能源投资回报

在物理学，能源经济学和生态能量学中，能源投入的回报（EROEI或ERoEI）; 或能源投资回报率（EROI），是指从特定能源提供的可用能源（火用）量与用于获取该能源的火用量之比。 它是能效的一个独特衡量标准，因为它不测量系统的主要能量输入，只测量可用能量。

在算术上，EROEI可以写成：


当资源的EROEI小于或等于1时，该能源变为净“能量汇”，并且不能再用作能源，但取决于系统可能对储能有用（对于例如电池）。 相关措施Energy Store On Energy Invested（ESOEI）用于分析存储系统。

为了被认为是可行的燃料或能源，燃料或能源的EROEI比必须至少为3：1。

主要能源的能量回收率
在TRE的理论帮助下，可以有效地比较不同的能源，从简单的木柴（生物质）到光伏太阳能，这需要在太阳能电池板的制造中投入相当大的能量。

首先，对TRE的估计很简单：它是以数学和精确的方式计算有助于执行源能量提取中涉及的所有过程所必需的一次能量的量。然而，虽然衡量简单物理过程的ERR有些含糊不清，但在经济过程的ERR衡量标准中应该包含哪些活动没有标准化的一致意见。 也就是说，您需要在多大程度上承载开发能源所需的一系列流程？ 例如，如果使用钢来进行石油钻探，是否有必要在EROEI计算油中包括用于制造这种钢的能量？ 还有用于制造钢铁的铸造厂的能源？ 还有员工为建造这些铸造厂的工人提供食物？ 出于这个原因，尽管没有标准，但在比较两种能源的TRE时，必须使用可比较的标准计算这些能源：例如，考虑制造必要材料所用的能源，但不再是建筑超出供应链第一环节的植物。

在下表中，取自AspoItalia，2编制了主要能源TRE的估算值：

处理 EROEI（克利夫兰） EROEI（艾略特） EROEI（Hore-Lacy） EROEI（其他） EROEI（WNA）
（仅限电力生产）
化石
石油

  • 直到1940年
  • 直到1970年
  • 今天
> 100
23
8
50 – 100
5 – 15
煤

  • 直到1950年
  • 直到1970年
 80
三十		 2 – 7 7-17 7 – 34
天然气 1 – 5 5 – 6 5 – 26
5.6 – 6
沥青片岩 0.7 – 13.3 <1
核
铀235 5 – 100 5 – 100 10 – 60 <1 10.5 – 59
钚239（自肥）
核聚变 <1
可再生
生物质能 3 – 5 5 – 27
水电 11.2 50 – 250 50 – 200 43 – 205
风 5 – 80 20 6 – 80
地热 1.9 – 13
太阳能

  • 集电极
  • 热力学
  • 光伏
1.6 – 1.9
4.2
1.7 – 10
3 – 9
4 – 9
 <1 3.7 – 12
生物乙醇

  • 甘蔗
  • 玉米
  • 玉米残留物
0.8 – 1.7
1.3
0.7 – 1.8
 0.6 – 1.2
生物甲醇（木材） 2.6

油
最典型的例子是石油：在这种情况下，EROEI将等于一桶石油产生的能量，这是获得相同数量的石油所需的能量（地质调查，钻探，开采）。 和运输）。 在石油时代开始时，这个比率显然非常有利，EROEI约为100：用于提取100桶油的能量仅相当于1桶。 随着岁月的流逝，我们逐渐向水库的开采逐渐变得更加孤立，小而难以到达，所有这些都有助于减少石油EROEI：事实上，只要能源提供的能量，这个过程就是方便合理的。油桶高于提取油所需的油：一旦EROEI等于1或小于1，提取它就不再方便，并且活动在能量和经济上变得不利（补贴除外）。

正是出于这个原因，许多学者推测人类不会消耗底土中的所有石油，但是相当大的数量将保持不变，因为石油工业将不具备提取它的经济和能量利益，至少在这方面是这样。它的传统燃料用途。

乙醇
根据一些1.2左右的作者，专用作物生产的乙醇的EROEI接近1，而根据Patzek和Pimentel的说法，它甚至低于1.最近的研究表明，有可能达到约5.4的值。

电力
也可以为专用于电力生产的工厂定义EROEI。 在这种情况下，工厂的EROEI将等于在其活动周期期间产生的能量与为建造，维持和饲养它所投入的能量之间的比率。

例如，在可再生能源的情况下，我们将为工厂的建设（想想大坝）提供非常高的能源成本，但从这一点来看，仅维护成本，而对于不可再生能源（石油，天然气，煤炭）在建造和维护中使用的能量虽然很小，但只是供应燃料所需的一小部分。

非人为能源投入
自然能源或主要能源不包括在投入的能源计算中，仅包括人为应用的能源。 例如，在生物燃料的情况下，不包括太阳能日照驱动光合作用，并且用于裂变元件的恒星合成中使用的能量不包括在核裂变中。 返回的能量仅包括人类可用的能量，而不包括废热等废物。

然而，任何形式的热量都可以计算在实际用于加热的地方。 然而，在全球范围内，在热电厂的区域供热和海水淡化中使用废热是罕见的，并且实际上在EROEI能源分析中经常将其排除在外。

与净能量增益的关系
EROEI和净能量（增益）以数字不同的方式测量相同质量的能源或下沉。 净能量描述了数量，而EROEI则衡量过程的比率或效率。 他们只是相关


要么


例如，给定EROEI为5的过程，消耗1单位能量产生4个单位的净能量增益。 收支平衡点发生在EROEI为1或净能量增益为0.达到此收支平衡点的时间称为能量回收期（EPP）或能量回收期（EPBT）。

低碳电力

光伏
这个问题仍然是许多研究的主题，给出了截然不同的答案，并促使学术论证。 这主要是因为“投入的能源”关键取决于技术，方法和系统边界假设，导致模块面积最大为2000 kWh /m²，最低为300 kWh /m²，中值为585根据一项元研究，kWh /m²。

关于产出，它显然取决于当地的日照，而不仅仅是系统本身，因此必须做出假设。

一些研究（见下文）在他们的分析中包括光伏发电，而投入的能量可能是较低等级的一次能源。

最重要的是，即使是最悲观的研究也可以在一次安装中以大于1的EROEI（或者，投资回收期短于平均寿命）结束。

2015年可再生能源和可持续能源评估审查评估了太阳能光伏发电的能源回收时间和EROI。 在这项使用1700 / kWh /m²/年的日照和30年的系统寿命的研究中，发现了统一的EROI在8.7和34.2之间。 平均协调能量回收时间从1.0到4。1年不等。 Pickard报告称，EROEI估计单晶硅光伏发电由四组组成，范围为2.2至8.8。 Raugei，Fullana-i-Palmer和Fthenakis发现EROEI的范围为5.9至11.8和19至39，用于南欧装置的主要商业光伏类型。 低范围假设一次能源和电力具有相同的质量，而高范围（19-39）是通过将PV的电力输出转换为IEA PVPS任务12 LCA方法指南所建议的初级能源来计算的。写。 此外，Fthenakis确定美国西南部能耗最低的薄膜光伏技术装置的EROEI高达60。

风力发电机
风力涡轮机的EROI取决于涡轮机中的投资能量，涡轮机的产生的能量和寿命。 在科学文献中，EROI通常在20到50之间变化。

经济影响力
高人均能源使用被认为是可取的，因为它与基于能源密集型机器的高标准生活相关。 一个社会通常会首先利用最高可用的EROEI能源，因为这些能源以最少的努力提供最多的能源。 这是大卫里卡多最好的第一原则的一个例子。 然后使用逐渐降低质量的矿石或能源资源，因为较高质量的矿石或能源资源要么耗尽要么在使用中，例如位于最风区域的风力涡轮机。

关于化石燃料，当最初发现石油时，平均需要一桶石油来寻找，提取和加工约100桶石油。 在美国发现化石燃料的比例在上个世纪从1919年的约1000：1稳步下降到2010年的5：1。

虽然能源的许多品质都很重要（例如石油是能源密集型和可运输的，而风力是可变的），但当经济的主要能源EROEI下降时，能源变得更难获得且相对价格上涨。 因此，在比较能源替代方案时，EROEI变得越来越重要。 由于获取能源所需的能源消耗需要付出巨大的努力，因为随着EROEI的下降，越来越多的经济体必须致力于获得相同数量的净能源。

自从农业发明以来，人类越来越多地使用外源能量来增加人体肌肉力量。 一些历史学家将这主要归因于更容易被开发的（即更高的EROEI）能源，这与能源奴隶的概念有关。 Thomas Homer-Dixon认为，后罗马帝国的EROEI下降是公元五世纪西方帝国崩溃的原因之一。 在“倒下的上行”中，他认为EROEI分析为分析文明的兴衰提供了基础。 从罗马帝国的最大范围（6000万）及其技术基础来看，罗马的农业基地小麦每公顷约为1:12，苜蓿为1:27（牛的产量为1：2.7）。 然后，人们可以使用它来计算其身高所需的罗马帝国人口，基于每人每天约2,500-3,000卡路里。 它大致等于食物生产的高度。但随着EROEI开始下降，生态破坏（森林砍伐，土壤肥力下降，特别是在西班牙南部，意大利南部，西西里岛，特别是北非）从2世纪开始出现系统崩溃。 它在1084年触底，当时罗马的人口仅为15,000人，在图拉真人口中达到150万。 证据也适合玛雅和柬埔寨崩溃的循环。 Joseph Tainter认为，EROEI的收益递减是复杂社会崩溃的主要原因，这被认为是由早期社会的高峰木材引起的。 由于高质量化石燃料资源枯竭导致的EROEI下降也给工业经济带来了艰难的挑战，并可能导致经济产出下降，并挑战永久经济增长的概念（从历史角度考虑，这是最近的概念）。

基于对历史世界能源消耗（瓦特）和累积全球财富（美元）的热力学分析，蒂姆加勒特直接将EROEI与通货膨胀联系起来。 这种经济增长模型表明全球EROEI是给定时间间隔内全球通胀的倒数。 由于该模型汇总了全球供应链，因此本地EROEI不在其范围内。

含油沙
因为从油砂（沥青）生产石油所需的大部分能源来自通过升级过程分离出的低价值馏分，有两种计算EROEI的方法，通过仅考虑外部能量输入而给出的较高值和较低的值。考虑所有能量输入，包括自生成。 “利用油砂生产商1970年至2010年报告的详细能源生产和消费数据，研究油砂开采历史能源回报的趋势。”他们认为，到2010年，油砂开采和原位作业的NERs（净能源回报）自1970年以来，尽管NER的效率远低于传统的石油生产，但其能效显着提高。 来自油砂的NER从1970年的1.0 GJ / GJ（完全来自Suncor采矿作业）发展到1990年的2.95 GJ / GJ，然后到2010年的5.23 GJ / GJ。“

TRE / EROEI概念的经济影响
一些人认为高能耗是理想的，因为它与高生活水平相关（本身基于使用能源密集型机器）。

一般而言，公司将倾向于从最高可能的TRE中受益的能源，因为它们以最小的努力提供最大的能量。对于不可再生能源，由于较高质量的资源枯竭，因此逐渐转向ERR较低的来源。

因此，当石油开始被用作能源时，平均一桶就足以找到，提取和精炼约100桶。 在上个世纪，该比率稳步下降，达到1桶消耗的桶数（沙特阿拉伯的桶数约为10桶）。

无论给定能源的质量如何（例如，油是易于运输的能源集中，而风能是间歇性的），一旦主要能源的ERR降低，能量就越难获得，因此价格上涨。

自火灾发现以来，人类越来越多地利用外源能量来增加肌肉力量并提高生活水平。

一些历史学家将生活质量的提高归因于更容易开发能源（即，从更好的TRE中获益）。 这转化为“能量奴隶”的概念。

这种回报率是Nicholas Georgescu-Roegen在其各种着作中提出的能量僵局的解释因素之一，主要是在他的文章“能量和经济神话”中。

Thomas Homer-Dixon表明罗马帝国最后几年TAR的下降是西方帝国在公元v世纪沦陷的原因之一。 J. – C.在他的书“The Upside of Down”（未翻译成法语）中，他认为TRE部分地解释了文明的扩张和衰落。 在罗马帝国最大延伸时期（6000万居民），农业商品受到小麦每公顷12：1和苜蓿27：1的影响（牛肉生产的比例为2.7 / 1） ）。 然后我们可以计算出，每人每天摄入2500至3000卡路里的热量，然后大部分可用的农业区域都用于喂养帝国公民。 但是生态破坏，森林砍伐，土壤肥力下降，特别是在西班牙南部，意大利南部和北非，公元AD公元1084年达到最低限度，当时罗马人口已降至15 000人，在Trajan 1.5下达到顶峰百万。 同样的逻辑也适用于玛雅文明的垮台和吴哥窟的高棉帝国的垮台。 Joseph Tainter同样认为，TAR下降是复杂社会崩溃的主要原因。

ERR在不可再生资源枯竭方面的下降对现代经济体来说是一个挑战。

对EROEI的批评
EROEI是通过将能量输出除以能量输入来计算的，但是研究人员不同意如何准确地确定能量输入，因此对于相同的能量来源具有不同的数字。 另外，输入的能量形式可以与输出完全不同。 例如，煤形式的能量可用于生产乙醇。 这可能具有小于1的EROEI，但由于液体燃料的益处（假设在提取和转化过程中不使用后者），仍可能是理想的。

供应链中用于产生能量的工具的探测有多深？ 例如，如果钢被用于钻油或建造核电厂，如果考虑钢的能量输入，是否应考虑到用于建造钢的建筑物的能量输入和摊销？ 是否应考虑用于运输货物的道路的能量输入？ 用来烹饪钢铁工人早餐的能量怎么样？ 这些是回避简单答案的复杂问题。 完整的会计处理需要考虑机会成本，并在存在和不存在这种经济活动时比较总能源支出。

然而，当比较两个能源时，可以采用供应链能量输入的标准实践。 例如，考虑钢铁，但不考虑投资于工厂的能源比供应链中的第一层更深。

能源投资的能源回报没有考虑到时间因素。 投资于创造太阳能电池板的能源可能已经从像煤这样的高功率源消耗能量，但是回报发生得非常缓慢，即多年。 如果能源的相对价值增加，这应该有利于延迟回报。 有些人认为这意味着EROEI措施应该进一步完善。

传统的经济分析没有正式的会计规则来考虑在最终产出的生产中产生的废品。 例如，对乙醇生产过程中产生的废物产生不同的经济和能源价值，这使得这种燃料真正的EROEI计算非常困难。

EROEI只是一个考虑因素，可能不是能源政策中最重要的考虑因素。 能源独立（减少对有限自然资源的国际竞争），减少温室气体排放（包括二氧化碳等）和负担能力可能更为重要，特别是在考虑二次能源时。 虽然一个国家的主要能源是不可持续的，除非它的使用率小于或等于其替代率，二次能源供应的情况也是如此。 来自主要能源的一些能量剩余可用于产生用于二次能源的燃料，例如用于运输。

Richards和Watt提出光伏系统的能量产出比作为EROEI的替代品（他们称之为能量回收因子）。 不同之处在于它使用系统的设计寿命，这是事先已知的，而不是实际的寿命。 这也意味着它可以适用于组件具有不同寿命的多组件系统。

许多研究试图解决的EROI的另一个问题是返回的能量可以是不同的形式，并且这些形式可以具有不同的效用。 例如，由于电力较低的熵，电能可以比热能更有效地转换为运动。

额外的EROEI计算
有三个突出的扩展EROEI计算，它们是使用点，扩展和社会。 使用点EROEI扩展计算，包括在精炼过程中精炼和运输燃料的成本。 由于这扩大了计算的范围以包括更多的生产过程，因此EROEI将减少。扩展的EROEI包括使用点扩展以及创建一旦精炼后运输能源或燃料所需的基础设施的成本。 社会EROI是社会或国家使用的所有燃料的所有EROEI的总和。 从未计算出社会EROI，研究人员认为目前无法知道完成计算所需的所有变量，但已对某些国家进行了尝试性估算。 通过对国内生产和进口燃料的所有EROEI进行求和并将结果与​​人类发展指数（HDI）进行比较来完成计算，人类发展指数通常用于了解社会福祉。 根据这一计算，社会可以获得的能源数量可以提高生活在该国的人们的生活质量，能源消耗较少的国家也很难满足公民的基本需求。 这就是说，社会EROI与整体生活质量密切相关。

ESOEI
当EROEI低于时，使用ESOEI（或ESOIe）。 “ESOIe是存储设备寿命期间存储的电能与构建设备所需的电能量之比。”

存储技术 ESOEI
铅酸蓄电池 五
溴化锌电池 9
钒氧化还原电池 10
NaS电池 20
锂离子电池 32
抽水蓄能电站 704
压缩空气储能 792

EROEI快速增长
最近的一个相关问题是能源自相残杀，如果要求气候中和，能源技术的增长率有限。 许多能源技术能够替代大量的化石燃料和伴随的温室气体排放。 不幸的是，目前的化石燃料能源系统的巨大规模和这些技术的必要增长率都不能在为不断增长的工业产生的净能量所施加的限制内得到充分理解。 这种技术限制被称为能量同类相食，并且指的是整个能源生产或能源效率工业的快速增长产生对使用（或蚕食）现有发电厂或生产工厂的能量的能量的需求的效果。

太阳能育种者克服了其中一些问题。 太阳能增殖器是一种光伏面板制造工厂，通过使用自己的面板从自己的屋顶获得能量，可以使能源独立。 这样的工厂不仅能源自给自足，而且成为新能源的主要供应商，因此称为太阳能饲养员。 该概念的研究由澳大利亚新南威尔士大学光伏工程中心进行。 报告的调查确定了太阳能育种者的某些数学关系，这清楚地表明这种植物在无限期的未来可以获得大量的净能量。 位于马里兰州弗雷德里克的太阳能模块加工厂最初计划为太阳能发电机。 2009年，日本科学理事会提议将撒哈拉太阳能育种项目作为日本与阿尔及利亚之间的合作，实现了雄心勃勃的目标，即在30年内创造数百GW的产能。 理论上可以开发出任何种类的育种者。 在实践中，核增殖反应堆是2014年建造的唯一大型增殖反应堆，其中600 MWe BN-600和800 MWe BN-800反应堆是运营中最大的反应堆。

EROI
（为了我们）		 汽油
1.3 生物柴油
3.0 沥青沥青砂
80.0 煤
1.3 乙醇玉米
5 乙醇甘蔗
100.0 水电
35.0 1990年进口石油
18.0 2005年进口石油
12.0 2007年石油进口量
8 石油发现
20.0 石油生产
10.0 天然气2005
2.6-6.9（外部）
1.1-1.8（净）		 油页岩（露天采矿/非原位）
2.4-15.8（电动，外部）
1.2-1.6（电，净）6-7（​​热，外）		 油页岩（原位）
105 核（离心浓缩）
10.0 核（扩散浓缩 – 已过时）
2000年（估计） 双流体熔盐 – 熔融铅核
30.0 石油和天然气1970
14.5 2005年石油和天然气
6.8 光伏
5 页岩油
1.6 太阳能集热器
1.9 太阳能平板
19 CSP电动
18.0 风
9.5 地热（不用热水加热）
32.4 地热（用热水加热）
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