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作者：鄭曉敏

   1  能源回報(bào)( EROI)的研究歷程及其內(nèi)涵

1.1   EROI起源

  從熱力學(xué)角度來看，任何生產(chǎn)過程在釋放能量時(shí)也要消耗能量，因此能源的可持續(xù)供應(yīng)能力應(yīng)是用能源制造能源后剩余的凈能源(net energy)，而不是以往所認(rèn)為的能源產(chǎn)量而已。EROI方法在凈能源分析方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。1973年，Odum提出對(duì)于整個(gè)物種來講具有真正價(jià)值的是凈能源。1981年，Hall在Science雜志上發(fā)表文章，進(jìn)一步闡述了凈能源思想，還提出了單位“努力”的石油產(chǎn)量這一指標(biāo)，隱含地表達(dá)出EROI的涵義。1984年，Cleveland C．J．等人正式提出EROI的概念，并于同年在Science雜志對(duì)EROI提出了更為系統(tǒng)的探討，即EROI是指為了經(jīng)濟(jì)直接或間接需要的能源而進(jìn)行開采的燃料總量與以可用形式傳遞到社會(huì)的燃料總量的比值。繼Cleveland C．J．等人將EROI應(yīng)用到美國石油領(lǐng)域的研究中之后，目前EROI研究對(duì)象多集中于對(duì)美國和歐洲，范圍涉及常規(guī)化石能源、非常規(guī)能源和可再生能源等等，形成了龐大的研究體系，而國內(nèi)對(duì)于EROI的研究卻寥寥無幾。

1.2   EROI方法的現(xiàn)實(shí)意義

  EROI作為一種新的能源生產(chǎn)評(píng)價(jià)方法，是在能源資源限制性作用凸顯的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。在能源資源充裕時(shí)代，經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論以貨幣為衡量單位，追求經(jīng)濟(jì)效益的最大化。但是進(jìn)入能源資源短缺時(shí)代，經(jīng)濟(jì)發(fā)展應(yīng)當(dāng)首先考慮能源資源這一基礎(chǔ)要素，即自然界到底能為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供多少能源。幾乎所有產(chǎn)品的生產(chǎn)均與能源有關(guān)，其中就包括能源本身的生產(chǎn)（如能源勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)龋┩瑯有枰�能源投入，即能源是產(chǎn)出，也是投入。隨著能源資源的減少和能源開采難度的增加，能源生產(chǎn)過程中的能源消耗也逐漸增加。然而，以往的單純從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，追求利潤最大化、正現(xiàn)金流量等評(píng)價(jià)方法忽略了資源約束。而這種忽略能源消耗而單純追求能源產(chǎn)量升高的評(píng)價(jià)方法是片面的，應(yīng)該考察能源生產(chǎn)對(duì)能源的利用情況。在現(xiàn)在能源資源短缺的背景下，需要建立合理的能源生產(chǎn)評(píng)價(jià)新方法，重點(diǎn)分析能源資源的基礎(chǔ)性約束作用，進(jìn)而合理考慮經(jīng)濟(jì)效益。

1.3  EROI計(jì)算框架

  最初，EROI方法采用熱當(dāng)量法，即將能源生產(chǎn)過程中的產(chǎn)出與投入轉(zhuǎn)化為熱當(dāng)量值(式(1））。

式中，EOi和EIi別表示第i種能源產(chǎn)出的熱當(dāng)量值和投入的熱當(dāng)量值。

  另外，EROI方法需要確定兩個(gè)重要的維度：一是生產(chǎn)的邊界是什么，這就確定了的產(chǎn)出項(xiàng)包括什么，這里稱其“產(chǎn)出邊界”；二是投入包括什么，這里稱其“投入層級(jí)”。一般地，EROI研究者遵循Murphy等建立的EROI兩維計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)出邊界包含整個(gè)能源的生產(chǎn)階段（化石能源的開采階段，新能源的產(chǎn)生階段），而不包含能源的運(yùn)輸與終端使用階段。投入邊界包含生產(chǎn)階段的直接和間接的能源與原材料投入數(shù)據(jù)。此邊界下計(jì)算的EROI稱為“標(biāo)準(zhǔn)EROI”，其值具有可比性，較高的EROI意味著相同的投入可以獲得更多能源產(chǎn)量或者在產(chǎn)量相同的情況下消耗更少的能源。

2  能源回報(bào)( EROI)的研究進(jìn)展分析

2.1  化石能源EROI值

  化石能源是目前利用最為廣泛的能源，外國學(xué)者對(duì)于其EROI的研究由來已久，研究的時(shí)間跨度長、樣本選取多、地區(qū)跨度廣，本文根據(jù)目前搜集的資料，將化石能源的EROI的主要研究成果匯總?cè)绫?、圖1、圖2所示。

  通過以表1、圖2、圖2，首先從時(shí)間上來看，可以發(fā)現(xiàn)石油、天然氣、煤炭的EROI都呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。美國石油天然氣生產(chǎn)EROI值在20世紀(jì)30年代時(shí)在100左右，在20世紀(jì)70年代時(shí)為30，到21世紀(jì)只有大約11～18之間，世界油氣生產(chǎn)EROI平均值由20世紀(jì)90年代的35降到如今的18左右。加拿大西部和大慶油田油氣EROI近十幾年維持在5～10之間，且有緩慢下降的趨勢(shì)。美國煤炭EROI在20世紀(jì)70年代降至30，如今只有5～11。從地區(qū)的角度來看，美國、加拿大以及全球大型油田EROI都接近于18的世界平均水平，中國的大慶油田EROI較低，說明其已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)的瓶頸期，產(chǎn)量的維持伴隨著巨大的能源投入。而俄羅斯、挪威油氣EROI相對(duì)較高，說明其仍處于產(chǎn)量上升期，資源前景良好。

  通過對(duì)化石能源EROI趨勢(shì)的進(jìn)一步研究，揭示了技術(shù)進(jìn)步與化石能源耗竭之間的抗衡作用。Dale等發(fā)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步存在“頂板”，在化石能源產(chǎn)量達(dá)到峰值之前，技術(shù)進(jìn)步能夠使產(chǎn)量增加，EROI也隨之上升，但是當(dāng)技術(shù)進(jìn)步逼近“頂板”，資源耗竭程度愈加明顯時(shí)，產(chǎn)量將不能再上升，EROI也會(huì)下降。EROI在時(shí)間序列上也出現(xiàn)峰值，例如，Bryan等發(fā)現(xiàn)美國天然氣生產(chǎn)的EROI出現(xiàn)了兩次峰值，其中一次與Hubbert預(yù)測(cè)的天然氣峰值發(fā)生在同一時(shí)間；Leena等發(fā)現(xiàn)挪威石油生產(chǎn)的EROI峰值出現(xiàn)在1996年。關(guān)于化石能源峰值和EROI的具體關(guān)系，研究者有以下發(fā)現(xiàn)：EROI峰值及其產(chǎn)量峰值具有依賴性；EROI的下降能夠解釋石油產(chǎn)量的下降；EROI與化石能源價(jià)格成反比例關(guān)系，與化石能源資源的耗竭程度成反比例關(guān)系；EROI將直接影響能源部門和工業(yè)部門的資本存量，EROI將隨能源產(chǎn)量的提高呈“倒U型”，其中技術(shù)對(duì)能源回報(bào)有提升作用、資源耗竭量對(duì)能源回報(bào)有下拉作用。

2.2  可再生能源與非常規(guī)能源EROI值

  目前，關(guān)于可再生能源和非常規(guī)能源的EROI值還無系統(tǒng)全面的統(tǒng)計(jì)，大部分只是在石油天然氣研究文獻(xiàn)中涉及了這些能源的數(shù)值大小。但是，針對(duì)太陽能、風(fēng)能、生物燃料各自均有一定的統(tǒng)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比，本文也將其列出。

2.2.1太陽能

  太陽能利用主要分為兩類，即太陽能熱利用和太陽能光伏發(fā)電(PV)，其中以太陽能光伏發(fā)電為主要研究（表2、圖3）。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、控制器和逆變器組成基本原件組成，不同組件的PV有些處于基礎(chǔ)研究階段，有些已經(jīng)應(yīng)用到商業(yè)化階段，通過表2可以看出，太陽能EROI值的大小主要取決于這些關(guān)鍵組件的成本。對(duì)主要的太陽能發(fā)電技術(shù)下EROI取平均值進(jìn)行歸納，如圖3所示。目前看來，聚光太陽能發(fā)電(CSP)EROI處于30左右，應(yīng)用潛力較大，其他材料電池的PV總體看來EROI值相近，都顯著低于化石能源。日后能提高EROI的新組件仍有待開發(fā)，以獲得更多的凈能源，才能替代化石能源維持經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)功能必須的能源量。

2.2.2  風(fēng)能

  風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)的速度提升來促進(jìn)發(fā)電機(jī)發(fā)電。外國學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)，在不同國家、不同電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)風(fēng)能的EROI進(jìn)行采樣式的計(jì)算，得出樣本的EROI值或范圍，由表3、圖4可以看出，加拿大、美國、丹麥的風(fēng)能EROI值比其他國家高，這和他們的自然環(huán)境、技術(shù)有密切關(guān)系。近兩年，我國風(fēng)電建設(shè)突飛猛進(jìn)，表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)，已經(jīng)出現(xiàn)了一批大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)，但遺憾的是對(duì)于我國風(fēng)能的EROI研究仍是空白。未來需要計(jì)算得出我國風(fēng)能EROI在世界上處于的水平，為發(fā)展風(fēng)能提供EROI參考，同時(shí)吸取加拿大、美國、丹麥風(fēng)能的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。

  表4匯總了生物能源植物的種植到生物燃料制造的整個(gè)過程EROI研究結(jié)果，由于采取的生產(chǎn)技術(shù)不同，同種生物燃料EROI值有一定差別，圖5反映了不同生物燃料平均值的對(duì)比情況。由圖可知，甘蔗制生物乙醇的EROI高于玉米、大米等其他材料制乙醇，大約為8～10，但是中國四省的甘蔗制生物乙醇EROI卻較低。大米秸稈轉(zhuǎn)化的生物燃料和藻類生物燃料EROI大約是6，高于其它生物柴油。但是從整體上看，生物燃料的EROI值普遍較低，離替代化石能源還有很長的路。

2.2.3生物質(zhì)能

  生物質(zhì)能是通過物理、化學(xué)、生物轉(zhuǎn)換對(duì)生物質(zhì)加以利用的能源，其中轉(zhuǎn)換方法包括物理轉(zhuǎn)換方法、化學(xué)轉(zhuǎn)換方法兩種。EROI的研究思想最早體現(xiàn)在生物質(zhì)能源的研究上面，用以衡量不同的生物質(zhì)能帶來的凈能源的多少。

2.2.4非常規(guī)能源和其他可再生能源

  非常規(guī)油氣資源一般包括致密和超致密砂巖油氣、頁巖油氣、超重（稠）油、瀝青砂巖、煤層氣、水溶氣、天然氣水合物等。由于非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，已掌握的地質(zhì)勘探開發(fā)理論和常規(guī)油氣開發(fā)技術(shù)不能完全適用于非常規(guī)油氣資源，目前雖然非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)量非常巨大，但它的開發(fā)仍處于起始階段。2005年以后，對(duì)于非常規(guī)資源以及核能、潮汐能的EROI研究才有所開展，本文列出了最新的研究成果，如表5和圖6所示。由圖表看以看出，水電和致密氣EROI較高，如今在有些國家已經(jīng)開發(fā)的油頁巖、油砂的EROI相對(duì)較低。但是就目前研究來看，研究時(shí)間短、數(shù)據(jù)量偏少、邊界不統(tǒng)一，還需要長時(shí)間進(jìn)一步的研究。

2.3  EROI在其他研究領(lǐng)域的應(yīng)用

  近些年，EROI方法已經(jīng)不止應(yīng)用于研究能源的開發(fā)利用過程，而已擴(kuò)展到人類生產(chǎn)生活的許多領(lǐng)域，表6列出了幾例EROI在其他領(lǐng)域的典型應(yīng)用。這表明EROI作為一種新的能源評(píng)價(jià)方法為更多研究者所認(rèn)同。這種用能量將自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相聯(lián)系，剖析生產(chǎn)生活中能量產(chǎn)出與消耗的方法，具有非常廣闊的研究與應(yīng)用前景。

3  能源回報(bào)（EROI）的未來研究方向

  有關(guān)能源回報(bào)( EROI)的研究在我國尚屬新領(lǐng)域，作為國內(nèi)研究的起步階段，本文只是對(duì)其中的部分問題進(jìn)行了探討，其深度和廣度還有待進(jìn)一步拓展。未來值得進(jìn)一步研究的領(lǐng)域主要包括以下幾方面。

  1)關(guān)注非常規(guī)油氣資源和新能源EROI值的測(cè)算，將EROI評(píng)價(jià)方法作為判斷這些能源生產(chǎn)價(jià)值大小的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。通過回顧現(xiàn)有研究，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)能、太陽能等新能源和頁巖氣等非常規(guī)資源相對(duì)于常規(guī)能源來說EROI值較低。為保障能源供應(yīng)安全，非常規(guī)油氣資源和新能源未來將是常規(guī)油氣的重要替代，尤其是非常規(guī)油氣資源將作為未來數(shù)十年內(nèi)影響世界格局的重要戰(zhàn)略資源。由于其資源賦存與常規(guī)油氣有著較大差異，導(dǎo)致其勘探、開發(fā)、加工等環(huán)節(jié)對(duì)相關(guān)技術(shù)、設(shè)備及投入的要求和產(chǎn)出與常規(guī)油氣不盡相同，在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境約束下如何有效合理開發(fā)是關(guān)鍵。我國目前正大力研究或已經(jīng)開發(fā)非常規(guī)資源（如頁巖氣）和新能源，計(jì)算出我國的非常規(guī)資源和新能源的EROI可以為評(píng)價(jià)其開發(fā)潛力大小提供新標(biāo)準(zhǔn)。我國能源生產(chǎn)的EROI測(cè)算剛剛起步，且主要集中于常規(guī)能源生產(chǎn)領(lǐng)域，非常規(guī)能源和新能源研究甚少。在新能源方面，目前僅研究了一些省份生物乙醇的EROI值，例如胡燕計(jì)算了四川南充生物柴油項(xiàng)目的EROI，而關(guān)于中國的非常規(guī)資源EROI的研究尚未出現(xiàn)，這都應(yīng)成為國內(nèi)EROI研究者的研究方向。

2)EROI與傳統(tǒng)能源評(píng)價(jià)方法的結(jié)合。EROI評(píng)價(jià)方法將重心集中于能源資源的物理意義，但不可否認(rèn)，能源生產(chǎn)評(píng)價(jià)不僅涉及其物理意義，也與經(jīng)濟(jì)效益、投資政策、技術(shù)進(jìn)步等要素緊密相連。因此，需要將EROI方法與傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，全面分析其生產(chǎn)的價(jià)值性，建立綜合評(píng)價(jià)準(zhǔn)則（如表7所示）。

  使用EROI評(píng)價(jià)方法需要確定EROI基準(zhǔn)值。由于能源開采以后還要經(jīng)過加工、運(yùn)輸、終端使用等一系列過程，所以能源生產(chǎn)EROI基準(zhǔn)值必須大于1才能有凈能源供社會(huì)使用。而以凈能源供應(yīng)為零（終端消費(fèi)EROI=1）計(jì)算出的能源開采EROI值，就是能源開采最小需要達(dá)到的水平，這就是“最小EROI準(zhǔn)則”。據(jù)此，Hall[78]以終端使用EROI值1為目標(biāo)，簡(jiǎn)單計(jì)算了不同產(chǎn)出邊界的EROI基準(zhǔn)值，認(rèn)為能源開采的EROI值至少要達(dá)到3。未來的研究者應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的研究目標(biāo)計(jì)算出特定的EROI基準(zhǔn)值。針對(duì)EROI評(píng)價(jià)方法與傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法出現(xiàn)相悖的情況，即出現(xiàn)“能源盈余”與“經(jīng)濟(jì)盈余”矛盾的情況，則需要進(jìn)一步的深入研究。

  3)考慮環(huán)境破壞所帶來的能源成本下EROI的計(jì)算。隨著環(huán)境問題的加劇和環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，能源開發(fā)過程中帶來的環(huán)境污染日益受到關(guān)注，在實(shí)踐操作中，如在油氣開發(fā)過程中，為了防止或減少碳排放、水污染、土地污染等問題，需要額外采取相關(guān)技術(shù)或措施，然而這所伴隨的能源投入的額外增加會(huì)影響EROI計(jì)算結(jié)果。當(dāng)前，越來越多的國家積極采取措施解決能源生產(chǎn)過程中的環(huán)境問題，如加拿大出臺(tái)政策，要求開采油砂的企業(yè)采用碳捕捉技術(shù)、投資碳減排或購買碳積分。美國也為頁巖氣開發(fā)中的甲烷減排制定了強(qiáng)制或半強(qiáng)制的法規(guī)。

這些都將對(duì)油氣開采中的能源消耗產(chǎn)生巨大的影響。目前世界范圍的研究成果尚集中于“標(biāo)準(zhǔn)EROI”計(jì)算，未加入應(yīng)對(duì)環(huán)境破壞所產(chǎn)生的能源成本，如此計(jì)算的EROI可能高估了實(shí)際值。由此可見，考慮環(huán)境問題后能源回報(bào)問題更能反映生產(chǎn)實(shí)踐，這方面亟需引起重視，有待進(jìn)一步完善研究。

  4)考慮能源生產(chǎn)過程中技術(shù)進(jìn)步等因素下能源消耗的預(yù)測(cè)。EROI值與能源生產(chǎn)過程中的能源消耗量成反比，技術(shù)進(jìn)步將減少能源生產(chǎn)過程中的能源消耗量，對(duì)能源回報(bào)有提升作用。影響技術(shù)因素的變量有兩個(gè)：一是用于提取能量的設(shè)備本身蘊(yùn)含著多少能量，在能源開采的起始階段必須要投入一定的能量，例如一個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的建立必定需要投入能量。二是設(shè)備從自然環(huán)境中提取能量的效率。這兩個(gè)變量都嚴(yán)格服從物理限制。目前EROI預(yù)測(cè)主要采用趨勢(shì)外推等方法簡(jiǎn)單進(jìn)行預(yù)測(cè)，較少考慮技術(shù)進(jìn)步對(duì)于能源利用效率提高的影響。未來進(jìn)行EROI趨勢(shì)預(yù)測(cè)，既要考慮技術(shù)帶來的生產(chǎn)效率的提高，又要看到技術(shù)進(jìn)步存在的極限，需要計(jì)算生產(chǎn)的不同階段中技術(shù)進(jìn)步帶來的能量節(jié)約量，從而對(duì)能源生產(chǎn)過程中的能源消耗進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)進(jìn)而更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)EROI的變化趨勢(shì)。

5)研究EROI與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活水平等方面關(guān)系。目前絕大部分EROI研究集中于EROI值的計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，近年來已有學(xué)者開始擴(kuò)展EROI的研究范圍，探索EROI與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人的生活質(zhì)量等方面的關(guān)系，進(jìn)一步挖掘其隱含在經(jīng)濟(jì)生活的重要作用。例如，Heun和Wit (2012)研究了EROI與油價(jià)變動(dòng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)EROI低于10時(shí)，油價(jià)出現(xiàn)高位非線性波動(dòng)。馮連勇等(2014)研究了中國化石能源回報(bào)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長影響，發(fā)現(xiàn)兩者具有長期穩(wěn)定的均衡關(guān)系，能源要素的投入能夠增加經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)出，GDP增長帶動(dòng)能源消費(fèi)的趨勢(shì)不明顯。Lambert等(2014)分析了EROI與人的生活質(zhì)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)人的生活水平與EROI的高低有顯著相關(guān)性，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)一個(gè)飽和點(diǎn)（EROI=20），EROI在此點(diǎn)上繼續(xù)提高，生活水平不會(huì)出現(xiàn)顯著的改善。然而以上研究只是做出了初步探索，在計(jì)算方法、邊界界定等方面還需要進(jìn)一步完善。未來需要加大對(duì)于EROI與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活水平等方面關(guān)系的研究，充分發(fā)揮EROI應(yīng)有的指導(dǎo)價(jià)值。

4摘  要：能源投入回報(bào)(Energy Return on Investment，EROI)在1984年正式提出后，受全球能源生產(chǎn)放緩、油價(jià)劇烈波動(dòng)等因素影響，受到越來越多的關(guān)注。國外學(xué)者進(jìn)行了深入研究包括測(cè)算常規(guī)化石能源、非常規(guī)化石能源以及可再生能源等的EROI值，但國內(nèi)相關(guān)研究甚少，因此，本文主要目的是通過系統(tǒng)分析EROI研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)為國內(nèi)學(xué)者研究提供參考。本文總結(jié)了目前國內(nèi)外已測(cè)算出的常規(guī)油氣、頁巖氣、生物能等的EROI值，發(fā)現(xiàn)化石能源EROI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，新能源的EROI值較常規(guī)化石能源明顯偏低。未來需要進(jìn)一步研究的領(lǐng)域主要包括：非常規(guī)能源和新能源EROI值的測(cè)算；EROI與傳統(tǒng)能源評(píng)價(jià)方法的結(jié)合；考慮環(huán)境破壞所產(chǎn)生能源成本下EROI的計(jì)算；考慮技術(shù)進(jìn)步等因素下能源消耗的預(yù)測(cè)；研究EROI與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活水平等方面關(guān)系。