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Sep 26, 2022

Energy return on investment: a tool to measure energy availability through the energy transition

Kevin Pahud

Energy return on investment: a tool to measure energy availability through the energy transition

Article published in IEEE Xplore: Link

The abundance of relatively cheap fossil fuels has been a key driver for the development of our modern societies. The world needs to quickly decarbonise and go from a system largely based on the combustion of those fossil fuels to a system based on low-carbon technologies. Many studies focus on the development and deployment of those technologies.  

Much less discussions focus on the future availability of energy during the energy transition, a crucial indicator for development. The most common indicators to study this are the energy payback time and the EROI (Energy Return of Investment). The basic idea is that energy is necessary to build the energy infrastructure and that, similar to the case of financial investments, the produced energy needs to be higher than the invested energy.  

Following growing concerns about climate change, and with the increasing difficulty of extraction of fossil fuels, EROIs became tools to study the global energy transition with a focus on a possible minimum EROI required to maintain a complex society. However, the indicator is used with a large variety of methods, definitions, and boundaries. This led to a lack of consensus on whether a transition to a system largely based on renewables could still provide sufficient net energy for societies to thrive.  

Making sense of the different indicators

In this article, the concepts of EROI were studied by compiling the various definitions, boundaries, and limits, allowing a clear view of the indicator to understand where and how it could be used. Three main classes of indicators were reviewed: the physical EROI, an indicator based on energy consumption, either for energy systems, or resources; a price-based societal EROI, an indicator using monetary expenditures to look at energy-related expenditures; and finally, a socioeconomic EROI which looks at energy expenditures within a nation’s economy. A large discrepancy exists in the reported EROI values which can be interpreted by differences in the definition of the scope of analysis, or in the considered energy vector.

Furthermore, most calculations of minimal EROIs are based on the existing fossil fuel infrastructure, which is highly inefficient. There is thus a need to understand the current transitory state of energy systems. Such example would be the electrification of supply chains to reduce the required energy investments for energy systems. Nevertheless, renewable technologies are constrained by material usage and not energy scarcity.

Enough energy?

Finally, given the updated results for fossil fuels leading to lower-than-expected EROI values as well as slower decreases, the idea of a required high EROI is challenged: transitioning away from fossil fuels could thus lower the “minimal” required EROI for societies to sustain. Utilizing previous minimal EROI values for future energy systems seems unfounded as global infrastructure transformations are underway.

The study finally concludes that renewable can offer sufficient energy through the energy transition. The previously calculated minimal EROIs through literature, penalizing renewable technologies, are challenged. This sufficiency however comes with short-term limits followed by a possible drop in net-energy due to the transitory nature of the global shift to mitigate climate change.

Article publié dans IEEE Xplore: Link

L'abondance de combustibles fossiles relativement peu chers a été un moteur essentiel du développement de nos sociétés modernes. Cependant, le système énergétique doit rapidement se décarboner et passer d'un système largement basé sur la combustion de ces combustibles fossiles à un système basé sur des technologies à faibles émissions de carbone. De nombreuses études se concentrent sur le développement et le déploiement de ces technologies.

Peu d’études portent sur la disponibilité future de l'énergie pendant la transition énergétique, un indicateur crucial pour le développement. Les indicateurs les plus courants pour étudier cet aspect sont le temps de retour énergétique et l'EROI (Energy Return of Investment- TRE en Français). L'idée de base est que de l'énergie est nécessaire pour construire l'infrastructure énergétique et que, comme pour des investissements financiers, l'énergie produite doit être supérieure à l'énergie investie.

Représentation schématique d'un système énergétique pour deux valeurs de TRE différentes

Rationaliser les indicateurs

La combinaison de l’urgence climatique et de la difficulté croissante d'extraction des combustibles fossiles, a fait des EROI des outils pour étudier la transition énergétique mondiale en se concentrant sur un éventuel EROI minimum nécessaire pour maintenir une société complexe. Cependant, l'indicateur est utilisé avec une grande variété de méthodes, de définitions et de limites. Cela a conduit à un manque de consensus sur la question de savoir si une transition vers un système largement basé sur les énergies renouvelables pourrait fournir suffisamment d'énergie nette pour que les sociétés puissent prospérer.

Dans cet article, les concepts de l'EROI ont été étudiés en compilant les différentes définitions, limites et frontières, permettant ainsi d'avoir une vision claire de l'indicateur et de comprendre où et comment il pourrait être utilisé. Trois catégories principales d'indicateurs ont été examinées : l'EROI physique, un indicateur basé sur la consommation d'énergie, soit pour les systèmes énergétiques, soit pour les ressources ; un EROI sociétal basé sur les prix, un indicateur utilisant les dépenses monétaires pour examiner les dépenses liées à l'énergie ; et enfin, un EROI socio-économique qui examine les dépenses énergétiques au sein de l'économie d'une nation. Il existe un écart important entre les valeurs EROI rapportées, qui peut être interprété par des différences dans la définition du champ d'analyse, ou dans le vecteur énergétique considéré.

Différents TRE considérés suivant le périmètre considéré de la chaine énergétique

En outre, la plupart des calculs des EROI minimaux sont basés sur l'infrastructure énergétique existante donc basée majoritairement sur des combustibles fossiles, qui est très inefficace. Il est donc nécessaire de comprendre l'état transitoire actuel des systèmes énergétiques. Un exemple est l'électrification des chaînes d'approvisionnement pour réduire les investissements énergétiques nécessaires aux systèmes énergétiques. Néanmoins, les technologies renouvelables sont limitées par l'utilisation de matériaux et non par la pénurie d'énergie.

Assez d'énergie?

Enfin, compte tenu des résultats actualisés concernant les combustibles fossiles, qui révèlent des valeurs d'EROI inférieures aux prévisions ainsi que des diminutions plus lentes, l'idée d'un EROI élevé nécessaire est remise en question : la transition vers l'abandon des combustibles fossiles pourrait donc réduire l'EROI "minimal"nécessaire au maintien des sociétés. L'utilisation des valeurs d'EROI minimales antérieures pour les systèmes énergétiques futurs ne semble pas fondée, car les transformations des infrastructures mondiales sont en cours.

L'étude conclut enfin que les énergies renouvelables peuvent offrir une énergie suffisante pendant la transition énergétique. Les EROIs minimaux précédemment calculés par la littérature, pénalisant les technologies renouvelables, sont remis en question. Cette suffisance s'accompagne toutefois de limites à court terme, suivies d'une baisse possible de l'énergie nette en raison de la nature transitoire de la transition mondiale visant à atténuer le changement climatique.

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