太阳产量有多误导？

能源投资中的能源回收（EROEI）概念在能源研究中非常常用。实际上，许多读者似乎认为：“当然，在比较不同类型的能量时，EROEI是我们应该考虑的东西。还有什么重要的？”不幸的是，一个人越接近研究人员的讨论，一个人就会发现更多的问题。与EROEI一起工作的人经常说：“ EROEI是一种工具，但它是一个钝器。EROEI为100，而EROEI为10。对于微小的差异，并不清楚。”

由于EROEI工作原理的特殊性，使用EROEI分析的不同研究人员得出了截然不同的结论。最近在两个不同的太阳能光伏分析中提出了这个问题。一位作者使用EROEI分析来证明扩大太阳能光伏发电的合理性。另一位作者在《自然通讯》上发表了一篇文章，该文章声称：“取决于能源性能和模型不确定性，在1997年至2018年之间，光伏在能源使用和温室气体排放方面的累积不利与收益之间出现了收支平衡。”

我所代表的其他EROEI研究人员不同意这些结论。他们认识到，在复杂情况下，EROEI分析无法涵盖所有​​内容。某种程度上，需要通知用户足够的信息以意识到这些遗漏会导致偏差。在得出结论时，研究人员需要解决这些偏见。他们自己做（或尝试）；为什么其他人不能？

EROEI计算的根本问题是EROEI基于非常简单的模型。该模型在简单的情况下仍然可以很好地运行，但是它并不是为处理间歇性可再生能源（例如风能和太阳能PV）的复杂性而设计的。间接成本和难以衡量的成本往往被排除在外。结果是存在严重的偏差，倾向于使太阳能PV（以及其他间歇性能源，例如风）的EROEI看起来比使用平整的运动场时更为有利。实际上，已发布的用于太阳能光伏（和风能）的EROEI可能被误导。其他类似计算（例如生命周期分析和能源回收期）也存在此问题。

EROEI的一些背景

经常使用能源投资回报率（EROEI）计算来分析拟议的能源替代类型。对于产生的每种类型的能量产品，都会计算出能量输出与能量输入的比率。高比率表明该特定方法非常有效，因此可能会产生廉价的能源产品。煤是EROEI高的典型代表。使用手锯切割的木材也具有很高的EROEI。另一方面，诸如在生物燃料的生产中发生的能量输出与能量输入的低比率被期望是高成本，并且因此不适于扩展。

派生的概念是“净能量”。这定义为当从“能量输出”中减去“能量输入”或该量的变化时增加的能量。还有许多其他相关概念，包括“能源回收期”和“生命周期分析”。后者可以考虑各种材料，而不仅仅是能源材料，并且可以考虑污染问题以及能源问题。我在这里的讨论也间接地涉及这些派生概念，以及EROEI的直接计算。

EROEI量的实际计算因研究人员而异。在投入方面，研究人员必须就应确切地包括哪些能量投入做出决定（制造太阳能电池板，将太阳能电池板运输到施工现场，建造制造太阳能电池板的工厂，处置有毒废物等）。 。然后，这些能量输入全部转换为一个公共基准，例如英国热量单位（Btus）。在产出方面，当涉及化石燃料的生产时，数量是相当清楚的，计算是在“井口”进行的。当涉及到诸如太阳能电池板之类的设备的输出时，要考虑许多问题，包括预计太阳能电池板将持续多长时间以及在太阳能电池板选址的情况下实际可使用多少小时的太阳能输出（可能研究人员未知）。从理论上讲，持续维护的能源成本也应纳入计算范围，但在进行计算时将无法在专家组生命周期的早期获得。

两种EROEI：化石燃料能源回报或人工回报

我们今天通常听到的EROEI类型是我所谓的“化石燃料能源投资的能源回报”。这个概念是由查尔斯·霍尔（Charles Hall）在1970年代初提出的，在1972年出版了《增长的极限》一书之后不久。实际上，有时分母中也包含其他种类的能量，例如水力发电。遵循当今学术文献的大多数人可能会认为，这是讨论当今能源问题时唯一感兴趣的EROEI。

实际上，在化石燃料EROEI之前存在另一种EROEI分析。这是动物劳动的回报，该理论现在被称为最佳觅食理论。动物劳动报酬的下降代表了这样一种情况，即动物不得不走路（或飞翔或游泳）越来越远，或需要越来越多地向上游游泳才能找到所需的食物。当EROEI值过低时，动物种群往往崩溃。霍尔教授讲授生态学，因此精通畜牧业的能量返回问题。

还对人力劳动回报进行了平行分析。关于人类劳动回报的研究已经进行了很多年，并被托马斯·霍默·迪克森（Thomas Homer-Dixon）等人记录在《倒立的颠倒》一书中。实际上，荷马-迪克森谈到的关于人类劳动的EROEI下降是罗马帝国沦陷的原因。

人力劳动的回报可能会通过以下几种方式下降得太低：

1.资源是否耗尽或侵蚀。例如，如果表层土壤变得太稀，或者能源供应枯竭。

2.如果人口增长过多，相对于资源而言。我们对人均耕地和人均石油桶等商品非常感兴趣。

3.如果经济所获得的回报比例不成比例地流向某个精英群体，那么工人本身就不会得到足够的回报。

人力劳动报酬下降与工资下降非常相似。不断下降的回报率会影响到最底层就业人群，例如刚离开学校的年轻人和没有受过太多教育的工人。这些工资以货币计算可能会下降，也可能不会下降；重要的是这些工资购买的商品和服务是按人均计算的。一旦开始出现劳动报酬下降的情况，整个系统就会开始崩溃：

1.政府不能收足够的税。

2.企业失去了以前的规模经济。

3.很大一部分债务无法用利息偿还。

4.公民个人发现，由于工资太低且债务过多，他们负担不起结婚和新家庭的负担。

5.在早期，由于工人负担不起足够的饮食，流行病变得更加普遍。

我认为，人力劳动回报的下降是我们应该关注的EROEI下降的主要类型，因为它代表了经济所获得的所有回报类型的总和。可以将其视为“社会能源投资回报率”。

我还要指出，以这种方式定义的社会EROEI已经太低了。可以看到的一种方式是，许多国家的年轻人失业率更高。另一个是新家庭成立的延迟。另一个问题是，许多教育程度较低的工人的工资增长速度没有通胀快。

预期要计算人类劳动的EROEI和动物劳动的“劳动”的EROEI的关键因素是

1.明确界定要包括的内容。边界是每个动物或每个人的边界。

2.何时消耗能源（食物或其他能源）与何时获得输出（所使用的动物能源或人类消耗的商品和服务）之间的时间安排非常接近。

3.有一种简单的方法可将各种投入和产出加起来，即使用金融系统计算人力价值，或使用动物能源系统来确定食物投入是否充足。

在该模型中不能完全“起作用”的一件事是，人类的行为会对其他物种产生不利影响，但这并没有直接反映在人类劳动的EROEI中。这不是由工资系统处理的，但是可以在税收系统中处理。当然，如果使用税收来弥补人类对生态系统的不利影响，那么较高的税收将倾向于进一步减少人类劳动的回报，从而更快地导致崩溃。

化石燃料EROEI作为成本估算

当Hall教授开发EROEI概念时，该概念旨在进行粗略的成本估算。如果一种特定类型的替代能源需要创建大量能源，那将可能是一种非常昂贵的能源。如果只需要很少的能量，那将很便宜。当使用其他能源产品制造一种能源产品时，能源通常是主要的输入项目。因此，可以合理地预期EROEI计算将至少充当定价的“钝器”。

使EROEI不仅仅是一种钝工具的问题在于，化石燃料EROEI并不具备使EROEI按预期的方式在人工上工作的三个特征。（1）化石燃料的EROEI边界可以通过增加能量输入列表的范围来扩大，但它们始终不占整个系统的范围。（2）时间安排是一个大问题，导致需要资金和该资金的回报，但是在计算中对此没有任何调整。（3）使用能源数量而不是价格来增加投入的事实意味着，我们永远无法确定与整个供应链的总成本可比的东西。此外，类似于人类对其他物种造成不利影响的问题，间歇性电力也会对电网和其他类型的电价产生不利影响。EROEI计算排除了这些影响。

化石燃料EROEI系统最终类似于比较冰山顶部的系统，当这些冰山漂浮在略有不同的高度时，我们无法很好地测量相对高度。此外，我们的测量工具仅限于一种输入类型：可以在循环中某处计数的能量。根本不算负面影响，例如对电网或电价系统的损害。

EROEI比较的危险在于一个人最终只能进行“苹果到桔子”的比较。通常，能源类型越相似，EROEI比较就越有可能真正具有可比性。例如，与将化石燃料的EROEI与间歇性的电力的EIEI进行比较相比，使用相距一两年的数据制作的同一油田的EROEI更有可能更有意义。

太阳能光伏EROEI的特定问题

（1）预期的EROEI计算趋向于对“希望达到的目标”有偏差，而不是直接作为已实现目标的计算。如果需要油田或已运行多年的水力发电厂的EROEI，则很难找到合理的投入和产出数字。研究人员需要做的就是找出进入初始结构的混凝土，钢材和其他材料的重量，以及定期需要的投入和实际的投入，然后进行计算。当对新设备进行估算时，偏差总是指向希望实现的目标。如果正确安装，维护正确，维护成本非常低，那么太阳能电池板将产生多少电力，电网实际上可以使用太阳能电池板产生的所有电力，并且系统的所有部分都可以正常使用太阳能电池板？

（2）所有能量都被赋予相同的“权重”，无论是高质量能量还是劣质能量。实际上，由太阳能PV产生的间歇能量实际上是极低质量的输出，但是在计算中没有针对此事实进行调整。它所计数的电能质量要好得多，例如水力发电所提供的电能。

（3）使用资本不收取任何费用。当将诸如太阳能电池板之类的资本货物用于生产能源产品时，这会对经济产生若干负面影响：（a）生产的部分能源必须用来支付与长期资本使用有关的利息和/或股利，但为此分配了能源成本； （b）一国的债务与国内生产总值的比率趋于上升，因为经济需要越来越多的债务来为所有新的资本货物提供资金； （c）经济财富往往越来越集中于资本货物的所有者，使工人的富裕程度降低。EROEI计算不对任何这些缺陷收费。这些缺陷实际上是无法扩大风能和太阳能PV替代化石燃料的原因的一部分。

（4）EROEI适应症往往会产生误导性的优势，因为它们忽略了难以估计的成本。EROEI分析倾向于将重点放在“易于计数”的金额上。对于太阳能PV，最容易计算的数量是制造和运输太阳能PV的成本。各个站点之间的安装成本差异很大，尤其是对于家庭安装而言，因此这些成本很可能会被忽略。政府提供的间接利益，例如用于容纳新的太阳能光伏装置的新建道路，也有可能被忽略。必须处理所有间歇性电力的电力公司必须解决大量问题，包括抵消间歇性的影响和升级新增加的电力，以使其真正满足电网标准。有一些单独的研究（例如这里和这里）直接研究了其中的一些问题，但是在元研究中所依赖的狭窄边界分析中往往会忽略它们，而研究人员往往会依赖这些研究。

（5）尚不清楚如何将大规模太阳能光伏发电整合到电网中，因此EROEI计算中未考虑电网整合所需的成本。有许多方法可用于将太阳能PV集成到电网中。一种方法是对所有太阳能光伏和风能使用完整的备用电池。问题是产量存在季节性变化和每日变化；如果电网系统要在整个冬季通过间歇性可再生能源提供电力，而无需其他来源的补充，则将需要大量的建筑和大量的电池。即使仅使用存储来消除日常波动，能源成本也会非常高。

另一种方法是继续维护整个化石燃料和核发电系统，即使它们仅在很小一部分时间内运行。这将需要支付员工全年的工作，即使仅在一年的一部分中需要他们。其他成本，例如维护管道，也将持续一年左右。

部分方法可能会在某种程度上减少其他方法的能源需求，这将是大大增加输电量，以消除电力供应的波动。即使这些费用非常重要，也不会包含在EROEI计算中。

（6）太阳能PV（以及其他间歇性电力，例如风）通过人为地降低批发电价而直接损害其他类型的能源生产商。

批发价格往往会降到人为的低水平，因为无论是否真的需要间歇性电力，包括太阳能光伏发电，都必须添加到电网中。实际上，太阳能光伏系统几乎不会增加（如果有的话）真正的“容量”，因此，在添加太阳能光伏系统时，不应该降低其他生产商的价格，这没有逻辑上的原因。这些其他生产商如果要获得足够的投资回报以使其能够继续提供服务，则需要全部的电力批发成本，而无需因添加间歇性能源而造成的向下调整。

这些问题往往导致所需的备用发电业务倒闭。这是一个问题，尤其是对于核电供应商。核供应商发现，由于价格低廉，他们被迫在使用寿命结束之前关闭。在法国和美国都是如此。

在某些情况下，会额外进行“容量支付”以尝试解决这些问题。这些容量支付通常导致建造更多的天然气发电单元。不幸的是，这些付款并不能保证运行这些工厂所需的天然气在需要时实际可用。但是燃气发电机组造价便宜。问题（某种）已经解决！

（7）利用太阳能光伏发电无法很好地扩大规模。涉及多个问题，包括成本，债务，处理可变输出的困难以及间歇性用电对其他运营商的盈利能力的不利影响。

接下来应该做什么？

在我看来，需要声明EROEI是1970年代初开发的各种燃料的初步定价方法。不幸的是，它是一个钝器，并不真正适合为间歇性电力定价，包括太阳能光伏，风能和波浪能。与实际情况相比，它为将这些能源类型添加到电网提供了更为有利的观点。水力发电有时被认为是间歇性的，但在大多数情况下实际上是“可分派的”，因此不会出现相同的问题。

从某种意义上说，EROEI计算是一个非常简单的模型的输出。我们现在发现的是，该模型还不够复杂，无法处理间歇性电影响整个系统的方式。需要替换所有这些EROEI模型结果（包括“净能量”，生命周期分析和其他派生结果）的是，与EROEI计算相比，使用更广泛的边界的现实世界成本水平。

Euan Mearns已经表明，在欧洲，使用大量风能和太阳能的国家的住宅电价往往很高。这种比较有力地表明，当将成本退还给消费者时，成本非常高。（在美国，补贴往往隐藏在税制中，而不是提价，因此未观察到相同的模式。）

（点击放大）

图1。Euan Mearns的图显示了已安装的风能+太阳能容量与欧洲电价之间的关系。源能源问题。

即使是这种比较也忽略了一些潜在的成本，因为间歇性的电力集中水平尚未达到需要添加大量备用电池的地步。同样，对其他类型发电的盈利能力的不利影响也是一个主要问题，但这不是容易在图1所示的图表中反映出来的问题。

在我看来，如果我们想评估哪种能源产品应包括在我们的电力结构中，那么就需要一种完全不同的方法。在过去30个月中，我们经历的低能源价格（用于石油，天然气，煤炭和电力）表明消费者无法真正负担得起高昂的电价。分析师需要研究各种情况，以了解可以进行哪些更改，以将成本保持在消费者可以实际支付的金额之内。实际上，如果可以将新一代的发电量减少到最低限度，并且现有的发电量可以保持尽可能长的运行时间以降低成本，那可能会有所帮助。

核，气和煤发电的批发价格低廉的问题需要仔细分析，因为例如法国没有核电就无法轻易相处。核能通常比风能和太阳能提供更多的电力。无论如何，非间歇性提供者的财务收益必须足够高，以使它们（如果它们不在其正常寿命的尽头）可以继续运行。我不知道如何做到这一点，除非禁止间歇性电力供应商，包括目前正在运营的电力供应商。

太阳能光伏的长期作用

看来我们的文明正在达到极限。实际上，我们目前的电网似乎无法使用很长时间-可能不会像人们期望的那样持续很长时间。我们还知道，在过去的崩溃中，似乎唯一可以部分缓解这种情况的是根本性的简化。例如，中国在倒塌前用动物推车运输货物，但在大约公元三世纪倒塌后，改为用独轮车运输货物。

基于此想法，间歇性可再生能源的地方似乎不在电网中。他们可能需要在非常小的网络中运营，可能为单个家庭或企业服务。例如，一些房主可能想建立12伏直流电系统，操作一些LED灯和一些专门设计的12伏直流电设备。企业可能想做更多。当然，问题在于维护这些系统，因为电池会退化并且需要更换其他零件。在没有政府大量补贴的情况下，这种过渡似乎可以解决。

我们几乎可以无限期地相信仅使用风能+太阳能+水力发电+生物质能无限期维护当前电网系统的信念，这无疑是一个梦想。我们需要更现实地看待这种情况，并根据实际可行的方案制定计划。

注意：[1]在定义净能量时，有人会说，在进行减法运算之前，应将能量输入乘以三倍，因为在大多数计算中，输入能量只是部分计算在内。另一个变化是，计算因能源乘积而异，并且是否使用“井口”或“使用点”方法计算了EROEI。这些变化进一步加剧了关于哪些量与其他量可比较的困惑。

盖尔·特维尔伯格