에너지 투자 수익률

Energy return on investment

에너지 경제학 및 생태 에너지학에서 에너지 투자 수익률(EROI)은 특정 에너지 자원에서 공급되는 사용 가능한 에너지(엑서지)와 에너지 자원을 [1]얻기 위해 사용되는 엑서지의 비율입니다.

산술적으로 EROI는 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

R I (\ EROI frac { Delivered {\한 에너지[2]

에너지원의 EROI가 1보다 작거나 같으면, 그 에너지원은 순 "에너지 싱크"가 되어 더 이상 에너지원으로 사용할 수 없다.스토리지 시스템을 [3][4]분석하기 위해 ESOI(에너지 투자)에 저장된 에너지라고 하는 관련 척도가 사용됩니다.

주요 연료 또는 에너지원으로서 실행 가능한 것으로 간주되려면 연료 또는 에너지는 최소 3:[5][2]1의 ELOI 비율을 가져야 한다.

역사

에너지 분석 연구 분야는 뉴욕 주립 대학의 시스템 생태학 교수이자 생물물리학 경제학 교수인 Charles A. S. Hall에 의해 널리 보급된 것으로 알려져 있습니다.홀은 생태계 해양 생물 연구소에서 개발된 생물학적 방법론을 적용했고, 그 방법을 인간의 산업 문명을 연구하기 위해 적용했다.이 개념은 1984년 [6][7]사이언스지의 표지에 실린 홀의 논문과 함께 가장 많이 노출될 것이다.

다양한 테크놀로지에의 응용

태양광 발전

2013년 [8]: 18, 19 기술별 세계 PV 시장.

멀티시(54.9%)
모노시(36.0%)
CdTe(5.1%)
a-Si (2.0%)
CIGS (2.0%)

이 문제는 여전히 수많은 연구의 대상이며 학계의 논쟁을 불러일으키고 있다.이는 주로 "투자된 에너지"가 기술, 방법론 및 시스템 경계 가정에 따라 결정적으로 달라지며, 메타 [9]연구에 따르면 모듈 영역의 최대 2000 kWh/m에서2 중간값 585 kWh/m로2 최소 300 kWh/m의2 범위가 형성되기 때문이다.

출력에 대해서는 시스템 자체뿐만 아니라 국소적인 일소에 따라 달라지기 때문에 상정하지 않으면 안 된다.

일부 연구(아래 참조)에서는 태양광 발전으로 전기를 생산하는 반면, 투자된 에너지는 저급 1차 에너지일 수 있다는 분석이 포함되어 있다.

2015년 재생 가능 및 지속 가능 에너지 검토 검토에서는 다양한 PV 모듈 기술의 에너지 회수 시간과 EROI를 평가했다.1700 kWh/m2/yr의 일사량과 30년의 시스템 수명을 사용한 이 연구에서는 8.7과 34.2 사이의 평균 조화 ELOI가 발견되었다.평균 조화 에너지 회수 시간은 1.0년에서 4.1년 [10][better source needed]사이였습니다.

풍력 터빈

과학 문헌에서 EROIs 풍력 터빈은 약 16개의 버퍼링되지 않고 4개의 버퍼링됩니다.[11]2018년에 수집된 데이터에 따르면 작동식 풍력 터빈의 EROI는 풍력 조건과 풍력 터빈 [12]크기에 따라 높은 변동성으로 평균 19.8이었다.EROI는 구형 기술 풍력 터빈에 비해 최근 풍력 터빈이 더 높은 경향이 있다.베스타스는 V150 모델 풍력 [13]터빈의 EROI가 31이라고 보고했습니다.

오일샌드

오일샌드(아스텐)에서 석유를 생산하는 데 필요한 에너지의 대부분은 업그레이드 공정에서 분리된 낮은 가치의 분율에서 나오기 때문에 EROI를 계산하는 방법은 외부 에너지 입력만을 고려하는 것이 높은 값이고, 자체 발생을 포함한 모든 에너지 입력을 고려하는 것이 낮은 값이라는 두 가지 방법이 있다.한 연구에 따르면 1970년 오일샌드의 순 에너지 수익은 약 1.0이었지만 2010년에는 약 5.[14][clarification needed]23으로 증가했다.

재래식 석유

종래의 석유 공급원은 다양한 지질 요인에 따라 다소 큰 차이를 보인다.기존 석유원에서 정제된 연료의 EROI는 약 18에서 [15]43까지 다양합니다.

셰일 오일

셰일 오일 수확을 위한 프로세스 열 입력 요구 사항 때문에, EROI는 기존 석유 공급원보다 훨씬 낮습니다.일반적으로 천연가스는 프로세스 열을 위해 직접 연소하거나 발전 터빈에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 터빈은 전기 가열 요소를 사용하여 셰일 지하층을 가열하여 케로겐으로부터 오일을 생산합니다.결과 EROI는 보통 1.4~1.[15]5 정도 됩니다.경제적으로 오일 셰일은 현장에서 케로겐 가열에 사용되는 천연가스가 효과적으로 자유롭기 때문에 존재할 수 있지만, 반대론자들은 천연가스를 직접 추출하여 낮은 EROI와 높은 탄소 배출량을 위해 셰일을 가열하는 대신 상대적으로 저렴한 운송 연료로 사용할 수 있다고 주장했다.

유액

모든 석유 액체(석탄 대 액체, 기체 대 액체, 바이오 연료 등)의 가중 평균 EROI는 1950년 44.4에서 2050년 [16]6.7로 감소할 것으로 예상된다.

천연가스

천연가스의 표준 EOI는 1950년 141.5에서 [17]2050년 16.8로 감소할 것으로 추정된다.

비인공 에너지 입력

자연 에너지원 또는 일차 에너지원은 투입된 에너지 계산에 포함되지 않으며, 인간이 적용한 에너지원만 포함된다.예를 들어 바이오 연료의 경우 광합성을 주도하는 태양 일산은 포함되지 않으며 핵분열 원소의 항성 합성에 사용된 에너지는 포함되지 않는다.반환되는 에너지에는 인간이 사용할 수 있는 에너지만 포함되며 폐열과 같은 폐기물은 포함되지 않습니다.

그러나 실제로 가열에 사용되는 열은 어떤 형태로든 셀 수 있습니다.그러나 지역 난방열병합 발전소의 물 담수화에서 폐열을 사용하는 경우는 드물며, 실제로는 에너지원의 [clarification needed]EROI 분석에서 제외되는 경우가 많다.

경쟁 방법론

Murphy and Hall의 2010년 논문에서 향후 ELOI에 대한 모든 연구를 위해 권고된 확장["Ext"] 경계 프로토콜이 상세하게 설명되었습니다.홀과 다른 사람들이 경쟁 방법론의 "[18]약점"으로 보는 것보다 더 현실적인 평가를 만들고 비교에서 더 큰 일관성을 창출하기 위해.그러나 최근에는 IEA의 특정 회원국이 승인한 다른 방법론의 작성에 대한 논란이 계속되고 있다. 예를 들어 태양광 태양광 패널의 경우 논쟁적으로 [19][20]더 유리한 가치를 창출한다.

태양광 발전 태양 전지판의 경우, IEA 방법은 공장 공정에서만 사용되는 에너지에 초점을 맞추는 경향이 있다.2016년에 홀은 이 분야에서 발표된 연구의 많은 부분이 경쟁 기술들 사이에서 사업 이익과 관련된 지지자나 사람들에 의해 생산되고 있으며, 정부 기관은 보다 중립적인 [21][22]관찰자들에 의한 엄격한 분석을 위한 충분한 자금을 아직 제공하지 않았다는 것을 관찰했다.

순에너지 이득과의 관계

EROI와 순에너지(게인)는 수치적으로 다른 방법으로 에너지원 또는 싱크의 동일한 품질을 측정합니다.순 에너지는 양을 나타내며 EROI는 공정의 비율 또는 효율성을 측정합니다.그들은 단순히 에 의해 관계가 있다.

또는

예를 들어 EROI가 5인 공정에서 1단위의 에너지를 소비하면 4단위의 순수 에너지 이득을 얻을 수 있습니다.손익분기점은 EROI가 1 또는 순에너지 게인이 0일 때 발생합니다. 손익분기점에 도달하는 시간을 에너지 회수 기간(EPP) 또는 에너지 회수 시간(EPBT)[23][24]이라고 합니다.

경제적 영향

에너지원 물질의 많은 품질(예: 석유는 에너지 밀도가 높고 운반이 가능한 반면 바람은 가변적)이 있지만, 경제에서 주요 에너지원의 EROI가 떨어지면 에너지는 더 구하기 어려워지고 상대 가격은 상승할 수 있다.

화석연료는 석유가 처음 발견됐을 때 100배럴 정도의 석유를 찾아내 추출해 가공하는 데 평균 1배럴의 석유가 소요됐다.미국에서 화석연료를 발견하는 비율은 1919년 약 1000:1에서 2010년대 [2]약 5:1로 지난 세기에 걸쳐 꾸준히 감소해 왔다.

농업이 발명된 이후, 인간은 인간의 근력을 증가시키기 위해 외부 에너지원을 점점 더 많이 사용해 왔다.일부 역사학자들은 이것이 에너지 노예의 개념과 관련된 에너지원을 더 쉽게 이용(즉, 더 높은 EROI)한 탓으로 돌렸다.토마스 호머[25] 딕슨은 후기 로마 제국의 EROI의 몰락이 서기 5세기에 서로 다른 제국이 붕괴한 이유 중 하나였다고 주장한다."The Upside of Down"에서 그는 EROI 분석이 문명의 흥망성쇠를 분석하는 근거를 제공한다고 제안한다.로마 제국의 최대 규모인 (6,000만)와 그 기술 기반을 살펴보면, 로마의 농경 기반은 헥타르당 밀의 경우 1:12, 알팔파의 경우 1:27이었다.그리고 나서 이것을 이용하여 로마제국의 인구 절정에 필요한 인구를 계산할 수 있으며, 이는 1인당 하루에 약 2,500~3,000 칼로리이다.그것은 한창일 때 식량 생산 면적과 거의 비슷하게 나온다.그러나 생태학적 피해(특히 남부 스페인, 남부 이탈리아, 시칠리아, 그리고 특히 북아프리카의 삼림 파괴, 토양 비옥도 손실)는 ELOI가 떨어지기 시작하면서 2세기부터 이 시스템이 붕괴되었다.그것은 트라야누스 치하에서 150만 명으로 정점에 달했던 로마의 인구가 15,000명에 불과했던 1084년에 바닥을 쳤다.

증거는 마야와 캄보디아의 붕괴 사이클에도 들어맞는다.조지프[26] 테인터는 EROI의 수익 감소가 초기 사회의 최고 목재에 의해 야기된 것으로 보여지는 복잡한 사회의 붕괴의 주요 원인이라고 주장한다.고품질 화석연료 자원의 고갈에 의한 ELOI의 하락은 산업 경제에도 어려운 과제이며, 잠재적으로 경제 생산량의 저하를 초래해, 항구적인 경제성장의 [27]개념(역사적 관점에서 보면 매우 최근의 것)에 도전할 가능성이 있다.

Tim Garrett은 현재의 세계 에너지 소비량(와트)을 Garrett Relation(개럿 관계)으로 알려진 인플레이션 조정 글로벌 부의 역사적 축적과 연결하는 열역학적 분석에 기초하여 EROI와 인플레이션을 직접 연결합니다.이 경제성장 모델은 글로벌 ELOI가 일정 기간 동안의 글로벌 인플레이션의 역수임을 나타낸다.이 모델은 공급망을 글로벌하게 집약하기 때문에 로컬 EROI는 [28]해당 범위를 벗어납니다.

EROI에 대한 비판

에너지 출력 측정은 해결된 문제이며, 입력 측정에는 여전히 많은 논란이 있습니다.

EROI는 에너지 출력을 에너지 입력으로 나누어 계산됩니다.특히 적절한 전기 계량기를 사용할 수 있는 전기 출력의 경우 총 에너지 출력을 측정하는 것이 쉬운 경우가 많습니다.그러나, 에너지 입력을 정확하게 결정하여 동일한 에너지원에 대해 서로 다른 숫자에 [29]도달하는 방법에 대해서는 연구자들이 동의하지 않는다.

에너지 생성에 사용되는 툴의 공급망(supply-chain)을 어느 정도 깊이 조사해야 합니까?예를 들어, 석유 시추나 원자력 발전소 건설에 강철을 사용하는 경우, 강철의 에너지 투입을 고려해야 하는가?강철을 건설하는 데 사용되는 공장 건설에 대한 에너지 투입을 고려하고 상각해야 합니까?화물을 나르는 데 사용되는 도로의 에너지 투입을 고려해야 하는가?철강 노동자들의 아침식사를 요리하는 데 사용되는 에너지는 어떻습니까?이것들은 간단한 [30]답을 회피하는 복잡한 질문들이다.완전한 회계는 기회 비용을 고려하고 이러한 경제 활동의 유무에 따라 총 에너지 지출을 비교해야 한다.

다만, 2개의 에너지원을 비교할 때는, 서플라이 체인(supply-chain)의 에너지 입력에 관한 표준 프랙티스를 채용할 수 있습니다.예를 들어 철강을 고려하되, 공급망의 첫 번째 수준보다 공장에 투자되는 에너지가 더 깊다고 생각하지 마십시오.상황이 일부에서 이것들이 완전히encompassed 시스템 이유로,은 2010년에 머피와 홀의 종이의 결론에서, EROI 5를 확대 방법론에 의해 필요한 반면 1213의 홀의 방법론을 사용하여 값 최소 값 기술적 progr에 필요한 것으로 간주된다 sustainability,[18]의 최소 한계에 도달하기가 있습니다.S자꼴의 것하이 [19][20]아트를 지지하는 사회입니다.

Richards와 Watt는 EROI(에너지 회수율)의 대안으로 태양광 시스템의 에너지 수율 비율을 제안합니다.차이점은 실제 수명이 아니라 미리 알려진 시스템의 설계 수명을 사용한다는 것입니다.이는 구성 요소의 수명이 [31]서로 다른 다중 구성 요소 시스템에 적용할 수 있음을 의미합니다.

많은 연구에서 다루려고 하는 EROI의 또 다른 문제는 반환되는 에너지가 다른 형태로 존재할 수 있고 이러한 형태가 다른 효용성을 가질 수 있다는 것이다.예를 들어 전기의 낮은 엔트로피 때문에 전기는 열 에너지보다 더 효율적으로 운동으로 전환될 수 있습니다.또한 입력의 에너지 형태는 출력과 완전히 다를 수 있다.예를 들어 석탄 형태의 에너지는 에탄올 생산에 사용될 수 있다.이것은 EROI가 1 미만일 수 있지만 액체 연료의 이점 때문에 여전히 바람직할 수 있다(추출 및 변환 과정에서 래터를 사용하지 않는다고 가정).

추가 ELOI 계산

ELOI 계산에는 사용 시점, 확장 및 사회성이라는 세 가지 주요 확장 ELOI 계산은 다음과 같습니다.Point of Use ELOI는 정제 프로세스 중 연료 정제 및 운송 비용을 포함하도록 계산을 확장합니다.이렇게 하면 계산 범위가 확장되어 생산 공정을 더 많이 포함하므로 EROI가 [2]감소합니다.확장 ELOI에는 에너지 또는 연료의 [32]운송에 필요한 기반시설 구축 비용뿐만 아니라 사용 지점 확장이 포함된다.사회 EROI는 사회나 국가에서 사용되는 모든 연료의 EROI를 합한 것입니다.사회적 ELOI는 아직 계산되지 않았으며 연구자들은 현재 계산을 완료하기 위해 필요한 모든 변수를 아는 것이 불가능할 수 있다고 믿고 있지만, 일부 국가들에 대해 시도된 추정이 이루어졌다.국내 생산 및 수입 연료의 ELOI를 모두 합산하여 그 결과를 사회의 [33]안녕을 파악하기 위한 도구인 인간개발지수(Human Development Index, HDI)와 비교함으로써 계산한다.이 계산에 따르면, 한 사회가 이용할 수 있는 에너지의 양은 그 나라에 살고 있는 사람들의 삶의 질을 높이고, 이용할 수 있는 에너지가 적은 나라들 또한 시민들의 기본적인 [34]욕구를 충족시키는 데 더 어려움을 겪는다.즉, 사회적 ELOI와 삶의 질 전반은 매우 밀접하게 관련되어 있다.

일부 발전소의 ELOI 및 투자 회수 기간

다음 표는 독일어 위키피디아의 에너지원을 정리한 것입니다.최소 요구사항은 재료 데이터에 따른 누적 에너지 비용 내역이다.문헌에서 수확 계수가 자주 보고되는데, 값의 출처가 완전히 투명하지 않다.이것들은 이 표에 포함되어 있지 않습니다.

굵은 글씨 숫자는 해당 문헌 소스에서 제공된 숫자이며, 일반적인 인쇄 숫자는 파생됩니다(수학적 설명 참조).

유형 에로이 상각기간 '이상적인' 발전소와 비교한 상각 기간
에로이 상각기간
원자력 발전(a)
가압수형 원자로, 100% 원심분리기 농축 [de][35] 106 2개월[검증 완료] 315[failed verification] 17일[failed verification]
가압수형 원자로, 83% 원심분리기 농축 [de][35] 75 2개월[검증 완료] 220[failed verification] 17일[failed verification]
화석 에너지(a)
갈색 석탄, 노천[35] 주조 31 2개월[검증 완료] 90[failed verification] 23일[failed verification]
흑탄, 석탄 수송이[35] 없는 지하 채굴 29 2개월[검증 완료] 84[failed verification] 19일[failed verification]
가스(CCGT), 천연가스[35] 28 9일[검증 완료] 81[failed verification] 3일[failed verification]
가스(CCGT), 바이오[35] 가스 3.5 12일[검증 완료] 10개[failed verification] 3일[failed verification]
수력 발전
하천 수력 발전[35] 50 1년[검증 완료] 150[failed verification] 8개월[failed verification]
태양열(b)
사막, 포물선 홈 + 페닐 화합물[35] 배지 21 1.1년[검증 완료] 62[failed verification] 4개월[failed verification]
풍력 에너지(b)
1,5 MW (E-66 [de]), 2000 풀로드 시간 [de] VLh (독일 [35]연안) 16 1.2년[검증 완료] 48[failed verification] 5개월[failed verification]
1.5 MW(E-66 [de]), 2700 풀로드 시간 [de] VLh(독일 해안), [36]해안 스물한[failed verification] 0.9년[failed verification] 63[검증 완료] 3.7개월[검증 완료]
2,3 MW(E-82 [de]), 3200 풀로드 시간 [de] VLh(독일 연안, 해안)[37][38] (c) 51[검증 완료] 4.7개월[검증 완료] 150[failed verification] 1.6개월[failed verification]
200 MW 파크(5 MW 설치), 4400 풀로드 시간 [de] VLh(오프쇼어)[39] 16 1.2년[failed verification] 48[failed verification] 5개월[검증 완료]
태양광 발전(b)
폴리실리콘, 지붕 설치, 1000 풀로드 시간 [de] VLh(남독일)[35] 4.0 6년[검증 완료] 12개[failed verification] 2년[failed verification]
폴리실리콘, 지붕 설치, 1800 풀로드 시간 [de] VLh(남유럽)[40] 7.0 3.3년[failed verification] 스물한[failed verification] 1.1년[검증 완료]
(a) 연료 운송 비용을 고려한다.
(b) 이 값은 총 에너지 출력을 의미한다.저장 발전소, 계절 예비비 또는 기존 부하 분산 발전소의 비용은 고려되지 않는다.
(c) E-82에 대한 데이터는 제조업체에서 제공되지만 TüV 라인랜드에 [citation needed]의해 확인되었습니다.

에소이

ESOI(또는e ESOI)는 EROI가 1 미만일 때 사용됩니다.ESOI는e 저장장치의 수명 동안 저장되는 전기에너지와 장치 구축에 필요한 내장 전기에너지의 비율입니다."[4]

스토리지 테크놀로지 에소이[4]
연축전지 5
브롬화 아연 전지 9
바나듐 산화 환원 전지 10
NaaS 배터리 20
리튬 이온 배터리 32
양수식 수력발전소 704
압축 공기 에너지 저장소 792

ESOI에 대한 Stanford University 의 평가의 주목할 만한 결과 중 하나는 펌핑 스토리지를 사용할 수 없는 경우 풍력 에너지와 현재 존재하는 배터리 기술과 일반적으로 제안된 조합은 충분한 투자 가치가 없으며 대신 [41]축소를 제안한다는 것이다.

고속 성장 중인 EROI

이와 관련된 최근의 우려는 기후 중립성이 요구될 경우 에너지 기술이 제한된 성장률을 가질 수 있는 에너지 식인 풍습이다.많은 에너지 기술은 상당한 양의 화석 연료와 그에 따른 온실가스 배출을 대체할 수 있다.불행하게도, 현재의 화석 연료 에너지 시스템의 엄청난 규모나 이러한 기술의 필요 성장률은 성장하는 산업을 위해 생산되는 순수 에너지에 의해 부과되는 한계 내에서 잘 이해되지 않는다.이러한 기술적 제한은 에너지 식인 풍습으로 알려져 있으며, 에너지 생산 또는 에너지 효율 산업 전체의 급속한 성장이 기존 발전소 또는 생산 공장의 에너지를 [42]사용(또는 식인)하는 에너지 수요를 창출하는 효과를 말합니다.

태양 증식기는 이러한 문제들 중 일부를 극복한다.태양광 증식기는 자체 패널을 사용하여 자체 지붕에서 나오는 에너지를 사용하여 에너지 자립을 할 수 있는 태양광 발전 패널 제조 공장입니다.이러한 발전소는 에너지를 자급자족할 뿐만 아니라 새로운 에너지의 주요 공급원이 되기 때문에 태양 증식업자라고 불립니다.[43][44]개념에 대한 연구는 호주 뉴사우스웨일스 대학 태양광 발전 엔지니어링 센터에서 수행했다.보고된 조사는 태양 증식업자와 특정한 수학적인 관계를 설정하는데, 이는 그러한 발전소에서 무한한 미래에 [45]걸쳐 방대한 양의 순수 에너지를 사용할 수 있음을 분명히 보여준다.메릴랜드[46] 프레데릭에 있는 태양 모듈 가공 공장은 원래 이러한 태양 증식자로 계획되었습니다.2009년, 일본 과학 평의회는, [47]30년 이내에 수백 GW의 용량을 창출하는 것을 목표로, 일본알제리협력으로서 사하라 태양 증식기 프로젝트를 제안했습니다.이론적으로 어떤 종류의 브리더도 개발할 수 있다.실제로 핵 증식로는 2014년 현재 건설된 유일한 대형 증식로이며, 600 MWeBN-600과 800 MWe BN-800 원자로가 가동 중이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

  • World-Nuclear.org, 세계원자력협회(World Nuclear Association)의 ELOI에 관한 연구.
  • Web.archive.org, Wayback Archive of OilAnalytics.org, "에너지 가용성의 척도로서의 ELOI"
  • EOearth.org, 에너지 투자수익률(EROI)
  • EOearth.org, 순에너지 분석
  • H2-pv.us, H2-PV 브리더 시너지 에세이