Энергетическая окупаемость

редактировать

В энергетике и экологической энергетике, возврат энергии инвестиции (EROI ), также иногда называемые энергия, возвращенная на вложенную энергию (ERoEI ), представляет собой соотношение суммы полезной энергии (эксергия ), доставленной из определенного энергетического ресурса, до количества эксергии, используемой для получения этого энергетического ресурса.

Арифметически EROEI можно определить как :

EROEI = Доставленная энергия Энергия, необходимая для доставки этой энергии {\ displaystyle EROEI = {\ frac {\ hbox {Доставленная энергия}} {\ hbox {Энергия, необходимая для доставки этой энергии}}}}EROEI = \ frac {\ hbox {Энергия доставлена}} {\ hbox {Энергия, необходимая для доставки этой энергии}} .

Когда EROEI источника энергии меньше или равно единице, этот источник энергии становится чистым «стоком энергии» и больше не может использоваться в качестве источника энергии, но в зависимости от системы может быть полезен для хранения энергии (например, батарея). Связанная мера Энергия, накопленная за счет вложенной энергии (ESOEI) используется для анализа систем хранения.

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

Содержание

  • 1 История
  • 2 Применение в различных технологиях
    • 2.1 Фотогальваника
    • 2.2 Ветровые турбины
    • 2.3 Нефтяные пески
    • 2.4 Обычная нефть
    • 2.5 Сланцевая нефть
  • 3 Затраты энергии без искусственного происхождения
  • 4 Методология конкуренции
  • 5 Отношение к чистому приросту энергии
  • 6 Экономическое влияние
  • 7 Критика EROEI
  • 8 Дополнительные расчеты EROEI
  • 9 EROEI и сроки окупаемости некоторых типов электростанций
  • 10 ESOEI
  • 11 EROEI в условиях быстрого роста
  • 12 См. Также
  • 13 Ссылки
  • 14 Внешние ссылки

История

Область исследований по энергетическому анализу приписывают популяризацию Чарльза А.С. Холла, профессора системной экологии и биофизической экономики в Государственном университете 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 в различных технологиях

Фотоэлектрические

Глобальные PV рынок по технологиям в 2013 году.

мульти-Si (54,9%) моно-Si (36,0%) CdTe (5,1%) a -Si (2,0%) CIGS (2,0%)

Этот вопрос по-прежнему является предметом многочисленных исследований и вызывает академические споры. Это главным образом потому, что «вложенная энергия» критически зависит от технологии, методологии и допущений о границах системы, что приводит к диапазону от максимум 2000 кВтч / м площади модуля до минимум 300 кВтч / м со средним значением 585 кВтч / м в соответствии с метаисследованием.

Что касается производительности, 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 системы производят электричество, в то время как инвестируемая энергия может быть более низкого качества первичная энергия.

Обзор 2015 г. в Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики оценили время окупаемости энергии и EROI различных технологий фотоэлектрических модулей. В этом исследовании, в котором используется инсоляция 1700 кВтч / м / год и срок службы системы 30 лет, были найдены средние гармонизированные EROI между 8,7 и 34,2. Среднее время окупаемости согласованной энергии варьировалось от 1,0 до 4,1 года.

Ветровые турбины

EROI ветряных турбин зависит от вложенной в турбину энергии, произведенной энергии и срока службы пролет турбины. В научной литературе EROI обычно варьируется от 20 до 50. Smil собрал данные по EROI ветряных турбин и обнаружил, что самые большие в самых ветреных местах достигают 20. Но большинство из них меньше 10 (старые данные). Vestas сообщает о 31-кратном возврате энергии для типичной ветряной электростанции в 2019 году.

Нефтеносные пески

Поскольку большая часть энергии требуется для добычи нефти из нефтеносных песков (битума) исходит из фракций с низкой стоимостью, выделенных в процессе модернизации, существует два способа расчета EROEI: более высокое значение определяется с учетом только внешних затрат энергии, а меньшее - с учетом всех затрат энергии, включая генерируемые самостоятельно. Одно исследование показало, что в 1970 г. чистая отдача энергии от нефтеносных песков составляла около 1,0, но к 2010 г. увеличилась примерно до 5,23.

Обычная нефть

Обычные источники нефти имеют довольно большие различия в зависимости от различных геологических условий. факторы. EROEI для очищенного топлива из традиционных источников нефти варьируется от 18 до 43.

Shale Oil

Из-за требований к подводимому теплу для процесса сбора сланцевого масла EROEI намного ниже, чем для обычного источники нефти. Обычно используется природный газ, либо непосредственно сжигаемый для получения технологического тепла, либо используемый для питания турбины, вырабатывающей электричество, которая затем использует электрические нагревательные элементы для нагрева подземных слоев сланца для производства нефти из керогена. В результате EROEI обычно составляет около 1,4–1,5. С экономической точки зрения горючий сланец может быть жизнеспособным из-за фактически свободного природного газа на месте, используемого для нагрева керогена, но противники спорят о том, что природный газ можно добывать напрямую и использовать в качестве относительно недорогого транспортного топлива, а не нагревать сланец для более низкого EROEI и более высокие выбросы углерода.

Ввод энергии, не созданной человеком.

Природные или первичные источники энергии не включаются в расчет инвестированной энергии, только источники, применяемые человеком. Например, в случае биотоплива солнечная инсоляция, приводящая в движение фотосинтез, не включается, а энергия, используемая в звездном синтезе делящихся элементов, не включается для деление ядра. Возвращенная энергия включает только энергию, используемую человеком, а не потери, такие как отходящее тепло.

. Тем не менее, тепло в любой форме можно подсчитать там, где оно фактически используется для отопления. Однако использование отработанного тепла в централизованном теплоснабжении и опреснении воды в когенерационных станциях встречается редко, и на практике оно часто исключается при анализе источников энергии EROEI.

Конкурирующая методология

В статье Мерфи и Холла от 2010 г. был подробно описан рекомендуемый расширенный [«Ext»] протокол границ для всех будущих исследований EROI. Для того, чтобы произвести, по их мнению, более реалистичную оценку и добиться большей последовательности в сравнениях, чем то, что Холл и другие считают «слабыми местами» в конкурирующей методологии. Однако в последние годы источником непрекращающихся споров является создание другой методологии, одобренной некоторыми членами IEA, которая, например, наиболее заметна в случае фотоэлектрических солнечных панелей, что противоречиво. генерирует более благоприятные значения.

В случае фотоэлектрических солнечных панелей метод IEA имеет тенденцию фокусироваться только на энергии, используемой в производственном процессе. В 2016 году Холл заметил, что большая часть опубликованных работ в этой области подготовлена ​​адвокатами или лицами, имеющими отношение к бизнес-интересам среди конкурирующих технологий, и что правительственные агентства еще не предоставили адекватное финансирование для тщательного анализа более нейтральными наблюдателями.

Отношение к чистому приросту энергии

EROEI и Чистая энергия (прирост) измеряют одинаковое качество источника энергии или расходуются различными способами. Чистая энергия описывает количество, а EROEI измеряет коэффициент или эффективность процесса. Они связаны просто

GrossEnergyYield ÷ EnergyExpended = EROEI {\ displaystyle {\ hbox {GrossEnergyYield}} \ div {\ hbox {EnergyExpended}} = EROEI}{\ hbox {GrossEnergyYield}} \ div {\ hbox {EnergyExpended}} = EROEI

или

(NetEnergy ÷ EnergyExpended) + 1 = EROEI {\ displaystyle ({\ hbox {NetEnergy}} \ div {\ hbox {EnergyExpended}}) + 1 = EROEI}({\ hbox {NetEnergy}} \ div { \ hbox {EnergyExpended}}) + 1 = EROEI

Например, для процесса с EROEI, равным 5, израсходованная 1 единица энергии дает чистую прирост энергии 4 ед. Точка безубыточности наступает при EROEI, равном 1, или при чистом выигрыше энергии, равном 0. Время для 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 транспортируемой, в то время как ветер изменчив), когда EROEI Основные источники энергии для экономики сокращаются, энергия становится более труднодоступной, и ее относительная цена может возрасти.

Что касается ископаемого топлива, когда нефть была первоначально открыта, требовалось в среднем один баррель нефти, чтобы найти, добыть и переработать около 100 баррелей нефти. Соотношение открытия ископаемых видов топлива в Соединенных Штатах в течение последнего столетия неуклонно снижалось с примерно 1000: 1 в 1919 году до всего лишь 5: 1 в 2010-х.

С момента изобретения сельского хозяйства люди все чаще использовали экзогенные источники энергии для увеличения мышечной силы человека. Некоторые историки связывают это в основном с более легко используемыми источниками энергии (т.е. с более высоким EROEI), что связано с концепцией энергетических рабов. Томас Гомер-Диксон утверждает, что падение EROEI в Поздней Римской империи было одной из причин краха Западной империи в пятом веке нашей эры. В «Перевернутой вниз» он предполагает, что анализ EROEI обеспечивает основу для анализа подъема и падения цивилизаций. Глядя на максимальную протяженность Римской империи (60 миллионов) и ее технологическую базу, аграрная база Рима составляла примерно 1:12 на гектар для пшеницы и 1:27 для люцерны (что дает 1: 2,7). продукция для волов). Затем это можно использовать для расчета численности населения Римской империи, требуемого на пике ее развития, исходя из примерно 2,500–3,000 калорий в день на человека. Он выходит примерно равным площади производства продуктов питания на своем пике. Но экологический ущерб (обезлесение, потеря плодородия почвы, особенно на юге Испании, юге Италии, Сицилии и особенно в Северной Африке) привел к коллапсу системы, начиная с 2 век, когда EROEI начал падать. Он достиг своего дна в 1084 году, когда население Рима, достигшее пика при Траяне и составлявшее 1,5 миллиона, составляло всего 15 000 человек.

Свидетельства также соответствуют циклу майя и камбоджийскому краху тоже. Джозеф Тейнтер предполагает, что уменьшение отдачи от EROEI является главной причиной краха сложных обществ, который, как предполагалось, был вызван пиком леса в ранних обществах. Падение EROEI из-за истощения запасов высококачественного ископаемого топлива также представляет собой сложную проблему для индустриальной экономики и потенциально может привести к снижению объемов производства и бросить вызов концепции (которая появилась совсем недавно, если рассматривать ее с исторической точки зрения) постоянного экономического роста.

Тим Гарретт напрямую связывает EROEI и инфляцию, основываясь на термодинамическом анализе, который связывает текущее мировое потребление энергии (ватт) с историческим накоплением глобальное богатство с поправкой на инфляцию (в долларах США), известное как соотношение Гарретта. Эта модель экономического роста показывает, что глобальный EROEI является обратной глобальной инфляции за данный временной интервал. Поскольку модель объединяет цепочки поставок по всему миру, локальный EROEI выходит за рамки ее применения.

Критика EROEI

Измерение выработки энергии - решенная проблема; Измерение входной энергии остается предметом споров.

EROEI вычисляется путем деления выходной энергии на входную. Измерение общей выходной энергии часто бывает несложным, особенно в случае электрической выходной мощности, когда можно использовать соответствующий счетчик электроэнергии. Тем не менее, исследователи расходятся во мнениях относительно того, как точно определять энергозатраты, и поэтому приходят к разным цифрам для одного и того же источника энергии.

Насколько глубоко следует исследовать цепочку 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 затраты энергии на строительство завода, используемого для производства стали? Следует ли учитывать энергозатраты дорог, по которым перевозятся грузы? А как насчет энергии, используемой для приготовления завтраков сталеваров? Это сложные вопросы, на которые нет простых ответов. Полный учет потребует рассмотрения альтернативных издержек и сравнения общих затрат на энергию при наличии и отсутствии этой экономической деятельности.

Однако при сравнении двух источников энергии может быть принята стандартная практика для ввода энергии в цепочку поставок. Например, рассмотрите сталь, но не учитывайте энергию, вложенную в заводы на более глубоком уровне, чем первый уровень в цепочке поставок. Частично по причинам, связанным с полностью охваченной системой, в выводах, сделанных Мерфи и Холлом в 2010 году, EROI, равный 5 по их расширенной методологии, считается необходимым для достижения минимального порога устойчивости, в то время как значение 12-13 Методология Холла считается минимальной ценностью, необходимой для технического прогресса и общества, поддерживающего высокое искусство.

Ричардс и Ватт предлагают коэффициент выхода энергии для фотоэлектрических систем в качестве альтернативы EROEI (который они называют коэффициентом возврата энергии). Разница в том, что здесь используется заранее известный расчетный срок службы системы, 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 может быть преобразовано в движение более эффективно, чем тепловая энергия, благодаря более низкой энтропии электричества. Кроме того, форма энергии на входе может полностью отличаться от выходной. Например, энергия в виде угля может быть использована для производства этанола. Это может иметь EROEI меньше единицы, но все же может быть желательным из-за преимуществ жидкого топлива (при условии, что последние не используются в процессах экстракции и преобразования).

Дополнительные вычисления EROEI

Есть три важных расширенных вычисления EROEI: точки использования, расширенные и социальные. Точка использования EROEI расширяет расчет и включает в себя стоимость очистки и транспортировки топлива в процессе очистки. Поскольку это расширяет границы расчета, чтобы включить больше производственного процесса, EROEI будет уменьшаться. Расширенный EROEI включает в себя расширение точки использования, а также включает стоимость создания инфраструктуры, необходимой для транспортировки энергии или топлива после очистки. Социальный EROI - это сумма всех EROEI всех видов топлива, используемых в обществе или нации. Социальный EROI никогда не рассчитывался, и исследователи считают, что в настоящее время невозможно узнать все переменные, необходимые для завершения расчета, но для некоторых стран были сделаны попытки оценки. Расчеты производятся путем суммирования всех EROEI для отечественного и импортного топлива и сравнения результата с Индексом человеческого развития (HDI), инструментом, часто используемым для понимания благополучия в обществе. Согласно этому расчету, количество энергии, доступной для общества, повышает качество жизни людей, живущих в этой стране, и странам с меньшим количеством доступной энергии также труднее удовлетворять основные потребности граждан. Это означает, что социальный EROI и общее качество жизни очень тесно связаны.

EROEI и сроки окупаемости некоторых типов электростанций

Следующая таблица представляет собой компиляцию источников энергии из немецкой Википедии. Минимальное требование - разбивка совокупных затрат энергии по материалам. Часто в литературе приводятся коэффициенты урожая, для которых происхождение значений не совсем прозрачно. Они не включены в эту таблицу.

Жирным шрифтом выделены номера, приведенные в соответствующем источнике литературы, обычные напечатанные числа получены (см. Математическое описание).

ТипEROEIСрок амортизацииСрок амортизации по сравнению с «идеальной» электростанцией
EROEIПериод амортизации
Атомная энергетика a)
Реактор с водой под давлением, 100% Центрифужное обогащение 1062 месяца31517 дней
Вода под давлением реактор, 83% Центрифужное обогащение 752 месяца22017 дней
Ископаемая энергия а)
Бурый уголь, открытый- cast312 месяца9023 дня
черный уголь, подземная добыча без транспортировки угля292 месяца8419 дней
газ (CCGT), природный газ289 дней813 дня
газ (CCGT), биогаз3,512 дней103 дня
гидроэнергетика
речная гидроэлектростанция 501 год1508 месяцев
Солнечная энергия b)
Пустыня, параболические впадины + среда с фенильными соединениями211,1 года624 месяца
Энергия ветра б)
1,5 МВт (E-66 ), 2000 Часы полной нагрузки VLh (побережье Германии)161,2 года485 месяцев
E-66), 2700 часов полной нагрузки VLh (побережье Германии), берег)210,9 года633,7 месяца
2,3 МВт (E-82 ), 3200 Часы полной нагрузки VLh (побережье Германии), берег) c)514,7 месяца1501,6 месяца
200 МВт парк (установка 5 МВт), 4400 Часы полной нагрузки VLh (оффшор)161,2 года485 месяцев
Фотогальваника b)
Поликремний, установка на крыше, 1000 Часы полной нагрузки VLh (Южная Германия)4,06 лет122 года
Поликремний, установка на крыше, 1800 Часы полной нагрузки VLh (Южная Европа)7,03,3 года211,1 года

a) Учитывается стоимость транспортировки топлива b) Значения относятся к общему объему выработки энергии. Расходы на гидроаккумулирующие электростанции, сезонные резервы или обычные электростанции с балансировкой нагрузки не учитываются. c) Данные для E-82 получены от производителя, но подтверждены TÜV Rheinland.

ESOEI

ESOEI (или ESOI e) используется, когда EROEI ниже 1. «ESOI e - это отношение накопленной электроэнергии срок службы запоминающего устройства равен количеству воплощенной электрической энергии, необходимой для создания устройства ».

Технология храненияESOEI
Свинцово-кислотная батарея 5
Бромид цинка 9
Ванадиевая окислительно-восстановительная батарея 10
Аккумулятор NaS 20
Литий-ионный аккумулятор 32
Накачиваемый гидроаккумулятор 704
Накопитель энергии на сжатом воздухе 792

Один из Примечательные результаты оценки ESOI, проведенной группой Стэнфордского университета, заключались в том, что если бы гидроаккумулятор не был доступен, комбинация энергии ветра и обычно предлагаемого сочетания с аккумуляторной технологией в том виде, в каком она существует в настоящее время, не будет в достаточной степени окупаться.

EROEI в условиях быстрого роста

Связанная недавняя проблема - энергетический каннибализм, когда энергетические технологии могут иметь ограниченные темпы роста если требуется климатическая нейтральность. Многие энергетические технологии способны заменить значительные объемы ископаемого топлива и сопутствующие им выбросы парниковых газов. К сожалению, ни колоссальные масштабы нынешней энергетической системы на ископаемом топливе, ни необходимая скорость роста этих технологий не совсем понятны в пределах, налагаемых чистой энергией, производимой для растущей отрасли. Это техническое ограничение известно как энергетический каннибализм и относится к эффекту, когда быстрый рост всей отрасли производства энергии или энергоэффективности создает потребность в энергии, которая использует (или поглощает) энергию существующих электростанций или производства. растения.

Солнечные селекционеры преодолевают некоторые из этих проблем. Завод по производству солнечных батарей - это завод по производству фотоэлектрических панелей, который можно сделать энергонезависимым, используя энергию, получаемую с его собственной крыши с использованием собственных панелей. Такая установка становится не только самодостаточной, но и основным поставщиком новой энергии, отсюда и название - солнечная селекция. Исследование концепции было проведено Центром фотоэлектрической инженерии Университета Нового Южного Уэльса, Австралия. Сообщаемое исследование устанавливает определенные математические зависимости для солнечного размножителя, которые ясно показывают, что огромное количество чистой энергии доступно от такой установки в неопределенном будущем. Завод по переработке солнечных модулей в Фредерике, штат Мэриленд изначально планировался как такой завод по производству солнечных батарей. В 2009 году Sahara Solar Breeder Project был предложен Научным советом Японии как сотрудничество между Японией и Алжиром с очень амбициозной целью создания сотен ГВт. мощности в течение 30 лет. Теоретически можно создать заводчиков любого типа. На практике ядерные реакторы-размножители являются единственными крупномасштабными реакторами-размножителями, построенными по состоянию на 2014 год, с мощностью 600 МВт БН-600 и 800 МВт Реактор БН-800, два крупнейших из действующих.

См. Также

  • icon Энергетический портал
  • icon Портал возобновляемой энергии
  • icon Бизнес-портал и экономика
  • icon Экологический портал
  • icon Экологический портал

Ссылки

Внешние ссылки

  • World-Nuclear. org, Исследование Всемирной ядерной ассоциации по EROEI с перечисленными допущениями.
  • Web.archive.org, Wayback Archive of OilAnalytics.org, «EROI как мера доступности энергии»
  • EOearth.org, Возврат инвестиций в энергию (EROI)
  • EOearth.org, Анализ чистой энергии
  • H2-pv.us, Эссе по синергии селекционеров H2-PV
Последняя правка сделана 2021-05-19 10:34:57
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте