En economía energética y energética ecológica , el retorno energético de la inversión ( EROI ), también llamado a veces energía devuelta sobre energía invertida ( ERoEI ), es la relación entre la cantidad de energía utilizable ( exergía ) suministrada a partir de un recurso energético particular y la cantidad de exergía utilizada para obtener ese recurso energético. [1]
Aritméticamente el EROI se puede definir como:
Cuando el EROI de una fuente de energía es menor o igual a uno, esa fuente de energía se convierte en un "sumidero" neto de energía y ya no puede utilizarse como fuente de energía. Una medida relacionada, denominada energía almacenada sobre energía invertida ( ESOEI ), se utiliza para analizar los sistemas de almacenamiento. [3] [4]
Para que un combustible o una fuente de energía sea viable como fuente importante de energía o combustible, debe tener una relación EROI de al menos 3:1. [5] [2]
Se atribuye a Charles AS Hall , profesor de ecología de sistemas y economía biofísica de la Universidad Estatal de Nueva York , quien popularizó el campo de estudio del análisis energético. Hall aplicó la metodología biológica, desarrollada en un Laboratorio de Biología Marina de Ecosistemas, y luego adaptó ese método para investigar la civilización industrial humana. El concepto tendría su mayor difusión en 1984, con un artículo de Hall que apareció en la portada de la revista Science . [6] [7]
Mercado fotovoltaico mundial por tecnología en 2013. [8] : 18, 19
La cuestión sigue siendo objeto de numerosos estudios y de debates académicos. Esto se debe principalmente a que la "energía invertida" depende críticamente de la tecnología, la metodología y los supuestos de los límites del sistema, lo que da como resultado un rango que va desde un máximo de 2000 kWh/m2 de superficie modular hasta un mínimo de 300 kWh/m2 con un valor medio de 585 kWh/m2 según un metaestudio de 2013. [9]
Respecto a la producción, obviamente depende de la insolación local , no sólo del sistema en sí, por lo que se deben hacer suposiciones.
Algunos estudios (ver más abajo) incluyen en su análisis que la energía fotovoltaica produce electricidad, mientras que la energía invertida puede ser energía primaria de menor grado .
Una revisión de 2015 en Renewable and Sustainable Energy Reviews evaluó el tiempo de recuperación de la energía y la EROI de una variedad de tecnologías de módulos fotovoltaicos. En este estudio, que utiliza una insolación de 1700 kWh/m2 / año y una vida útil del sistema de 30 años, se encontraron EROI armonizados medios entre 8,7 y 34,2. El tiempo medio de recuperación de la energía armonizado varió de 1,0 a 4,1 años. [10] [ se necesita una mejor fuente ] En 2021, el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar calculó un tiempo de recuperación de la energía de alrededor de 1 año para las instalaciones fotovoltaicas europeas (0,9 años para Catania en el sur de Italia, 1,1 años para Bruselas) con células PERC de silicio basadas en obleas . [11]
En la literatura científica, el EROI de las turbinas eólicas es de alrededor de 16 sin buffer y 4 con buffer. [12] Los datos recopilados en 2018 encontraron que el EROI de las turbinas eólicas operativas promedió 19,8 con una alta variabilidad según las condiciones del viento y el tamaño de la turbina eólica. [13] Los EROI tienden a ser más altos para las turbinas eólicas recientes en comparación con las turbinas eólicas de tecnología más antigua. Vestas informa un EROI de 31 para su turbina eólica modelo V150. [14]
El EROI de las centrales hidroeléctricas promedia alrededor de 110 cuando funcionan durante aproximadamente 100 años. [15]
Debido a que gran parte de la energía necesaria para producir petróleo a partir de arenas petrolíferas (betún) proviene de fracciones de bajo valor separadas por el proceso de mejoramiento, hay dos maneras de calcular el EROI: el valor más alto se obtiene considerando solo los insumos de energía externa y el valor más bajo se obtiene considerando todos los insumos de energía, incluidos los generados por el propio usuario. Un estudio determinó que en 1970 los rendimientos netos de energía de las arenas petrolíferas eran de aproximadamente 1,0, pero en 2010 habían aumentado a aproximadamente 5,23. [16] [ se necesita aclaración ]
Las fuentes convencionales de petróleo presentan una variación bastante grande en función de diversos factores geológicos. El EROI del combustible refinado de fuentes convencionales de petróleo varía entre aproximadamente 18 y 43. [17]
Debido a los requisitos de entrada de calor del proceso para la extracción de esquisto bituminoso, el EROI es bajo. Normalmente se utiliza gas natural, ya sea quemado directamente para el calor del proceso o utilizado para alimentar una turbina generadora de electricidad, que luego utiliza elementos de calentamiento eléctrico para calentar las capas subterráneas de esquisto para producir petróleo a partir del kerógeno. El EROI resultante suele ser de alrededor de 1,4-1,5. [17] Económicamente, el esquisto bituminoso podría ser viable debido al gas natural prácticamente libre en el sitio utilizado para calentar el kerógeno, pero los oponentes han debatido que el gas natural podría extraerse directamente y usarse como combustible de transporte relativamente barato en lugar de calentar el esquisto para un EROI más bajo y mayores emisiones de carbono.
Se espera que el EROI estándar promedio ponderado de todos los líquidos derivados del petróleo (incluidos los de carbón a líquidos, gas a líquidos, biocombustibles, etc.) disminuya de 44,4 en 1950 a una meseta de 6,7 en 2050. [18]
Se estima que el EROI estándar del gas natural disminuirá de 141,5 en 1950 a una aparente meseta de 16,8 en 2050. [19]
El EROI de las plantas nucleares varía entre 20 [20] y 81. [21]
Las fuentes de energía naturales o primarias no se incluyen en el cálculo de la energía invertida, sino únicamente las fuentes aplicadas por el hombre. Por ejemplo, en el caso de los biocombustibles no se incluye la insolación solar que impulsa la fotosíntesis , y en el caso de la fisión nuclear no se incluye la energía utilizada en la síntesis estelar de elementos fisionables . La energía devuelta incluye únicamente la energía utilizable por el hombre y no los desechos, como el calor residual .
No obstante, el calor de cualquier tipo puede contabilizarse cuando se utiliza realmente para calefacción. Sin embargo, el uso de calor residual en la calefacción urbana y la desalinización de agua en plantas de cogeneración es poco frecuente y, en la práctica, suele excluirse del análisis de la rentabilidad económica de las fuentes de energía. [ Aclaración necesaria ]
En un artículo de 2010 de Murphy y Hall, se detalla el protocolo de límite extendido ["Ext"] recomendado para todas las investigaciones futuras sobre EROI, con el fin de producir, lo que ellos consideran, una evaluación más realista y generar una mayor coherencia en las comparaciones, que lo que Hall y otros consideran los "puntos débiles" de una metodología competitiva. [22] Sin embargo, en años más recientes, una fuente de controversia continua es la creación de una metodología diferente avalada por ciertos miembros de la IEA que, por ejemplo, sobre todo en el caso de los paneles solares fotovoltaicos , genera valores controvertidamente más favorables. [23] [24]
En el caso de los paneles solares fotovoltaicos, el método de la AIE tiende a centrarse únicamente en la energía utilizada en el proceso de fabricación. En 2016, Hall observó que gran parte de los trabajos publicados en este campo son producidos por defensores o personas con una conexión con intereses comerciales entre las tecnologías en competencia, y que las agencias gubernamentales aún no habían proporcionado fondos adecuados para un análisis riguroso por parte de observadores más neutrales. [25] [26]
La EROI y la energía neta (ganancia) miden la misma calidad de una fuente o sumidero de energía de formas numéricamente diferentes. La energía neta describe las cantidades, mientras que la EROI mide la relación o eficiencia del proceso. Están relacionadas simplemente por
o
Por ejemplo, dado un proceso con un EROI de 5, gastar 1 unidad de energía produce una ganancia neta de energía de 4 unidades. El punto de equilibrio se produce con un EROI de 1 o una ganancia neta de energía de 0. El tiempo para alcanzar este punto de equilibrio se denomina período de recuperación de la energía (EPP) o tiempo de recuperación de la energía (EPBT). [27] [28]
Si bien muchas cualidades de una fuente de energía son importantes (por ejemplo, el petróleo es denso en energía y transportable, mientras que el viento es variable), cuando el EROI de las principales fuentes de energía de una economía cae, esa energía se vuelve más difícil de obtener y su precio relativo puede aumentar.
En lo que respecta a los combustibles fósiles, cuando se descubrió el petróleo, se necesitaba en promedio un barril de petróleo para encontrar, extraer y procesar unos 100 barriles de petróleo. La proporción de descubrimiento de combustibles fósiles en los Estados Unidos ha disminuido de manera constante durante el último siglo, de aproximadamente 1000:1 en 1919 a solo 5:1 en la década de 2010. [2]
Desde la invención de la agricultura, los seres humanos han utilizado cada vez más fuentes exógenas de energía para multiplicar la potencia muscular humana. Algunos historiadores han atribuido esto en gran medida a fuentes de energía más fáciles de explotar (es decir, mayor EROI), lo que está relacionado con el concepto de esclavos energéticos . Thomas Homer-Dixon [29] sostiene que una caída del EROI en el Imperio Romano Tardío fue una de las razones del colapso del Imperio Occidental en el siglo V d.C. En "The Upside of Down", sugiere que el análisis del EROI proporciona una base para el análisis del ascenso y la caída de las civilizaciones. Si observamos la extensión máxima del Imperio Romano (60 millones) y su base tecnológica, la base agraria de Roma era de aproximadamente 1:12 por hectárea para el trigo y 1:27 para la alfalfa (lo que da una producción de 1:2,7 para los bueyes). Luego se puede utilizar esto para calcular la población necesaria del Imperio Romano en su apogeo, sobre la base de aproximadamente 2500-3000 calorías por día por persona. El resultado es aproximadamente igual al área de producción de alimentos en su apogeo. Pero el daño ecológico ( deforestación , pérdida de fertilidad del suelo , particularmente en el sur de España, el sur de Italia, Sicilia y especialmente el norte de África) provocó un colapso en el sistema a partir del siglo II, cuando el EROI comenzó a caer. Tocó fondo en 1084, cuando la población de Roma, que había alcanzado su punto máximo bajo Trajano con 1,5 millones, era de solo 15.000.
La evidencia también encaja con el ciclo del colapso maya y camboyano. Joseph Tainter [30] sugiere que los rendimientos decrecientes de la EROI son una causa principal del colapso de las sociedades complejas, que se ha sugerido como causado por el pico de la madera en las sociedades primitivas. La caída de la EROI debido al agotamiento de los recursos de combustibles fósiles de alta calidad también plantea un desafío difícil para las economías industriales y podría conducir potencialmente a una disminución de la producción económica y desafiar el concepto (que es muy reciente cuando se lo considera desde una perspectiva histórica) de crecimiento económico perpetuo. [31]
El EROI se calcula dividiendo la energía de salida por la energía de entrada. Medir la energía total de salida suele ser fácil, especialmente en el caso de la energía eléctrica, para la que se puede utilizar un medidor de electricidad adecuado . Sin embargo, los investigadores no se ponen de acuerdo sobre cómo determinar con precisión la energía de entrada y, por lo tanto, llegan a cifras diferentes para la misma fuente de energía. [32]
¿Hasta qué punto se debe investigar la cadena de suministro de las herramientas que se utilizan para generar energía? Por ejemplo, si se utiliza acero para extraer petróleo o construir una planta de energía nuclear, ¿se debe tener en cuenta el consumo de energía del acero? ¿Se debe tener en cuenta y amortizar el consumo de energía de la construcción de la fábrica que se utiliza para construir el acero? ¿Se debe tener en cuenta el consumo de energía de las carreteras que se utilizan para transportar las mercancías? ¿Y la energía utilizada para cocinar los desayunos de los trabajadores del acero? Son preguntas complejas que eluden respuestas sencillas. [33] Una contabilidad completa requeriría consideraciones de los costos de oportunidad y comparar los gastos totales de energía en presencia y ausencia de esta actividad económica.
Sin embargo, al comparar dos fuentes de energía, se puede adoptar una práctica estándar para el insumo de energía de la cadena de suministro. Por ejemplo, considere el acero, pero no considere la energía invertida en fábricas más allá del primer nivel en la cadena de suministro. Es en parte por estas razones de sistemas completamente abarcados que, en las conclusiones del artículo de Murphy y Hall en 2010, un EROI de 5 según su metodología extendida se considera necesario para alcanzar el umbral mínimo de sostenibilidad, [22] mientras que un valor de 12-13 según la metodología de Hall se considera el valor mínimo necesario para el progreso tecnológico y una sociedad que respalde el arte superior. [23] [24]
Richards y Watt proponen un índice de rendimiento energético para sistemas fotovoltaicos como alternativa al EROI (al que denominan factor de retorno energético ). La diferencia es que utiliza la vida útil de diseño del sistema, que se conoce de antemano, en lugar de la vida útil real. Esto también significa que se puede adaptar a sistemas multicomponentes en los que los componentes tienen diferentes vidas útiles. [34]
Otro problema con la EROI que muchos estudios intentan abordar es que la energía devuelta puede presentarse en diferentes formas, y estas formas pueden tener diferentes utilidades. Por ejemplo, la electricidad se puede convertir de manera más eficiente que la energía térmica en movimiento, debido a la menor entropía de la electricidad. Además, la forma de energía de entrada puede ser completamente diferente de la de salida. Por ejemplo, la energía en forma de carbón podría usarse en la producción de etanol. Esto podría tener una EROI de menos de uno, pero aún podría ser deseable debido a los beneficios de los combustibles líquidos (suponiendo que estos últimos no se usen en los procesos de extracción y transformación).
Existen tres cálculos principales de EROI expandidos: el de punto de uso, el extendido y el social. El EROI de punto de uso expande el cálculo para incluir el costo de refinación y transporte del combustible durante el proceso de refinación. Dado que esto expande los límites del cálculo para incluir más procesos de producción, el EROI disminuirá. [2] El EROI extendido incluye expansiones del punto de uso, así como el costo de crear la infraestructura necesaria para el transporte de la energía o el combustible una vez refinado. [35] El EROI social es una suma de todos los EROI de todos los combustibles utilizados en una sociedad o nación. Nunca se ha calculado un EROI social y los investigadores creen que actualmente puede ser imposible conocer todas las variables necesarias para completar el cálculo, pero se han hecho intentos de estimaciones para algunas naciones. Los cálculos se realizan sumando todos los EROI de los combustibles producidos localmente e importados y comparando el resultado con el Índice de Desarrollo Humano (IDH), una herramienta que se utiliza a menudo para comprender el bienestar en una sociedad. [36] Según este cálculo, la cantidad de energía de la que dispone una sociedad aumenta la calidad de vida de las personas que viven en ese país, y los países con menos energía disponible también tienen más dificultades para satisfacer las necesidades básicas de los ciudadanos. [37] Esto quiere decir que el EROI social y la calidad de vida en general están muy estrechamente vinculados.
La siguiente tabla es una compilación de fuentes de energía. [38] El requisito mínimo es un desglose de los gastos de energía acumulados según los datos materiales. Con frecuencia, en la literatura se informan factores de cosecha, para los cuales el origen de los valores no es completamente transparente. Estos no se incluyen en esta tabla.
Los números en negrita son los que aparecen en la fuente bibliográfica respectiva, los números impresos normales son derivados (ver Descripción matemática).
ESOEI (o ESOI e ) se utiliza cuando EROI es inferior a 1. "ESOI e es la relación entre la energía eléctrica almacenada durante la vida útil de un dispositivo de almacenamiento y la cantidad de energía eléctrica incorporada necesaria para construir el dispositivo". [4]
Uno de los resultados notables de la evaluación del equipo de la Universidad de Stanford sobre ESOI fue que, si no se disponía de almacenamiento por bombeo, la combinación de energía eólica y la combinación comúnmente sugerida con la tecnología de baterías tal como existe actualmente no valdrían lo suficiente la inversión, por lo que se sugiere en cambio una reducción. [44]
Una preocupación reciente relacionada es el canibalismo energético , en el que las tecnologías energéticas pueden tener una tasa de crecimiento limitada si se exige la neutralidad climática . Muchas tecnologías energéticas son capaces de reemplazar volúmenes significativos de combustibles fósiles y las emisiones concomitantes de gases de efecto invernadero . Desafortunadamente, ni la enorme escala del actual sistema energético de combustibles fósiles ni la tasa de crecimiento necesaria de estas tecnologías se entienden bien dentro de los límites impuestos por la energía neta producida para una industria en crecimiento. Esta limitación técnica se conoce como canibalismo energético y se refiere a un efecto en el que el rápido crecimiento de toda una industria de producción de energía o de eficiencia energética crea una necesidad de energía que utiliza (o canibaliza) la energía de las centrales eléctricas o plantas de producción existentes. [45]
ElEl sistema de generación solar supera algunos de estos problemas. Un sistema de generación solar es una planta de fabricación de paneles fotovoltaicos que puede volverse energéticamente independiente utilizando la energía derivada de su propio techo utilizando sus propios paneles. Una planta de este tipo no solo se vuelve autosuficiente energéticamente, sino que también se convierte en un importante proveedor de nueva energía, de ahí el nombre de sistema de generación solar. La investigación sobre el concepto fue realizada por el Centro de Ingeniería Fotovoltaica de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia. [46] [47] La investigación reportada establece ciertas relaciones matemáticas para el sistema de generación solar que indican claramente que una gran cantidad de energía neta está disponible en una planta de este tipo para el futuro indefinido. [48] La planta de procesamiento de módulos solares en Frederick, Maryland [49] fue originalmente planeada como un sistema de generación solar de este tipo. En 2009, el Consejo Científico de Japón propuso el Proyecto de Sistema de Generación Solar del Sahara como una cooperación entre Japón y Argelia con el objetivo altamente ambicioso de crear cientos de GW de capacidad en 30 años. [50]
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