Próg zwrotu energii z inwestycji (EROEI)

EROEI to stosunek energii, którą instalacja odda przez cały cykl życia, do energii włożonej w surowce, budowę, eksploatację i likwidację. Przy wyniku 1 źródło oddaje tylko tyle, ile pochłonęło. Poniżej tej granicy przestaje zasilać gospodarkę i zaczyna z niej czerpać. Dlatego najwięcej znaczą spadki przy niskich wartościach, bo coraz większa część produkcji wraca wtedy do samej energetyki.

Czym jest EROEI i jak się go oblicza?

EROEI, w literaturze także EROI, to stosunek energii uzyskanej w całym cyklu życia instalacji do energii, którą trzeba w nią włożyć. Wzór ma postać EROEI = energia uzyskana / energia zainwestowana, a wynik jest liczbą bezwymiarową. Takie ujęcie przyjmuje artykuł Halla i współpracowników. Wartość 30:1 oznacza w nim 30 dżuli uzyskanych z każdego włożonego dżula.

W przypadku turbiny wiatrowej do mianownika trafia pięć etapów:

1. Wydobycie i przeróbka surowców: rudy żelaza i miedzi, kruszywa, ropy na żywice do łopat.
2. Produkcja stali, betonu fundamentu, generatora i elektroniki.
3. Transport elementów i montaż na miejscu.
4. Eksploatacja przez cały okres pracy: serwis, wymiana części, smary.
5. Demontaż, rozbiórka fundamentu oraz recykling albo składowanie.

Suma tych nakładów to energia wbudowana instalacji. Różnica między licznikiem a mianownikiem to energia netto. EROEI jest więc bilansem całego cyklu życia, a nie sprawnością samego urządzenia. Część analiz liczy oba strumienie w egzergii, czyli w energii zdolnej do wykonania pracy, żeby dało się porównać prąd z ciepłem.

EROEI równe 1 – granica, poniżej której źródło przestaje dawać energię

Przy EROEI równym 1 źródło oddaje dokładnie tyle energii, ile pochłonęło na surowce, budowę, pracę i likwidację. Poniżej tej wartości staje się pochłaniaczem energii (energy sink): każda wytworzona jednostka kosztuje więcej energii, niż daje. Takie źródło nie zasila gospodarki, tylko z niej czerpie.

Czy wodór z elektrolizy albo akumulator z wynikiem poniżej 1 to w takim razie pomyłka? Nie, bo są to nośniki i magazyny energii, nie jej źródła. Ich zadaniem jest przesunięcie energii z chwili nadwyżki do chwili popytu, na przykład prądu z południowego słońca na wieczór. Dlatego ocenia się je osobną miarą: ESOEI, częściej zapisywaną jako ESOI. Miara ta zestawia energię oddaną przez magazyn w całym jego życiu z energią potrzebną do jego zbudowania. Wskaźnik zaproponowany w artykule Barnharta i Benson łączy kilka cech magazynu. Zastępuje on pojedyncze parametry, takie jak sprawność czy gęstość energii.

Klif energii netto

Udział energii netto, czyli tej części produkcji, która zostaje poza samym sektorem energetycznym, wynosi 1 − 1/EROEI. Zależność jest nieliniowa i to ona tworzy klif energii netto. Termin ukuł analityk Euan Mearns. Punktem odniesienia w badaniu o klifie energii netto jest paliwo o EROEI 100:1. Dostarcza ono społeczeństwu 99 procent swojej użytecznej energii.

Ten sam spadek o połowę daje na różnych odcinkach krzywej zupełnie inny skutek:

• 50 → 25 – udział energii netto maleje z 98 do 96 procent, czyli o 2 punkty.
• 10 → 5 – udział maleje z 90 do 80 procent, czyli o 10 punktów.
• 2 → 1 – udział maleje z 50 procent do zera.

Dlaczego więc niskie wartości są groźne? Odpowiada na to kształt tej krzywej. Przy wartościach jednocyfrowych każdy kolejny spadek zabiera coraz więcej, bo coraz większa część produkcji wraca do samej energetyki. Gdy w ramach transformacji energetycznej jedno źródło zastępuje drugie, liczy się zatem nie tylko to, o ile spada EROEI, ale też poziom, od którego ten spadek się zaczyna.

Minimalne EROEI utrzymujące nowoczesną gospodarkę

Jednej liczby nie ma, bo każdy proponowany próg odpowiada na inne pytanie i pochodzi z modelu, a nie z praw fizyki. Podstawowym kryterium jest nadwyżka ponad energetyczny punkt równowagi 1,0:1,0. Hall i współautorzy uważają jednak, że to kryterium nie może być jedynym. Ich własny próg dotyczy samego pozyskania paliwa: około 3:1 dla ropy i etanolu z kukurydzy, mierzone u źródła. Punktem pomiaru jest szyb albo farma, więc z tej nadwyżki trzeba jeszcze pokryć rafinację, transport i infrastrukturę użytkowania.

Wyższy próg wyznacza badanie Weißbacha i współpracowników: 7 dla EROI i 16 dla EMROI, czyli wariantu ważonego kosztami. Jest to próg ekonomiczny dla pojedynczej elektrowni.

Najwyżej sięga piramida potrzeb energetycznych zaproponowana przez Halla. Każde jej piętro wymaga wyższego EROEI ropy konwencjonalnej mierzonego u wylotu odwiertu. Wydobycie wymaga 1,1:1, dystrybucja 1,3:1, a ciężarówka z drogami i mostami co najmniej 3:1. Dowóz zboża z uprawą i przetworzeniem wymaga około 5:1, a utrzymanie rodzin pracowników około 7–8:1. Wartości wyższych pięter Lambert i współautorzy uznają za coraz bardziej spekulatywne.

Granice systemu decydują o wyniku – standardowy, w punkcie użycia i rozszerzony EROEI

Rozbieżne wartości dla tego samego źródła wynikają najczęściej z granic systemu, czyli z decyzji, jakie nakłady autor wliczył. W trzech wariantach granic naraz wiatr, fotowoltaikę i hydroenergetykę policzono w badaniu de Castro i Capellán-Péreza.

• EROEI standardowy – energia mierzona na wyjściu instalacji; nakłady obejmują jej budowę, eksploatację i likwidację.
• EROEI w punkcie użycia – energia dostarczona odbiorcy; do nakładów dochodzą przesył, dystrybucja i straty po drodze.
• EROEI rozszerzony – dolicza nakłady pośrednie, czyli energię potrzebną do tego, żeby dostarczoną energię faktycznie wykorzystać w gospodarce.

Od wyboru granicy zależy też sens porównań z progami. Autorzy przywołują próg 5–10:1, który literatura traktuje jako spekulatywny warunek utrzymania złożonych społeczeństw. Zestawiają go ze standardowym EROEI całego systemu. Co sprawdzić, zanim zestawi się dwie liczby? Wariant granicy, punkt pomiaru (przy źródle czy u odbiorcy) i to, czy policzono nakłady pośrednie.

Buforowany EROEI – co zmienia doliczenie magazynów energii?

Buforowany EROEI dolicza do źródła zależnego od pogody magazyn, który wyrównuje jego dostawy. Dlatego wiatr i słońce, czyli OZE o zmiennej produkcji (VRE), bywają liczone w dwóch wersjach: bez magazynu i z magazynem. Magazyn obniża wynik na dwa sposoby: dokłada własną energię wbudowaną i traci energię przy konwersji. Te drugie straty opisuje sprawność pełnego cyklu. Elektrownia szczytowo-pompowa oddaje zwykle około 80 procent zmagazynowanego prądu, a układ elektrolizer–ogniwo paliwowe na wodór około 30 procent.

Wielkość korekty zależy od założeń: jak duży jest magazyn, na jak długo ma wystarczyć i jaki udział OZE ma system. Weißbach i współautorzy przyjęli, że wiatr i fotowoltaika pracują jako źródło podstawowe z magazynem szczytowo-pompowym na 10 dni. Analizy zakładające mały udział OZE dają korektę łagodniejszą. W scenariuszach, w których dekarbonizacja opiera się głównie na wietrze i słońcu, przyjęte założenia o magazynach mocno wpływają na wynik.

EROEI paliw kopalnych, atomu i OZE

EROEI każdej grupy źródeł podaje się jako przedział zależny od roku badania, złoża i lokalizacji. Paliwa kopalne tracą na EROEI, bo wraz ze sczerpywaniem łatwych złóż rośnie energia potrzebna na wydobycie. Ropa konwencjonalna z płytkich, wydajnych pól lokowała się kiedyś wysoko nad wszystkimi progami. Kolejne odwierty są jednak głębsze i trudniejsze.

Nisko w zestawieniach leżą piaski roponośne, których złoże trzeba ogrzewać i przerabiać. Według Halla i współautorów większość biopaliw ma EROI poniżej 3:1, więc żeby były użyteczne, muszą je dotować paliwa kopalne. Na przeciwnym końcu zestawień zwykle stoją hydroenergetyka i atom. Najwyższą średnią EROI wśród źródeł prądu ma hydroenergetyka w metaanalizie Halla i współautorów z 2014 roku. Weißbach i współautorzy dają reaktorowi PWR 75, a hydroenergetyce 50. Wynik hydroenergetyki zależy przy tym od lokalizacji zapory.

Największy rozrzut w literaturze dotyczy energetyki jądrowej i fotowoltaiki. W przypadku atomu wynik zależy od metody wzbogacania uranu i jakości rudy, a w przypadku fotowoltaiki od rocznika paneli i nasłonecznienia. Wyniki z różnych lat stają się porównywalne dopiero po ujednoliceniu. Dlatego metaanaliza Koppelaara odtworzyła i ujednoliciła trzydzieści cztery badania fotowoltaiki.

EROEI, EPBT i LCOE – trzy miary, które odpowiadają na różne pytania

Te trzy miary mają różne jednostki:

• EROEI – ile razy więcej energii instalacja odda, niż pochłonęła; liczba bezwymiarowa opisująca nadwyżkę energii.
• EPBT, czyli czas zwrotu energii – po jakim czasie instalacja odda włożoną w nią energię; wynik w latach.
• LCOE, czyli uśredniony koszt energii – ile kosztuje wytworzenie jednostki energii w całym życiu instalacji; wynik w pieniądzu na MWh.

Obie miary energetyczne wynikają z tej samej analizy cyklu życia (LCA). Weißbach i współautorzy wyprowadzają czas zwrotu z EROI prostymi zależnościami. W uproszczeniu EROEI to czas pracy instalacji podzielony przez EPBT, więc szybki zwrot przy krótkim życiu nie daje dużej nadwyżki. Żadna z tych miar sama nie rozstrzyga o wyborze źródła: LCOE nie mówi nic o bilansie energii, a EPBT nie uwzględnia długości życia instalacji.

EROEI to także coś innego niż zwrot energii z inwestycji pieniężnej. Hall i współautorzy zaznaczają, że łączy je jedynie luźna zależność, przynajmniej w krótkim okresie.