Введение
Общая энергия, потребляемая напрямую и косвенно при создании продукта или услуги. Эмергия – это количество энергии, затраченной в прямых и косвенных преобразованиях для создания продукта или услуги. Эмергия является мерой различий в качестве между различными формами энергии. Эмергия выражает всю энергию, используемую в рабочих процессах, генерирующих продукт или услугу, в единицах одного типа энергии. Эмергия измеряется в эмджоулях – единицах, отражающих доступную энергию, потребляемую в ходе преобразований. Эмергия учитывает различные формы энергии и ресурсы (например, солнечный свет, вода, ископаемое топливо, минералы и т.д.). Каждая форма энергии образуется в результате процессов трансформации в природе и обладает различной способностью поддерживать работу в природных и созданных человеком системах. Осознание этих различий в качестве является ключевым понятием.
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.
История
Теоретическая и концептуальная основа методологии эмерджии базируется на термодинамике, общей теории систем и системной экологии. Эволюция теории, разработанной Говардом Т. Одумом на протяжении первых тридцати лет, рассматривается в книге "Экологический учёт".
Воплощенная энергия
Термин "воплощенная энергия" некоторое время использовался в начале 1980-х годов для обозначения различий в энергетическом качестве с точки зрения затрат на их получение, а также для соотношения, называемого "фактором качества", которое показывало, сколько калорий (или джоулей) энергии одного вида требуется для получения калорий (или джоулей) другого. Однако, поскольку термин "воплощенная энергия" применялся и другими группами, оценивавшими количество ископаемого топлива, необходимого для производства продукции, и при этом не учитывались все виды энергии или не подразумевалось качество, от термина "воплощенная энергия" отказались в пользу "воплощенных солнечных калорий", а "факторы качества" стали называться "коэффициентами преобразования".
Введение термина "эмергия"
Использование термина "воплощённая энергия" для обозначения этой концепции было изменено в 1986 году, когда Дэвид Сайенсман, приглашённый учёный из Австралии, работавший в Университете Флориды, предложил термин "эмергия" и "эмджоуль" или "эмкалория" в качестве единицы измерения, чтобы отличать единицы эмергии от единиц доступной энергии. Примерно в то же время термин "коэффициент преобразования" был сокращён до "трансформитивности". Важно отметить, что в течение этих двадцати лет базовый уровень или основа для оценки форм энергии и ресурсов сместился от органического вещества к ископаемому топливу и, наконец, к солнечной энергии. После 1986 года методология эмергии продолжала развиваться по мере расширения научного сообщества и проведения новых прикладных исследований комбинированных систем человека и природы, которые ставили новые концептуальные и теоретические вопросы. Развитие методологии эмергии привело к более чётким определениям терминов и номенклатуре, а также к совершенствованию методов расчёта трансформитивности. Международное общество содействия исследованиям в области эмергии и двухгодичная международная конференция при Университете Флориды поддерживают эти исследования.
Хронология
Таблица 1: Развитие эмергии, трансформитивности и коэффициентов преобразования. Годы Базовая единица Значения эмергии Единицы измерения Ссылка 1967–1971 Органическое вещество – базовая единица. Все энергии более высокого качества (древесина, торф, уголь, нефть, живая биомасса и т.д.) выражены в единицах органического вещества. Солнечный эквивалент органического вещества = 1000 солнечных килокалорий на килокалорию органического вещества. г сухого веса О.В.; ккал, преобразование из О.В. в ккал = 5 ккал/г сухого веса. 1973–1980 Ископаемое топливо, а затем уголь – базовая единица. Энергия более низкого качества (солнце, растения, древесина и т.д.) выражалась в единицах ископаемого топлива, а затем в единицах угольного эквивалента. Эквиваленты прямого солнечного излучения ископаемого топлива = 2000 солнечных килокалорий на килокалорию ископаемого топлива. Эквиваленты работы ископаемого топлива (FFWE) и позднее, эквиваленты угля (CE). 1983–1986 Признано, что солнечная энергия, геотермальная энергия и приливная энергия являются основой глобальных процессов. Общий годовой объем глобальных источников равен сумме этих (9,44 E24 солнечных джоулей/год). Вложенные солнечные джоули на джоуль ископаемого топлива = 40 000 сеДж/Дж. Вложенные солнечные эквиваленты (SEJ), позднее названные "эмергией" с обозначением (сеДж). 1987–2000 Дальнейшие уточнения общей энергии, определяющей глобальные процессы. Вложенная солнечная энергия переименована в ЭМЕРГИЮ. Эмергия солнца на джоуль угольной энергии ~ 40 000 солнечных эмджоулей/джоуль (сеДж/Дж), названная Трансформитивностью. сеДж/Дж = Трансформитивность; сеДж/г = Удельная эмергия.
Определения и примеры
Эмергия – количество энергии одной формы, используемой в преобразованиях напрямую и косвенно для создания продукта или услуги. Единицей эмергии является эмджоуль или эмергия-джоуль. С помощью эмергии солнечный свет, топливо, электричество и человеческий труд можно привести к общему знаменателю, выразив каждый из них в эмджоулях солнечной энергии, необходимой для их производства. Если солнечная эмергия является базовой, то результаты выражаются в солнечных эмджоулях (обозначается seJ). Хотя использовались и другие базовые линии, такие как угольные эмджоули или электрические эмджоули, в большинстве случаев данные об эмергии приводятся в солнечных эмджоулях. Значения удельной эмергии (UEV) – эмергия, необходимая для получения единицы продукции. Типы UEV:
Трансформитивность – вход эмергии на единицу доступной выходной энергии. Например, если для получения джоуля древесины требуется 10 000 солнечных эмджоулей, то солнечная трансформитивность этой древесины составляет 10 000 солнечных эмджоулей на джоуль (обозначается seJ/J). Солнечная трансформитивность солнечного света, поглощаемого Землей, по определению равна 1,0. Удельная эмергия – эмергия на единицу массы продукции. Удельная эмергия обычно выражается как солнечная эмергия на грамм (seJ/g). Поскольку для концентрации материалов требуется энергия, удельное значение эмергии любого вещества увеличивается с увеличением концентрации. Элементы и соединения, не распространенные в природе, поэтому имеют более высокие соотношения эмергии к массе в концентрированном виде, поскольку для их концентрации требуется больше работы окружающей среды как в пространственном, так и в химическом отношении. Эмергия на единицу денег – эмергия, поддерживающая создание единицы экономического продукта (выраженного в денежном эквиваленте). Она используется для перевода денег в единицы эмергии. Поскольку деньги платят за товары и услуги, но не за окружающую среду, вклад в процесс, представленный денежными платежами, – это эмергия, которую покупают эти деньги. Количество ресурсов, которые можно купить за деньги, зависит от количества эмергии, поддерживающей экономику, и от количества денег в обращении. Среднее соотношение эмергии к деньгам в солнечных эмджоулях/$ можно рассчитать, разделив общее потребление эмергии государством или нацией на его валовой экономический продукт. Оно варьируется в зависимости от страны и, как было показано, снижается каждый год, что является одним из показателей инфляции. Это соотношение эмергии к деньгам полезно для оценки вклада услуг, выраженного в денежных единицах, где уместна средняя заработная плата. Эмергия на единицу труда – эмергия, поддерживающая единицу непосредственного труда, приложенного к процессу. Рабочие прикладывают свои усилия к процессу и, тем самым, косвенно инвестируют в него эмергию, которая сделала возможным их труд (пища, обучение, транспорт и т. д.). Эта интенсивность эмергии обычно выражается как эмергия во времени (seJ/год; seJ/час), но также используется эмергия на заработанные деньги (seJ/$). Косвенный труд, необходимый для производства и поставки входных материалов в процесс, обычно измеряется стоимостью услуг в долларах, поэтому его интенсивность эмергии рассчитывается как seJ/$. Эмпауэр – поток эмергии (т.е. эмергия в единицу времени). +Таблица 2. Номенклатура. Термин. Определение. Обозначение. Единицы измерения. Экстенсивные свойства. Эмергия. Количество доступной энергии одного типа (обычно солнечной), которое требуется напрямую или косвенно для создания данного потока выхода или хранения энергии или вещества. Em. seJ (солнечные эквивалентные джоули). Поток эмергии. Любой поток эмергии, связанный с притоком энергии или материалов в систему/процесс. R = возобновляемые потоки; N = невозобновляемые потоки; F = импортируемые потоки; S = услуги. seJ*time−1. Валовой продукт эмергии. Общий объем эмергии, ежегодно используемый для стимулирования национальной или региональной экономики. GEP. seJ*yr−1. Интенсивные свойства, связанные с продуктом. Трансформитивность. Инвестиции эмергии на единицу выходной доступной энергии процесса. Tr. seJ*J−1. Удельная эмергия. Инвестиции эмергии на единицу выходной сухой массы процесса. SpEm. seJ*g−1. Интенсивность эмергии валюты. Инвестиции эмергии на единицу ВВП, генерируемого в стране, регионе или процессе. EIC. seJ*currency−1. Интенсивные свойства, связанные с пространством. Плотность эмергии. Эмергия, хранящаяся в единице объема данного материала. EmD. seJ*volume−3. Интенсивные свойства, связанные со временем. Эмпауэр. Поток эмергии (выделяемой, используемой) в единицу времени. EmP. seJ*time−1. Интенсивность эмпауэра. Площадная эмпауэр (эмергия, выделяемая в единицу времени и площади). EmPI. seJ*time−1*area−1. Плотность эмпауэра. Эмергия, выделяемая в единицу времени единицей объема (например, электростанцией или двигателем). EmPd. seJ*time−1*volume−3. Выбранные показатели эффективности. Выделенная (использованная) эмергия. Общие инвестиции эмергии в процесс (мера экологического следа процесса). U = N + R + F + S (см. рис. 1). seJ. Коэффициент выхода эмергии. Общая эмергия, выделенная (использованная) на единицу инвестированной эмергии. EYR = U/(F + S) (см. рис. 1). –. Коэффициент экологической нагрузки. Общая невозобновляемая и импортируемая эмергия, выделенная на единицу местного возобновляемого ресурса. ELR = (N + F + S)/R (см. рис. 1). –. Индекс устойчивости эмергии. Выход эмергии на единицу экологической нагрузки. ESI = EYR/ELR (см. рис. 1). –. Возобновляемость. Процент общей выделенной (использованной) эмергии, который является возобновляемым. %REN = R/U (см. рис. 1). –. Коэффициент инвестиций эмергии. Инвестиции эмергии, необходимые для эксплуатации единицы местного (возобновляемого и невозобновляемого) ресурса. EIR = (F + S)/(R + N) (см. рис. 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) —
Метод учета
Эмерджетный учёт преобразует термодинамическую основу всех форм энергии, ресурсов и человеческой деятельности в эквиваленты единой формы энергии, как правило, солнечной. Для оценки системы используется системная диаграмма, которая организует процесс оценки и учитывает входящие и исходящие потоки энергии. На основе диаграммы составляется таблица потоков ресурсов, труда и энергии, и все потоки оцениваются. Заключительный этап – интерпретация полученных результатов.
Расчетные величины единиц
Таблица позволяет рассчитать удельное эмерджетное значение. Последняя, выходная строка (строка “O” в приведенной выше таблице) оценивается в первую очередь в единицах энергии или массы. Затем суммируется входящий эмерджем и удельное эмерджетное значение рассчитывается путем деления эмерджема на единицы выхода.
Показатели эффективности
На рисунке 2 показаны невозобновляемые экологические вклады (N) в виде запасов материалов, возобновляемые экологические вклады (R) и вклады из экономики в виде приобретенных (F) товаров и услуг. Приобретенные входы необходимы для осуществления процесса и включают в себя труд человека, приобретенную невозобновляемую энергию и материалы, поступающие извне (топливо, минералы, электроэнергия, оборудование, удобрения и т.д.). На рисунке 2 приведены несколько коэффициентов или индексов, которые оценивают общую эффективность процесса. Коэффициент доходности эмергии (EYR) — отношение высвобожденной (использованной) эмергии к инвестированной единице. Этот коэффициент показывает, насколько инвестиции позволяют процессу использовать местные ресурсы. Коэффициент экологической нагрузки (ELR) — отношение использования невозобновляемой и импортируемой эмергии к использованию возобновляемой эмергии. Он является индикатором давления, которое процесс трансформации оказывает на окружающую среду, и может рассматриваться как мера стресса экосистемы, вызванного производственной (трансформационной) деятельностью. Индекс устойчивости эмергии (ESI) — отношение EYR к ELR. Он измеряет вклад ресурса или процесса в экономику на единицу экологической нагрузки. Показатель интенсивности эмергии на единицу площади — отношение использования эмергии в экономике региона к его площади. Плотность возобновляемой и невозобновляемой эмергии рассчитывается отдельно путем деления общей возобновляемой эмергии на площадь и общей невозобновляемой эмергии на площадь соответственно. Другие коэффициенты полезны в зависимости от типа и масштаба оцениваемой системы. Доля возобновляемой эмергии (%Ren) — отношение возобновляемой эмергии к общему использованию эмергии. В долгосрочной перспективе устойчивы только процессы с высокой долей %Ren. Эмпрайс. Эмпрайс товара – это количество эмергии, получаемое за единицу денег, потраченных в седж/$. Коэффициент обмена эмергии (EER) — отношение эмергии, обменянной в ходе сделки или покупки (полученного к отданному). Этот коэффициент всегда выражается относительно торгового партнера и является мерой относительного торгового преимущества одного партнера перед другим. Эмергия на душу населения — отношение использования эмергии в регионе или стране к численности населения. Эмергия на душу населения может использоваться как показатель потенциального, среднего уровня жизни населения. Возврат эмергии на инвестиции был введен как способ расширения и улучшения концепции возврата энергии на инвестиции, чтобы также учитывать воздействие на окружающую среду.
Противоречия
Концепция эмергии вызывала споры в академической среде, включая экологию, термодинамику и экономику. Теорию эмергии критиковали за то, что она якобы предлагает энергетическую теорию ценности в качестве замены другим теориям ценности. Заявленная цель оценок эмергии – обеспечить "экоцентрическую" оценку систем и процессов. Таким образом, она не претендует на замену экономических ценностей, а предоставляет дополнительную информацию с другой точки зрения. Идея о том, что калория солнечного света не эквивалентна калории ископаемого топлива или электричества, многим кажется абсурдной, поскольку она основана на определении энергетических единиц в рамках первого закона термодинамики как мер теплоты (то есть механического эквивалента теплоты, выраженного в джоулях). Другие отвергают эту концепцию как непрактичную, поскольку, по их мнению, объективно оценить количество солнечного света, необходимого для производства определенного количества нефти, невозможно. При объединении систем человечества и природы и оценке вклада окружающей среды в экономику, представители экономической науки критикуют методологию эмергии за игнорирование рыночных ценностей.