En economía energética y energética ecológica , el retorno energético de la inversión ( EROI ), también llamado a veces energía recuperada de la energía invertida ( EROEI ), es la relación entre la cantidad de energía utilizable (la exergía ) entregada por un recurso energético particular y la cantidad de exergía utilizada para obtener ese recurso energético. [1]
Aritméticamente el TRE se puede definir como:
Cuando el TRE de una fuente de energía es menor o igual a uno, esa fuente de energía se convierte en un "sumidero de energía" neto y ya no puede usarse como fuente de energía. Una medida relacionada, llamada energía almacenada sobre energía invertida ( ESOEI ), se utiliza para analizar los sistemas de almacenamiento. [3] [4]
Para ser considerado viable como combustible o fuente de energía destacada, un combustible o energía debe tener una relación TRE de al menos 3:1. [5] [2]
Al campo de estudio del análisis energético se le atribuye haber sido popularizado por Charles AS Hall , profesor de ecología de sistemas y economía biofísica de la Universidad Estatal de Nueva York . 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 exposición 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 suscita argumentos académicos. Esto se debe principalmente a que la "energía invertida" depende críticamente de la tecnología, la metodología y los supuestos de límites del sistema, lo que da como resultado un rango desde un máximo de 2000 kWh/m 2 de área del módulo hasta un mínimo de 300 kWh/m 2 con un valor medio. de 585 kWh/m 2 según un metaestudio de 2013. [9]
En cuanto a la producción, obviamente depende de la insolación local , no sólo del sistema en sí, por lo que es necesario hacer suposiciones.
Algunos estudios (ver más abajo) incluyen en sus análisis que la energía fotovoltaica produce electricidad, mientras que la energía invertida puede ser energía primaria de menor calidad .
Una revisión de 2015 en Renewable and Sustainable Energy Reviews evaluó el tiempo de recuperación de la energía y el EROI de una variedad de tecnologías de módulos fotovoltaicos. En este estudio, que utiliza una insolación de 1700 kWh/m 2 /año y una vida útil del sistema de 30 años, se encontraron TRE armonizadas medias entre 8,7 y 34,2. El tiempo medio armonizado de recuperación de la energía varió entre 1,0 y 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 aproximadamente 1 año para las instalaciones fotovoltaicas europeas (0,9 años para Catania en el sur de Italia, 1,1 años para Bruselas) con silicio basado en obleas. Células PERC . [11]
En la literatura científica, el EROI de aerogeneradores es de alrededor de 16 sin búfer y 4 con búfer. [12] Los datos recopilados en 2018 encontraron que la TRE de las turbinas eólicas operativas promedió 19,8 con una alta variabilidad dependiendo de las condiciones del viento y el tamaño de la turbina eólica. [13] Las TRE tienden a ser más altas para las turbinas eólicas recientes en comparación con las turbinas eólicas de tecnología más antigua. Vestas informa un TRE de 31 para su aerogenerador modelo V150. [14]
El TRE de las centrales hidroeléctricas tiene un promedio de aproximadamente 110 cuando funcionan durante unos 100 años. [15]
Debido a que gran parte de la energía requerida para producir petróleo a partir de arenas bituminosas (betún) proviene de fracciones de bajo valor separadas por el proceso de mejoramiento, hay dos formas de calcular la TRE: el valor más alto se obtiene considerando sólo los insumos de energía externos y el más bajo, mediante considerando todos los insumos de energía, incluidos los autogenerados. Un estudio encontró que en 1970 el rendimiento energético neto de las arenas petrolíferas era de aproximadamente 1,0, pero en 2010 había aumentado a aproximadamente 5,23. [16] [ se necesita aclaración ]
Las fuentes convencionales de petróleo tienen una variación bastante grande dependiendo de diversos factores geológicos. El TRE del combustible refinado procedente de fuentes de petróleo convencionales varía entre 18 y 43 aproximadamente. [17]
Debido a los requisitos de aporte de calor del proceso para la recolección de esquisto bituminoso, la TRE es baja. Normalmente se utiliza gas natural, ya sea quemado directamente para generar calor de proceso o para alimentar una turbina generadora de electricidad, que luego utiliza elementos calefactores eléctricos para calentar las capas subterráneas de esquisto y producir petróleo a partir del querógeno. El TRE resultante suele estar entre 1,4 y 1,5. [17] Económicamente, el esquisto bituminoso podría ser viable debido al gas natural efectivamente gratuito en el sitio utilizado para calentar el kerógeno, pero sus oponentes han debatido que el gas natural podría extraerse directamente y usarse como combustible de transporte relativamente económico en lugar de calentar el esquisto para un menor TRE y mayores emisiones de carbono.
Se espera que el TRE estándar promedio ponderado de todos los líquidos de petróleo (incluidos carbón a líquido, gas a líquido, biocombustibles, etc.) disminuya de 44,4 en 1950 a una meseta de 6,7 en 2050. [18]
Se estima que la TRE estándar del gas natural disminuirá de 141,5 en 1950 a una meseta aparente de 16,8 en 2050. [19]
El TRE de las centrales nucleares oscila entre 43 y 81. [20]
Las fuentes de energía naturales o primarias no se incluyen en el cálculo de la energía invertida, sólo 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 para la fisión nuclear no se incluye la energía utilizada en la síntesis estelar de elementos fisionables . La energía devuelta incluye sólo energía utilizable por el ser humano y no residuos como el calor residual .
Sin embargo, se puede contar el calor de cualquier forma cuando realmente se utiliza para calentar. Sin embargo, el uso de calor residual en calefacción urbana y desalinización de agua en plantas de cogeneración es raro y, en la práctica, a menudo se excluye del análisis de TRE de fuentes de energía. [ se necesita aclaración ]
En un artículo de 2010 de Murphy y Hall, se detalló el protocolo de límites extendidos ["Ext"] recomendado para todas las investigaciones futuras sobre TRE. Para producir lo que ellos consideran una evaluación más realista y generar mayor coherencia en las comparaciones, que lo que Hall y otros ven como los "puntos débiles" de una metodología competitiva. [21] Sin embargo, en años más recientes, una fuente de controversia continua es la creación de una metodología diferente respaldada por ciertos miembros de la AIE que, por ejemplo, más notablemente en el caso de los paneles solares fotovoltaicos , genera polémicamente valores más favorables. [22] [23]
En el caso de los paneles solares fotovoltaicos, el método de la IEA tiende a centrarse únicamente en la energía utilizada en el proceso fabril. En 2016, Hall observó que gran parte del trabajo publicado en este campo es producido 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. [24] [25]
La TRE y la energía neta (ganancia) miden la misma calidad de una fuente o sumidero de energía de maneras numéricamente diferentes. La energía neta describe las cantidades, mientras que el TRE mide la relación o eficiencia del proceso. Están relacionados simplemente por
o
Por ejemplo, dado un proceso con una TRE de 5, gastar 1 unidad de energía produce una ganancia neta de energía de 4 unidades. El punto de equilibrio se produce con un TRE de 1 o una ganancia neta de energía de 0. El tiempo para alcanzar este punto de equilibrio se denomina período de recuperación de energía (EPP) o tiempo de recuperación de energía (EPBT). [26] [27]
Aunque 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 la TRE de las principales fuentes de energía para una economía cae, esa energía se vuelve más difícil de obtener y su precio relativo puede variar. aumentar.
En lo que respecta a los combustibles fósiles, cuando se descubrió originalmente el petróleo, se necesitaba en promedio un barril de petróleo para encontrar, extraer y procesar unos 100 barriles de petróleo. La proporción, para el descubrimiento de combustibles fósiles en los Estados Unidos, ha disminuido constantemente durante el último siglo desde alrededor de 1000:1 en 1919 a sólo 5:1 en la década de 2010. [2]
Desde la invención de la agricultura, los seres humanos han utilizado cada vez más fuentes de energía exógenas para multiplicar la fuerza muscular humana. Algunos historiadores han atribuido esto en gran medida a fuentes de energía más fáciles de explotar (es decir, mayor TRE), lo que está relacionado con el concepto de esclavos de energía . Thomas Homer-Dixon [28] sostiene que la caída de la TRE en el Imperio Romano Posterior 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 TRE proporciona una base para el análisis del ascenso y caída de las civilizaciones. Si se considera 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 (dando una producción de 1:2,7 para los bueyes). Luego se puede utilizar esto para calcular la población del Imperio Romano necesaria en su apogeo, sobre la base de aproximadamente 2.500 a 3.000 calorías por día por persona. Resulta aproximadamente igual al área de producción de alimentos en su apogeo. Pero los daños ecológicos ( deforestación , pérdida de fertilidad del suelo , particularmente en el sur de España, el sur de Italia, Sicilia y especialmente el norte de África) provocaron un colapso en el sistema a partir del siglo II, cuando la TRE 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 sólo de 15.000.
La evidencia también se ajusta al ciclo del colapso maya y camboyano. Joseph Tainter [29] sugiere que los rendimientos decrecientes de la TRE son una causa principal del colapso de sociedades complejas, que se ha sugerido que es causado por el pico de madera en las sociedades primitivas. La caída de la TRE 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 cuestionar el concepto (que es muy reciente si se lo considera desde una perspectiva histórica) de crecimiento económico perpetuo. [30]
El EROI se calcula dividiendo la producción de energía por la entrada de energía. Medir la producción total de energía suele ser fácil, especialmente en el caso de una producción eléctrica en la que se puede utilizar algún medidor de electricidad adecuado. Sin embargo, los investigadores no están de acuerdo sobre cómo determinar con precisión el aporte de energía y, por lo tanto, llegan a cifras diferentes para la misma fuente de energía. [31]
¿Hasta qué punto se debe investigar en 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 central nuclear, ¿debería tenerse en cuenta el aporte energético del acero? ¿Debería tenerse en cuenta y amortizarse el insumo de energía en la construcción de la fábrica que se utiliza para construir el acero? ¿Debe tenerse en cuenta el aporte energético de las carreteras por las que se transportan las mercancías? ¿Qué pasa con la energía utilizada para cocinar el desayuno de los trabajadores siderúrgicos? Se trata de preguntas complejas que evaden respuestas simples. [32] Una contabilidad completa requeriría consideraciones de 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 de la cadena de suministro. Es en parte por estas razones de sistemas totalmente abarcados que, en las conclusiones del artículo de Murphy y Hall de 2010, se considera necesario un TRE de 5 según su metodología extendida para alcanzar el umbral mínimo de sostenibilidad, [21] 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 apoye el alto arte. [22] [23]
Richards y Watt proponen un índice de rendimiento energético para sistemas fotovoltaicos como alternativa a la TRE (al que se refieren como factor de retorno de energía ). 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 de múltiples componentes donde los componentes tienen diferentes vidas útiles. [33]
Otro problema con la TRE que muchos estudios intentan abordar es que la energía devuelta puede presentarse en diferentes formas, y estas formas pueden tener diferente utilidad. Por ejemplo, la electricidad se puede convertir en movimiento de manera más eficiente que la energía térmica, debido a la menor entropía de la electricidad. Además, la forma de energía de entrada puede ser completamente diferente a la de salida. Por ejemplo, la energía en forma de carbón podría utilizarse en la producción de etanol. Esto podría tener un TRE menor que uno, pero aun así podría ser deseable debido a los beneficios de los combustibles líquidos (suponiendo que estos últimos no se utilicen en los procesos de extracción y transformación).
Hay tres cálculos de TRE ampliados destacados: punto de uso, extendido y social. La TRE en el punto de uso amplía el cálculo para incluir el costo de refinar y transportar el combustible durante el proceso de refinación. Dado que esto amplía los límites del cálculo para incluir más procesos de producción, la TRE disminuirá. [2] El TRE ampliado incluye ampliaciones de puntos de uso, así como el costo de crear la infraestructura necesaria para el transporte de la energía o el combustible una vez refinado. [34] La TRE social es una suma de todas las TRE de todos los combustibles utilizados en una sociedad o nación. Nunca se ha calculado una TRE 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 TRE de los combustibles producidos nacionalmente e importados y comparando el resultado con el Índice de Desarrollo Humano (IDH), una herramienta que se utiliza a menudo para comprender el bienestar de una sociedad. [35] Según este cálculo, la cantidad de energía que una sociedad tiene disponible 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. [36] Esto quiere decir que la TRE social y la calidad de vida en general están muy estrechamente vinculadas.
La siguiente tabla es una recopilación de fuentes de energía de la Wikipedia alemana. El requisito mínimo es un desglose de los gastos energéticos acumulados según los datos materiales. Con frecuencia en la literatura se informan factores de cosecha, cuyo origen de los valores no es completamente transparente. Estos no están incluidos en esta tabla.
Los números en negrita son los que figuran en la fuente bibliográfica respectiva, los números impresos normales son derivados (ver Descripción Matemática).
ESOEI (o ESOI e ) se utiliza cuando el 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 el almacenamiento por bombeo no estuviera disponible, la combinación de energía eólica y la combinación comúnmente sugerida con la tecnología de baterías tal como existe actualmente no valdría suficientemente la inversión, lo que sugiere en lugar de ello, reducción. [43]
Una preocupación reciente relacionada es el canibalismo energético , donde las tecnologías energéticas pueden tener una tasa de crecimiento limitada si se exige neutralidad climática . Muchas tecnologías energéticas son capaces de reemplazar volúmenes significativos de combustibles fósiles y las consiguientes emisiones de gases de efecto invernadero . Lamentablemente, ni la enorme escala del actual sistema energético de combustibles fósiles ni la necesaria tasa de crecimiento de estas tecnologías se comprenden 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 productora 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. [44]
ElEl generador solar supera algunos de estos problemas. Un generador solar es una planta de fabricación de paneles fotovoltaicos que puede volverse energéticamente independiente utilizando la energía derivada de su propio tejado utilizando sus propios paneles. Una instalación de este tipo no sólo se convierte en autosuficiente energéticamente, sino también en un importante proveedor de nueva energía, de ahí el nombre de generador solar. La investigación sobre este concepto fue realizada por el Centro de Ingeniería Fotovoltaica de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia. [45] [46] La investigación reportada establece ciertas relaciones matemáticas para el generador solar que indican claramente que una gran cantidad de energía neta está disponible de dicha planta para el futuro indefinido. [47] La planta de procesamiento de módulos solares en Frederick, Maryland [48] se planeó originalmente como tal generador solar. En 2009, el Consejo Científico de Japón propuso el proyecto Sahara Solar Breeder como una cooperación entre Japón y Argelia con el objetivo muy ambicioso de crear cientos de GW de capacidad en 30 años. [49]
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