Теория и Практика EROEI на примере нефти и газа США
Совместная статья mikhai1_t и plaksiva9tr9pka.
В энергетике есть ряд важнейших параметров, которыми удобно пользоваться для оценок и выводов. Экономистам, например, будет интересна экономическая рентабельность, в то время как для интересующихся обществом, человечеством, динамикой системы - коэффициент EROEI для топлив и/или электрогенерации (энергетическая рентабельность) и “чистая” энергия. Т.е. добытая энергия минус энергия затраченная на добычу, переработку и т.п. Более подробно EROEI освещался в позапрошлой статье и повторяться не будем.
Часть I. Теория.
Первым кто ввел термин EROEI в обращение и стал его активно изучать, начиная с 1970-х, был американский эколог Чарльз Холл [Charles Hall]. В последствие, к изучению вопроса присоединились и другие ученые, в частности Катлэр Кливлэнд [Cutler Cleveland] и Дэвид Мёрфи [David Murphy]. На сегодняшний день если будете изучать научную литературу по теме, то эти три фамилии вы найдёте почти со стопроцентной вероятностью, либо в качестве авторов и соавторов статей, либо в списке источников в статьях других авторов. В данной заметки мы, основываясь на их работах, попытаемся раскрыть различные методологические тонкости и сложности подсчета EROEI, а также покажем некоторые данные на тему нефтегазового сектора США дополненные нашими подсчетами и анализом.
Нюансы вычисления EROEI
Начнём с того, что были успешные попытки стандартизировать методологию подсчёта EROEI, т.к. занимаются им по всему миру и хотелось бы, конечно, иметь возможность сравнивать результаты. Для этого надо чётко расписать границы затрачиваемой и добытой энергии. “Успешная попытка” схематически выглядит так:
Системные границы учёта (обозначены как System Boundary):
1. Добытая и необработаная энергия. Т.е. нефть (в качестве примера возьмём нефть) достигла устья скважины (верхней её части). Учитываем энергетические затраты только до этого момента.
2. Обработаная энергия. Нефть прошла переработку, плюсуем и эти затраты.
3. Энергия, доступная для деятельности - добытая и переработанная нефть льётся из пистолета бензоколонки.
Выполнять исследования EROEI можно по предложенным границам. Тогда результаты будет легче сопостовлять.
_______________________________________________________________
Хотелось бы остановиться на ещё одной детали данной схемы та, которая в каждой границе указывает на 5 видов затрат энергии. Эти 5 видов затрат обозначают глубину учета. С одной стороны, чем больше учтём, тем ближе окажемся к реальности, с другой стороны, чем глубже подсчет, тем он сложнее.
1. Затраты внутри границы (газ из скважины, использующийся нефтяниками на месте для собственных нужд добычи)
2. Внешняя энергия (дизель, привозимый на буровую)
3. Энергоёмкость материалов (например, стали для колонн скважины)
4. Затраты на человеческий труд
5. Вспомогательные услуги
_______________________________________________________________
И последний пункт. Временные рамки оценки энергозатрат. В жизни любой энергодобывающей системы есть различные периоды и для полноты анализа необходимо учитывать общий цикл.
Т.е.:
Предложенная структура оценки EROEI
Стандартный EROEI (EROEI stnd - 1 столбец, 3 строка. Ниже приводятся рассчёты именно его) включает в себя прямые и косвенные энергозатраты плюс затраты на материалы:
* EROEIdeo - Добавлен нами. [Direct Energy Only]
Прямая энергия - это дизель, газ, и т.п. Косвенная энергия - это энергия смежных отраслей. Чем ниже по строкам, тем больше плюсуется.
Для разной глубины подсчёта нужны разные методы. От анализа процессов (белый фон) до использования обширного межотраслевого баланса (серый фон).
Часть 2. Практика.
Теперь давайте перейдем от теории к практике подсчёта. Для этого мы обратимся к одной из последних статей вышеназваных авторов, где они подсчитывали EROEI для нефтегазового сектора США в целом. Результаты этой статьи достаточно часто используют как в научной среде так и в блогосфере, не всегда, правда, осозновая источник цифр.
Поэтому нам кажется важным раскрыть методологию для широкой публики, а также поскольку оригинал считал EROEI до 2007 года, у нас есть хорошая возможность посмотреть тренд на последующие 5 лет.
Основные положения методики
Подсчёт EROEI всего нефтегазового сектора США идет за период 1919-2007 в 13 разных точках. В статье показаны два альтернативных подсчета EROEI: один от Холла и Мэрфи другой от О’Коннора и Кливлэнда. Методология первой пары учёных раскрыта шире, так что распишем ее подробнее и мы.
Для каждого года взяли всю добытую энергию нефтегазовым сектором и поделили на всю затраченную энергию (прямые и косвенные затраты, в т.ч. капитальные расходы) в том же году. Сами авторы говорят, что видят фундаментальную проблему в этом подходе, поскольку часть добытой/разведанной нефти будет добыта благодаря затратам энергии сделанные в прошлые годы, но с другой стороны часть затрат сделанная в этом текущем уйдёт на нефть которую добудут в будущем. Авторы считают, что эти ошибки не существенные поскольку, по их мнению, большинство энергии в нефтегазовом секторе идёт на поднятие нефти и компрессию газа, а не на бурение. Если читать дальше, то это утверждение становится странным, поскольку по их расчётам основные расходы это как раз косвенные затраты и пик этих затрат приходится не на пик добычи, а на пик бурения. По такой методологии на растущем месторождении EROEI будет занижаться, на падающем - завышаться.
Авторы взяли в числитель данные добычи нефти и газа от Агентства Энергетической Информации США (EIA), данные по затратам в знаменатель взяли из 5 летнего экономического ценза проводимого среди компаний США. Ценз содержит как прямые энергетические, так и косвенные финансовые затраты нефтедобывающего сектора.
Также стоит понимать, что эта методология затрагивает не только саму добычу, но и бизнес-модель. Дело в том, что операционные затраты включают и, например, затраты на менеджмент, доля которых доходит до 10%. Т.е. это уже не совсем EROEI добычи, а EROEI специфического функционирования цельной отрасли.
Для перевода долларов финансовых затрат в энергию Холл сотоварищи, после некоторых нудных размышлений, предлагают использовать усреднённый коэффициент в 14 мегаджоулей за доллар (конечно, только в случае США и только в случае комплексной отрасли). Вопрос почему этот коэффициент можно считать постоянным для всего 88-летнего периода остался нераскрытым.
Результат их работы можно видеть на графике ниже:
Наши расчёты
Мы захотели повторить этот расчёт для США на период с 2007 года используя их методологию. Что мы сделали:
Мы, как и они, использовали даные EIA по добыче нефти и газа. Небольшое отличие которые мы посчитали необходимым это то, что в оригинале использовалось для газа значение всего добытого из газовой скважины (судя по всему), а мы учитывали только сухой газ с газоконденсатом. Это сократило количество добытой энергии в нашем расчёте в среднем на 7-9%.
Для прямых затрат мы также взяли потребление дизеля и газа от EIA. Мы не нашли возможности найти значения для электричества, но если смотреть на данные [график] из оригинальной статьи, то видно, что доля электричества в расходах ниже, чем убранная нами доля энергетических доходов. С другой стороны, расходы на электричество есть в операционных расходах, но так их учитывать некорректно. Но в любом случае, сути это всё не меняет.
Количество газа и нефтепродуктов, потреблённое нефтегазовой отраслью, т.е. её энергетические расходы, идут в знаменатель. Получается такая формула:
Это будет подсчёт EROEI на устье скважины, с учётом некоторой части затрат на ввод в эксплуатацию и на вывод (только той части, которая обусловлена потреблением нефтепродуктов и газа). Если эту формулу применить к каждому календарному году, то получится такая линия:
Для EROEIstnd расчёт второстепенных расходов через перевод финансовых затрат в энергетические неизбежен, разнятся лишь подходы. Для этого в знаменатель добавим оставшиеся операционные расходы нефтегазовой отрасли. Далее, в качестве капитальных расходов мы решили взять потребление основного капитала нефтегазовой отрасли, т.к. этот показатель и ровнее и логичнее отображает суть. Эти данные доступны на сайте “Бюро Экономического Анализа” (BEA).
В итоге формула преобразуется в:
Далее, для расчёта, операционные и капитальные придётся из долларов переводить в джоули, мы взяли коэффициент Холла в 14 мегаджоулей за доллар.
Получится:
Выводы
Стоит справочно упомянуть, что в 2007-2008 началась т.н. “сланцевая” революция. С тех пор EROEI начал расти. В 2012 доля нефти низкопроницемых коллекторов и сланцевого газа составила около 40% нефтегаза США. Если бы их EROEI был ужасен, то начал бы падать EROEI нефтегаза США. Однако этого не наблюдается, поэтому сланцы имеют приемлемый EROEI. Не хуже, а скорее даже немного лучше традиционной добычи США. Но при этом месторождения все разные, где-то EROEI будет больше 11, где-то меньше. Как показывал предварительный анализ в позапрошлой статье и как будет ещё показано в следующей, например на Баккене (месторождение т.н. “сланцевой” нефти) EROEI выше среднего по США.
Часть 3. “Полезная” энергия vs EROEI
В статье Михаила (Mikhail_T) “ EROEI наша альфа и омега” можно почитать почему, сам по себе EROEI, в абстракции от других нюансов добычи, не определяет суть добычи энергоресурсов. Т.е. если, предположим, EROEI добычи упал со 100 до 10, а сама добыча возросла в 5 раз, то в этом случае рост полезной энергии составит 4,5 раза. Налицо в этом мысленном примере тот факт, что общество выиграло бы от увеличения добычи, пусть и с падением EROEI. Применим часть этой концепции к рассматриваемому нефтегазовому сектору США и посмотрим на энергию, которая пошла на саму добычу и на полезную энергию, т.е. всю добытую энергию минус затраты на добычу. До 1997 возьмём EROEI Холла, после - наш. Для 2013 мы взяли оценочное значение по некоторым текущим трендам.
Синяя область+красная - это вся добычая нефтегазовой отраслью США энергия. Синяя - “полезная” энергия. Красная - энергозатраты на саму добычу.
В разбивке:
По расчётам Холла в 1919 году EROEI был 15,8 и сегодня около 11. По размеру красной области видно, что ничего апокалиптичного в таком EROEI нет. Но даже если в 1919 он был бы равен 100, то это не меняет главного: что бы вы предпочли для общества? 3,1 эксаджоуля полезной энергии и EROEI = 100 (1919г), или 42,5 эксаджоуля и EROEI = 10,5 в 2013г? Для нас ответ очевиден. Ведь общество питается не коэффициентами, а абсолютными значениями полезной энергии.
Источники:
A New Long Term Assessment of Energy Return on Investment (EROI) for U.S. Oil and Gas Discovery and Production
Order from Chaos: A Preliminary Protocol for Determining the EROI of Fuels