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す。 ^[1]

算術的には、EROI は次のように定義できます。

${\displaystyle EROI={\frac {\hbox{Energy Delivered}}{\hbox{Energy Required to Deliver that Energy}}}}$^[2 ]

エネルギー源のEROIが1以下の場合、そのエネルギー源は正味の「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蓄積エネルギー（ESOEI）は、貯蔵システムを分析するために使用されます。^{[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見なされるためには、燃料またはエネルギーのEROI比率は少なくとも3：1である必要があります。^{[5] [2]}

エネルギー分析の研究分野は、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教授であるチャールズ・AS・ホールによって普及さ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方法論を応用し、その後その方法を人間の産業文明の研究に応用しました。この概念は、1984年にホールの論文がサイエンス誌の表紙に掲載されたことで最も注目されました。^{[6] [7]}

この問題は、依然として多くの研究の対象となっており、学術的な議論を呼んでいます。その主な理由は、「投資されるエネルギー」が技術、方法論、システム境界の想定に大きく依存し、2013年のメタ研究によると、モジュール面積あたり最大2000kWh /m ^{2から最小300kWh/m 2}の範囲となり、中央値は585kWh/m ^{2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、 地域の日射量にも当然左右されるため、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、太陽光発電は電気を生み出すが、投入された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で発表されたレビューでは、さまざまな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年を想定し、平均調和EROIは8.7～34.2でした。平均調和エネルギー回収期間は1.0～4.1年でした。^{[10] [より良い情報源が必要]} 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、ウェーハベースのシリコン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は0.9年、ブリュッセルでは1.1年）と計算しました。^[11]

科学文献によると、風力タービンのEROIは、バッファなしで約16、バッファ付きで約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、風の状態と風力タービンのサイズによって大きく異なります。^[13] EROIは、古い技術の風力タービンと比較して、最近の風力タービンの方が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]

水力発電所のEROIは、約100年間稼働した場合、平均約110になります。^[15]

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、アップグレードプロセスで分離された価値の低い部分から得られるため、EROIを計算する方法は2つあります。外部エネルギー入力のみを考慮すると高い値が得られ、自己生成を含むすべてのエネルギー入力を考慮すると低い値が得られます。ある研究によると、1970年の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] [説明が必要]}

従来の石油資源は、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の範囲です。^[17]

オイルシェール採取にはプロセス熱入力要件があるため、EROIは低い。通常、天然ガスが使用され、プロセス熱として直接燃焼されるか、発電タービンの動力として使用され、その後、電気加熱要素を使用し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。結果として得られるEROIは通常約1.4〜1.5です。^[17]経済的には、ケロジェンの加熱に使用される現場で実質的に無料の天然ガスのため、オイルシェールは実行可能かもしれませんが、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に使用できると主張しています。

すべての石油液体（石炭液体、ガス液体、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に低下すると予想されています。^[18]

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]

原子力発電所のEROIは20 ^[20]から81の範囲である。 ^[21]

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、人間が利用したエネルギー源のみが含まれます。たとえば、バイオ燃料の場合、光合成を促進する太陽放射は含まれず、核分裂の場合、核分裂性元素の恒星合成に使用されるエネルギーは含まれません。返されるエネルギーには、廃熱などの廃棄物は含まれず、人間が使用できるエネルギーのみが含まれま す。

それでも、実際に暖房に使用されている場合は、どのような形態の熱でもカウントできます。ただし、地域暖房やコジェネレーションプラントでの淡水化における廃熱の使用はまれであり、実際にはエネルギー源の EROI 分析では除外されることがよくあります。^{[説明が必要]}

2010年のマーフィーとホールの論文では、EROIに関する今後のすべての研究のための推奨拡張境界プロトコルが詳述されている。ホールらが競合方法論の「弱点」とみなすものよりも、より現実的な評価を生成し、比較においてより高い一貫性を生み出すためである。^[22]しかし、近年では、IEAの一部のメンバーが支持する異なる方法論の作成が継続的な論争の源となっており、たとえば太陽光発電パネルの場合、より好ましい値を生成するという議論が巻き起こっている。^{[23] [24]}

太陽光発電パネルの場合、IEAの方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る。2016年にホールは、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ビジネス上の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観察者による厳密な分析に十分な資金をまだ提供していないと指摘した。^{[25] [26]}

EROIと純エネルギー（ゲイン）は、エネルギー源または吸収源の同じ品質を異なる数値方法で測定します。純エネルギーは量を表し、EROIはプロセスの比率または効率を表します。これらは単純に次のように関連しています。

${\displaystyle {\hbox{GrossEnergyYield}}\div {\hbox{EnergyExpended}}=EROI}$

または

${\displaystyle ({\hbox{NetEnergy}}\div {\hbox{EnergyExpended}})+1=EROI}$

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、または純エネルギー利得が0のときに発生します。この損益分岐点に到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]}

エネルギー源の多くの特性が重要ですが (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。

化石燃料に関しては、石油が最初に発見されたとき、平均して1バレルの石油から100バレルの石油を見つけ、抽出し、処理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減少し、1919年の約1000：1から2010年代にはわずか5：1になりました。^[2]

農業の発明以来、人間は筋力増強のため、外因性エネルギー源をますます利用してきた。歴史家の中には、これは主に、より容易に利用できる（すなわち、より高い EROI）エネルギー源によるものだとする者もおり、これはエネルギー奴隷の概念と関連している。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 世紀に崩壊した理由の 1 つであると主張している。「The Upside of Down」の中で、彼は EROI 分析が文明の興亡を分析するための基礎を提供すると示唆している。ローマ帝国の最大面積（6,000 万人）とその技術基盤を見ると、ローマの農業基盤は、小麦では 1 ヘクタールあたり約 1:12、アルファルファでは 1:27（牛の生産量は 1:2.7）であった。これを使用して、1 人あたり 1 日約 2,500～3,000カロリーを基準として、ローマ帝国の最盛期に必要とされた人口を計算することができる。これは、最盛期の食糧生産面積とほぼ等しい。しかし、 EROI が低下し始めると、生態系へのダメージ(特に南スペイン、南イタリア、シチリア、特に北アフリカでの森林破壊、土壌肥沃度の減少) により、2 世紀以降、このシステムは崩壊した。トラヤヌス帝の時代に150万人でピークに達したローマの人口が、1084 年にわずか 15,000 人になったときに、システムは最低になった。

証拠はマヤ文明とカンボジアの崩壊のサイクルにも当てはまる。ジョセフ・テインター^[30]は、EROIの収穫逓減が複雑な社会の崩壊の主な原因であると示唆しており、これは初期社会における木材のピークによって引き起こされたと示唆されている。高品質の化石燃料資源の枯渇によるEROIの低下も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もの）に挑戦する可能性があります。^[31]

EROIは、エネルギー出力をエネルギー入力で割ることによって計算されます。総エネルギー出力の測定は、適切な電気メーターを使用できる電気出力の場合は特に簡単です。しかし、研究者はエネルギー入力を正確に測定する方法に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を導き出しています。^[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をどこまで詳しく調査すべきでしょうか。たとえば、石油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。鉄鋼の製造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逃れる複雑な質問です。^{[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必要があります。

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方法を採用することができます。たとえば、鉄鋼について考えますが、サプライチェーンの最初のレベルより深い工場に投入されるエネルギーは考慮しません。これらの完全に網羅されたシステムの理由もあって、2010年のマーフィーとホールの論文の結論では、持続可能性の最小閾値に到達するには、彼らの拡張された方法論によるEROI 5が必要であると考えられており、^[22]一方、ホールの方法論による12～13の値は、技術の進歩と高度な芸術を支える社会に必要な最小値であると考えられています。^{[23] [24]}

リチャーズとワットは、 EROI（彼らはエネルギーリターンファクターと呼んでいる）の代替として、太陽光発電システムのエネルギー収率を提案している。違いは、実際の寿命ではなく、事前にわかっているシステムの設計寿命を使用する点である。これは、コンポーネントの寿命が異なるマルチコンポーネントシステムにも適応できることも意味している。^[34]

多くの研究が取り組もうとしている EROI のもう 1 つの問題は、返されるエネルギーがさまざまな形態で存在し、こ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。たとえば、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に変換できます。さらに、入力エネルギーの形態は出力とはまったく異なる場合があります。たとえば、石炭の形態のエネルギーはエタノールの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、液体燃料の利点があるため、望ましい場合があります (後者は抽出および変換のプロセスで使用されないものとします)。

拡張EROIの計算方法には、使用時点、拡張EROI、社会的EROIの3つが有名です。使用時点EROIは、計算を拡張して、精製プロセス中の燃料の精製および輸送のコストを含めます。これにより計算の範囲が拡張され、より多くの生産プロセスEROIが含まれるようになるため、EROIは減少します。^[2]拡張EROIには、使用時点の拡張に加えて、精製されたエネルギーまたは燃料の輸送に必要なインフラストラクチャの構築コストが含まれます。^[35]社会的EROIは、社会または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、研究者は計算を完了するために必要なすべての変数を知ることは現在のところ不可能であると考えていますが、いくつか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、その結果を人間開発指数（HDI）と比較することによって行われます。HDIは、社会の幸福を理解するためによく使用されるツールです。^[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高め、利用できるエネルギーが少ない国では国民の基本的なニーズを満たすのも難しくなります。^[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いうことです。

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、物質データによる累積エネルギー費用の内訳である。文献では収穫係数が頻繁に報告されているが、その値の出所は完全には明らかではない。これらは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もので、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）。

（a）燃料輸送コストを考慮する

(b) 値は総エネルギー出力を示します。貯蔵発電所、季節予備力、または従来の負荷分散発電所の費用は考慮されていません。

(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。^{[引用が必要]}

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た電気エネルギーと、デバイスの構築に必要な電気エネルギーの量の比率です。」^[4]

スタンフォード大学チームのESOI評価の注目すべき結果の1つは、揚水発電が利用できない場合、風力エネルギーと、現在一般的に提案されている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、代わりに削減を提案するという点であった。^[44]

関連する最近の懸念は、気候中立が要求される場合、エネルギー技術の成長率が制限される可能性があるエネルギー共食いである。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、成長産業のために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]

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、独自のパネルを使用して自社の屋根から得たエネルギーを使用することでエネルギー自立が可能な太陽光発電パネル製造工場です。このような工場はエネルギーを自給自足できるだけでなく、新しいエネルギーの主要な供給元になるため、ソーラーブリーダーと呼ばれています。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、これは、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を明確に示しています。 ^[48]メリーランド州フレデリックの太陽電池モジュール処理工場^[49]は 、もともとそのようなソーラーブリーダーとして計画されていました。2009年に、日本学術会議は、30年以内に数百GWの容量を生み出すという非常に野心的な目標を掲げた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]}

• 電力源別のコスト– 均等化エネルギーコスト
• 内包エネルギー
• エマジー
• エネルギーバランス
• エネルギー共食い
• エクセルギー– 有用なエネルギー
• ジェヴォンズのパラドックス– 1880 年代の効率効果乗数の観察
• カズーム・ブルックスの公理– 1980 年代のジェヴォンズのパラドックスの最新版
• 純エネルギー増加
• 社会の新陳代謝
• 熱経済学

• World-Nuclear.org Archived 2013-02-15 at the Wayback Machine、世界原子力協会による EROI に関する調査と仮定の一覧。
• Web.archive.org、OilAnalytics.org の Wayback アーカイブ、「エネルギー可用性の尺度としての EROI」
• EOearth.org、エネルギー投資収益率 (EROI)
• EOearth.org、純エネルギー分析
• H2-pv.us、H2-PV 増殖相乗効果に関するエッセイ