Współczynnik zbiorów

Współczynnik wydajności ( angielski eroei , EROEI , czasami Eroi ) jest metryka używane do opisania wydajności o elektrowni lub w eksploatacji źródeł energii .

Opis matematyczny

Współczynnik zbiorów opisuje stosunek zużytej energii do zainwestowanej energii . W przypadku elektrowni energia elektryczna to głównie energia elektryczna (ogólnie egzergia ), podczas gdy „ szara energia ” stosowana w cyklu życia systemu opisuje, co w idealnym przypadku powinno być również określone jako egzergia. jest również znany jako skumulowany wydatek energetyczny, o którym mowa ${\ styl wyświetlania \ epsilon}$${\ styl wyświetlania E _ {\ matematyka {R}}}$${\ styl wyświetlania E _ {\ matematyka {I}}}$${\ styl wyświetlania E _ {\ matematyka {R}}}$${\ styl wyświetlania E _ {\ matematyka {I}}}$${\ styl wyświetlania E _ {\ matematyka {I}}}$

${\ displaystyle \ epsilon = {\ frac {E _ {\ matematyka {R}}} {E _ {\ matematyka {I}}}}}$

Im wyższa ta wartość, tym wydajniejsze źródło energii. Odpowiada więc na pytanie: „Jak często otrzymujesz energię ponownie wkładaną?” Wartości powyżej jednej oznaczają dodatni ogólny bilans energetyczny .

Skumulowane zużycie energii składa się z części stałej (budowa zakładu, demontaż itp.) oraz części zmiennej (konserwacja, zakup paliwa), która z czasem wzrasta: ${\ styl wyświetlania E _ {\ matematyka {I}}}$${\ displaystyle E _ {\ matematyka {poprawka}}}$${\ displaystyle P _ {\ matematyka {I}} * t}$${\ styl wyświetlania t}$

${\ displaystyle E _ {\ mathrm {I}} (t) = E _ {\ mathrm {poprawka}} + P _ {\ mathrm {I}} \, t}$

Energia zużyta przez czas obliczona ze średniej produkcji netto do ${\ displaystyle E _ {\ matematyka {R}} (t)}$${\ styl wyświetlania t}$${\ styl wyświetlania P}$

${\ displaystyle E _ {\ mathrm {R}} (t) = P \, t}$

Czynnikiem plonowania dla rośliny o długości życia będzie ${\ styl wyświetlania T}$

${\ displaystyle \ epsilon = {\ frac {P \, T} {E _ {\ matematyka {poprawka}} + P _ {\ matematyka {I}} \, T}}}$

Żywotność jest zatem kluczowym elementem czynnika żniw.

Energetyczny okres zwrotu

Czas zwrotu energii to czas, w którym skumulowany wkład energii jest równy energii zużytej, tj . . To skutkuje ${\ displaystyle T _ {\ matematyka {a}}}$${\ displaystyle E _ {\ matematyka {R}} (T _ {\ matematyka {a}}) = E _ {\ matematyka {I}} (T _ {\ matematyka {a}})}$

${\ displaystyle T _ {\ mathrm {a}} = {\ frac {E _ {\ mathrm {poprawka}}} {P-P _ {\ mathrm {I}}}}}$

W przeciwieństwie do współczynnika zbiorów, okres amortyzacji energetycznej niewiele mówi o ogólnej sprawności elektrowni, ponieważ nie obejmuje okresu użytkowania. Na przykład energia potrzebna do pozyskania paliwa może być bardzo wysoka lub żywotność systemu nie może być dużo dłuższa niż okres zwrotu.

Pierwotny energetycznie oceniany współczynnik zbiorów / czas amortyzacji

W innej definicji zużyta energia jest zamieniana na energię pierwotną , której hipotetyczna elektrownia musiałaby dostarczyć taką samą energię elektryczną. Opiera się to na stałej sprawności tej hipotetycznej elektrowni, którą zwykle szacuje się na 34%. Zużyta energia jest zatem zastępowana przez . W celu odróżnienia go od współczynnika plonowania, ten „oszacowany pierwotna energia” współczynnik plonowania jest tutaj przytaczany . Związek ze współczynnikiem żniw jest zatem ${\ styl wyświetlania E _ {\ matematyka {R}}}$${\ styl wyświetlania \ eta}$${\ displaystyle E _ {\ matematyka {R}} / \ eta}$${\ displaystyle \ epsilon _ {\ mathrm {prim}}}$

${\ displaystyle \ epsilon _ {\ mathrm {prim}} = \ epsilon / \ eta \ około 3 \ epsilon}$.

Odpowiada więc na pytanie „O ile więcej energii elektrycznej można uzyskać, jeśli paliwo pierwotne zostanie przeznaczone na budowę, eksploatację, użytkowanie i pozyskiwanie paliwa tej elektrowni zamiast przetworzenia na energię elektryczną w już istniejącej elektrowni o sprawności 34%” .

Energetyczny okres amortyzacji odpowiada „okresowi amortyzacji ocenianemu pod względem energii pierwotnej” . Zależność między tymi dwiema wielkościami to: ${\ displaystyle T _ {\ matematyka {a}}}$${\ displaystyle T _ {\ mathrm {a, prim}}}$

${\ displaystyle T _ {\ mathm {a, prim}} = {\ frac {PP _ {\ mathrm {I}}} {P / \ eta -P _ {\ mathrm {I}}}} T _ {\ math { a}} \ ok {\ frac {P-P _ {\ mathrm {I}}} {3P-P _ {\ mathrm {I}}}} T _ {\ mathrm {a}}}$.

Aby przeliczyć go na okres amortyzacji energetycznej, należy podać względne koszty użytkowania . ${\ styl wyświetlania P _ {\ matematyka {I}} / P}$

Należy zauważyć, że w niektórych publikacjach niemieckojęzycznych jest on po prostu określany jako „współczynnik zbiorów” i „czas amortyzacji”. Nie jest to jednak zgodne ze zwykłą definicją w literaturze specjalistycznej i międzynarodową definicją angielskiej energii zwracanej z zainwestowanej energii (ERoEI). Tutaj również produkcja („żniwa”) nie jest już porównywana z wkładem („nasiona”), ale hipotetyczny wkład z rzeczywistym wkładem. Jest to więc „czynnik zastępczy”. ${\ displaystyle \ epsilon _ {\ mathrm {prim}}}$${\ displaystyle T _ {\ mathrm {a, prim}}}$

Przybliżenie dla małych kosztów utrzymania i zakupu paliwa

Jeżeli koszty utrzymania i zakupu paliwa są małe w porównaniu z kosztami stałymi i małe w porównaniu z dostarczaną energią , współczynnik zbiorów jest uproszczony, a czas amortyzacji skrócony . Oba rozmiary dotyczą więc prostej zależności ${\ displaystyle P _ {\ matematyka {I}} \, T \ ll E _ {\ matematyka {poprawka}}}$${\ displaystyle P _ {\ matematyka {I}} \ ll P}$${\ displaystyle \ epsilon \ ok P \, T / E _ {\ mathrm {poprawka}}}$${\ displaystyle T _ {\ matematyka {a}} \ ok E _ {\ matematyka {poprawka}} / P}$

${\ displaystyle \ epsilon \ ok {\ frac {T} {T _ {\ matematyka {a}}}}}$.

połączone ze sobą.

Czynniki zbiorów i czasy zwrotu dla niektórych typów elektrowni

Klif użytecznej energii netto ze zmniejszającym się współczynnikiem zbiorów ( zwrot energii z zainwestowanej energii )

Poniższa tabela jest zestawieniem źródeł o różnej jakości. Minimalnym wymaganiem jest rozbicie skumulowanego zużycia energii według danych materiałowych. Często można znaleźć zbiory czynników żniw, które nie dowodzą w przejrzysty sposób pochodzenia wartości. Nie są one uwzględnione w tej tabeli.

Liczby pogrubione są tymi podanymi w odpowiednim źródle literaturowym, liczby w normalnym druku to te, które pochodzą z niego (patrz opis matematyczny ).

Ocena pól naftowych

Duże znaczenie dla oceny zasobów ropy naftowej ma współczynnik zbiorów . Podczas gdy w latach 70. wysokie wartości średnio 40 można było jeszcze osiągnąć w produkcji ropy naftowej , dziś znacznie spadły ze względu na trudniejszy rozwój . W szczególności piaski roponośne i łupki bitumiczne mają bardzo niskie wskaźniki plonowania. Ponieważ współczynnik zbiorów uwzględnia jedynie stosunek energii zużytej do energii odzyskanej , nie są brane pod uwagę ekologiczne konsekwencje produkcji ropy naftowej, na przykład spowodowane spalaniem powiązanych gazów .

Wyznaczanie współczynnika plonowania dla elektrowni

W przypadku elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi, z definicji, oprócz nakładów energetycznych na budowę i eksploatację elektrowni, w obliczeniach uwzględnia się również zużyte paliwo, ponieważ jest ono nieodwołalnie spalane w celu wytworzenia energii elektrycznej. W rezultacie elektrownie na paliwa kopalne zawsze mają współczynnik zbiorów mniejszy niż jeden. Energia odnawialna to jedyne rodzaje elektrowni, które mogą mieć współczynnik zbiorów większy niż jeden, ponieważ źródła energii, takie jak wiatr, woda czy słońce, według ludzkiej oceny nie są ograniczone ani nie regenerują się, jeśli są wykorzystywane w sposób zrównoważony (np. z lasów). Jednak zgodnie z tą definicją porównanie elektrowni kopalnych i niekopalnych nie jest już możliwe, ponieważ jest ono różne dla obu typów elektrowni.

Zwykle w literaturze technicznej paliwo nie jest brane pod uwagę przy obliczaniu współczynnika zbiorów, a jedynie energia wymagana do budowy i konserwacji jest porównywana z wytworzoną energią. Oznacza to, że różne typy systemów można ze sobą porównywać, niezależnie od paliwa, czy to jądrowego, czy słonecznego.

Współczynnik zbiorów, uwzględniający zużycie paliwa, wynika dla elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi w długim okresie eksploatacji systemu (20 lat i dłużej) w przybliżeniu z wydajności systemu, ponieważ nakłady energii na budowę i demontaż systemu w stosunku do bardzo duża ilość energii przetworzonej przez cały okres (paliwo) staje się bardzo mała. Obliczenie całkowitej energii potrzebnej do wytworzenia produktu jest na ogół bardzo złożone. W zależności od źródła i, jeśli dotyczy, zainteresowań autora, określone współczynniki zbiorów mogą się znacznie wahać. Czas trwania zakładanej żywotności systemu ma również wpływ na poziom współczynnika zbiorów i dlatego powinien być określony.

Energetyczny okres zwrotu

Energiczny okres zwrotu jest ściśle związane z określeniem współczynnika żniw . Znany jest również pod pojęciem czasu zwrotu energii lub po prostu amortyzacji energetycznej .

Okres amortyzacji energetycznej opisuje czas, w którym system wytwarzania energii musi działać, aż energia użyta do produkcji zostanie odzyskana, jeśli współczynnik zbiorów jest zatem równy jeden. Systemy zasilane energią odnawialną charakteryzują się okresami amortyzacji energetycznej wynoszącymi kilka miesięcy lub lat.

Ściśle mówiąc, okres amortyzacji energetycznej nie jest kluczową wartością dla rentowności, ale nadal ma znaczenie przy ocenie technologii pod kątem potencjalnego wzrostu kosztów. Ponadto dla zewnętrznej prezentacji firm korzystne może być dążenie do krótkich energetycznych czasów amortyzacji.

Turbiny wiatrowe

W publicznej dyskusji na temat wykorzystania energii wiatrowej czas amortyzacji energetycznej turbin wiatrowych jest często kontrowersyjnym tematem pomiędzy zwolennikami („tylko kilka miesięcy”) a przeciwnikami („brak amortyzacji energetycznej”). Podczas gdy wstępne badania z pionierskich dni wykorzystania energii wiatrowej (lata 70. i 80. XX wieku), oparte na niedojrzałych systemach testowych, z pewnością doprowadziły do ​​wniosku, że amortyzacja energetyczna jest prawie niemożliwa, liczne badania od końca lat 80. wykazały, że dzisiejsze dojrzałe systemy seryjne amortyzują się energetycznie w ciągu kilku miesięcy.

Istnieją jednak pewne różnice w wynikach różnych badań. Z jednej strony jest to związane z bardzo zróżnicowaną, zależnie od lokalizacji wydajnością energetyczną turbin wiatrowych, az drugiej strony z rozważanym cyklem życia (LCA = Life Cycle Assessment). Ponadto metody księgowe często się różnią. Czasami rozważa się tylko produkcję systemu (stare badania), czasami dodaje się zużycie energii na wydobycie surowców, produkcję, transport, montaż, konserwację przez cały okres użytkowania (zwykle 20 lat) oraz demontaż i utylizację materiałów (nowsze badania = CO ₂ -ślad). Obliczony w ten sposób skumulowany wydatek energetyczny dla turbiny wiatrowej Enercon E-82 na 98 m betonowej wieży z 20-letnim okresem eksploatacji systemu wynosi według producenta, który nie publikował dalszych danych, 2 880 000 kWh zużycia energii pierwotnej . Liczba ta została potwierdzona przez TÜV Rheinland w ramach oceny. Jeśli uwzględnimy to zużycie energii pierwotnej w stosunku do ilości wytworzonej energii elektrycznej (dla wspomnianych 20 lat), otrzymamy współczynnik zbiorów. W zależności od lokalnych warunków wietrznych wynosi od 30 (umiarkowane położenie, np. wybrzeże Niemiec) do 50 (korzystne położenie, np. wybrane miejsca na niemieckiej plaży).

Analizy hybrydowe oparte na danych procesowych i podejściu input-output rejestrują również energetyczną inwestycję w park maszynowy u producenta i dostawcy. Skutkuje to energetycznym okresem amortyzacji krótszym niż rok.

Systemy fotowoltaiczne

Energia jest potrzebna do produkcji, transportu, konserwacji itp. – m.in. w postaci energii elektrycznej i ciepła. Można to obliczyć - na przykład na podstawie rachunków za energię elektryczną zainteresowanych fabryk, zużycia paliwa przez ciężarówki itp. Gdy system jest całkowicie zbudowany, wytwarza energię elektryczną. Współczynnik zbiorów wskazuje teraz, o ile więcej (elektrycznej) energii wytwarza system w ciągu swojego życia niż całkowita ilość energii wymagana do jego produkcji, montażu i demontażu pod koniec jego życia.

Energetyczny czas amortyzacji systemów fotowoltaicznych zależy zasadniczo od następujących czynników:

1. Sprawność ogniwa fotowoltaicznego

2. Wydatki energetyczne na wytworzenie pojedynczego ogniwa fotowoltaicznego i wytworzenie potrzebnego do tego krzemu

3. Wydatek energetyczny na wytworzenie modułu (rama, szkło) z kilku ogniw fotowoltaicznych

4. Wydatki energetyczne na transport (surowce do miejsca produkcji oraz moduły lub części systemu do odpowiedniego miejsca użytkowania)

5. Wydatki energetyczne na instalację systemu fotowoltaicznego składającego się z kilku modułów, np. na dachach

6. Integracja elektryczna systemu fotowoltaicznego z siecią energetyczną wraz z falownikiem

7. Wydatki energetyczne na demontaż systemu fotowoltaicznego z kilku modułów np. na dachach

8. Wydatki energetyczne na utylizację lub recykling na surowce wielokrotnego użytku.

W przypadku lokalizacji w południowej Europie czas zwrotu energii (przy procesach produkcyjnych z 2011 r.) wynosił od 0,8 do 1,5 roku w przypadku technologii cienkowarstwowych i około 1,7 do 1,2 roku w przypadku systemów opartych na monokrystalicznych i multikrystalicznych ogniwach słonecznych.

Federalna Agencja Środowiska podaje w publikacji czasy zwrotu energii dla badanych systemów fotowoltaicznych, zgodnie z którymi w Niemczech wynoszą one od 0,9 roku dla modułów CdTe do 2,1 roku dla monokrystalicznych modułów fotowoltaicznych. Wydatki na energię pierwotną zainwestowane w produkcję, użytkowanie i koniec życia systemów fotowoltaicznych są zatem amortyzowane po bardzo krótkim okresie eksploatacji systemu. Zapewnia również narzędzie obliczeniowe do indywidualnego określenia oceny cyklu życia systemu fotowoltaicznego.

Czas budowy zakładów

Zwykła definicja okresu amortyzacji energetycznej nie uwzględnia okresu pomiędzy wykorzystaniem energii do produkcji systemu a rozpoczęciem produkcji energii lub konwersji energii. Ściśle mówiąc, można by to dodać do okresu zwrotu. Chociaż między energochłonną produkcją niezbędnych surowców a uruchomieniem turbin wiatrowych i parków słonecznych mija kilka tygodni do miesięcy, to opóźnienie może wynosić kilka lat w dużych elektrowniach cieplnych lub wodnych. Przy podobnym okresie użytkowania energii, farma fotowoltaiczna lub wiatrowa często już zamortyzowała się energetycznie, podczas gdy konwencjonalna elektrownia jest jeszcze w budowie.

Amortyzacja dwutlenku węgla

Amortyzacja dwutlenku węgla, znana również jako amortyzacja gazów cieplarnianych, opisuje czas potrzebny na ponowne zbilansowanie gazów cieplarnianych wytwarzanych podczas produkcji poprzez wytwarzanie energii.

Energochłonność energetyki jądrowej

Odwrotność współczynnika zbiorów rozumiana jest jako energochłonność w sensie zużycia energii na jednostkę wytworzonej wartości . Jeśli spojrzeć na paliwa jądrowego łańcucha od wydobycia uranu do likwidacji w elektrowni jądrowej , intensywność energetyczna ponad 100% oznacza, że bilans energetyczny staje się ujemne i produkcja energii nie jest już sensowny ( trwały ) z punktu widzenia energetycznego widzenia .

Energochłonność jądrowego łańcucha paliwowego jest oceniana bardzo różnie w różnych badaniach ze średnią zawartością rudy uranu od 2 do 150 procent: badanie przeprowadzone przez Centrum Zintegrowanej Analizy Zrównoważonego Rozwoju z 2006 r. wykazało średnio 18 procent w zakresie od 10 do 30 procent; Badanie przeprowadzone przez Storm/Smith określa wartość 150 procent dla zawartości rudy uranu 0,013 procent.

Jeżeli zawartość uranu w wydobytej rudzie spadnie poniżej granicy ok. 0,01%, przerób wydobytej rudy staje się etapem procesu o największym nakładzie energetycznym (ponad 40%) w bilansie energetycznym; Od tego momentu bilans energetyczny wytwarzania energii jądrowej będzie również ujemny: przy niezmienionej mocy zainstalowanej jądrowej zawartość rudy w wydobywanych skałach uranu powinna osiągnąć tę wartość graniczną w 2078 r., również ze względu na zapotrzebowanie przekraczające podaż o ok. 1/3, przy wzroście mocy o 2 proc. rocznie już w 2059 roku.

W kontekście coraz bardziej złożonego wydobycia uranu wzrasta również efekt cieplarniany wytwarzania energii jądrowej, bilans CO ₂ procesu ulega pogorszeniu: przy zawartości rudy ponownie ok. 0,01% wspomina się o 288 g / kWh, ISA osiąga jedną średnią wartość 60 g / kWh. Zawartość rudy uranu staje się również decydującym czynnikiem w ilości CO ₂ emitowanego w procesie . Zakłada się, że całe potrzebne ciepło pochodzi ze spalania paliw kopalnych, a nie z elektrowni jądrowych.

Zobacz też

• Figura wydajności
• Wydajność słoneczna
• Szara energia

linki internetowe

• Zielona energia z pełnego morza – inżynierowie RUB po raz pierwszy dokonują oceny cyklu życia morskiej farmy wiatrowej (listopad 2013)
• Instytut Fizyki Jądrowej Ciała Stałego , Czynniki zbiorów , Szczegóły obliczeń
• Bilanse energetyczne elektrowni wiatrowych. ( Pamiątka z 11 lutego 2007 r. w archiwum internetowym ) Bundesverband WindEnergie mi . V. (BWE)

Indywidualne dowody

1. ^ Karl-Heinrich Grote, Jörg Feldhusen (Hrsg.): Dubbel - miękka oprawa dla inżynierii mechanicznej . Wydanie 22. Springer , Berlin 2007, ISBN 978-3-540-49714-1 , rozdział L2.
2. ↑ ^{a b} B. Diekmann, K. Heinloth: Energia . Wydanie II. Teubner, Stuttgart 1997, ISBN 3-519-13057-2 .
3. ↑ ^{a b c d e f g h i j} D. Weißbach et al. (2013): Intensywność energii, EROI (energia zwrócona z zainwestowanej) i czasy zwrotu energii w elektrowniach wytwarzających energię elektryczną. Energia, tom 52, s. 210 i następne Doi : 10.1016 / j.energy.2013.01.029
4. ^ E. Pick, Hermann-Josef Wagner : Udział w skumulowanym zużyciu energii wybranych przekształtników energii wiatrowej . Raport roboczy Instytutu Ekonomiki Energii Przyjaznej Ekologicznie, Uniwersytet w Essen, 1998.
5. ↑ Więcej energii wiatrowej na lądzie stawia na ekologię . W: wiadomości vdi. 2 września 2011 . Źródło 17 września 2011 .
6. ↑ Enercon Windblatt 4/2011 (PDF; 1,2 MB). Strona internetowa firmy Enercon. Źródło 10 stycznia 2012 .
7. ↑ Rodoula Tryfonidou, Hermann-Josef Wagner: Morska energetyka wiatrowa – wybór technologii i zbiorcza prezentacja wyników. ( Wersja skrócona , plik PDF, 109 kB) Katedra Systemów Energetycznych i Ekonomiki Energii, Ruhr University, Bochum 2004.
8. ^ Priyanka Razdan, Peter Garrett: Ocena cyklu życia. Listopad 2019, dostęp 7 czerwca 2021 . 
9. ↑ ^{a b} Mariska de Wild-Scholten: Profil środowiskowy masowej produkcji fotowoltaiki: globalizacja. (PDF; 1,8 MB) 2011.
10. ↑ ^{a b} Jasmin Hengstler, Manfred Russ, Alexander Stoffregen, Aline Hendrich, dr. Michael Held, Ann-Kathrin Briem: Aktualizacja i ocena oceny cyklu życia energii wiatrowej i systemów fotowoltaicznych z uwzględnieniem aktualnych osiągnięć technologicznych . W: Federalna Agencja Środowiska (red.): Seria: Zmiany klimatyczne | 35/2021 . Federalna Agencja Środowiska, maj 2021, s. 392 . 
11. ^ RH Crawford: Analiza energetyczna cyklu życia turbin wiatrowych – ocena wpływu wielkości na uzysk energii. (plik PDF, 187 kB) 2007, dostęp 30.08.2018 (w języku angielskim). 
12. ↑ Federalna Agencja Środowiska: kalkulator LCA dla systemów fotowoltaicznych. Federalna Agencja Środowiska, dostęp 7 czerwca 2021 r . 
13. ↑ Johannes Kals: Operacyjne zarządzanie energią – wprowadzenie. Kohlhammer, Stuttgart 2010, ISBN 978-3-17-021133-9 , s. 172.
14. ^ ^{A b} Jan Willem Storm van Leeuwen: Energia jądrowa - bilans energetyczny. (PDF) Ceedata Doradztwo, październik 2007, archiwum z oryginałem na 4 lutego 2012 roku ; udostępniono 12 marca 2012 roku . 
15. ↑ ^{a b c d e} A. Wallner, A. Wenisch, M. Baumann, S. Renner: Bilans energetyczny przemysłu jądrowego. (PDF 4,7 MB) Analiza bilansu energetycznego i emisji CO ₂ przemysłu jądrowego w cyklu życia. Austriacki Instytut Ekologii i Austriacka Agencja Energetyczna, 2011, dostęp 12 marca 2012 (niemiecki, 1MB streszczenie ). 
16. ↑ Manfred Lenzen: Energia w cyklu życia i emisje gazów cieplarnianych w energetyce jądrowej: przegląd. (PDF za opłatą) ISA, Center for Integrated Sustainability Analysis, The University of Sydney, styczeń 2008, dostęp 12 marca 2012 (w języku angielskim).