关于能源投入回报(EROI)研究进展的探索

作者：郑晓敏

   1  能源回报( EROI)的研究历程及其内涵

1.1   EROI起源

  从热力学角度来看，任何生产过程在释放能量时也要消耗能量，因此能源的可持续供应能力应是用能源制造能源后剩余的净能源(net energy)，而不是以往所认为的能源产量而已。EROI方法在净能源分析方法的基础上发展起来。1973年，Odum提出对于整个物种来讲具有真正价值的是净能源。1981年，Hall在Science杂志上发表文章，进一步阐述了净能源思想，还提出了单位“努力”的石油产量这一指标，隐含地表达出EROI的涵义。1984年，Cleveland C．J．等人正式提出EROI的概念，并于同年在Science杂志对EROI提出了更为系统的探讨，即EROI是指为了经济直接或间接需要的能源而进行开采的燃料总量与以可用形式传递到社会的燃料总量的比值。继Cleveland C．J．等人将EROI应用到美国石油领域的研究中之后，目前EROI研究对象多集中于对美国和欧洲，范围涉及常规化石能源、非常规能源和可再生能源等等，形成了庞大的研究体系，而国内对于EROI的研究却寥寥无几。

1.2   EROI方法的现实意义

  EROI作为一种新的能源生产评价方法，是在能源资源限制性作用凸显的背景下应运而生的。在能源资源充裕时代，经济发展理论以货币为衡量单位，追求经济效益的最大化。但是进入能源资源短缺时代，经济发展应当首先考虑能源资源这一基础要素，即自然界到底能为社会经济发展提供多少能源。几乎所有产品的生产均与能源有关，其中就包括能源本身的生产（如能源勘探、开发、生产、运输等）同样需要能源投入，即能源是产出，也是投入。随着能源资源的减少和能源开采难度的增加，能源生产过程中的能源消耗也逐渐增加。然而，以往的单纯从经济角度出发，追求利润最大化、正现金流量等评价方法忽略了资源约束。而这种忽略能源消耗而单纯追求能源产量升高的评价方法是片面的，应该考察能源生产对能源的利用情况。在现在能源资源短缺的背景下，需要建立合理的能源生产评价新方法，重点分析能源资源的基础性约束作用，进而合理考虑经济效益。

1.3  EROI计算框架

  最初，EROI方法采用热当量法，即将能源生产过程中的产出与投入转化为热当量值(式(1））。

式中，EOi和EIi别表示第i种能源产出的热当量值和投入的热当量值。

  另外，EROI方法需要确定两个重要的维度：一是生产的边界是什么，这就确定了的产出项包括什么，这里称其“产出边界”；二是投入包括什么，这里称其“投入层级”。一般地，EROI研究者遵循Murphy等建立的EROI两维计算标准，产出边界包含整个能源的生产阶段（化石能源的开采阶段，新能源的产生阶段），而不包含能源的运输与终端使用阶段。投入边界包含生产阶段的直接和间接的能源与原材料投入数据。此边界下计算的EROI称为“标准EROI”，其值具有可比性，较高的EROI意味着相同的投入可以获得更多能源产量或者在产量相同的情况下消耗更少的能源。

2  能源回报( EROI)的研究进展分析

2.1  化石能源EROI值

  化石能源是目前利用最为广泛的能源，外国学者对于其EROI的研究由来已久，研究的时间跨度长、样本选取多、地区跨度广，本文根据目前搜集的资料，将化石能源的EROI的主要研究成果汇总如表1、图1、图2所示。

  通过以表1、图2、图2，首先从时间上来看，可以发现石油、天然气、煤炭的EROI都呈现出显著的下降趋势。美国石油天然气生产EROI值在20世纪30年代时在100左右，在20世纪70年代时为30，到21世纪只有大约11～18之间，世界油气生产EROI平均值由20世纪90年代的35降到如今的18左右。加拿大西部和大庆油田油气EROI近十几年维持在5～10之间，且有缓慢下降的趋势。美国煤炭EROI在20世纪70年代降至30，如今只有5～11。从地区的角度来看，美国、加拿大以及全球大型油田EROI都接近于18的世界平均水平，中国的大庆油田EROI较低，说明其已经进入生产的瓶颈期，产量的维持伴随着巨大的能源投入。而俄罗斯、挪威油气EROI相对较高，说明其仍处于产量上升期，资源前景良好。

  通过对化石能源EROI趋势的进一步研究，揭示了技术进步与化石能源耗竭之间的抗衡作用。Dale等发现技术进步存在“顶板”，在化石能源产量达到峰值之前，技术进步能够使产量增加，EROI也随之上升，但是当技术进步逼近“顶板”，资源耗竭程度愈加明显时，产量将不能再上升，EROI也会下降。EROI在时间序列上也出现峰值，例如，Bryan等发现美国天然气生产的EROI出现了两次峰值，其中一次与Hubbert预测的天然气峰值发生在同一时间；Leena等发现挪威石油生产的EROI峰值出现在1996年。关于化石能源峰值和EROI的具体关系，研究者有以下发现：EROI峰值及其产量峰值具有依赖性；EROI的下降能够解释石油产量的下降；EROI与化石能源价格成反比例关系，与化石能源资源的耗竭程度成反比例关系；EROI将直接影响能源部门和工业部门的资本存量，EROI将随能源产量的提高呈“倒U型”，其中技术对能源回报有提升作用、资源耗竭量对能源回报有下拉作用。

2.2  可再生能源与非常规能源EROI值

  目前，关于可再生能源和非常规能源的EROI值还无系统全面的统计，大部分只是在石油天然气研究文献中涉及了这些能源的数值大小。但是，针对太阳能、风能、生物燃料各自均有一定的统计，并对其进行了对比，本文也将其列出。

2.2.1太阳能

  太阳能利用主要分为两类，即太阳能热利用和太阳能光伏发电(PV)，其中以太阳能光伏发电为主要研究（表2、图3）。太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、控制器和逆变器组成基本原件组成，不同组件的PV有些处于基础研究阶段，有些已经应用到商业化阶段，通过表2可以看出，太阳能EROI值的大小主要取决于这些关键组件的成本。对主要的太阳能发电技术下EROI取平均值进行归纳，如图3所示。目前看来，聚光太阳能发电(CSP)EROI处于30左右，应用潜力较大，其他材料电池的PV总体看来EROI值相近，都显著低于化石能源。日后能提高EROI的新组件仍有待开发，以获得更多的净能源，才能替代化石能源维持经济活动和社会功能必须的能源量。

2.2.2  风能

  风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机的速度提升来促进发电机发电。外国学者通过实验，在不同国家、不同电站进行现场实验，对风能的EROI进行采样式的计算，得出样本的EROI值或范围，由表3、图4可以看出，加拿大、美国、丹麦的风能EROI值比其他国家高，这和他们的自然环境、技术有密切关系。近两年，我国风电建设突飞猛进，表现出强劲的发展态势，已经出现了一批大规模的风电场，但遗憾的是对于我国风能的EROI研究仍是空白。未来需要计算得出我国风能EROI在世界上处于的水平，为发展风能提供EROI参考，同时吸取加拿大、美国、丹麦风能的发展经验。

  表4汇总了生物能源植物的种植到生物燃料制造的整个过程EROI研究结果，由于采取的生产技术不同，同种生物燃料EROI值有一定差别，图5反映了不同生物燃料平均值的对比情况。由图可知，甘蔗制生物乙醇的EROI高于玉米、大米等其他材料制乙醇，大约为8～10，但是中国四省的甘蔗制生物乙醇EROI却较低。大米秸秆转化的生物燃料和藻类生物燃料EROI大约是6，高于其它生物柴油。但是从整体上看，生物燃料的EROI值普遍较低，离替代化石能源还有很长的路。

2.2.3生物质能

  生物质能是通过物理、化学、生物转换对生物质加以利用的能源，其中转换方法包括物理转换方法、化学转换方法两种。EROI的研究思想最早体现在生物质能源的研究上面，用以衡量不同的生物质能带来的净能源的多少。

2.2.4非常规能源和其他可再生能源

  非常规油气资源一般包括致密和超致密砂岩油气、页岩油气、超重（稠）油、沥青砂岩、煤层气、水溶气、天然气水合物等。由于非常规油气资源储层地质结构复杂，已掌握的地质勘探开发理论和常规油气开发技术不能完全适用于非常规油气资源，目前虽然非常规油气资源储量非常巨大，但它的开发仍处于起始阶段。2005年以后，对于非常规资源以及核能、潮汐能的EROI研究才有所开展，本文列出了最新的研究成果，如表5和图6所示。由图表看以看出，水电和致密气EROI较高，如今在有些国家已经开发的油页岩、油砂的EROI相对较低。但是就目前研究来看，研究时间短、数据量偏少、边界不统一，还需要长时间进一步的研究。

2.3  EROI在其他研究领域的应用

  近些年，EROI方法已经不止应用于研究能源的开发利用过程，而已扩展到人类生产生活的许多领域，表6列出了几例EROI在其他领域的典型应用。这表明EROI作为一种新的能源评价方法为更多研究者所认同。这种用能量将自然生态系统和人类社会经济系统相联系，剖析生产生活中能量产出与消耗的方法，具有非常广阔的研究与应用前景。

3  能源回报（EROI）的未来研究方向

  有关能源回报( EROI)的研究在我国尚属新领域，作为国内研究的起步阶段，本文只是对其中的部分问题进行了探讨，其深度和广度还有待进一步拓展。未来值得进一步研究的领域主要包括以下几方面。

  1)关注非常规油气资源和新能源EROI值的测算，将EROI评价方法作为判断这些能源生产价值大小的衡量标准之一。通过回顾现有研究，可以发现风能、太阳能等新能源和页岩气等非常规资源相对于常规能源来说EROI值较低。为保障能源供应安全，非常规油气资源和新能源未来将是常规油气的重要替代，尤其是非常规油气资源将作为未来数十年内影响世界格局的重要战略资源。由于其资源赋存与常规油气有着较大差异，导致其勘探、开发、加工等环节对相关技术、设备及投入的要求和产出与常规油气不尽相同，在现有经济、技术和环境约束下如何有效合理开发是关键。我国目前正大力研究或已经开发非常规资源（如页岩气）和新能源，计算出我国的非常规资源和新能源的EROI可以为评价其开发潜力大小提供新标准。我国能源生产的EROI测算刚刚起步，且主要集中于常规能源生产领域，非常规能源和新能源研究甚少。在新能源方面，目前仅研究了一些省份生物乙醇的EROI值，例如胡燕计算了四川南充生物柴油项目的EROI，而关于中国的非常规资源EROI的研究尚未出现，这都应成为国内EROI研究者的研究方向。

2)EROI与传统能源评价方法的结合。EROI评价方法将重心集中于能源资源的物理意义，但不可否认，能源生产评价不仅涉及其物理意义，也与经济效益、投资政策、技术进步等要素紧密相连。因此，需要将EROI方法与传统经济评价方法相结合，全面分析其生产的价值性，建立综合评价准则（如表7所示）。

  使用EROI评价方法需要确定EROI基准值。由于能源开采以后还要经过加工、运输、终端使用等一系列过程，所以能源生产EROI基准值必须大于1才能有净能源供社会使用。而以净能源供应为零（终端消费EROI=1）计算出的能源开采EROI值，就是能源开采最小需要达到的水平，这就是“最小EROI准则”。据此，Hall[78]以终端使用EROI值1为目标，简单计算了不同产出边界的EROI基准值，认为能源开采的EROI值至少要达到3。未来的研究者应当根据具体的研究目标计算出特定的EROI基准值。针对EROI评价方法与传统经济评价方法出现相悖的情况，即出现“能源盈余”与“经济盈余”矛盾的情况，则需要进一步的深入研究。

  3)考虑环境破坏所带来的能源成本下EROI的计算。随着环境问题的加剧和环境意识的增强，能源开发过程中带来的环境污染日益受到关注，在实践操作中，如在油气开发过程中，为了防止或减少碳排放、水污染、土地污染等问题，需要额外采取相关技术或措施，然而这所伴随的能源投入的额外增加会影响EROI计算结果。当前，越来越多的国家积极采取措施解决能源生产过程中的环境问题，如加拿大出台政策，要求开采油砂的企业采用碳捕捉技术、投资碳减排或购买碳积分。美国也为页岩气开发中的甲烷减排制定了强制或半强制的法规。

这些都将对油气开采中的能源消耗产生巨大的影响。目前世界范围的研究成果尚集中于“标准EROI”计算，未加入应对环境破坏所产生的能源成本，如此计算的EROI可能高估了实际值。由此可见，考虑环境问题后能源回报问题更能反映生产实践，这方面亟需引起重视，有待进一步完善研究。

  4)考虑能源生产过程中技术进步等因素下能源消耗的预测。EROI值与能源生产过程中的能源消耗量成反比，技术进步将减少能源生产过程中的能源消耗量，对能源回报有提升作用。影响技术因素的变量有两个：一是用于提取能量的设备本身蕴含着多少能量，在能源开采的起始阶段必须要投入一定的能量，例如一个风力涡轮发电机的建立必定需要投入能量。二是设备从自然环境中提取能量的效率。这两个变量都严格服从物理限制。目前EROI预测主要采用趋势外推等方法简单进行预测，较少考虑技术进步对于能源利用效率提高的影响。未来进行EROI趋势预测，既要考虑技术带来的生产效率的提高，又要看到技术进步存在的极限，需要计算生产的不同阶段中技术进步带来的能量节约量，从而对能源生产过程中的能源消耗进行更加准确的预测进而更加准确地预测EROI的变化趋势。

5)研究EROI与经济发展、生活水平等方面关系。目前绝大部分EROI研究集中于EROI值的计算，在此基础上，近年来已有学者开始扩展EROI的研究范围，探索EROI与经济发展、人的生活质量等方面的关系，进一步挖掘其隐含在经济生活的重要作用。例如，Heun和Wit (2012)研究了EROI与油价变动的关系，发现EROI低于10时，油价出现高位非线性波动。冯连勇等(2014)研究了中国化石能源回报对经济增长影响，发现两者具有长期稳定的均衡关系，能源要素的投入能够增加经济的产出，GDP增长带动能源消费的趋势不明显。Lambert等(2014)分析了EROI与人的生活质量的关系，发现人的生活水平与EROI的高低有显著相关性，同时还发现一个饱和点（EROI=20），EROI在此点上继续提高，生活水平不会出现显著的改善。然而以上研究只是做出了初步探索，在计算方法、边界界定等方面还需要进一步完善。未来需要加大对于EROI与经济发展、生活水平等方面关系的研究，充分发挥EROI应有的指导价值。

4摘  要：能源投入回报(Energy Return on Investment，EROI)在1984年正式提出后，受全球能源生产放缓、油价剧烈波动等因素影响，受到越来越多的关注。国外学者进行了深入研究包括测算常规化石能源、非常规化石能源以及可再生能源等的EROI值，但国内相关研究甚少，因此，本文主要目的是通过系统分析EROI研究现状和趋势为国内学者研究提供参考。本文总结了目前国内外已测算出的常规油气、页岩气、生物能等的EROI值，发现化石能源EROI呈现下降趋势，新能源的EROI值较常规化石能源明显偏低。未来需要进一步研究的领域主要包括：非常规能源和新能源EROI值的测算；EROI与传统能源评价方法的结合；考虑环境破坏所产生能源成本下EROI的计算；考虑技术进步等因素下能源消耗的预测；研究EROI与经济发展、生活水平等方面关系。