エネルギーが投資されて返される

物理学、エネルギー経済学、生態学的エネルギー論では、エネルギーはエネルギー投資で返される(EROEIまたはERoEI)。 (EROI)は、特定のエネルギー資源から得られる使用可能エネルギー量(エクセルギー)と、そのエネルギー資源を得るために使用されるエクセルギーの量との比である。 それは、システムへの一次エネルギー入力、使用可能なエネルギーのみを測定しないので、エネルギー効率とは別個の尺度です。

算術的にEROEIは以下のように書くことができます:


資源のEROEIが1以下であれば、そのエネルギー源は正味の「エネルギーシンク」となり、もはやエネルギー源として使用することはできませんが、システムによってはエネルギー貯蔵に役立つ場合があります。バッテリーの例)。 関連する対策Energy Store On Energy Invested(ESOEI)は、ストレージシステムの分析に使用されます。

顕著な燃料またはエネルギー源として実行可能であると考えられるためには、燃料またはエネルギーは少なくとも3:1のEROEI比を持たなければならない。

主要エネルギー源のエネルギー回収率
TREの理論的助けを借りれば、単純な薪(バイオマス)から太陽電池パネルの製造にかなりのエネルギー投資を必要とする太陽光エネルギーまで、さまざまなエネルギー源を効率的に比較することが可能です。

まず、TREの推定は簡単です。それは、数学的かつ正確な方法で、ソースのエネルギー抽出に関わるすべてのプロセスを実行するために必要な一次エネルギーの量を計算することです。しかし、単純な物理プロセスのERRの測定はやや曖昧ですが、経済プロセスのERR測定にどのような活動を含めるべきかに関する標準化された合意は存在しません。 つまり、エネルギー源を開発するために必要な一連のプロセスをどこまで持ち歩かなければならないのでしょうか? 例えば、鋼を掘削するために鋼を使用する場合、この鋼の製造に使用されるエネルギーを油のEROEI計算に含める必要がありますか? そして、スチールを製作したファウンドリの建設に使われたエネルギーは? そして、そのファンドリーを作った労働者に給餌する従業員? このため、標準はないが、2つのエネルギー源のTREを比較する場合、これらは同等の基準で計算されている必要があります。例えば、必要な材料の製造に使用されるエネルギーを考慮しますが、サプライチェーンの最初のリンクを超えた植物の数。

AspoItaliaから得られた次の表2では、主なエネルギー源のTREの推定値を集計しています。

プロセス EROEI(クリーブランド) EROEI(エリオット) EROEI(ホアレシー) EROEI(その他) エロイ(WNA)
(電気生産のみ)
化石
石油
  • 1940年まで
  • 1970年まで
  • 今日
> 100
23
8
50〜100
5 – 15
石炭
  • 1950年まで
  • 1970年まで
80
30
2 – 7 7 – 17 7 – 34
天然ガス 1 – 5 5 – 6 5 – 26
5.6 – 6
瀝青質の片岩 0.7~13.3 <1
ウラン235 5 – 100 5 – 100 10 – 60 <1 10.5 – 59
プルトニウム239(自己肥料)
核融合 <1
再生可能な
バイオマス 3 – 5 5 – 27
水力 11.2 50〜250 50〜200 43〜205
5 – 80 20 6 – 80
地熱 1.9〜13
太陽
  • コレクタ
  • 熱力学
  • 光起電力
1.6 – 1.9
4.2
1.7 – 10
3 – 9
4 – 9
<1 3.7 – 12
バイオエタノール
  • サトウキビ
  • コーン
  • トウモロコシの残渣
0.8〜1.7
1.3
0.7〜1.8
0.6〜1.2
バイオメタノール(木) 2.6


最も古典的な例は石油です:この場合、EROEIは、同じ量の油を得るために必要なエネルギー(地質調査、掘削、抽出)に必要な石油のバレルによって生み出されるエネルギーに等しいでしょう。および輸送)。 石油時代の初めに、この比は明らかに非常に有利であり、EROEIは約100であった.100バレルのオイルを抽出するために使用されたエネルギーは1バレルにすぎなかった。 長年に亘って、我々は貯留層の開発に徐々に孤立し、小さくて困難になり、油を減少させるすべての状況EROEI:実際には、プロセスは、エネルギーが供給される限り、便利で合理的である。 EROEIが1に等しくなると、EROEIが1に等しくなり、それをもはや抽出するのがもはやなくなり、エネルギーは経済的に(補助金を除いて)不利になる。

この理由から、多くの学者は、人類が下層土で利用可能なすべての石油を消費しないと推測しているが、石油産業がそれを抽出するための経済的かつエネルギー的利益を持たないため、その伝統的な燃料の使用。

エタノール
専用作物で生産されたエタノールはEROEIが1に近く、一部の著者によれば1.2程度であるのに対し、PatzekとPimentelによればそれは1よりも低くなります。最近の研究では、約5.4の値に達する可能性があることが示されています。

電気
電気の生産に特化した工場にもEROEIを定義することが可能です。 この場合、プラントのEROEIは、その活動サイクル中に生み出されるエネルギーとそれを構築し、維持し、供給するために投入されるエネルギーとの比に等しい。

例えば、再生可能エネルギーの場合、工場の建設には非常に高いエネルギーコスト(ダムと考える)がありますが、その点からは維持費のみであり、再生不可能なエネルギー(石油、ガス、石炭)建設とメンテナンスに使用されるエネルギーは軽微ではあるが、燃料を供給するために必要なもののほんの一部に過ぎない。

非人工エネルギー入力
自然エネルギー源または一次エネルギー源は、投資されたエネルギーの計算には含まれず、人間が適用したエネルギー源のみが含まれます。 例えば、バイオ燃料の場合、光合成を駆動する日射遮蔽は含まれておらず、核分裂元素の星の合成に使用されるエネルギーは核分裂には含まれない。 返されるエネルギーには、人間が使用できるエネルギーだけが含まれ、廃熱などの廃棄物は含まれません。

それにもかかわらず、実際に加熱のために使用される場合、どのような形態の熱も数えることができる。 しかし、コジェネレーションプラントでの地域暖房および水淡水化における廃熱の使用は世界的にはまれであり、実際にはEROEIのエネルギー源分析では除外されることが多い。

正味エネルギー利得との関係
EROEIと純エネルギー(ゲイン)は、数値的に異なる方法でエネルギー源またはシンクの同じ品質を測定します。 純エネルギーは金額を表し、EROEIはプロセスの比率または効率を測定します。 彼らは単に


または


例えば、EROEIが5であるプロセスが与えられた場合、1単位のエネルギーを消費すると、4単位の正味エネルギー利得が得られる。 損益分岐点は、EROEIが1または正味エネルギー利得が0の場合に発生します。この損益分岐点に達するまでの時間は、エネルギー回収期間(EPP)またはエネルギー回収期間(EPBT)と呼ばれます。

低炭素パワー

光起電性
この問題は依然として数多くの研究の対象であり、大きく異なる答えを出し、学問的な議論を促している。 これは、主に「エネルギー投入量」が技術、方法論、システム境界の仮定に大きく依存しているため、最大2000kWh / m2のモジュール面積から300kWh / m2の最小値まで、中央値585 kWh / m2である。

アウトプットに関しては、明らかにシステムそのものだけではなく、地方の日射量に依存するので、前提を作る必要があります。

いくつかの研究(下記参照)には、太陽光発電が電気を生産する一方で、投資されるエネルギーはより低品位の一次エネルギーである可能性があるという分析が含まれている。

最も重要なのは、ほとんどの悲観論的研究でも、1つのEROEI(または、返済期間では、平均寿命よりも短い)でインストールが完了すると結論づけられます。

再生可能で持続可能なエネルギーレビューの2015年レビューは、太陽光発電のエネルギー回収時間とEROIを評価しました。 1700 / kWh /m²/年の日射量と30年のシステム寿命を使用するこの研究では、平均調和EROIが8.7〜34.2であった。 調和された平均エネルギー回収時間は、1.0年から4.1年まで変化しました。 レビューPickardは、単結晶シリコン太陽電池のEROEI推定値を2.2から8.8の4つのグループで報告しています。 Raugei、Fullana-i-PalmerおよびFthenakisは、南ヨーロッパの設備における主要な商用PVタイプについて、EROEIが5.9から11.8および19から39の範囲であることを見出した。 低い範囲は、主要なエネルギーと電気が同じ品質であると仮定しているのに対し、高範囲(19-39)はIEA PVPSタスク12のLCAメソドロジガイドラインで推奨されているようにPVの電力出力を一次エネルギーに変換することによって計算される書きます。 さらに、Fenesakisは、米国南西部で最もエネルギー消費量の少ない薄膜PV技術設備でEROEIが60と高いと判断しました。

風力タービン
風力タービンのEROIは、タービン内の投資されたエネルギー、生産されたエネルギーおよびタービンの寿命に依存する。 科学文献では、EROIは通常20〜50の間で変化する。

経済的影響
一人当たりのエネルギー消費量が高いことは、エネルギー集約型の機械に基づく高い生活水準に関連しているため、望ましいと考えられています。 社会は一般的に、利用可能な最高のEROEIエネルギー源を最初に利用します。これらのエネルギー源は、最小の労力のために最大のエネルギーを提供するからです。 これはデイビッド・リカルドのベスト・ファースト原理の一例です。 次に、高品質のものが使い果たされているか、または使用されている(例えば、最も風が強い地域に配置された風力タービン)ように、漸進的により低い品質の鉱石またはエネルギー資源が使用される。

化石燃料に関しては、油が最初に発見されたときに、約100バレルの油を発見し、抽出し、処理するために、平均して1バレルの油が必要であった。 米国における化石燃料の発見の割合は、19世紀の1000:1から2010年のわずか5:1まで、過去1世紀にわたって着実に減少している。

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エネルギー源の多くの性質(例えば、石油はエネルギー密度が高く、輸送可能であるが風は変動する)が、経済の主要エネルギー源のEROEIがエネルギーを得るのがより困難になり、相対価格が上昇する。 したがって、EROEIはエネルギーの選択肢を比較する際に重要性を増します。 エネルギーを得るためのエネルギーの支出は生産的な努力を必要とするので、EROEIが低下するにつれて経済の増加する割合は、同じ量の正味エネルギーを得ることに専念しなければならない。

農業の発明以来、人間は人間の筋肉力を増やすために、ますます外因性のエネルギー源を利用してきました。 いくつかの歴史家は、これをエネルギー奴隷の概念に関連した、より容易に利用される(すなわち、より高いEROEI)エネルギー源に大きく帰属させた。 Thomas Homer-Dixonは、後期ローマ帝国におけるEROEIの減少が、西暦5世紀の西帝国の崩壊の理由の1つであったと主張する。「ダウン・オブ・ザ・アップ・オブ・ダウン」では、彼はEROEI分析が文明の上昇と下降の分析の基礎を提供することを示唆している。 ローマ帝国の最大規模(6000万人)とその技術基盤を見てみると、ローマの農業基地は、小麦1ヘクタールあたり1:27、アルファルファ1:27であった(牛1:2.7生産)。 一人一日あたり約2,500〜3,000カロリーに基づいて、高さで必要とされるローマ帝国の人口を計算するためにこれを使用することができます。 それは、その高さでの食糧生産の面積にほぼ等しい。 しかし、EROEIの崩壊に伴い、生態系の被害(特にスペイン南部、イタリア南部、シチリア州、特に北アフリカでの森林伐採、土壌肥沃度の低下)は、2世紀初めの制度の崩壊を見せた。ローマの人口は、150万人のトラヤヌスでピークに達していた人口は1万5000人に過ぎなかった1084年に底を打ちました。 証拠はまた、マヤとカンボジアの崩壊のサイクルにも適合します。 Joseph Tainterは、EROEIの返品の減少が複雑な社会の崩壊の主な原因であることを示唆しています。これは、初期の社会のピーク木材によって引き起こされたと示唆されています。 高品質の化石燃料資源の枯渇によるEROEIの低下はまた、産業経済にとって困難な課題であり、潜在的に経済成果の低下につながり、永続的な経済成長の概念(歴史的な観点から考えると非常に最近)に挑戦する可能性がある。

Tim Garrettは、過去の世界のエネルギー消費量(ワット)と蓄積されたグローバル富(米ドル)の熱力学的分析に基づいて、EROEIとインフレーションを直接リンクします。 この経済成長モデルは、世界的なEROEIは、一定の時間間隔にわたる世界的なインフレの逆数であることを示している。 このモデルはサプライチェーンをグローバルに集約しているため、ローカルEROEIはその範囲外です。

油砂
オイルサンド(瀝青)からオイルを生産するために必要なエネルギーの多くは、アップグレードプロセスによって分離された低い値のフラクションから来るため、EROEIを計算するには2つの方法があります。自己生成を含むすべてのエネルギー投入を考慮してください。 1970年から2010年のオイルサンド生産者が報告した詳細なエネルギー生産と消費データを利用して、オイルサンド抽出による過去のエネルギーリターンの傾向を調べた。彼らは、2010年までに、オイルサンド鉱業と現場操業によるNER(純エネルギーリターン) NERは従来の石油生産よりも大幅に効率が劣っていたが、1970年以来大幅にエネルギー効率が高まっていた。 オイルサンドのNERは、1970年には1.0 GJ / GJ(1990年は2.95 GJ / GJ、2010年は5.23 GJ / GJ)に増加した。

TRE / EROEIコンセプトの経済的影響
高エネルギー消費は、高レベルの生活(それ自体はエネルギー集約型機械の使用に基づく)に関連しているという点で、一部の人にとって望ましいと考えられている。

一般的に、会社は最小限の労力で最大のエネルギーを提供する限り、可能な限り高いTREから恩恵を受けるエネルギー源を優先します。 再生不可能なエネルギー源では、高品質の資源が枯渇しているため、ERRの低い資源に徐々に移行しています。

したがって、石油がエネルギーの源として使用され始めたとき、約1バレルのバレルが、約100バレルを見つけ、抽出し、精製するのに十分であった。 この比率は、過去1世紀の間、バレル消費量(サウジアラビアでは約10バレル)に達するように着実に減少しています。

与えられたエネルギー源のどのような性質(例えば、石油は輸送が容易なエネルギーの濃縮物であり、風力エネルギーは断続的である)でも、主エネルギー源のERRが低下すると直ちにエネルギーが得られにくくなり、したがって、その価格は上昇する。

火災が発見されて以来、人間はますます筋力を高め、生活水準を向上させるために、外因性のエネルギー源に頼っています。

いくつかの歴史家は、生活の質の向上がエネルギー源のより容易な利用(すなわち、より良いTREの恩恵を受けている)に帰されていると考えている。 これは “エネルギースレーブ”の概念に変換されます。

この利子率は、ニコラス・ジョルジュスク・ローゲンが様々な作品で主張した「エネルギーと経済の神話」の主な記事であるエネルギー・インパースの説明要素の1つです。

Thomas Homer-Dixonは、ローマ帝国末期のTARの低下が西暦前期の西帝国崩壊の理由の1つであることを示しています。 彼の著書The Upside of Down(現在までフランス語に翻訳されていない)では、TREは文明の拡大と衰退について部分的に説明していると彼は示唆している。 ローマ帝国の最大延長期間(6,000万人)において、農産物は、小麦の場合は1ヘクタール当たり12:1の比率で、アルファルファの場合は27:1の割合で影響を受けていた(これは牛肉の生産に2.7 / )。 1日あたり2500〜3000カロリーのベースを与えられれば、利用可能な農業地域のほとんどが帝国市民に食料を供給することに費やされたと計算できます。 しかし、生態学的被害、森林破壊、特に南スペイン、南イタリア、北アフリカでは、AD AD世紀の土壌肥沃度が低下した。床面積は1084年に達し、ローマの人口は15,000に減少し、Trajan 1.5百万。 この同じ論理は、マヤ文明の崩壊とアンコールのクメール帝国の崩壊にも当てはまります。 Joseph Tainterは同様に、TARの低下が複雑な社会の崩壊の主な原因であると考える。

非再生可能資源の枯渇におけるERRの低下は、近代経済にとって挑戦である。

EROEIの批判
EROEIは、エネルギー入力によってエネルギー出力を除算することによって計算されますが、研究者はエネルギー入力を正確に決定する方法には同意しないため、同じエネルギー源に対して異なる数を使用します。 さらに、入力のエネルギーの形態は、出力と完全に異なることがあります。 例えば、石炭の形態のエネルギーをエタノールの製造に使用することができる。 これは1未満のEROEIを有するかもしれないが、液体燃料の利点のために依然として望ましい可能性がある(抽出物および変換のプロセスでは使用されないと仮定する)。

エネルギーを生成するために使用されているツールのサプライチェーンにおけるプロービングは、どれだけ深く進むべきですか? 例えば、鉄鋼の掘削や原子力発電所の建設に鋼材を使用している場合は、鋼材のエネルギー投入量を考慮して、鋼材の建設に使用されている工場を建設するためのエネルギー投入量を考慮する必要があります。償却? 物品をフェリーするために使用される道路のエネルギー入力を考慮する必要がありますか? 鉄鋼労働者の朝食を調理するのに使われるエネルギーはどうですか? これらは単純な答えを回避する複雑な質問です。 完全な会計処理には、この経済活動の有無に関わらず、機会費用の検討と総エネルギー支出の比較が必要です。

しかし、2つのエネルギー源を比較する場合、サプライチェーンのエネルギー入力の標準的な方法を採用することができます。 たとえば、鋼材を考えてみましょう。しかし、工場に投入されるエネルギーはサプライチェーンの第一レベルよりも深いと考えています。

投資されたエネルギーのエネルギーリターンは、時間の要素を考慮していません。 ソーラーパネルの製造に投資されたエネルギーは、石炭のような高出力の電源からエネルギーを消費してきた可能性がありますが、その返還は非常にゆっくりと、つまり長年にわたり起こります。 エネルギーが相対価値で増加している場合、これは返品の遅れに有利なはずです。 これは、EROEI対策がさらに洗練されなければならないと考えている人もいます。

従来の経済分析には、究極の産出物を生産する際に発生する廃棄物を考慮する正式な会計規則はない。 例えば、エタノールの生産で生成される廃棄物に課せられる経済的およびエネルギー的価値の違いは、この燃料の真のEROEIの計算を非常に困難にする。

EROEIは唯一の考慮事項であり、エネルギー政策において最も重要なものではないかもしれない。二酸化炭素などの温室効果ガス排出量の削減や、二次エネルギー源を考慮した場合の経済性が重要になる可能性があります。 国の一次エネルギー源は、使用率が代替率以下でなければ持続可能ではないが、二次エネルギー供給については同じではない。 一次エネルギー源からのエネルギー余剰の一部は、輸送用など二次エネルギー源用の燃料を作るために使用することができます。

RichardsとWattは、EROEI(エネルギー帰還係数と呼ぶ)の代替として、太陽光発電システムのエネルギー収率を提案しています。 違いは、実際の寿命ではなく、あらかじめわかっているシステムの設計寿命を使用することです。 これはまた、構成要素の寿命が異なる複数構成要素システムに適用できることを意味する。

多くの研究が取り組もうとしているEROIのもう一つの問題は、返されるエネルギーがさまざまな形であり、これらの形が異なる効用を持つことができることです。 例えば、電気は、電力のより低いエントロピーのために、熱エネルギーよりも効率的に運動に変換することができる。

追加EROEI計算
EROEIの3つの著しい拡張計算があり、それらは拡張された、そして社会的な使用のポイントです。使用のポイントEROEIは、精錬プロセス中に燃料の精製と輸送のコストを含むように計算を拡張します。 これにより、より多くの生産プロセスを含めるように計算の範囲が拡大されるため、EROEIは減少します。 拡張EROEIには、使用時点の拡大と、一度洗練されたエネルギーや燃料の輸送に必要なインフラストラクチャーの作成コストが含まれます。 社会的EROIは、社会や国家で使用されるすべての燃料のEROEIの合計です。 社会的EROIは決して計算されておらず、研究者は計算を完了するために必要なすべての変数を知ることは現時点では不可能かもしれないと考えているが、一部の国では推定が試みられている。 計算は、国内生産と輸入燃料のEROEIをすべて集計し、その結果を社会の福利を理解するためによく使用される人間開発指数(Human Development Index、HDI)と比較することによって行われます。 この計算によれば、社会が利用可能なエネルギー量は、その国に住む人々の生活の質を向上させ、利用可能なエネルギーの少ない国は、市民の基本的ニーズを満たすためにさらに困難な時間を有する。 これは、社会的EROIと全体的な生活の質が非常に密接に結びついているということです。

エスエイ
EROEIが以下の場合、ESOEI(またはESOIe)が使用されます。 ESOIEは、ストレージデバイスの寿命に亘って蓄積された電気エネルギーと、デバイスを構築するのに必要な具体的な電気エネルギーの量との比である。

ストレージ技術 エスエイ
鉛蓄電池 5
臭化亜鉛電池 9
バナジウムレド​​ックスバッテリー 10
NaSバッテリー 20
リチウムイオン電池 32
ポンプ水力発電 704
圧縮空気エネルギー貯蔵 792

急成長しているEROEI
関連する最近の懸念は、気候の中立性が要求される場合、エネルギー技術が限られた成長率を持つことができるエネルギー・カニバリズムです。 多くのエネルギー技術は、相当量の化石燃料とそれに付随する温室効果ガスの排出を置き換えることができます。 残念なことに、現在の化石燃料エネルギーシステムの巨大規模も、これらの技術の必要な成長率も、成長産業向けに生み出された正味エネルギーによって課される制限内では十分に理解されていない。 この技術的限界は、エネルギー共食い(cannibalism)と呼ばれ、エネルギー生産またはエネルギー効率産業全体の急速な成長が、既存の発電所または生産工場のエネルギーを使用する(または削減する)エネルギーの必要性を生み出す効果を指す。

ソーラーブリーダーは、これらの問題のいくつかを克服します。 ソーラーブリーダーは、独自のパネルを使用して独自の屋根から派生したエネルギーを使用してエネルギーに依存しない太陽光パネル製造工場です。 このような植物は、自給自足のエネルギーだけでなく、新しいエネルギーの主要サプライヤーになります。したがって、ソーラーブリーダーという名前です。 この概念の研究は、オーストラリア、ニューサウスウェールズ大学の太陽光発電工学センターが行った。 報告された調査は、太陽光育種者のための特定の数学的関係を確立しています。これは、無限の将来のために、そのようなプラントから大量の正味エネルギーが得られることを明確に示しています。 もともとメリーランド州フレデリックにあるソーラーモジュール処理工場は、このような太陽光育種家として計画されていました。 2009年、サハラソーラーブリーダープロジェクトは、日本科学協議会により、日本とアルジェリアとの協力として、30年以内に数百GWの容量を創出するという非常に野心的な目標で提案された。 理論的にはあらゆる種類のブリーダーを開発することができる。 実際には、核増殖炉は、2014年に建設された唯一の大規模ブリーダーであり、600MWeのBN-600炉と800MWeのBN-800炉が稼動している。

エロイ
(わたしたちのため)
燃料
1.3 バイオディーゼル
3.0 ビチューメンタールサンド
80.0 石炭
1.3 エタノールトウモロコシ
5.0 エタノールサトウキビ
100.0 ハイドロ
35.0 石油輸入1990
18.0 石油輸入2005
12.0 石油輸入額2007年
8.0 石油の発見
20.0 石油生産
10.0 天然ガス2005年
2.6〜6.9(外部)
1.1-1.8(ネット)
オイルシェール(表面採掘/現場外)
2.4-15.8(電気、外部)
1.2-1.6(電気、ネット)6-7(​​熱、外部)
オイルシェール(原位置)
105 核(遠心濃縮)
10.0 核(拡散濃縮を伴う – 廃止)
2000年(見積もり) 二重流体溶融塩 – 溶融鉛原子核
30.0 石油とガス1970
14.5 石油・ガス2005
6.8 光起電性
5.0 シェールオイル
1.6 ソーラーコレクター
1.9 ソーラーフラットプレート
19 CSP電気
18.0
9.5 地熱(温水加熱なし)
32.4 地熱(温水暖房あり)
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