Кіріспе
Өнімді немесе қызметті жасау үшін тікелей және жанама түрде жұмсалатын энергияның жалпы мөлшері – эмергия. Эмергия – өнімді немесе қызметті жасау үшін тікелей және жанама түрлендірулер кезінде жұмсалатын энергия мөлшері. Эмергия – энергияның әртүрлі түрлері арасындағы сапалық айырмашылықты өлшейтін шама. Эмергия – өнімді немесе қызметті өндіретін жұмыс процестерінде пайдаланылған барлық энергияны бір түрлі энергия бірліктерімен көрсетеді. Эмергия emjoule бірліктерімен өлшенеді, бұл түрлендірулерде жұмсалатын қолжетімді энергияға қатысты бірлік. Эмергия энергия мен ресурстардың түрлі формаларын (мысалы, күн сәулесі, су, қазба отындары, минералдар және т.б.) ескереді. Әрбір форма табиғаттағы түрлендіру процестері арқылы пайда болады және табиғи және адам жүйелерінде жұмысты қолдауға әртүрлі мүмкіндіктерге ие. Осы сапалық айырмашылықты мойындау – маңызды түсінік.
Emergy is the amount of energy consumed in direct and indirect transformations to make a product or service. Emergy is a measure of quality differences between different forms of energy. Emergy is an expression of all the energy used in the work processes that generate a product or service in units of one type of energy. Emergy is measured in units of emjoules, a unit referring to the available energy consumed in transformations. Emergy accounts for different forms of energy and resources (e. g. sunlight, water, fossil fuels, minerals, etc.) Each form is generated by transformation processes in nature and each has a different ability to support work in natural and in human systems. The recognition of these quality differences is a key concept.
Тарих
Эмергия әдістемесінің теориялық және тұжырымдамалық негізі термодинамикаға, жалпы жүйелер теориясына және жүйелік экологияға қадағаланған. Говард Т. Одумның теориясының алғашқы отыз жылдағы дамуы «Экологиялық есепте» қарастырылады.
Күшті энергия
"Қабаттасқан энергия" термині 1980-ші жылдардың басында энергияның сапалық айырмашылықтарын, оның өндірілу құны тұрғысынан көрсету үшін және бір түрлі энергияны жасау үшін қажетті энергияның калориялары (немесе джоульдері) үшін "сапа коэффициенті" деп аталатын қатынасты көрсету үшін пайдаланылды. Алайда, өнімдерді өндіру үшін қажетті табиғи отын энергиясын бағалап, барлық энергия түрлерін қамтымай немесе сапаны білдіретін тұжырымды қолданбаған басқа топтар да "қабаттасқан энергия" терминін қолданғандықтан, "қабаттасқан күн калориясы" терминіне көшілді, ал сапа коэффициенттері "өзгерту коэффициенттері" деп аталды.
"Эмергия" терминінің енгізілуі
Бұл ұғым үшін "денеге сіңген энергия" термині 1986 жылы Австралиядан Флорида университетінің қонақ ғалымы Дэвид Сайенсмен қолда бар энергия бірліктерінен эмергия бірліктерін ажырату мақсатымен "эмергия" және "эмжуль" немесе "эмкалория" терминдерін өлшем бірлігі ретінде ұсынғанда өзгертілді. Трансформация коэффициенті термині сол шамамен уақытта трансформацияға дейін қысқартылды. Осы жиырма жыл ішінде энергия мен ресурстардың түрлерін бағалау негізі органикалық заттардан қазылған отынға, содан кейін күн энергиясына ауысқанын атап өту маңызды. 1986 жылдан кейін эмергия әдістемесі ғалымдар қауымдастығының кеңеюімен және адам мен табиғаттың біріктірілген жүйелеріне жасалған жаңа қолданбалы зерттеулер жаңа тұжырымдамалық және теориялық сұрақтар тудырғанда дамуын жалғастырды. Эмергия әдістемесінің жетілуі терминдер мен номенклатураның нақты анықтамаларына және трансформацияларды есептеу әдістерін жетілдіруге әкелді. Халықаралық эмергиялық зерттеулер қоғамы және Флорида университетінде екі жылда бір рет өткізілетін халықаралық конференция осы зерттеуді қолдайды.
Хронологиясы
1-кесте: Эмергия, трансформация және конверсия коэффициенттерінің дамуы. Жылдар Базалық бірлік Энергия шамалары Бірліктер Сілтеме 1967–1971 Органикалық заттар базалық деңгей. Жоғары сапалы барлық энергия көздері (ағаш, торф, көмір, мұнай, тірі биомасса және т.б.) органикалық заттар бірлігінде көрсетілді. Күн сәулесінің органикалық заттарға эквиваленті = органикалық заттардың килокалориясына 1000 күн калориясы. g құрғақ салмақ O. M.; kcal, OM-дан kcal-ға түрлендіру = 5 kcal/g құрғақ салмақ. 1973–1980 Қазба отыны, содан кейін көмір базалық деңгей болды. Төмен сапалы энергия (күн сәулесі, өсімдіктер, ағаш және т.б.) қазба отыны бірлігінде, кейін көмірге тең бірлікпен көрсетілді. Қазба отынының тікелей күн сәулесіне эквиваленті = қазба отынының килокалориясына 2000 күн калориясы. Қазба отынының жұмыс эквиваленттері (FFWE) және кейін көмір эквиваленттері (CE). 1983–1986 Күн энергиясы, жер асты жылуы және толқын қозғалысы жаһандық процестердің негізі екені мойындалды. Жылдық жаһандық көздердің жалпы саны олардың қосындысына тең (9.44 E24 күн жулі/жыл). Қазба отынының бір жуліне шаққанда күн жулінің мөлшері = 40,000 seJ/J. Күн энергиясының мөлшері (SEJ), кейін номенклатурамен «эмергия» деп аталды (seJ). 1987–2000 Жалпы энергиямен жаһандық процестерді басқаруды одан әрі жетілдіру, Күн энергиясының мөлшері EMERGY деп аталды. Көмір энергиясының бір жуліне шаққанда күн энергиясының мөлшері ~ 40,000 күн emжулі/жуль (seJ/J) деп трансформацияланды. seJ/J = Трансформация; seJ/g = Нақты эмергия.
Анықтамалар мен мысалдар
Эмергия – бір түрдегі энергияның бір өнім немесе қызмет көрсету үшін тікелей және жанама түрде пайдаланылатын мөлшері. Эмергияның бірлігі – емжоуль немесе эмергия джоулі. Эмергияны, күн сәулесін, отынды, электр энергиясын және адам қызметін оларды өндіру үшін қажетті күн энергиясының емжоульдерінде білдіру арқылы ортақ негізде қоюға болады. Егер күн энергиясы бастапқы болса, нәтижелер күн емжоульдері (қысқаша seJ) болып табылады. Басқа базалық сызықтар қолданылса да, мысалы, көмір немесе электр энергиясымен жұмыс істейтін емжоульдер, көбінесе деректер күн емжоульдерінде беріледі. Бірлік эмергиялық мәндер (БЭМ) – бір өнім бірлігін өндіру үшін қажетті эмергия. БЭМ түрлері: Трансформация – пайдалы энергияның бірлігіне шаққандағы эмергиялық шығын. Мысалы, егер бір джоуль ағаш өндіру үшін 10 000 күн емжоулі қажет болса, онда сол ағаштың күн трансформациясы бір джоульге 10 000 күн емжоулі (қысқаша seJ/J) тең болады. Жер жұтып алған күн сәулесінің күн трансформациясы 1.0-қа тең деп анықталған. Арнайы эмергия – массалық шығарылым бірлігіне шаққандағы эмергия. Арнайы эмергия әдетте граммға шаққандағы күн эмергиясы (seJ/g) ретінде көрсетіледі. Материалдарды шоғырландыру үшін энергия қажет болғандықтан, кез келген заттың бірлік эмергиялық мәні шоғырланумен артады. Табиғатта көп кездеспейтін элементтер мен қосылыстар шоғырланған жағдайда жоғары эмергия/масса қатынасына ие, себебі оларды шоғырландыру үшін кеңістіктік және химиялық жағынан көбірек қоршаған орта жұмысы қажет. Ақша бірлігіне шаққандағы эмергия – экономикалық өнімнің бір бірлігін өндіруді қолдайтын эмергия (ақшалай мәнде). Ол ақшаны эмергиялық бірліктерге ауыстыру үшін қолданылады. Ақша тауарлар мен қызметтер үшін төленеді, бірақ қоршаған ортаға емес, ақшалай төлемдер арқылы ұсынылған үдеріске үлес – ақша сатып алатын эмергия. Ақша сатып алатын ресурстардың мөлшері экономиканы қолдап тұрған эмергияның көлеміне және айналымдағы ақшаның мөлшеріне байланысты. Бұл көрсеткіш елге байланысты әр түрлі, жыл сайын азайып отырады, бұл инфляцияның бір көрсеткіші. Бұл эмергия/ақша қатынасы орташа жалақы мөлшерлемесі орынды болған жағдайда ақша бірліктерімен берілген қызметтерді бағалау үшін пайдалы. Еңбек бірлігіне арналған эмергия – процеске қолданылатын тікелей еңбектің бір бірлігін қолдайтын эмергия. Жұмысшылар өз күшін процеске жұмсайды және осылайша оларға осы еңбекті мүмкін еткен (азық-түлік, оқыту, көлік және т.б.) эмергияны жанама түрде инвестициялайды. Бұл эмергия қарқындылығы әдетте уақытқа шаққандағы эмергия ретінде көрсетіледі (seJ/жыл; seJ/сағ), бірақ ақшаға шаққандағы эмергия (seJ/$) да қолданылады. Процеске қажетті инпуттарды жасау және жеткізу үшін қажетті жанама еңбек, әдетте, қызметтердің долларлық құнымен өлшенеді, сондықтан оның эмергия қарқындылығы seJ/$ ретінде есептеледі. Empower – эмергия ағыны (яғни, уақыт бірлігіне эмергия). 2-кесте Номенклатура Терминдік анықтама Қысқартылған бірліктер Экстенсивті қасиеттер Эмергия – энергияның немесе материяның берілген шығыс ағынын немесе сақтауын өндіру үшін тікелей немесе жанама қажет болатын бір типтегі (әдетте күн) қол жетімді энергияның мөлшері. Em seJ (күн эквиваленті джоульдер) Эмергия ағыны – жүйеге/процеске энергия немесе материалдар ағынымен байланысты эмергия ағыны. R= жаңартылатын ағындары; N= жаңартылмайтын ағындары; F= импортталған ағындары; S= қызметтер seJ*уақыт−1 Жалпы эмергия өнімі – ұлттық немесе аймақтық экономиканы жылдық түрде басқару үшін қолданылатын жалпы эмергия GEP seJ*жыл−1 Өнімге қатысты интенсивті қасиеттер Трансформация – пайдалы энергияның бірлігіне шаққандағы эмергиялық инвестиция Tr seJ*J−1 Арнайы эмергия – құрғақ массаның бірлігіне шаққандағы эмергиялық инвестиция SpEm seJ*г−1 Валютаның эмергиялық қарқындылығы – елде, аймақта немесе процесте өндірілген ЖІӨ бірлігіне шаққандағы эмергиялық инвестиция EIC seJ*валюта−1 Кеңістікке қатысты интенсивті қасиеттер Эмергия тығыздығы – берілген материалдың көлем бірлігінде сақталатын эмергия EmD seJ*көлем−3 Уақытқа қатысты интенсивті қасиеттер Empower – уақыт бірлігіне эмергия ағыны (шығарылған, қолданылған) EmP seJ*уақыт−1 Empower қарқындылығы – аудандық Empower (уақыт және аудан бірлігіне шығарылған эмергия) EmPI seJ*уақыт−1*аудан−1 Empower тығыздығы – бірлік көлемнен уақыт бірлігіне шығарылған эмергия (мысалы, электр стансасы немесе қозғалтқыш) EmPd seJ*уақыт−1*көлем−3 Таңдалған өнімділік көрсеткіштері Шығарылған (қолданылған) эмергия – процестегі жалпы эмергиялық инвестиция (процестің із қалдыру өлшемі) U= N+R+F+S (суретті қараңыз.1) seJ Эмергиялық шығым қатынасы – инвестицияланған эмергия бірлігіне шығарылған (қолданылған) эмергияның жалпы мөлшері EYR= U/(F+S) (суретті қараңыз.1) – Қоршаған ортаға жүктеме қатынасы – жергілікті жаңару ресурстарының бірлігіне шығарылған жаңартылмайтын және импортталған эмергияның жалпы мөлшері ELR= (N+F+S)/R (суретті қараңыз.1) – Эмергиялық тұрақтылық индексі – қоршаған ортаға жүктеме бірлігіне эмергиялық шығым ESI= EYR/ELR (суретті қараңыз.1) – Жаңару – шығарылған (қолданылған) эмергияның жалпы мөлшерінің жаңару үлесі %REN= R/U (суретті қараңыз.1) – Эмергиялық инвестиция қатынасы – жергілікті (жаңару және жаңартылмайтын) ресурстың бір бірлігін пайдалану үшін қажетті эмергиялық инвестиция EIR= (F+S)/(R+N) (суретті қараңыз.1) –
Transformity — emergy input per unit of available energy output. For example, if 10,000 solar emjoules are required to generate a joule of wood, then the solar transformity of that wood is 10,000 solar emjoules per joule (abbreviated seJ/J). The solar transformity of the sunlight absorbed by the earth is 1.0 by definition. Specific emergy — emergy per unit mass output. Specific emergy is usually expressed as solar emergy per gram (seJ/g). Because energy is required to concentrate materials, the unit emergy value of any substance increases with concentration. Elements and compounds not abundant in nature therefore have higher emergy/mass ratios when found in concentrated form since more environmental work is required to concentrate them, both spatially and chemically. Emergy per unit money — the emergy supporting the generation of one unit of economic product (expressed in monetary terms). It is used to convert money into emergy units. Since money is paid for goods and services, but not to the environment, the contribution to a process represented by monetary payments is the emergy that money purchases. The amount of resources that money buys depends on the amount of emergy supporting the economy and the amount of money circulating. An average emergy/money ratio in solar emjoules/$ can be calculated by dividing the total emergy use of a state or nation by its gross economic product. It varies by country and has been shown to decrease each year, which is one index of inflation. This emergy/money ratio is useful for evaluating service inputs given in money units where an average wage rate is appropriate. Emergy per unit labor — the emergy supporting one unit of direct labor applied to a process. Workers apply their efforts to a process and in so doing they indirectly invest in it the emergy that made their labor possible (food, training, transport, etc). This emergy intensity is generally expressed as emergy per time (seJ/yr; seJ/hr), but emergy per money earned (seJ/$) is also used. Indirect labor required to make and supply the inputs to a process is generally measured with the dollar cost of services, so that its emergy intensity is calculated as seJ/$. Empower — a flow of emergy (i. e., emergy per unit time). +Table 2. NomenclatureTerm Definition Abbreviation Units Extensive Properties Emergy The amount of available energy of one type (usually solar) that is directly or indirectly required to generate a given output flow or storage of energy or matter. Em seJ (solar equivalent Joules) Emergy Flow Any flow of emergy associated with inflowing energy or materials to a system/process. R=renewable flows; N= nonrenewable flows; F= imported flows; S= services seJ*time−1 Gross Emergy Product Total emergy annually used to drive a national or regional economy GEP seJ*yr−1Product related Intensive Properties Transformity Emergy investment per unit process output of available energy Τr seJ*J−1 Specific Emergy Emergy investment per unit process output of dry mass SpEm seJ*g−1 Emergy Intensity of currency Emergy investment per unit of GDP generated in a country, region or process EIC seJ*curency−1Space related Intensive Properties Emergy Density Emergy stored in a volume unit of a given material EmD seJ*volume−3Time related Intensive Properties Empower Emergy flow (released, used) per unit time EmP seJ*time−1 Empower Intensity Areal Empower (emergy released per unit time and area) EmPI seJ*time−1*area−1 Empower Density Emergy released per unit time by a unit volume (e. g. a power plant or engine) EmPd seJ*time−1*volume−3Selected Performance Indicators Emergy released (used) Total emergy investment in a process (measure of a process footprint) U= N+R+F+S (see Fig.1) seJ Emergy Yield Ratio Total emergy released (used up) per unit of emergy invested EYR= U/(F+S)(see Fig.1) — Environmental Loading Ratio Total nonrenewable and imported emergy released per unit of local renewable resource ELR= (N+F+S)/R(see Fig.1) — Emergy Sustainability Index Emergy yield per unit of environmental loading ESI= EYR/ELR(see Fig.1) — Renewability Percentage of total emergy released (used) that is renewable. %REN= R/U(see Fig.1) — Emergy Investment Ratio Emergy investment needed to exploit one unit of local (renewable and nonrenewable) resource. EIR= (F+S)/(R+N) (see Fig.1) —
Есепке алу әдісі
Эмергиялық есеп энергияның барлық түрлерінің, ресурстардың және адам қызметінің термодинамикалық негізін, әдетте күн энергиясы сияқты, бір түрлі энергияның эквивалентіне түрлендіреді. Жүйені бағалау үшін жүйелік схема бағалауды ұйымдастырып, энергияның кіріс және шығыс ағындарын есепке алады. Осы схемадан ресурстар, еңбек және энергия ағынының кестесі құрастырылады, содан кейін барлық ағындар бағаланады. Ал соңғы қадам – нәтижелерді интерпрециялау.
Бірлік мәндерін есептеу
Кесте бірлік эмергиялық шаманы есептеуге мүмкіндік береді. Соңғы, шығыс қатары (жоғарыдағы мысал кестедегі "O" қатары) бірінші кезекте энергия немесе масса бірліктерімен бағаланады. Содан кейін кіріс эмергиясы қосылады және бірлік эмергиялық шама эмергияны шығыс бірліктеріне бөлу арқылы есептеледі.
Нәтижелік көрсеткіштер
2-суретте жаңартылмайтын қоршаған ортаның үлесі (N) материалдарды жинақтау ретінде, жаңартылатын қоршаған ортаның кірістері (R) және экономикадан алынған кірістер (F) – сатып алынған тауарлар мен қызметтер түрінде көрсетілген. Сатып алынған кірістер процестің жүзеге асуы үшін қажет, оларға адам еңбегі, сатып алынған жаңартылмайтын энергия және басқа жерден әкелінген материалдар (отын, минералдар, электр энергиясы, жабдықтар, тыңайтқыштар және т.б.) кіреді. 2-суретте процестің жалпы тиімділігін бағалауға арналған бірнеше арақатынастар немесе индекстер келтірілген. Эмергияның шығымдылық коэффициенті (EYR) – инвестицияланған бірлікке жұмсалған (пайдаланылған) эмергия мөлшері. Бұл арақатынас инвестицияның жергілікті ресурстарды пайдалануға қаншалықты мүмкіндік беретінін көрсетеді. Қоршаған ортаға жүктеме коэффициенті (ELR) – жаңартылмайтын және импортталған эмергияны пайдалану мен жаңартылатын эмергияны пайдалану арақатынасы. Бұл трансформация процесінің қоршаған ортаға тигізетін қысымының көрсеткіші және өндіріс (трансформациялық қызмет) салдарынан туындаған экожүйелік стрестің өлшемі ретінде қарастырылуы мүмкін. Эмергиялық тұрақтылық индексі (ESI) – EYR мен ELR арақатынасы. Ол ресурстың немесе процестің экономикаға тигізетін үлесін қоршаған ортаға бірлік жүктемеге шаққанда өлшейді. Аумақтық эмергиялық қарқындылық – аймақтың экономикасындағы эмергияны пайдаланудың оның ауданына қатынасы. Жаңартылатын және жаңартылмайтын эмергия тығыздығы тиісінше жалпы жаңартылатын эмергияны ауданға және жалпы жаңартылмайтын эмергияны ауданға бөлу арқылы жеке есептеледі. Бағалаудағы жүйенің түрі мен масштабына байланысты басқа арақатынастар да пайдалы болуы мүмкін. Жаңартылатын эмергияның үлесі (%Ren) – жаңартылатын эмергияның жалпы эмергия пайдалануына қатынасы. Ұзақ мерзімде тек жоғары үлесі бар процестер ғана тұрақты болады. Эмприс. Тауардың эмприсі – sej/$-та жұмсалған ақшаға алынған эмергия мөлшері. Эмергиялық айырбас коэффициенті (EER) – сауда немесе сатып алу кезінде алысқан эмергияның арақатынасы (алынғанға қарағанда берілген). Бұл арақатынас әрқашан сауда серіктесіне қатысты көрсетіледі және бір серіктестің екіншісіне қарағанда салыстырмалы сауда артықшылығының өлшемі болып табылады. Адам басына шаққандағы эмергия – аймақтың немесе елдің эмергия пайдалануының халық санына қатынасы. Адам басына шаққандағы эмергия халықтың әлеуетті, орташа тұрмыс деңгейін өлшеу үшін қолданылуы мүмкін. Энергияға қайтарымдылықтың эмергиялық негіздегі көрсеткіші – энергияға қайтарымдылық тұжырымдамасын жақсарту және оны қоршаған ортаға тигізетін әсерлерді де қамтитын жаңа тәсіл ретінде ұсынылды.
Даулар
Эмергия тұжырымдамасы академиялық ортада, оның ішінде экология, термодинамика және экономика салаларында қырқыс пікірталас тудырды. Эмергия теориясы басқа құндылық теорияларын ығыстыру мақсатымен құндылықтың энергиялық теориясын ұсынуда айыпталады. Эмергиялық бағалаудың негізгі мақсаты – жүйелер мен процестерді «экоцентристік» тұрғысынан бағалау. Сондықтан ол экономикалық құндылықтарды алмастыруды көздемейді, керісінше, басқа көзқарас бойынша қосымша ақпарат беруге бағытталған. Күн сәулесінің бір калориясының мұнай немесе электр энергиясының бір калориясына тең емес деген идея көпке абсурдты көрінеді, себебі энергия бірліктерінің бірінші заң бойынша анықтамасы жылуды өлшеу шарасы ретінде қарастырылады (яғни Джоульдің жылудың механикалық эквиваленті). Ал кейбіреулер бұл тұжырымдаманы іс жүзінде қолдануға қиындық туғызады деп санайды, өйткені олардың пікірінше, мұнайдың белгілі бір көлемін өндіру үшін қажетті күн сәулесінің мөлшерін объективті түрде анықтау мүмкін емес. Адамзат пен табиғат жүйелерін біріктіру және экономикаға қоршаған ортаның үлесін бағалау тұрғысынан алдыңғы қатардағы экономистер эмергия әдістемесін нарықтық құндылықтарды ескермегендігі үшін сынап бағалайды.