エネルギー投資収益率

エネルギー経済学および生態エネルギー学において、エネルギー投資収益率（EROI）は、エネルギー投資収益率（ERoEI）とも呼ばれ、特定のエネルギー資源から供給される使用可能なエネルギー量（エクセルギー）と、そのエネルギー資源を得るために使用されたエクセルギー量の比率である。 [ 1 ]

算術的には、EROI は次のように定義できます。

ERお私＝供給されるエネルギーそのエネルギーを供給するために必要なエネルギー{\displaystyle EROI={\frac {\hbox{供給されるエネルギー}}{\hbox{そのエネルギーを供給するために必要なエネルギー}}}}. [ 2 ]

エネルギー源のEROIが1以下になると、そのエネルギー源は純「エネルギーシンク」となり、エネルギー源として使用できなくなります。関連する指標である投資エネルギーに対する貯蔵エネルギー（ESOEI）は、貯蔵システムの分析に用いられます。[ 3 ] [ 4 ]

主要な燃料またはエネルギー源として実行可能であるとみなされるためには、燃料またはエネルギーのEROI比は少なくとも3:1でなければなりません。[ 5 ] [ 2 ]

歴史

エネルギー分析という研究分野は、ニューヨーク州立大学のシステム生態学および生物物理経済学の教授であるチャールズ・A・S・ホールによって普及させられたとされています。ホールは、生態系海洋生物学研究所で開発された生物学的手法を応用し、それを人間の産業文明の研究に応用しました。この概念は1984年に最も注目を集め、ホールの論文が科学誌『サイエンス』の表紙を飾りました。[ 6 ] [ 7 ]

さまざまな技術への応用

太陽光発電

2013年の技術別世界の太陽光発電市場[ 8 ]：18、19
  1. マルチSi（54.9％）
  2. モノSi（36.0％）
  3. カドミウムテルル（5.10%）
  4. a-Si（2.00%）
  5. CIGS（2.00％）

太陽光発電技術のEROI（投資収益率）の測定は困難であり、依然として多くの研究の対象となっています。これは主に、「投資されるエネルギー」が技術、手法、システム境界の想定によって異なることに起因しており、2013年のメタスタディによると、モジュール面積1平方メートルあたり最大2000 kWhから最小300 kWhまでの範囲となり、中央値は585 kWh/平方メートルとなっています。[ 9 ]

出力に関しては、システム自体だけでなく、 地域の日射量にも依存するため、仮定を立てる必要があります。

いくつかの研究（下記参照）では、太陽光発電セルは電気を生成するものの、投入されるエネルギーは低品位の一次エネルギーである可能性があると分析しています。

2015年にRenewable and Sustainable Energy Reviews誌に掲載されたレビューでは、様々なPVモジュール技術のエネルギー回収期間とEROIが評価されました。この研究では、日射量1700 kWh/m 2 /年、システム寿命30年を仮定し、平均調和EROIは8.7～34.2と算出されました。平均調和エネルギー回収期間は1.0～4.1年でした。[ 10 ] 2021年、フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所は、ウェーハベースシリコンPERCセルを使用した欧州のPV設備のエネルギー回収期間を約1年（イタリア南部のカターニアで0.9年、ブリュッセルで1.1年）と算出しました。[ 11 ]

風力タービン

科学文献によると、風力タービンのEROIは、バッファなしの場合約16、バッファ付きの場合約4です。[ 12 ] 2018年に収集されたデータによると、稼働中の風力タービンのEROIは平均19.8で、風況や風力タービンのサイズによって大きく変動します。[ 13 ] EROIは、最近の風力タービンの方が古い技術の風力タービンよりも高くなる傾向があります。Vestasは、V150モデルの風力タービンのEROIが31であると報告しています。[ 14 ]

水力発電所

水力発電所のEROIは、約100年間稼働した場合、平均約110となる。[ 15 ]

オイルサンド

オイルサンド（ビチューメン）から石油を生産するために必要なエネルギーの多くは、精製プロセスで分離された低価値の留分から得られるため、EROIの計算には2つの方法があります。高い値は外部エネルギー投入のみを考慮した場合、低い値は自家発電を含むすべてのエネルギー投入を考慮した場合です。ある研究によると、1970年にはオイルサンドの純エネルギー収益は約1.0でしたが、2010年には約5.23に増加しました。[ 16 ]

従来の石油

従来型の石油資源は、様々な地質学的要因によってかなり大きな変動があります。従来型の石油資源から精製された燃料のEROIは約18から43の範囲で変動します。[ 17 ]

オイルシェール

オイルシェール採取にはプロセス熱入力が必要となるため、EROIは低くなります。通常、天然ガスはプロセス熱として直接燃焼させるか、発電タービンの動力源として利用されます。発電タービンは電気加熱素子を用いてシェールの地下層を加熱し、ケロジェンから石油を生産します。その結果、EROIは通常1.4～1.5程度になります。[ 17 ]経済的には、オイルシェールはケロジェンの加熱に実質的に無料で利用できる天然ガスを現場で利用できるため、採算が取れる可能性があります。しかし、反対派は、シェールを加熱してEROIを下げ、炭素排出量を増やすのではなく、天然ガスを直接抽出して比較的安価な輸送燃料として利用すべきだと主張しています。

油性液体

すべての石油液体（石炭液化、ガス液化、バイオ燃料などを含む）の加重平均標準EROIは、1950年の44.4から2050年には6.7に減少すると予想されている。[ 18 ]

天然ガス

天然ガスの標準EROIは1950年の141.5から2050年には16.8に減少すると推定されている。[ 19 ]

原子力発電所

原子力発電所のEROIは20 [ 20 ]から81の範囲である。 [ 21 ]

非人工エネルギー投入

投入エネルギーの計算には、自然エネルギー源や一次エネルギー源は含まれず、人為的に利用されるエネルギー源のみが対象となります。例えば、バイオ燃料の場合、光合成を促進する太陽光は含まれず、核分裂反応の場合、核分裂性元素の恒星合成に用いられるエネルギーは含まれません。返還されるエネルギーには、人間が利用可能なエネルギーのみが含まれ、廃熱などの廃棄物は含まれません。

しかしながら、実際に暖房に使用されている熱は、どのような形態であってもカウントできます。しかし、地域暖房やコジェネレーションプラントにおける淡水化における廃熱の利用は稀であり、実際にはエネルギー源のEROI分析では除外されることが多いです。

競合する方法論

2010年の論文では、マーフィーとホールがEROIに関する将来のすべての研究のための拡張境界プロトコル（Ext）の提案が詳述され、ホールらが競合手法の「弱点」と見なすものよりも現実的な評価と、比較における一貫性の向上が期待されている。[ 22 ]しかし近年、IEAの一部加盟国が支持する異なる手法が開発され、例えば太陽光発電パネルの場合、より好ましい値を生み出すという議論が続いている。[ 23 ] [ 24 ]

太陽光発電パネルの場合、IEAの手法は工場の工程で使用されるエネルギーのみに焦点を当てる傾向があります。2016年、ホール氏は、この分野で発表された研究の多くは、競合する技術の支持者や企業利益と関係のある人物によって作成されており、政府機関はより中立的な立場の観察者による厳密な分析のための十分な資金をまだ提供していないと指摘しました。[ 25 ] [ 26 ]

純エネルギー利得との関係

EROIと正味エネルギー（利得）は、エネルギー源または吸収源の同じ性質を、異なる数値的方法で測定します。正味エネルギーはエネルギーの量を表すのに対し、EROIはプロセスの比率または効率を表します。両者は次のように関連しています。

総エネルギー収量÷エネルギー消費＝ERお私{\displaystyle {\hbox{総エネルギー収量}}\div {\hbox{消費エネルギー}}=EROI}

または

（ネットエナジー÷エネルギー消費）+1＝ERお私{\displaystyle ({\hbox{純エネルギー}}\div {\hbox{エネルギー消費量}})+1=EROI}

例えば、EROIが5のプロセスでは、1単位のエネルギーを消費すると、4単位の純エネルギー利得が得られます。損益分岐点は、EROIが1、つまり純エネルギー利得が0のときに発生します。この損益分岐点に達するまでの時間は、エネルギー回収期間（EPP）またはエネルギー回収時間（EPBT）と呼ばれます。[ 27 ] [ 28 ]

経済的影響

エネルギー源の多くの特性は重要ですが (たとえば、石油はエネルギー密度が高く輸送可能ですが、風力は変動します)、経済にとって主要なエネルギー源の EROI が低下すると、そのエネルギーの入手が困難になり、相対価格が上昇する可能性があります。

化石燃料に関して言えば、石油が発見された当初は、平均して1バレルの石油から100バレルの石油を採掘、採掘、精製する必要がありました。米国における化石燃料の発見比率は、過去1世紀にわたって着実に低下しており、1919年には約1000バレル/1でしたが、2010年代にはわずか5バレル/1となっています。[ 2 ]

農業の発明以来、人類は筋力増強のため、外因性エネルギー源の利用をますます拡大してきました。一部の歴史家は、この傾向は主に、より容易に利用できる（すなわちEROIの高い）エネルギー源に起因すると考えており、これはエネルギー奴隷の概念と関連しています。トーマス・ホーマー＝ディクソン[ 29 ]は、後期ローマ帝国におけるEROIの低下が、西ローマ帝国が5世紀に崩壊した一因であると主張しています。『The Upside of Down』の中で、彼はEROI分析が文明の興亡を分析する基礎となることを示唆しています。ローマ帝国の最大領土（6,000万人）とその技術基盤を見ると、ローマの農業基盤は、小麦で1ヘクタールあたり約1.12、アルファルファで1.27（牛の生産量は1.2.7）でした。これを用いて、1人1日あたり約2,500～3,000カロリーという摂取カロリーに基づいて、ローマ帝国の最盛期に必要な人口を計算することができます。これは、最盛期の食糧生産面積とほぼ同等です。しかし、生態系へのダメージ（森林伐採、特にスペイン南部、イタリア南部、シチリア島、そして特に北アフリカにおける土壌肥沃度の喪失）により、2世紀以降、EROIが低下し始めると、このシステムは崩壊しました。トラヤヌス帝の治世下で150万人に達したローマの人口は、1084年にわずか1万5000人まで減少し、底を打ったのです。

マヤ文明とカンボジア文明の崩壊サイクルにも証拠が一致している。ジョセフ・テインター[ 30 ]は、EROIの収穫逓減が複雑社会の崩壊の主因であると示唆しており、これは初期社会における木材資源のピークが原因であると示唆されている。高品質化石燃料資源の枯渇によるEROIの低下は、工業経済にとって困難な課題であり、経済生産の低下につながる可能性があり、永続的な経済成長という概念（歴史的観点から見るとごく最近の概念である）に疑問を投げかける可能性がある。[ 31 ]

EROIに対する批判

エネルギー出力の測定は解決済みの問題ですが、入力の測定については依然として激しい議論が続いています。

EROIは、エネルギー出力をエネルギー入力で割ることで算出されます。総エネルギー出力の測定は、特に電力出力の場合は適切な電力計を使用できる場合、多くの場合容易です。しかし、エネルギー入力を正確に測定する方法については研究者間で意見が分かれており、同じエネルギー源に対して異なる数値が導き出されることがあります。[ 32 ]

エネルギーを生成するために使用されているツールのサプライチェーンは、どこまで詳しく調査すべきでしょうか。たとえば、石油の掘削や原子力発電所の建設に鉄鋼が使用されている場合、鉄鋼のエネルギー投入は考慮されるべきでしょうか。鉄鋼を製造するために使用されている工場の建設に投入されたエネルギーは考慮され、償却されるべきでしょうか。商品を輸送するために使用される道路のエネルギー投入は考慮されるべきでしょうか。鉄鋼労働者の朝食を調理するために使用されるエネルギーはどうでしょうか。これらは、単純な答えを避ける複雑な問題です。[ 33 ]完全な計算には、機会費用 を考慮し、この経済活動がある場合とない場合の総エネルギー支出を比較することが必要になります。

しかし、2つのエネルギー源を比較する場合、サプライチェーンのエネルギー投入に関する標準的な手法を採用することができます。例えば、鉄鋼について考える場合、サプライチェーンの第一段階より深いレベルの工場に投入されるエネルギーは考慮しません。こうした包括的システムに基づく理由もあって、マーフィーとホールの2010年の論文の結論では、持続可能性の最低閾値に到達するには、彼らの拡張手法によるEROI 5が必要であると考えられており[ 22 ]、一方、ホールの手法では、技術進歩と高度な芸術を支える社会に必要な最低値は12～13であると考えられています[ 23 ] 。 [ 24 ]

リチャーズとワットは、太陽光発電システムのEROI（彼らはエネルギー回収係数と呼ぶ）の代替として、エネルギー収率（Energy Yield Ratio ）を提案している。EROIとワットの違いは、システムの実際の寿命ではなく、事前に分かっている設計寿命を用いる点である。これは、部品の寿命が異なる多部品システムにも適用できることも意味する。[ 34 ]

多くの研究が取り組んでいるEROIに関するもう一つの問題は、返されるエネルギーが様々な形態を取り得ること、そしてそれらの形態によって効用が異なる可能性があることです。例えば、電気はエントロピーが低いため、熱エネルギーよりも効率的に運動エネルギーに変換できます。さらに、入力エネルギーの形態は出力エネルギーと全く異なる可能性があります。例えば、石炭の形態のエネルギーはエタノール生産に使用できます。この場合、EROIは1未満になる可能性がありますが、液体燃料の利点（抽出および変換プロセスで液体燃料が使用されないことを前提とした場合）を考慮すると、依然として望ましい場合があります。

追加のEROI計算

拡張 EROI の計算方法には、使用時点 EROI、拡張 EROI、社会的 EROI の 3 つが広く知られています。使用時点 EROI では、計算範囲が拡張され、精製過程での燃料の精製および輸送のコストも含まれるようになります。これにより計算範囲が拡大され、より多くの生産プロセスが含まれるようになるため、EROI は減少します。[ 2 ]拡張 EROI では、使用時点が拡張されるほか、精製されたエネルギーや燃料の輸送に必要なインフラの構築コストも考慮されます。[ 35 ]社会的 EROI は、社会や国で使用されるすべての燃料の EROI の合計です。社会的 EROI はこれまで計算されたことがなく、研究者たちは計算に必要なすべての変数を知ることは現時点では不可能だと考えていますが、一部の国については推定が試みられています。計算は、国内で生産された燃料と輸入された燃料の EROI をすべて合計し、その結果を、社会の幸福度を理解するためによく使用されるツールである人間開発指数(HDI) と比較することによって行われます。[ 36 ]この計算によれば、社会が利用できるエネルギーの量はその国に住む人々の生活の質を向上させ、利用できるエネルギーの少ない国では国民の基本的なニーズを満たすのが難しくなります。[ 37 ]つまり、社会のEROIと全体的な生活の質は非常に密接に関連していると言えます。

いくつかの種類の発電所のEROIと回収期間

以下の表はエネルギー源をまとめたものである。[ 38 ]最低限必要なのは、累積エネルギー費用を物質データに基づいて内訳することである。文献ではしばしば収穫係数が報告されているが、その値の出所が完全には明らかではないため、この表には含まれていない。

太字の数字はそれぞれの文献に記載されている数字です。通常印刷されている数字は導出されたものです (数学的説明を参照)。

タイプエロイ償却期間「理想的な」発電所と比較した償却期間
エロイ償却期間
原子力（a）
加圧水型原子炉、100%遠心分離濃縮1062ヶ月31517日間
加圧水型原子炉、83%遠心分離濃縮752ヶ月22017日間
化石エネルギー（a）
褐炭、露天掘り312ヶ月9023日間
黒炭、石炭輸送なしの地下採掘292ヶ月8419日間
ガス（CCGT）、天然ガス289日間813日間
ガス（CCGT）、バイオガス3.512日間103日間
水力発電
川の水力発電501年1508ヶ月
太陽熱（b）
砂漠、放物線状の谷 + フェニル化合物中211.1年624ヶ月
風力エネルギー（b）
1,5 MW ( E-66 )、2000全負荷時間 VLh (ドイツ海岸)161.2年485ヶ月
1,5 MW ( E-66 )、2700時間フルロードVLh (ドイツ沿岸) [ 39 ]210.9年633.7ヶ月
2.3MW（E-82）、3200時間フルロードVLh（ドイツ沿岸）、海岸）[ 40 ] [ 41 ]（c）514.7ヶ月1501.6ヶ月
200MWパーク（5MW設備）、4400時間フルロードVLh（オフショア）[ 42 ]161.2年485ヶ月
太陽光発電（b）
ポリシリコン、屋根設置、1000フル負荷時間VLh（南ドイツ）4.06年122年
ポリシリコン、屋根設置、1800フル負荷時間VLh（南ヨーロッパ）[ 43 ]7.03.3年211.1年
（a）燃料輸送コストを考慮する
(b) これらの値は総エネルギー出力を示すものであり、貯水池発電所、季節予備力発電所、または従来型の負荷調整発電所の費用は考慮されていない。
(c) E-82 のデータは製造元から提供されたものですが、TÜV Rheinland によって確認されています。

ESOEI

ESOEI（またはESOI e）はEROIが1未満の場合に使用されます。「ESOI eは、ストレージデバイスの寿命中に蓄えられる電気エネルギーと、デバイスの構築に必要な電気エネルギーの量の比です。」[ 4 ]

ストレージテクノロジーESOEI [ 4 ]
鉛蓄電池5
臭化亜鉛電池9
バナジウム酸化還元電池10
NaS電池20
リチウムイオン電池32
揚水発電704
圧縮空気エネルギー貯蔵792

スタンフォード大学チームのESOI評価の注目すべき成果の一つは、揚水発電が利用できない場合、現在一般的に提案されている風力エネルギーとバッテリー技術との組み合わせは、投資に見合う価値がなく、むしろ削減を示唆しているという点である。[ 44 ]

急成長中のEROI

関連する最近の懸念はエネルギーの共食いであり、気候中立が求められる場合、エネルギー技術の成長率は制限される可能性がある。多くのエネルギー技術は、大量の化石燃料とそれに伴う温室効果ガス排出を置き換えることができる。残念ながら、現在の化石燃料エネルギーシステムの巨大な規模も、これらの技術に必要な成長率も、成長産業で生産される正味エネルギーによって課される制限内で十分に理解されていない。この技術的制限はエネルギーの共食いとして知られており、エネルギー生産産業またはエネルギー効率産業全体の急速な成長により、既存の発電所または生産工場のエネルギーを使用する（または共食いする）エネルギーの必要性が生じる効果を指す。[ 45 ]

そのソーラーブリーダーはこれらの問題のいくつかを克服します。ソーラーブリーダーとは、自社の屋根で発電したエネルギーを自社のパネルで使用してエネルギー自立を図ることができる太陽光パネル製造工場です。このような工場はエネルギー自給自足になるだけでなく、新しいエネルギーの主要な供給源となるため、ソーラーブリーダーと呼ばれます。この概念に関する研究は、オーストラリアのニューサウスウェールズ大学太陽光発電工学センターで実施されました。 [ 46 ] [ 47 ]報告された調査では、ソーラーブリーダーに関する特定の数学的関係が確立されており、このような工場から無期限に膨大な量の正味エネルギーを利用できることが示されています。 [ 48 ]メリーランド州フレデリックの太陽電池モジュール加工工場[ 49 ] は、もともとこのようなソーラーブリーダーとして計画されました。2009年、日本学術会議は、30年以内に数百GWの容量を創出するという非常に野心的な目標を掲げ、日本とアルジェリアの協力としてサハラソーラーブリーダープロジェクトを提案しました。 [ 50 ]

参照

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