Tasso di ritorno di energia

Il tasso di rendimento energetico o TRE - gli acronimi inglesi : EROEI , " Energy Returned On Energy Invested " , ERoEI o EROI , " Energy Return On Investment " sono usati anche in francese - è l'energia utilizzabile acquisita da un vettore energetico , correlato alla quantità di energia spesa per ottenere questa energia. Quando l'ERR di una risorsa è minore o uguale a 1, questa fonte di energia diventa un "pozzo di energia", e non può più essere considerata una fonte di energia , perché la spesa è maggiore del risultato .

${\ displaystyle TRE = {\ frac {\ hbox {energia utilizzabile}} {\ hbox {energia spesa}}}}$

Relazione con il guadagno netto di energia

TRE considera un'unica fonte di energia. L'energia netta descrive una quantità espressa in joule o kWh , mentre ERR è un rapporto adimensionale e fornisce l'efficienza del processo di produzione.

L'energia utilizzabile è la somma dell'energia netta e dell'energia spesa, quindi il rapporto è definito dalla formula:

${\ displaystyle TRE = {\ frac {{\ hbox {energia netta}} + {\ hbox {energia spesa}}} {\ hbox {energia spesa}}}}$ o ${\ displaystyle TRE = {\ frac {\ hbox {net energy}} {\ hbox {energy expended}}} + 1}$

Per capire meglio definiamo l'energia netta relativa:

${\ displaystyle {\ frac {\ hbox {net energy}} {{\ hbox {net energy}} + {\ hbox {energy expended}}}}}$

L'energia netta relativa, che corrisponde alla quota di energia disponibile, viene espressa come , sapendo che il complemento, al 100%, di questa energia netta relativa può infatti essere considerato come autoconsumo. ${\ displaystyle 1 - {\ frac {1} {TRE}}}$

Pertanto, per un processo con un ERR di 1, il guadagno di energia è zero. Vediamo dal grafico che tutta l'energia prodotta è autoconsumata. Per un ERR di 5, l'utilizzo di un'unità di energia fornisce un guadagno netto di energia di 4 unità. Vediamo dal grafico che, in questo caso, è disponibile l'80% dell'energia prodotta, ma che il 20% dell'energia è autoconsumata.

Tasso di ritorno energetico delle principali fonti energetiche

Il calcolo dell'ERR si basa sulla stima della quantità di energia primaria richiesta per estrarre la fonte di energia valutata. Non c'è consenso sul metodo di calcolo ERR, quindi vengono proposte più stime per la stessa energia.

La tabella seguente, ricavata da una tabella pubblicata da ASPO Italia nel 2005 e integrata dalle stime di Cutler J. Cleveland (in) nello stesso anno, offre una compilazione delle stime ERR delle principali fonti energetiche a questa data o precedenti:

Fonti di energia	TRE Cleveland	TRE Elliott	TRE Hore-Lacy	TRE (Altri)
Combustibili fossili
Petrolio - Fino al 1940 - Fino al 1970-2005 ("Oggi")	> 100 23 8	50-100		5 - 15
Carbone - Fino al 1950 - Fino al 1970	80 30	2 - 7	7 - 17
Gas naturale	1-5		5 - 6
Scisti bituminosi	0.7 - 13.3			<1?
Energia nucleare	5 - 100	5 - 100	10 - 60	<1
Energie rinnovabili
Biomassa		3 - 5	5 - 27
Energia idroelettrica	11.2	50-250	50-200
Energia eolica		5 - 80	20
Energia solare - Energia solare termica - Fotovoltaico convenzionale - Fotovoltaico a film sottile	4.2 1.7 - 10	3 - 9	4 - 9	<1 25-80
Etanolo - Zucchero di canna - Mais - Residuo di mais	0,8 - 1,7 1,3 0,7 - 1,8			0.6 - 1.2
Metanolo (legno)	2.6

Secondo il ricercatore Vaclav Smil , le turbine eoliche più grandi, situate nei luoghi più esposti al vento, hanno un ERR vicino a 20, ma la maggior parte ha un ERR che rimane inferiore a 10. Aggiunge: "per molto tempo a venire - finché tutto le energie utilizzate per produrre le turbine eoliche [...] provengono da energie rinnovabili - la civiltà moderna rimarrà fondamentalmente dipendente dai combustibili fossili ” .

Le fonti energetiche intermittenti hanno un TRE molto inferiore a quello dell'energia convenzionale.

Tuttavia, i valori presentati nelle letterature dovrebbero sempre essere ricevuti con moderazione.

Purtroppo, in molti studi EROI pubblicati sulla produzione di elettricità manca una chiara definizione dei confini del sistema.

“Purtroppo, in molti studi sull'ERR della produzione di elettricità, manca una chiara definizione del perimetro. "

Si noti in particolare il ruolo dell'accumulo e dell'equilibrio di rete per il vettore elettrico. Studi specifici riguardano ERR di conservazione. Una misura correlata, Energy Stored On Energy Invested (ESOEI) viene utilizzata per analizzare tali sistemi.

L'ESOI e o ESEI e è il rapporto tra l'energia immagazzinata durante il ciclo di vita di un dispositivo di accumulo e la quantità di energia richiesta per costruire il dispositivo.

Tecnologia di archiviazione	ESOEI
Batteria al piombo	5
Bobina di flusso di zinco	9
Batteria al vanadio redox	10
Accumulatore sodio-zolfo	20
Accumulatore agli ioni di litio	32
Accumulo idroelettrico pompato	704
Stoccaggio geologico mediante aria compressa	792

Prendere in considerazione questi sistemi per i vettori primari intermittenti riduce l'ERR dei sistemi che li utilizzano. L'equilibrio tra produzione e consumo influisce quindi sulle stime degli ERR. Studi sulle diverse modalità di archiviazione possono far luce sulle scelte tecniche. Così Barnhart et al. consiglia uno stoccaggio diverso per l'energia solare ed eolica:

Dal punto di vista dell'energia netta, l'elettricità generata utilizzando tecnologie solari fotovoltaiche può essere immagazzinata in modo efficiente utilizzando tutte le tecnologie tracciate, mentre l'energia eolica dovrebbe essere immagazzinata con opzioni di stoccaggio energeticamente più favorevoli come PHS e CAES.

"Dal punto di vista dell'energia netta, l'elettricità generata dall'uso della tecnologia solare fotovoltaica può essere immagazzinata in modo efficiente da tutte le tecniche presentate (nell'articolo e nella tabella sopra), mentre l'energia eolica dovrebbe essere immagazzinata in una modalità più favorevole come stoccaggio con pompaggio o stoccaggio geologico di aria compressa. "

Influenza economica del concetto TRE

Un elevato consumo di energia è considerato da alcuni desiderabile in quanto associato a un elevato tenore di vita (a sua volta basato sull'uso di macchine ad alto consumo energetico).

In generale, un'azienda privilegerà le fonti di energia con il più alto ERR possibile, purché forniscano la massima energia con il minimo sforzo. Con le fonti energetiche non rinnovabili si assiste ad uno spostamento graduale verso fonti che beneficiano di un ERR inferiore, dovuto all'esaurimento di quelle di migliore qualità.

Così, quando il petrolio iniziò ad essere utilizzato come fonte di energia, in media un barile era sufficiente per trovare, estrarre e raffinare circa 100 barili. Questo rapporto è diminuito costantemente nell'ultimo secolo fino a raggiungere il livello di 3 barili utilizzabili per 1 barile consumato (e circa 10 a uno in Arabia Saudita).

Nel 2006, l'ERR per l'energia eolica in Nord America e in Europa era 20/1, il che ha portato alla sua massiccia adozione.

Indipendentemente dalle qualità di una data fonte energetica (ad esempio, il petrolio è un concentrato di energia facile da trasportare, mentre l'energia eolica è intermittente), non appena l'ERR delle principali fonti energetiche diminuisce, l'energia diventa più difficile da ottenere e quindi il suo prezzo aumenta.

Dalla scoperta del fuoco, gli esseri umani hanno fatto sempre più affidamento su fonti energetiche esogene per aumentare la forza muscolare e migliorare gli standard di vita.

Alcuni storici hanno attribuito il miglioramento della qualità della vita al più facile sfruttamento delle fonti energetiche (ovvero avere un migliore ERR). Questo si traduce nel concetto di " schiavo energetico ".

Questo tasso di rendimento è una delle spiegazioni dell'impasse energetica addotta da Nicholas Georgescu-Roegen nelle sue varie opere e principalmente nel suo articolo “Energia e miti economici”.

Thomas Homer-Dixon mostra che il declino del TAR negli ultimi anni dell'Impero romano era una delle ragioni per la caduta dell'Impero d'Occidente nel V ° secolo dC. AD Nel suo libro The Upside of Down (non tradotto in francese fino ad oggi), suggerisce che il TRE può in parte spiegare l'espansione e il declino delle civiltà. Al momento della massima estensione dell'Impero Romano (60 milioni di abitanti), le materie prime agricole risentivano di un rapporto di 12/1 per ha per il grano e di 27/1 per l'erba medica (che dava un rapporto di 2,7: 1 per la produzione di carne bovina ). Possiamo quindi calcolare che, tenendo conto di una base da 2.500 a 3.000 calorie al giorno e per persona, la maggior parte della superficie agricola disponibile era quindi destinata all'alimentazione dei cittadini dell'Impero. Ma il danno ambientale, la deforestazione, la diminuzione della fertilità del suolo in particolare nel sud della Spagna, l'Italia meridionale e Nord Africa, ha portato un crollo del sistema del II ° secolo aprile DC Il pavimento fu raggiunto nel 1084, momento in cui la popolazione di Roma era scesa a 15.000, dove raggiunse il picco di 1,5 milioni di Traiano . Questa stessa logica si applica anche alla caduta della civiltà Maya e alla caduta dell'Impero Khmer di Angkor. Joseph Tainter , allo stesso modo, considera la caduta dell'ERR come una delle cause principali del collasso delle società complesse.

Il calo dell'ERR (soprattutto in Cina ) legato all'esaurimento delle risorse non rinnovabili rappresenta una sfida per le economie moderne.

Elettricità

Guarda anche

Riferimenti

" Il tasso di ritorno energetico, una misura dell'efficienza " , nelle pubblicazioni tecniche dell'ingegnere ,29 dicembre 2016.
(it) Il Conto in Banca dell'Energia: Il ritorno dell'investimento di Ugo Bardi
(en) Cutler Cleveland J. (en) , “ Energia netta dall'estrazione di petrolio e gas negli Stati Uniti ” , Energia (en) , vol. 30, n o 5,Aprile 2005, p. 769-782 ( DOI 10.1016 / j.energy.2004.05.023 , leggi online ).
David Eliott, Un futuro sostenibile? i limiti delle rinnovabili, Prima che i pozzi si secchino, Feasta 2003.
Ian Hore-Lacy, Renewable Energy and Nuclear Power, Before the wells run dry, Feasta 2003.
Jan Willem Storm van Leeuwen (dentro) e Philip Smith, "Nuclear Power: the Energy Balance" (versione del 30 dicembre 2005 su Internet Archive ) ; studio controverso .
(in) Energia nella natura e nella società: Energetica generale dei sistemi complessi , MIT Press , 2008 ( ISBN 9780262693561 ) .
(in) " Quello che vedo quando vedo una turbina eolica " ["Quello che vedo quando vedo un mulino a vento"] [PDF] su vaclavsmil.com ,marzo 2016.
(in) " Intensità di energia, EROI (energia restituita che ha investito) e tempi di recupero energetico delle centrali elettriche di generazione " ["intensità di energia, TAR e tempo di recupero energetico degli impianti di generazione di energia"], Natura ,1 ° aprile 2013.
(a) " Energia e la ricchezza delle nazioni " [ "Energia e la ricchezza delle nazioni"] [PDF] su Springer ,2018, p. 391, figura 18.3. Capitolo " Ritorno energetico sull'investimento " CAS Hall, K Klitgaard. Sezione 11.8 p136 - 137
Le implicazioni energetiche di limitare rispetto immagazzinare energia elettrica energia solare ed eolica . Charles J. Barnhart, Michael Dale, Adam R. Brandt e Sally M. Benson Energy Environ. Sci. , 2013, 6, 2804–2810 http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2013/ee/c3ee41973h
(in) " EROI: definition, history and future implications " , Charles AS Hall (visitato l' 8 luglio 2009 ) .
(in) " Energy Payback Period for Wind Turbines " ( Archive • Wikiwix • Archive.is • Google • What to do? ) , Danish Wind Energy Association (visitato il 17 gennaio 2009 ) .
Nicholas Georgescu-Roegen , "Energy and Economic Myths", Southern Economic Journal , 1975, 41, p. 347-381; trad. P. : "Energia e miti economici", in Georgescu-Roegen, La Décroissance , 1979, p. 37-104; 1995, p. 73-148; 2006, p. 85-166.
Homer-Dixon, Thomas (2007) "The Upside of Down; Catastrophe, Creativity and the Renewal of Civilization" (Island Press)
Joseph Tainter , Il crollo delle società complesse [ " Il crollo delle società complesse "] ( trad. Dall'inglese), Alba / Parigi, Le Retour aux Sources,2013, 318 p. ( ISBN 978-2-35512-051-0 )
Preparati alla crisi globale, lanciata dalla Cina ... e dall'energia su reporterre.net, sito di Reporterre .
Thevard Benoit (2013) " La diminuzione dell'energia netta, l'ultima frontiera dell'Antropocene ", Institut Momentum
" Il tasso di ritorno energetico e il suo ruolo nella transizione energetica " , su cremtl.qc.ca ,marzo 2017(accesso 3 aprile 2017 )