Капка зелен катран в кацата мед на енергетиката

За да функционира, нашият цивилизован свят има нужда от енергия. Но някои начини за добиването й консумират повече енергия, отколкото я произвеждат. Това е "енергиен канибализъм", казва в представения тук анализ инж. Румен Христов, главен технолог на 5-ти и 6-ти блок в АЕЦ "Козлодуй".

Целта на тази статия е да представя обобщена информация от голям по обем и брой проучвания свързани с ефективността и икономическата целесъобразност на възобновяемите източници на енергия. Обобщената информация обхваща периода от 2000г. до 2020г. и включва анализи и изследвания на производители и търговци на източници на фотоволтаична (PV) и вятърна енергия, университети в САЩ, Европа, Япония и Китай и отделни екипи от изследователи към различни международни организации.

Всички анализи и изследвания са направени на базата на един от най-важните физически показатели: възвръщаемостта на инвестицията на енергия или EROI.

Разработен през 80-те години на миналия век от системния еколог Чарлз А. С. Хол, основният принцип на EROI е възвръщаемост на инвестираната енергия или Източникът на енергия е полезен само ако можете да получите повече енергия от тази, която сте вложили в неговото производство, експлоатация и утилизация.

В икономиката на енергетиката и екологичната енергетика, възвръщаемостта на енергията от инвестиции (EROI), наричана също енергия възвръщаема от инвестираната енергия (ERoEI), е съотношението на количеството използваема енергия, доставено от определен енергиен източник, към количеството енергия, използвана за получаване на този енергиен източник.

Аритметично EROI може да бъде дефиниран като:

EROI =(Energy Delivered)/(Energy Requihed to Deliver that Energy)

Когато EROI на източник на енергия е по-малък или равен на единица, този енергиен източник се превръща в нетен „поглътител на енергия“ и използването му като източник на енергия води до загуби.

Свързана мярка на EROI е ESOEI използва за анализ на ефективността на системите за съхранение на енергия (отношението на количеството съхранена и отдадена енергия за целия живот на батерията към използваната енергия за производство на батерията).

Концепцията за възвръщаемост на енергията от инвестиции EROI е от решаващо значение за планирането на енергийни системи, тъй като предоставя мярка за това дали определена технология е подходяща за използване в голям мащаб.

„Минималната EROI“, минималната стойност за енергийната система на едно общество е EROI, която би му била необходима, за да поддържа и увеличава стандарта си на живот. EROI от 1 означава, че енергоизточникът произвежда енергия достатъчна да го само възпроизведе, няма излишък на енергия. EROI около 3 не е достатъчен за поддържане на стандарта на съвременните общества. В диапазона от 3 до 5 позволява производството на храни, поддръжка пътища, транспорт, минимален EROI за развитите страни се оценяват на около 7, позволяващ образование, здравеопазване, изкуства и развлечения. Ако дадена енергийна система не може да осигури EROI над този минимум, може да се счита, че тази енергийна система не може да поддържа обществото.

Енергийните системи са динамични и се допуска в тях да има балансиращи източници на енергия с EROI <1, но основните базови мощности с основен принос в енергийния баланс, трябва да имат EROI над 7, така че сумарния EROI на системата да е около 7.

Навярно възниква въпроса колко е EROI на българската енергийна система.

Направих два приблизителни разчета, в които внесох допълнителен коефициент, който отразява доколко разполагаме с някои от източниците в зависимост от българските условия и получих EROI= 2,1 за енергийната система в момента и EROI=0,91 за енергийна система, в която ТЕЦ са заместени с фотоволтаична (PV), вятърна енергия и най-оптималния вариант на системи за съхранение на енергията – хидропомпени.

Методите за изчисляване на EROI се различава значително в различните изследвания. Но това не означава, че не са верни и точни. Позволих си да ги обобщя в три направления.

В първото направление което ще нарека „паспортно“ EROIp, изследователите са изследвали източника като самостоятелна единица в почти идеални условия, без да се отчита географското разположение и ограниченията от енергийната система. В това направление не са отчетени много разходи по време на експлоатацията на източника и разходите за неговата утилизация. Може да се каже че стойността на EROI е изчислена по паспортни данни.

Във второто направление което ще нарека „реално“ EROIr, изследователите са изследвали източника в реални условия на енергийната система, като са отчели географското разположение, ограниченията свързани с използването на тези източници в различни страни. В това направление основно са изследвани малки (битови) източници на фотоволтаична (PV) енергия, свързани към енергийната система и без системи за съхранение на енергията.

В третото направление което ще нарека „буферирано“ EROIb, изследователите изследват източника като базова мощност в енергийната система и произтичащите от това допълнителни инвестиции. За да се отчете непостоянството на производството в изследването се добавя „буфериране“. Буферирането се приема като необходимост от свръхкапацитет и съхранение, за да се даде възможност за използване на енергийния източник при поискване. В това направление изследванията са изключително детайлни като отчитат дори малки потоци от енергия през целия жизнен цикъл на източника. Разходите на енергия за утилизация на източника са отчетени. По отношение на ядрената енергетика са пресметнати и енергийните загуби за ликвидирането на последствията от Чернобил и Фукушима.

Данните от изследванията в трите направления могат да се представят в табличен вид, но тъй като са необходими пояснения и коментарии, ще ги представя в текстова форма.

Фотоволтаични (PV) източници

• EROIр от 10 до 34 в зависимост от вида на панела.

• EROIr в зависимост от географското разположение 1.3 за Финландия, 2.3 за Германия 2.5 за България, 5.7 за Кипър.

• EROIb след буфериране и в зависимост от географското разположение 0,6 за Финландия, 1,2 за Германия 1,5 за България, 2,8 за Кипър.

От изнесената информация се вижда, че Европа е обхваната от най-северната до най-южната си част. Конкретно за EROIb на България. Както посочих по-горе, в буферирането са използвани помпено-хидравлични системи за съхранение на енергия с ESOEI около 200. България няма достатъчно такива системи и ако в изследването се използват системи с ESOEI 10 каквито са най-съвременните батерии, EROIb ще бъде < 1.

Изводите, които можем да направим са: На територията на Европа използването на фотоволтаична (PV) източници както за подпомагане на битовите потребители, така и за базови мощности е нерентабилно.

Вятърни електроцентрали

• EROIр от 30 до 42 в зависимост от вида на вятърната турбина

• EROIr от 11 до 16 в зависимост от разположението, континент, бряг, море.

• EROIb 5

Трябва да отбележа, че въпреки многобройните изследвания на EROI за вятърните електроцентрали, всички те са за определени райони, в някои изследвания вятърните паркове са разделени на вятърни централи инсталирани в морето, вятърни централи инсталирани на брега и вятърни централи инсталирани във вътрешността на континента. От изследванията се вижда че вятърните централи могат да се използват за допълнителен източник на енергия, но в ограничени райони с постоянен вятър, използването им като основен източник на енергия е нерентабилно.

Водноелектрически централи

• EROIр 100 до 140

• EROIr 100 до 35

• EROIb

На пръв поглед ВЕЦ са лидери по отношение на стойността на EROI. В EROIр основно са изследвани ВЕЦ с постоянен дебит на вода, като големите и мащабни проекти са големи енергийни вложения при строежа имат EROIр от 90 до 110. Малките и микро ВЕЦ с малки енергийни вложения в строителството имат EROIр от 130 до 170. EROIr за централите, които работят с постоянна мощност за целия период на своето съществуване, почти не се отличава от EROIр и EROIb. Не съм обобщил стойност за EROIb защото няма изследвания за ВЕЦ построени на язовири за водоснабдяване или земеделски нужди. Сами разбирате, че работата на тези ВЕЦ е обвързана с много условия и ако работят 10 до 20 процента от своите възможности стойността на EROI ще намалее от 5 до 10 пъти. Ако към тях се приложи и буфериране много е възможно EROIb да е < 1.

ТЕЦ и Газови централи

Стойноста на EROIр, EROIr и EROIb за ТЕЦ и Газови централи почти не се изменя и зависи от проекта и енергията вложена за добива и транспорта на горивото. Затова може да варира от 30 до 85. Необходимо е да се отбележи,че EROI на изкопаемите горива намалява с годините. Това се дължи на намаляването на този ресурс от една страна, от друга от наложените екологични ограничения свързани с изграждането на допълнителни системи за очистване или съхранение на продуктите на горене.

Стойноста на EROIр, EROIr и EROIb за АЕЦ също не се изменя значително. В различни изследвания стойността EROI за ядрена енергия варира от 100 до 25. Тези разлики се получават поради изследвания на АЕЦ със срок на експлоатация 30 г. и съвременните проекти със срок на експлоатация 60 години.

^{Кредит: CC0 Public Domain}

В някои изследвания се използва мярка, наречена „енергийни пари, върнати от инвестираните“ (EMROI), където изразходената енергия за производство на източника и произведената енергия от източника се приравняват към електрическата и се оценяват три пъти над топлинната енергия.

Икономическият праг на тази мярка, е около 16 което е значително над получените за PV и биомаса стойности, които са съответно 5.6 и 4.8.

За да се отчете непостоянството на производството в изследването се добавя „буфериране“, като необходимост от свръхкапацитет и съхранение, за да се даде възможност за използвано на енергийния източник при поискване.

Разглежданите технологии за съхранение са изпомпваната хидроенергия, която е доста ефективна (ESOI за помпени хидроелектрически централи е 210). Въпреки това, буферирането има силно негативен ефект върху стойностите на EMROI за възобновяеми енергийни източници.

Докато стойностите за въглища, комбиниран цикъл на газ и ядрена енергия остават непроменени, съответно на 49, 85 и 100, вятърната енергия и PV се понижават от небуферирано ниво 42 до 11 за вятърни електроцентрали и от 5,6 до <1 за PV, под прага на икономическата полезност.

Водно електрическите централи със средна мощност остават по-конкурентоспособни от ядрените, но EMROI спада от 147 до буферирана стойност от 105.

В допълнение, изчисленията по същество отричат използването на батерии за нещо различно от захранване мобилни телефони и лаптопи.

Изграждането на европейската енергетика на основата на източници с EROI < 5 ще доведе до енергетика, която вместо да осигурява енергия за развитието на останалата икономика, ще изисква сериозни външни ресурси за своето поддържане. Процеса се нарича “енергиен канибализъм” и води до срив в енергетиката, икономиката, производството на хранителни продукти, транспорта и обществения строй като цяло.

Големият въпрос е защо, след като всичките тези изследвания, провеждани от откриването на EROI през 80 г. на миналия век, са пренебрегвани. Цените на тока и енергоресурсите са потвърждение за грешния път, по който върви европейската енергетика. Ефектът от програмата 2020 е налице. Аспектите на новия план за развитие до 2050г. в областта на енергетиката със сигурност ще доведат до разпад на европейското общество.

Справка: 

Introduction to Special Issue on New Studies in EROI (Energy Return on Investment)

Charles A.S. Hall
Departments of Environmental and Forest Biology and Environmental Studies, and Graduate Program in Environmental Science, College of Environmental Science and Forestry, State University of New York Syracuse, New York, NY 13210, USA
Sustainability 2011, 3(10), 1773-1777; https://doi.org/10.3390/su3101773

Energy Return on Investment
January 2017Lecture Notes in Energy 36
DOI:10.1007/978-3-319-47821-0
ISBN: 978-3-319-47820-3
Project: Summary book: “Energy Return on Investment in Biological and Economic Systems: A primer on how the world works
Authors: Charles A S Hall

Weißbach, D., Ruprecht, G., Huke, A., Czerski, K., Gottlieb, S. & Hussein, A. (2013). “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants”. Energy, 52, pp. 210–221

Още по темата

09/08/2021

Земята

Икономика без емисии до 2050 година? Има едно нескъпо и ефективно решение

10/09/2020

Земята

САЩ одобри проект за първата малка ядрена централа

14/05/2018

Космос

Искрено и (не)параноично за радиацията