергии, которая использует (или «каннибализирует») энергию существующих электростанций или производственных мощностей. Солнечный размножитель (solar breeder) позволяет решить некоторые из этих проблем. Солнечный размножитель – это завод по производству фотоэлектрических панелей, который может стать энергетически независимым, используя энергию, получаемую с собственной крыши посредством собственных панелей. Такой завод становится не только энергетически самодостаточным, но и крупным поставщиком новой энергии, отсюда и название «солнечный размножитель». Исследование данной концепции было проведено Центром фотоэлектрической инженерии Университета Нового Южного Уэльса (Австралия). Проведенное исследование установило определенные математические зависимости для солнечного размножителя, которые четко указывают на то, что с такой установки доступно огромное количество чистой энергии на неопределенный срок. Завод по переработке солнечных модулей в Фредерике (штат Мэриленд) первоначально планировался как подобный солнечный размножитель. В 2009 году Научный совет Японии предложил проект «Солнечный размножитель Сахара» в рамках сотрудничества между Японией и Алжиром с весьма амбициозной целью создания сотен ГВт установленной мощности в течение 30 лет.