第一章 绪论
第一节 什么是能源回报
一 起源与定义
1955年，Cottrell[1]提出“能源净产量”的概念，也被称为“能源盈余”，即能源产出与能源投入之差，他认为这才是人类社会发展所能真正利用的能源。可以说，能源总产量的一部分需要通过经济系统返回能源生产过程中，其余部分才能真正进入如工业、农业、服务业等行业的消耗中。后来，此理论与生态学中的最适捕食理论和单位付出收获量的概念相结合就形成了EROI的基本雏形。1973年，美国生态学家Odum[2]首次涉及净能源的概念。1974年，这个概念得到美国《联邦非核能源研究和发展法案》的认可和引用，随之引发了研究热潮。1975年，Gilliland[3]在Science上发表文章，分析了EROI方法的优越性并认为它是净能源评价中最适合的方法之一。1984年，Cleveland等[4]同样在Science上发表文章，阐述了EROI方法对社会发展和经济增长研究的重要意义，正式提出了EROI（Energy Return on Investment）的概念，即“能源回报”。然而，受到国际石油市场和价格处于较稳定状态以及相关市场繁荣发展的影响，EROI方法在随后的20年内并没有得到应有的重视。近年来，随着金融危机的爆发、国际石油市场环境的不断变化、石油价格的较大波动，净能源以及EROI方法又重新得到西方学术界以及政府的关注。
“总量”和“净量”并不是EROI所特有的，一些指标如收入和利润就是从总量和净量角度的描述，往往利润指标更具决策意义，但是能源领域“净量”的研究并不多见。相对于国内来说，EROI和净能源领域研究已在国外得到不断发展。目前，搜索2000年以后的国外学术期刊文章，以EROI和Net Energy为关键词的文章已经多达16万篇[5]。其中，多数EROI方法都是伴随着净能源分析出现的，已被广泛用于石油、天然气等领域的研究中，同时也应用于生物燃料、核能、乙醇、木材燃料和其他替代能源的能效评价中。在这些文章中，研究者根据不同的研究内容和目标不断改变对EROI的表述，如Energy Return on Investment、Energy Return on Energy Investment、Energy Return on Water Investment等。
本书综合上述定义形式将EROI归纳简述为能源生产过程中能源产出和能源投入（或消耗）的比值，英文全称为Energy Return on Investment。某边界下能源生产的EROI值越高，表明为经济活动所创造的“功”就越多。目前，我国对EROI的研究也渐渐出现，在期刊报纸中将其翻译成“能源投资回报率”，本书认为译成“能源投入回报值”或“能源回报”更能反映出EROI的本质，即从能源角度出发，而非财务角度，是比值，而非百分率。
二 示意图
能源回报研究的整个边界是能源资源的生产至使用过程，既可以是静态的时点分析，也可以是动态的整个时间段上的分析。据此下述两种分析示意图，以便更好地理解EROI值的计算过程。
（一）静态示意图
如图1-1所示，Egross为石油探明储量；Epurchased为直接能源投入和间接能源投入总和，其中直接能源投入是指以能源形式表现的投入（如石油、风力、电力等），间接能源投入包括资本支出、原材料等货币或非能源的实物形式的投入；Eself为能源生产中的自消耗；Enet为净能源量。
图1-1 生产实践中的EROI
资料来源：The Encyclopedia of Earth，http：//www.eoearth.org/article/Energy_return_on_investment_（EROI）。
图1-2表示用Odum能量系统语言描述的EROI。方框为系统边界；圆圈代表流入系统的外部驱动力，如太阳能；边界内的方框表示生产者，也就是界定的能源生产的某一过程；水滴状表示能源储存库，能源产出全部储存到这里；在整个边界范围内也会伴随热耗失。
图1-2 用Odum能量系统语言描述的EROI
（二）动态示意图
在进行EROI测算之前需确定项目起点与终点，其中整个时间段又可分为不同阶段，如建设阶段、实施阶段、退出阶段（见图1-3）。整个时间轴上方表示能源的产出量，分为两部分：自我利用的能源量和用于经济社会的能源量；时间轴下方表示能源投入量或能源成本。
图1-3 整个项目过程中的EROI
资料来源：The Encyclopedia of Earth，http：//www.eoearth.org/article/Energy_return_on_investment_（EROI）_for_wind_energy。
三 优势与作用
（一）比较能源生产价值的大小
EROI作为一种新的衡量指标，可应用在不同能源技术的比选上。EROI值的表示形式为X：1，其中1表示投入量，X代表不同能源生产过程的产出量。例如，石油生产汽油的EROI值为10：1～20：1，玉米生产乙醇的EROI值低于2：1[5-8]。EROI值可以明确表示出，在投入相等的情况下，前者的产出是后者的5倍，因此后者的生产价值远远不如前者的生产价值。
（二）评价能源质量的变动情况
能源质量是衡量单位热当量的能源转变为产品或服务的能力[9]。在条件相同的情况下，EROI值越高，说明用于生产该种能源所需的能源量越少，为经济所提供的产出就越多。例如，加拿大油砂的原油探明储量约为1700亿桶，但其原油开采的EROI值仅约为3：1[10]，因此最终能为经济活动所利用的净能源仅为1700亿桶的3/4。
（三）说明能源耗竭与技术进步之间的关系
一直以来，很多反对石油峰值的专家学者认为技术进步可以解决未来的能源问题[11，12]。但是，历年来EROI值下降的趋势揭示了技术进步并不能阻止能源的耗竭。虽然技术的发展往往能够促使生产成本下降，但近年来全球油气EROI值却仍处于下降趋势中，这说明能源产出的速度并没有赶超技术进步的速度，或者说能源耗竭的速度远大于技术进步的速度。
（四）提供了一个比较不同新能源生产技术的综合指标
EROI从多方位多角度为决策者、政策制定者提供了一个较为综合的指标。以往的研究中有的关注了产量、成本、质量，有的从经济角度进行评价，有的从能源流角度进行分析[6]，更有从温室气体排放的角度进行研究。尤其是目前，温室气体排放的大小更是大部分研究者普遍采用的指标[13]。EROI将上述分析角度进行结合，利用统一的计算单位更加全面地衡量了新能源生产技术。
四 与类似指标比较
（一）EROI的类似指标
目前，我国有几类能源效率指标[14]，如能源强度、单位产品能耗等。这些指标的计算方法都是投入与产出的比值，只是分子与分母所考虑的角度不同。
1.能源强度
能源强度定义为单位GDP能耗，即生产一单位的GDP所消耗的能源，该指标一般以吨标准煤/万元作为计量单位。计算公式表示为：
式中，GDP以货币单位进行计量，能源消耗总量通过热值法和发电煤耗法计算。其中，热值法是指能源所包含的热量，不考虑品位高低；发电煤耗法是单独将电力按照发电的平均煤耗折合成标煤，热力和其他种类能源仍按照热值法来换算[15]。这一指标衡量的是一个国家、地区或行业的总体能源效率水平，能源强度越低，单位产值能耗就越低。
2.单位产品能耗
单位产品能耗定义为某一时期内生产某种产品所消耗的各种能源总量与该产品产量之比。其中，产品的能耗包括热耗（如燃料）和电耗（如电力），以热当量法和发电煤耗法计算。产品产量具有不同单位，例如，吨钢综合能耗、吨炼铁能耗单位为万吨标准煤/吨等。计算公式表示为：
该指标用于衡量某个行业或部门的技术装备和管理水平以及能源消耗量，测度其经营状况和生产成本的高低，并根据该指标淘汰落后设备和工艺，达到提高能源利用效率、减少单位产品能耗的目的；也用于具有相同生产结构或者相同产品的企业或国家间的比较，目前我国这一指标与国际水平比较还存在明显差距[16]。
3.中间环节效率和终端利用效率
中间环节效率定义为在生产过程中除去加工、转换和储运过程中的损失、自用能源后的能源与一次能源消费量之比。分子和分母均以能源单位进行计量，结果以百分比表示。该指标衡量项目或生产过程中损失的与自用的能源量，反映能源耗散以及能源利用情况。例如，1989年我国能源中间环节效率为72.4%，2007年为68.4%，中间环节能源利用效率大幅降低。计算公式表示为：
终端利用效率定义为终端用户得到的有用能源量与过程开始输入的能源量之比，分子和分母均以能源单位进行计量，结果以百分比表示。这一指标更多地应用在热能工程等工业上，与技术进步及生产设备密切相关。计算公式表示为：
中间环节效率和终端利用效率这两个指标本身存在重复性，因为终端利用效率有时包含了中间环节损失的能源，但是由于数据的可获得性较差，只能忽略数据的缺陷而得出近似结果。
4.能源加工转换率
能源加工转换效率定义为一定时期内能源经过加工、转换后，产出的各种能源产品的数量与同期内投入加工、转换的各种能源数量的比率。其中，分子和分母单位相同，结果无单位。计算公式表示为：
该指标已经成为衡量我国宏观经济的重要指标之一，用于观察能源加工转换装置、生产工艺的先进与落后以及管理水平的高低，定量研究加工转换过程中的能源投入与产出之间的数量关系，为能源平衡提供依据[17]。
5.生产率
简单地讲，生产率就是产出与投入的比率，其中包括劳动生产率、资本生产率、全要素生产率等，计算方式纷繁复杂。计算公式统一表示为：
例如，劳动生产率指一个工人一小时所生产的物品与劳务量，是衡量企业生产效率的一个重要指标，其主要取决于劳动者的文化素质即劳动技能、各类劳动者的结构、劳动者积极性和创造性发挥的程度等[18]。资本生产率定义为除去劳动之外的各种要素的产出投入比，结果主要取决于生产设备、材料等物质要素的发展水平和使用情况。全要素生产率定义为除去资本和劳动力投入之外的技术进步等导致的产出增加，量化了生产率提高的技术因素和技术进步对经济增长的贡献。
（二）与类似指标的区别
能源回报与这些指标的相同点在于：第一，计算公式的形式，这些指标都是投入与产出的比值；第二，衡量目标，均衡量了研究对象的能源利用效率。但是，比较来看，它们之间更多的是不同点。总体来看，不同点体现在三个方面。一是分析角度。能源回报衡量的是能源生产过程的“实物流”，评价其生产价值，而非一味追求产出；其他指标更多地从“成本效益”出发，针对已有的生产过程更多地考虑在GDP、产品增长的同时减少能源消费。二是产出投入的加总。能源回报考虑到不同能源之间的差异，并进行质量校正，而其他指标大部分并没有考虑这一问题。三是评价范围。能源回报能够评价不同能源生产过程的价值，如评价风能和生物质燃料的生产，评价范围可以是任何能源生产过程。其他指标的评价范围更为宏观，如国家、地区、行业部门等。具体差异体现在分子、分母与应用上（见表1-1）。
表1-1 EROI及其相关指标的比较
此外，EROI作为一个新指标，具有明显的两点优势。第一，EROI是能源生产过程的评价指标。虽然从财务角度来讲也有类似产出投入比的指标，其目的是反映产量、利润，但是这一目的受价格影响严重。在后石油时代的背景之下，价格已经不能正确衡量资源和产品的价值[6]。相比之下，EROI指标在计算过程中采用能源单位，如桶、Btu、Joules等，理论上摆脱了价格的影响。第二，综合考虑了能源生产过程的能源消耗问题，并将整个环境资源看作一个整体。这个指标虽然简单，但是它将能源、经济、社会、环境看作一个整体的相互关联的系统，而不是孤立的单一过程。因为在计算过程它不仅联系了能源消耗，而且综合了间接能源、包被能（Embodied Energy）、环境的影响和劳动力的消耗。
五 能源与能量
本书中除了经常涉及热量外，还提到了能量。为了给读者一个清晰的概念，下面谈一谈能源、能量和热量。
（一）能源
能源指能够提供能量的物质或物质的运动，例如，煤、石油等通过燃烧可提供热能，空气的运动可提供风能。能源按形成条件可以分为两大类。一类是在自然界中存在的，可以用一定技术开发取得，没有经过加工改变其性质和转换的能源，称之为一次能源，如采出的原煤、原油、天然气、水能、太阳能、风能、生物质能、地热能、潮汐能、海洋能等都是一次能源。另一类是由一次能源经过加工、转换成另一种形式的能源，称之为二次能源，如电力、石油制品、焦炭、人工煤气、水煤炭、甲醇、乙醇等都是二次能源。一次能源无论经过几次转换所得到的能源产品，都称为二次能源。
依据不同的物质，能源的单位有所不同，例如，煤的单位是吨，原油的单位是桶等，不同的单位也可进行换算（见表1-2和表1-3）。
表1-2 原油计量单位换算
表1-3 天然气和液化天然气单位换算
同时，为便于各种燃料进行统计、对比和分析，可按照其热值把它们折合成标准燃料。国际上采用的标准燃料有两种：煤和油。以煤作为标准燃料来计量时称为标准煤（又称煤当量），以油作为标准燃料来计量时称为标准油（又称油当量）。煤当量和油当量都是能源计量当量，是计算某种能源的能源量时与标准燃料的热值相对应的数量。
据GB/T 2589-2008《综合能耗计算通则》的规定，低位发热量等于29307千焦的燃料，称为1千克标准煤（1kgce）。统计中可采用“吨标准煤”，用符号tce表示。各种能源折标准煤参考系数见表1-4。油当量是按标准油的热值计算各种能源量的换算指标，中国又称标准油。1千克油当量的热值，联合国按42.62兆焦（MJ）计算，中国按41.87兆焦计算。常用单位有吨油当量（符号为toe）和桶油当量（符号为boe）。
表1-4 各种能源折标准煤参考系数
水电作为一次能源计量时，中国按照火电厂当年生产1千瓦小时电能实际消耗的燃料的平均煤当量值来计算；联合国统计资料则是按电的热功当量计算，1千瓦小时水电相当于3.6兆焦，换算成煤当量的系数是0.1229。
（二）能（量）
能（量），是指产生效应的能力。其中，效应是指在实际中为人类的生存创造了条件，满足了人的生产和生活的需要。例如，燃料燃烧发出的热可用于取暖，也可以用来产生蒸汽动力和燃气动力或用于生产。
能量以多种形式存在，如热能、机械能、电能、化学能、辐射能、核能和光能等。在国际单位标准中，能量的单位是焦耳（J）。除焦耳外，常用的还有千瓦时（kW·h）、英国热量单位（Btu）和电子伏特（eV）。目前，能量的测量方法经常使用到一些较为基本的概念，如质量、距离、辐射、温度、时间、电荷和电流。经常使用的技术是量热法，这是一种热力学技术，通过温度计测量温度或用测辐射热仪测量辐射强度。
能源的利用过程就是能量的转化和转移过程。能量蕴含在能源物质当中（见表1-5），并通过一定方式转化成便于人类使用的能量形式。例如，煤、石油等化石能源蕴藏着大量的化学能，通过燃烧释放出热能，即化学能转变成热能；如果通过内燃机、发电机等，则将热能转变为机械能或电能，进而可以做功。
表1-5 能量储存形式和天然能源
由于温差，能量自发地从高温系统转移到低温系统，转移的能量称为热量。热量与能量不同，热量与过程相关，它衡量了热交换过程中能量的变动量，而能量是状态量。物体或系统处于某一状态时不能说它含有多少热量，而只能说含有多少能量，因为热量是过程量。若经热交换，物体升高（或降低）的温度为△T，那么物体吸收（或放出）的热量Q＝cmΔT，其中，c是物体的比热容，m是物体的质量。热量的单位与能量的单位相同。