En la economía de la energía y la energía ecológica , el rendimiento energético de la inversión ( EROI ), también llamado a veces energía devuelta sobre la energía invertida ( ERoEI ), es la relación entre la cantidad de energía utilizable (la exergía ) entregada de un recurso energético particular y la cantidad de energía. exergía utilizada para obtener ese recurso energético. [1]
Aritméticamente el EROI se puede definir como:
- . [2]
Cuando el EROI de una fuente de energía es menor o igual a uno, esa fuente de energía se convierte en un "sumidero de energía" neto y ya no se puede utilizar como fuente de energía. Una medida relacionada Energía almacenada en energía invertida (ESOEI) se utiliza para analizar los sistemas de almacenamiento. [3] [4]
Para ser considerado viable como combustible o fuente de energía prominente, un combustible o energía debe tener una relación EROI de al menos 3: 1. [5] [2]
Historia
El campo de estudio del análisis energético tiene el mérito de haber sido popularizado por Charles AS Hall , profesor de ecología de sistemas y economía biofísica en la Universidad Estatal de Nueva York . Hall aplicó la metodología biológica, desarrollada en un Laboratorio de Biología Marina de Ecosistemas, y luego adaptó ese método para investigar la civilización industrial humana. El concepto tendría su mayor exposición en 1984, con un artículo de Hall que apareció en la portada de la revista Science . [6] [7]
Aplicación a diversas tecnologías
Fotovoltaica
El tema sigue siendo objeto de numerosos estudios y suscita discusiones académicas. Esto se debe principalmente a que la "energía invertida" depende fundamentalmente de la tecnología, la metodología y los supuestos de límites del sistema, lo que da como resultado un rango desde un máximo de 2000 kWh / m 2 de área del módulo hasta un mínimo de 300 kWh / m 2 con un valor medio. de 585 kWh / m 2 según un metaestudio. [9]
Con respecto a la producción, obviamente depende de la insolación local , no solo del sistema en sí, por lo que se deben hacer suposiciones.
Algunos estudios (ver más abajo) incluyen en su análisis que la energía fotovoltaica produce electricidad, mientras que la energía invertida puede ser energía primaria de menor grado .
Una revisión de 2015 en Renewable and Sustainable Energy Reviews evaluó el tiempo de recuperación de la energía y el EROI de una variedad de tecnologías de módulos fotovoltaicos. En este estudio, que utiliza una insolación de 1700 kWh / m 2 / año y una vida útil del sistema de 30 años, se encontraron EROI armonizados medios entre 8,7 y 34,2. El tiempo medio de amortización de la energía armonizada varió de 1,0 a 4,1 años. [10] [se necesita una mejor fuente ]
Turbinas de viento
En la literatura científica, los EROI para aerogeneradores recientes normalmente varían entre 20 y 50. [11] [se necesita una mejor fuente ] . Los datos recopilados en 2018 encontraron que el EROI de las turbinas eólicas operativas promedió 19,8 con una alta variabilidad según las condiciones del viento y el tamaño de la turbina eólica. [12] Las EROI tienden a ser más altas para las turbinas eólicas recientes en comparación con las turbinas eólicas de tecnología más antigua. Vestas informa un EROI de 31 para su aerogenerador modelo V150. [13]
Arenas petrolíferas
Debido a que gran parte de la energía requerida para producir petróleo a partir de arenas bituminosas (betún) proviene de fracciones de bajo valor separadas por el proceso de mejora, hay dos formas de calcular el EROI, el valor más alto dado considerando solo las entradas de energía externa y el más bajo por considerando todas las entradas de energía, incluidas las autogeneradas. Un estudio encontró que en 1970 el rendimiento energético neto de las arenas petrolíferas era de aproximadamente 1,0, pero en 2010 había aumentado a aproximadamente 5,23. [14] [ aclaración necesaria ]
Aceite convencional
Las fuentes convencionales de petróleo tienen una variación bastante grande dependiendo de varios factores geológicos. El EROI para el combustible refinado de fuentes convencionales de petróleo varía de alrededor de 18 a 43. [15]
Aceite de esquisto bituminoso
Debido a los requisitos de entrada de calor del proceso para la recolección de aceite de esquisto, el EROI es mucho más bajo que para las fuentes de petróleo convencionales. Por lo general, se utiliza gas natural, ya sea quemado directamente para calentar el proceso o utilizado para alimentar una turbina generadora de electricidad, que luego utiliza elementos calefactores eléctricos para calentar las capas subterráneas de pizarra para producir petróleo a partir del kerógeno. El EROI resultante suele rondar entre 1,4 y 1,5. [15] Económicamente, el esquisto bituminoso podría ser viable debido al gas natural efectivamente libre en el sitio que se usa para calentar el kerógeno, pero los oponentes han debatido que el gas natural podría extraerse directamente y usarse para combustible de transporte relativamente económico en lugar de calentar el esquisto durante un período. menor EROI y mayores emisiones de carbono.
Insumos de energía no producidos por el hombre
Las fuentes de energía naturales o primarias no se incluyen en el cálculo de la energía invertida, solo las fuentes aplicadas por el hombre. Por ejemplo, en el caso de los biocombustibles no se incluye la insolación solar que impulsa la fotosíntesis y la energía utilizada en la síntesis estelar de elementos fisibles no se incluye para la fisión nuclear . La energía devuelta incluye solo energía utilizable por el ser humano y no desperdicios como el calor residual .
No obstante, el calor de cualquier forma se puede contar cuando se utiliza realmente para calentar. Sin embargo, el uso de calor residual en la calefacción urbana y la desalación de agua en plantas de cogeneración es poco común y, en la práctica, a menudo se excluye del análisis EROI de las fuentes de energía. [ aclaración necesaria ]
Metodología competitiva
En un artículo de 2010 de Murphy y Hall, se detalló el protocolo de límites extendido ["Ext"] recomendado para todas las investigaciones futuras sobre EROI. Para producir, lo que ellos consideran, una evaluación más realista y generar mayor consistencia en las comparaciones, que lo que Hall y otros ven como los "puntos débiles" en una metodología competitiva. [16] En años más recientes, sin embargo, una fuente de controversia continua es la creación de una metodología diferente respaldada por ciertos miembros de la IEA que, por ejemplo, sobre todo en el caso de los paneles solares fotovoltaicos , genera de manera controvertida valores más favorables. [17] [18]
En el caso de los paneles solares fotovoltaicos, el método IEA tiende a centrarse únicamente en la energía utilizada en el proceso de la fábrica. En 2016, Hall observó que gran parte del trabajo publicado en este campo es producido por defensores o personas con una conexión con intereses comerciales entre las tecnologías competidoras, y que las agencias gubernamentales aún no habían proporcionado la financiación adecuada para un análisis riguroso por parte de observadores más neutrales. [19] [20]
Relación con la ganancia neta de energía
EROI y la energía neta (ganancia) miden la misma calidad de una fuente de energía o se hunden de formas numéricamente diferentes. La energía neta describe las cantidades, mientras que EROI mide la relación o la eficiencia del proceso. Están relacionados simplemente por
o
Por ejemplo, dado un proceso con un EROI de 5, gastar 1 unidad de energía produce una ganancia neta de energía de 4 unidades. El punto de equilibrio ocurre con un EROI de 1 o una ganancia neta de energía de 0. El tiempo para alcanzar este punto de equilibrio se denomina período de recuperación de la energía (EPP) o tiempo de recuperación de la energía (EPBT). [21] [22]
Influencia económica
Aunque muchas cualidades de una fuente de energía son importantes (por ejemplo, el petróleo es denso en energía y transportable, mientras que el viento es variable), cuando el EROI de las principales fuentes de energía para una economía cae, la energía se vuelve más difícil de obtener y su precio relativo puede disminuir. incrementar.
Con respecto a los combustibles fósiles, cuando se descubrió originalmente el petróleo, se necesitaba en promedio un barril de petróleo para encontrar, extraer y procesar alrededor de 100 barriles de petróleo. La proporción, para el descubrimiento de combustibles fósiles en los Estados Unidos, ha disminuido constantemente durante el último siglo de aproximadamente 1000: 1 en 1919 a solo 5: 1 en la década de 2010. [2]
Desde la invención de la agricultura, los seres humanos han utilizado cada vez más fuentes de energía exógenas para multiplicar la fuerza muscular humana. Algunos historiadores han atribuido esto en gran parte a fuentes de energía más fáciles de explotar (es decir, mayor EROI), lo que está relacionado con el concepto de esclavos energéticos . Thomas Homer-Dixon [23] sostiene que una EROI en caída en el Imperio Romano Posterior fue una de las razones del colapso del Imperio Occidental en el siglo V d. C. En "The Upside of Down" sugiere que el análisis EROI proporciona una base para el análisis del ascenso y caída de las civilizaciones. Mirando la extensión máxima del Imperio Romano , (60 millones) y su base tecnológica, la base agraria de Roma era aproximadamente 1:12 por hectárea para el trigo y 1:27 para la alfalfa (dando una producción de 1: 2,7 para los bueyes). Luego, se puede usar esto para calcular la población del Imperio Romano requerida en su apogeo, sobre la base de aproximadamente 2500 a 3000 calorías por día por persona. Sale aproximadamente igual al área de producción de alimentos en su apogeo. Pero el daño ecológico ( deforestación , pérdida de fertilidad del suelo , particularmente en el sur de España, el sur de Italia, Sicilia y especialmente el norte de África) vio un colapso en el sistema a partir del siglo II, cuando EROI comenzó a caer. Tocó fondo en 1084 cuando la población de Roma, que había alcanzado su punto máximo bajo Trajano en 1,5 millones, era sólo de 15.000.
La evidencia también se ajusta al ciclo del colapso maya y camboyano. Joseph Tainter [24] sugiere que los rendimientos decrecientes de la EROI es una de las principales causas del colapso de sociedades complejas, que se ha sugerido como causada por la madera de pico en las sociedades primitivas. La caída de la EROI debido al agotamiento de los recursos de combustibles fósiles de alta calidad también plantea un desafío difícil para las economías industriales y podría conducir a una disminución de la producción económica y desafiar el concepto (que es muy reciente cuando se considera desde una perspectiva histórica) de crecimiento económico perpetuo. [25]
Tim Garrett vincula el EROI y la inflación directamente, basándose en un análisis termodinámico que vincula el consumo energético mundial actual (Watts) con una acumulación histórica de riqueza global ajustada a la inflación (dólares estadounidenses) conocida como Relación Garrett. Este modelo de crecimiento económico indica que la EROI global es la inversa de la inflación global durante un intervalo de tiempo determinado. Debido a que el modelo agrega cadenas de suministro a nivel mundial, la EROI local está fuera de su alcance. [26]
Críticas a EROI
EROI se calcula dividiendo la producción de energía por la entrada de energía. La medición de la producción total de energía suele ser fácil, especialmente en el caso de una producción eléctrica en la que se puede utilizar algún medidor de electricidad adecuado . Sin embargo, los investigadores no están de acuerdo sobre cómo determinar la entrada de energía con precisión y, por lo tanto, llegan a números diferentes para la misma fuente de energía. [27]
¿Qué profundidad debe tener el sondeo en la cadena de suministro de las herramientas que se utilizan para generar energía? Por ejemplo, si se utiliza acero para perforar en busca de petróleo o construir una planta de energía nuclear, ¿debería tenerse en cuenta la entrada de energía del acero? ¿Debería tenerse en cuenta y amortizarse el aporte energético en la construcción de la fábrica que se utiliza para construir el acero? ¿Debería tenerse en cuenta el aporte energético de las carreteras que se utilizan para transportar las mercancías? ¿Qué pasa con la energía utilizada para cocinar los desayunos de los trabajadores siderúrgicos? Estas son preguntas complejas que evaden respuestas simples. [28] Una contabilidad completa requeriría considerar los costos de oportunidad y comparar los gastos totales de energía en presencia y ausencia de esta actividad económica.
Sin embargo, al comparar dos fuentes de energía, se puede adoptar una práctica estándar para la entrada de energía de la cadena de suministro. Por ejemplo, considere el acero, pero no considere la energía invertida en fábricas más profunda que el primer nivel en la cadena de suministro. Es en parte por estas razones de sistemas totalmente abarcadas, que en las conclusiones del artículo de Murphy y Hall en 2010, un EROI de 5 por su metodología extendida se considera necesario para alcanzar el umbral mínimo de sostenibilidad, [16] mientras que un valor de 12 -13 por la metodología de Hall se considera el valor mínimo necesario para el progreso tecnológico y una sociedad que apoya el alto arte. [17] [18]
Richards y Watt proponen un índice de rendimiento energético para los sistemas fotovoltaicos como alternativa al EROI (al que se refieren como factor de retorno de energía ). La diferencia es que utiliza la vida útil de diseño del sistema, que se conoce de antemano, en lugar de la vida útil real. Esto también significa que se puede adaptar a sistemas multicomponente donde los componentes tienen diferentes vidas útiles. [29]
Otro problema con EROI que muchos estudios intentan abordar es que la energía devuelta puede tener diferentes formas, y estas formas pueden tener una utilidad diferente. Por ejemplo, la electricidad se puede convertir en movimiento de manera más eficiente que la energía térmica, debido a la menor entropía de la electricidad. Además, la forma de energía de la entrada puede ser completamente diferente de la salida. Por ejemplo, la energía en forma de carbón podría utilizarse en la producción de etanol. Esto podría tener un EROI de menos de uno, pero aún podría ser deseable debido a los beneficios de los combustibles líquidos (asumiendo que los últimos no se utilizan en los procesos de extracción y transformación).
Cálculos adicionales de EROI
Hay tres cálculos EROI expandidos prominentes, son punto de uso, extendido y social. Point of Use EROI expande el cálculo para incluir el costo de refinación y transporte del combustible durante el proceso de refinación. Dado que esto expande los límites del cálculo para incluir más procesos de producción, el EROI disminuirá. [2] El EROI extendido incluye las expansiones de los puntos de uso, así como el costo de crear la infraestructura necesaria para el transporte de la energía o el combustible una vez refinados. [30] EROI social es una suma de todos los EROI de todos los combustibles utilizados en una sociedad o nación. Un EROI social nunca se ha calculado y los investigadores creen que actualmente puede ser imposible conocer todas las variables necesarias para completar el cálculo, pero se han realizado estimaciones para algunas naciones. Cálculos realizados sumando todos los EROI para combustibles de producción nacional e importados y comparando el resultado con el Índice de Desarrollo Humano (IDH), una herramienta que se utiliza a menudo para comprender el bienestar en una sociedad. [31] Según este cálculo, la cantidad de energía que una sociedad tiene a su disposición aumenta la calidad de vida de las personas que viven en ese país, y los países con menos energía disponible también tienen más dificultades para satisfacer las necesidades básicas de los ciudadanos. [32] Esto quiere decir que el EROI social y la calidad de vida en general están estrechamente vinculados.
EROI y períodos de recuperación de algunos tipos de centrales eléctricas
La siguiente tabla es una recopilación de fuentes de energía de Wikipedia en alemán . El requisito mínimo es un desglose de los gastos de energía acumulados según los datos del material. Con frecuencia en la literatura se reportan factores de cosecha, para los cuales el origen de los valores no es completamente transparente. Estos no se incluyen en esta tabla.
Los números en negrita son los dados en la fuente de literatura respectiva, los impresos normales se derivan (ver Descripción matemática).
Tipo | EROI | Periodo de amortización | Período de amortización en comparación con una central eléctrica 'ideal' | |
---|---|---|---|---|
EROI | Periodo de amortización | |||
Energía nuclear a) | ||||
Reactor de agua a presión , enriquecimiento por centrifugación al 100% [33] | 106 | 2 meses | 315 | 17 días |
Reactor de agua a presión , 83% de enriquecimiento por centrifugación [33] | 75 | 2 meses | 220 | 17 días |
Energía fósil a) | ||||
Lignito a cielo abierto [33] | 31 | 2 meses | 90 | 23 días |
Carbón negro , minería subterránea sin transporte de carbón [33] | 29 | 2 meses | 84 | 19 días |
Gas (CCGT) , gas natural [33] | 28 | 9 días | 81 | 3 días |
Gas (CCGT) , biogás [33] | 3,5 | 12 días | 10 | 3 días |
Energía hidroeléctrica | ||||
Hidroeléctrica fluvial [33] | 50 | 1 año | 150 | 8 meses |
Solar térmica b) | ||||
Medio desierto, colectores cilindroparabólicos + compuestos de fenilo [33] | 21 | 1,1 años | 62 | 4 meses |
Energía eólica b) | ||||
1,5 MW ( E-66 ), 2000 horas a plena carga VLh (costa alemana) [33] | dieciséis | 1,2 años | 48 | 5 meses |
E-66), 2700 horas a plena carga VLh (costa alemana), tierra) [34] | 21 | 0,9 años | 63 | 3,7 meses |
2,3 MW ( E-82 ), 3200 horas a plena carga VLh (costa alemana), costa) [35] [36] c) | 51 | 4,7 meses | 150 | 1,6 meses |
Parque de 200 MW (instalación de 5 MW), 4400 horas a plena carga VLh (en alta mar) [37] | dieciséis | 1,2 años | 48 | 5 meses |
Fotovoltaica b) | ||||
Polisilicio , instalación en techo, 1000 horas a plena carga VLh (sur de Alemania) [33] | 4.0 | 6 años | 12 | 2 años |
Polisilicio , instalación en techo, 1800 horas a plena carga VLh (sur de Europa) [38] | 7.0 | 3,3 años | 21 | 1,1 años |
a) Se tiene en cuenta el costo del transporte de combustible b) Los valores se refieren a la producción total de energía. No se tienen en cuenta los gastos por centrales eléctricas de almacenamiento, reservas estacionales o centrales eléctricas convencionales de equilibrio de carga. c) Los datos de la E-82 provienen del fabricante, pero están confirmados por TÜV Rheinland. [ cita requerida ]
ESOEI
ESOEI (o ESOI e ) se utiliza cuando EROI es inferior a 1. "ESOI e es la relación entre la energía eléctrica almacenada durante la vida útil de un dispositivo de almacenamiento y la cantidad de energía eléctrica incorporada necesaria para construir el dispositivo". [4]
Tecnología de almacenamiento | ESOEI [4] |
---|---|
Batería de ácido sólido | 5 |
Batería de bromuro de zinc | 9 |
Batería redox de vanadio | 10 |
Batería NaS | 20 |
Batería de iones de litio | 32 |
Almacenamiento hidroeléctrico bombeado | 704 |
Almacenamiento de energía de aire comprimido | 792 |
Uno de los resultados notables de la evaluación del equipo de la Universidad de Stanford sobre ESOI fue que si el almacenamiento por bombeo no estuviera disponible, la combinación de energía eólica y el emparejamiento comúnmente sugerido con la tecnología de baterías tal como existe actualmente, no valdría la pena la inversión, lo que sugiere en lugar de reducción. [39]
EROI en rápido crecimiento
Una preocupación reciente relacionada es el canibalismo energético, donde las tecnologías energéticas pueden tener una tasa de crecimiento limitada si se exige la neutralidad climática. Muchas tecnologías energéticas son capaces de reemplazar volúmenes significativos de combustibles fósiles y las consiguientes emisiones de gases de efecto invernadero . Desafortunadamente, ni la enorme escala del actual sistema energético de combustibles fósiles ni la tasa de crecimiento necesaria de estas tecnologías se comprenden bien dentro de los límites impuestos por la energía neta producida para una industria en crecimiento. Esta limitación técnica se conoce como canibalismo energético y se refiere a un efecto en el que el rápido crecimiento de toda una industria de producción de energía o de eficiencia energética crea una necesidad de energía que utiliza (o canibaliza) la energía de las centrales eléctricas o plantas de producción existentes. [40]
La El criador solar supera algunos de estos problemas. Un generador solar es una planta de fabricación de paneles fotovoltaicos que puede ser energéticamente independiente utilizando energía derivada de su propio techo utilizando sus propios paneles. Una planta de este tipo se convierte no solo en autosuficiente desde el punto de vista energético, sino en un importante proveedor de nueva energía, de ahí el nombre de generador solar. La investigación sobre el concepto fue realizada por el Centro de Ingeniería Fotovoltaica de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia. [41] [42] La investigación informada establece ciertas relaciones matemáticas para el generador solar que indican claramente que una gran cantidad de energía neta está disponible de una planta de este tipo para el futuro indefinido. [43] La planta de procesamiento de módulos solares en Frederick, Maryland [44] se planeó originalmente como un generador de energía solar. En 2009, el Sahara Solar Breeder Project fue propuesto por el Consejo Científico de Japón como una cooperación entre Japón y Argelia con el ambicioso objetivo de crear cientos de GW de capacidad en 30 años. [45] Teóricamente se pueden desarrollar criadores de cualquier tipo. En la práctica, nucleares reactores reproductores son los únicos grandes criadores de escala que se han construido a partir de 2014, con el 600 MWe BN-600 y 800 MWe reactor BN-800 , los dos más grandes en funcionamiento.
Ver también
- Costo de la electricidad por fuente : costo nivelado de la energía
- Energía incorporada
- Emergía
- Balance de energía
- Canibalismo energético
- Exergía - energía útil
- Paradoja de Jevons : observación del multiplicador del efecto de eficiencia en la década de 1880
- Postulado de Khazzoom-Brookes : actualización de la paradoja de Jevons en la década de 1980
- Ganancia neta de energía
- Metabolismo social
- Tabla de aceite NER
Referencias
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enlaces externos
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- Web.archive.org , Wayback Archive of OilAnalytics.org, "EROI como medida de disponibilidad energética"
- EOearth.org , Retorno de la inversión en energía (EROI)
- EOearth.org , análisis de energía neta
- H2-pv.us , Ensayo sobre sinergias de reproductores H2-PV