Будущее энергетики определит показатель EROEI

Основным критерием выбора технологий получения электроэнергии, механической работы и тепла является показатель EROEI (energy return over energy investment, часто сокращают до EROI) — отдача полученной энергии на энергию, вложенную в процесс ее добычи.

Данный показатель — отдача на вложенные усилия — универсален для любой деятельности. Ученые, например, подтвердили, что охота на мамонтов и других крупных животных при всей ее опасности и кажущейся нелогичности с точки зрения получения пищи была более выгодной, чем охота на кроликов и подобную мелкую дичь. Земледелие давало большую отдачу, чем собирательство, а дорогой трактор позволяет получить больше урожая, чем дешевая лопата.

Уголь в 18 веке вытеснил в промышленности дрова вследствие большей энергетической отдачи на вложенные средства, а Англия обогнала Голландию вследствие больших запасов угля и легкости его доставки водным путем. Возить уголь в Голландию из рурского бассейна посуху было слишком дорого.

Каждая новая технология вытесняет предыдущую только за счет большей отдачи на вложенные средства. Адепты ВИЭ, ветряков и солнечных панелей, объясняют необходимость перехода на эти технологии исключительно заботой о сокращении выбросов СО2 для предотвращения антропогенного глобального потепления (AGW). При этом имеется бесчисленное количество фактов, противоречащих теории AGW, и ни одного в ее пользу. Например, в Германии средняя температура мая не меняется 37 лет. На Аляске средняя температура апреля нынешнего года была на 5,5 градусов ниже многолетней нормы и четвертой самой низкой за 99 лет. Очередной цикл потепления климата планеты сменился очередным циклом похолодания в 2015–16 годах, факты о чем, похоже, усиленно подчищаются в сети.

ВИЭ могут временно занять большую долю в энергетике за счет политического давления и экономических стимулов, но исторически обречены, если не продемонстрируют больший EROEI, чем другие технологии.

Наиболее популярной работой по оценке EROEI, по-видимому, является статья Вайсбаха от 2013 года, на которую ссылается большое количество других исследований (график взят из статьи в Energy Transition).

Синие столбцы показывают «необработанный» расчет EROI. Желтые столбцы учитывают прерывистость возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, и показывают, что для поддержания стабильной сети потребуется некоторая форма хранения (буферизации), следовательно, общая выработка энергии должна это учитывать.

Как видно, ядерная и гидроэнергетика выходят на первое место с EROI 75 и 35 (с буферизацией) соответственно. Комбинированная газовая и угольная генерации показывают возврат от 28 до 30.

На графике показан «экономический порог», ниже которого использование технологии не имеет смысла. Вайсбах заключает, что для поддержания нашего образа жизни нужны источники энергии, возвращающие как минимум в 7 раз больше энергии, затраченной на создание источника.

Концентрированная солнечная энергия в пустыне с буферизацией показывает EROI 9, что немного превышает экономический порог, а вот биомасса и буферизованные ветер и солнце оказываются значительно ниже требований с EROI 3,5, 3,9 и 1,6 соответственно.

Юан Мирнс описывает ситуацию с «экономическим порогом» как «обрыв чистой энергии».

Википедия предлагает следующие цифры.

Королевское химическое общество Великобритании провело анализ EROI биомассы и, в частности, EROI биоэнергии с улавливанием и хранением углерода (BECCS).

Данные представлены для пеллет из пшеницы, проса, мискантуса (китайский тростник), ивняка из Великобритании (UK) и Латинской Америки (LA, самый дешевый источник).

В работе Грэма Палмера «Энергия в Австралии» приведена такая оценка EROEI: панели на крыше — 9,4, при использовании батареи — 1,3 через 30 лет. Палмер увеличивает показатель EROEI с годами по мере окупаемости панелей с батареей, только батареи 30 лет не живут.

В статье Всемирной ядерной ассоциации (ВЯА) показатель EROEI для АЭС в 1 ГВт оценивается в 59 при сроке эксплуатации 40 лет и 70 при сроке эксплуатации 60 лет. Сейчас, кстати, тенденция на продление срока службы АЭС до 80 лет. Для ветрогенерации на берегу Северного моря в статье приведена цифра 16.

Приводим полную таблицу из указанной статьи.

Коэффициенты энергопотребления в течение жизненного цикла для различных технологий

Вторым по значимости после EROEI считается расход материалов на единицу мощности. В статье ВЯА приведена такая таблица.

Требования к материалам (за исключением топлива) для технологий производства электроэнергии: тонны на ТВтч

Для сравнения приводим таблицу с ресурса Bright New World

По бетону солнце и ветер выигрывают только у гидроэнергетики, но даже ей проигрывают по металлам. 10-30-кратное превосходство АЭС перед ветром и солнцем по металлам однозначно говорит о победителе в энергетическом соревновании.

Реальная стоимость материалов практически всегда возрастает каждый год (цена может падать) вследствие принципа убывания продуктивности месторождений (лучшие разрабатываются в первую очередь).

В работе на ресурсе MDPI приведены оценки расхода энергии на добычу металлов при их разной концентрации в руде. На первом и втором слева рисунке в верхней части шкала показатель ординаты линейный, на других логарифмический.

Можно добавить, что ВИЭ требуют значительных количеств редкоземельных металлов, обеспечение которыми тотального перехода на эти технологии геологи не гарантируют.

Минералы, используемые в технологиях экологически чистой энергетики, по сравнению с другими источниками выработки электроэнергии, кг/МВт

Следующим по значимости фактором для перспективности технологии является использование земли. Чем больше земли мы используем для производства энергии, тем дороже эта энергия как прямо за счет стоимости земли, так и косвенно за счет недополученной с занятого участка энергии другими технологиями.

Наш Мир в Данных приводит такой график использования земли

По мнению авторов, малая гидроэнергетика хуже всего из-за огромного количества земли, занятой водохранилищами, необходимыми для работы турбин. На втором месте CSP, за которой следует уголь с улавливанием углерода. Показатели солнечных фотоэлектрические систем зависят от того, занимают ли они участки земли или установлены на крышах. Наземные солнечные системы требуют очень больших затрат земли — 19 м2/МВтч, а небольшие установки на крышах, по мнению авторов, конкурентоспособны. Добавим, что крышные системы сооружаются на деньги собственников домов из китайских панелей и с большими льготами. Фактически, в солнечную энергию в США и Европе превращается дешевая китайская угольная электроэнергия. Производство солнечных панелей в Европе практически закрылось вследствие нерентабельности.

Показатели ветра варьируются в зависимости от того, как оценивается пространство между турбинами, и находятся ли они на берегу или в море. Если считать пространство между турбинами полезным, то оно вполне конкурентоспособно, иначе — нет.

Оффшорный ветер также зависит от того, как трактуется пространство между турбинами. Такие страны, как Бельгия и Германия, относятся к морским ветряным электростанциям как к запретным зонам, тогда как другие страны, такие как Великобритания и Дания, относятся к занимаемой ими территории более снисходительно.

Атомные электростанции и электростанции, работающие на газе, показывают хорошие результаты с 0,3–1,0 м2/МВтч, что примерно в 19–300 раз меньше, чем для солнечной или ветровой энергии.

На график нет биоэнергетики, этот недочет исправлен в материале компания Freeing Energy.

В таблице 3 акра/ГВтч для солнечной и 0,06 акра/ГВтч для атомной соответствуют 12 м2/МВтч для солнечной и 0,24 м2/МВтч для атомной. Оба немного ниже показателей «Наш мир в данных» для ядерных и кремниевых фотоэлектрических наземных установок, но на близком уровне. Преобразование их 188 акров/ГВтч для биомассы дает результат 760 м2/МВтч, что почти на порядок превышает среднее значение для ветра. Таким образом, несмотря на различия в методологии, мы можем с уверенностью сказать, что биомасса очень плохо подходит для эффективной энергетики из-за тысяч акров деревьев, которые необходимо вырубить. Ниша биомассы — отопление частных домов в поселениях в лесных массивах.

В обобщающей статье ресурса «Остановите это» просуммированные данные дают такую картину.

Солнечная энергия и биомасса должны быть исключены для дальнейшего субсидирования или развития, считает автор. Повышения эффективности ветряных турбин и солнечных панелей ни при каких обстоятельствах не будет достаточно, чтобы закрыть огромные пробелы в производительности, и они никогда не решат фундаментальную проблему прерывистости. Гидроэнергетика ограничена географией, поэтому маловероятно, что она сыграет ключевую роль в удовлетворении наших будущих энергетических потребностей. Единственная технология, которая может обеспечить надежную, масштабируемую и устойчивую электроэнергию с небольшим углеродным следом, — это атомная энергетика.

Институт развития технологий ТЭК