Emergia

L'emergia è una grandezza fisica definita come l'energia disponibile di un solo tipo utilizzata, direttamente o indirettamente, per produrre un bene o un servizio. Il bilancio emergetico misura le differenze qualitative tra le diverse forme di energia (radiazione solare, combustibili fossili, ecc.); ciascun tipo di energia ha caratteristiche differenti e supporta in vari modi i sistemi naturali ed umani.

La teoria emergetica fu proposta in origine dal fisico David M. Scienceman, con la collaborazione di Howard T. Odum, con lo scopo di distinguerla dalle altre teorie dell'energia congelata; in questa accezione, "emergia" è la contrazione del termine inglese "embodied" ("incorporata, inclusa") ed "energia", benché lo stesso Scienceman utilizzi questo termine anche per indicare il concetto di memoria di energia e anche Odum lo usi sia per indicare l'energia sequestrata sia una proprietà emergente dell'uso di energia. L'unità di misura dell'emergia è detta "emjoule", ovvero "emergia-joule". Dal momento che la parola "emergia" può essere confusa con "energia", spesso alcuni autori ricorrono ad espedienti grafici come "eMergia" o "EMERGIA" per sottolineare la differenza.

Definizione di emergia

Come parametro di un sistema, l'emergia viene definita come la somma, lungo un periodo di tempo, di tutta l'energia (di un solo tipo) necessaria a produrre un flusso di energia di altro tipo; citando i due fisici Laganisa e Debeljakb:

"La teoria della sintesi dell'emergia è stata introdotta da Odum negli anni ottanta [...] con lo scopo di prendere in considerazione i differenti tipi di energie che guidano i processi fisici e di poterle comparare partendo da una base comune. Essa tenta di risolvere il problema delle energie multi-qualità trasformandole in un'unica energia equivalente, solitamente l'energia solare."

Altre definizioni di emergia sono le seguenti:

"L'emergia può essere definita come l'energia solare totale equivalente che viene usata sia direttamente sia indirettamente per produrre beni o servizi." (H.T.Odum, 1996, H.T. & E.C.Odum, 2000)

"L'emergia esprime il costo di un processo in termini di energia solare equivalente. L'idea alla base di ciò è che l'energia solare è in ultima analisi l'unica sorgente di energia che viene utilizzata, ed esprimendo il valore di un prodotto in unità di emergia, diviene possibile "confrontare le mele con le pere"." (S.E.Jorgensen, 2001, p. 61)

S.E. Jorgensen, S.N.Nielsen e H.Mejer scrivono: "Il calcolo del valore di emergia ha lo stesso scopo del calcolo dell'exergia: scovare le energie nascoste necessarie alla costituzione e all'organizzazione dei sistemi viventi." (1995, p. 103). Secondo H.T.Odum, la nozione di "exergia congelata" può essere utilizzata nella valutazione di queste strutture, alcuni studiosi non esitano a equiparare l'exergia congelata all'emergia.

L'emergia misura in uno stesso contesto i valori sia delle risorse energetiche sia dei materiali; sono compresi dunque anche quei "servizi" procurati dall'ambiente naturale che non sono legati all'economia monetaria: tenendo conto di questi servizi, le risorse naturali non vengono valutate in base al loro costo in denaro o alla propensione della società ad acquistarle (parametri spesso ingannevoli). Approcci non-emergetici ai problemi ecologici, sociopolitici o economici molte volte considerano solo le risorse non rinnovabili, in funzione delle tecnologie umane capaci di ricavare energia da esse, e non tengono conto degli spontanei benefici che un sistema riceve dall'ambiente (l'attività di fotosintesi resa possibile dall'energia solare, la diluizione degli agenti inquinanti atmosferici per opera del vento, etc.), benefici indispensabili ai sistemi produttivi così come, per esempio, i combustibili fossili. L'emergia include tutto questo, forse non perfettamente, ma abbastanza per aiutare a conoscere il grande numero di fonti di energia necessarie per supportare qualsiasi attività economica moderna, e aiutare quindi nelle conseguenti decisioni politiche. Per Shu-Li Huang e Chia-Wen Chen

"numerose e diversificate sorgenti di emergia costituiscono la struttura e il metabolismo avanzato delle aree urbane."

Definizione matematica

Comprendere il concetto di emergia significa innanzitutto comprendere quello di exergia, ovvero la reale porzione di energia che può produrre del lavoro meccanico:

$E_{x}=(energia\ libera\ di\ Gibbs)+(energia\ potenziale\ gravitazionale)+(energia\ cinetica)$

L'energia libera di Gibbs è l'energia termodinamica e chimica sfruttabile: forme di energia come le radiazioni o l'energia termica non possono essere convertite completamente in lavoro, e hanno un contenuto di exergia minore del loro contenuto di energia (vedi anche entropia).

Il "potere exergetico" corrisponde al tasso di variazione dell'exergia nel tempo:

$P_{x}={dE_{x} \over dt}$

ed è equivalente al concetto di potenza dell'exergia.

L'emergia è definita come l'integrale del potere exergetico in funzione del tempo:

$E_{m}=\int _{t=-\infty }^{t_{0}}P_{x}dt$

ovvero come la variazione totale di exergia da $t_{0}$ (questa è solo un'approssimazione della formula di Giannantoni, vedi [1]).

Emergia solare
L'emergia solare viene indicata con il simbolo $U$; è definita come l'energia solare richiesta, sia direttamente che indirettamente, per guidare un processo che produce energia di altro tipo:

$U=\sum _{i}Tr_{i}E_{i}$

Dove $E_{i}$ è il contenuto di energia utilizzabile (o energia libera) dell'"i-esimo" flusso di energia assorbito dal processo e $Tr_{i}$ è la "solar transformity" (vedi in seguito) riferita sempre al generico flusso "i". La solar transformity dell'irraggiamento diretto da parte del Sole ($Tr_{s}$) è posta uguale a 1.

Storia

Le basi teoriche e concettuali della metodologia emergetica hanno le loro radici nella termodinamica, nella teoria generale dei sistemi e nell'ecologia dei sistemi. I primi trent'anni di evoluzione della teoria sono raccontati da H.T Odum nel libro Environmental Accounting e nel volume Maximum Power. Agli inizi degli anni '50, Odum introdusse i principi della qualità dell'energia a partire dai suoi studi sugli ecosistemi umani e naturali, nei quali si osservano energie di differenti forme e scale. Le sue indagini sui flussi energetici negli ecosistemi e sulle differenze nel lavoro potenzialmente estraibile da luce, acqua, vento e risorse fossili chiarirono come non si potessero semplicemente "sommare" le varie energie, ma fosse necessario convertirle in un'unità di misura comune che tenesse conto delle loro diverse qualità.

Questo concetto di "energia di un solo tipo" ha un denominatore comune con quella di "costo energetico". La prima menzione di "qualità dell'energia" si trova nel libro di Odum Environment Power and Society:

"Agli inizi dello secolo scorso l'uomo iniziò a sviluppare un tipo di energia completamente nuova, basata sull'uso del carbone, del petrolio e di altre energie "immagazzinate": queste fonti sono il risultato dell'accumulo in milioni di anni dell'energia del Sole, e divennero disponibili per lo sfruttamento umano."

La prima definizione di quello che poi diventerà l'emergia risale al 1973:

"L'energia è misurata in Calorie, BTU, kilowattora, o in altre unità di misura, ma essa ha anche una scala di qualità che non è indicata da queste misure. La capacità di ricavare lavoro dipende non solo dalla quantità, ma anche dalla qualità dell'energia, che è quantificabile come la quantità di energia di grado inferiore richiesta per generare quella di livello superiore. Questa scala va dalla luce solare alla materia vegetale, dal carbone al petrolio, all'elettricità fino ai processi di computer e all'elaborazione da parte del cervello umano delle informazioni."

La prima valutazione quantitativa della qualità dell'energia è contenuta in un discorso del 1975, in cui compaiono anche le tabelle dei "Fattori di Qualità dell'Energia", ovvero le kilocalorie di energia solare richieste per generare una kilocaloria di un'energia di grado superiore. Questi fattori, chiamati FFWE ("Fossil Fuel Work Equivalents") venivano calcolati a partire da un combustibile fossile standard, per il quale 1 kilocaloria equivale a 2000 kilocalorie di energia solare; la qualità dell'energia era ricavata convertendo le varie forme di energia in questo equivalente. I FFWE furono in seguito sostituiti dal CE ("Carbone Equivalente") e, nel 1977, dal SE ("Solare equivalente").

Il concetto di "energia congelata" fu usato per la prima volta agli inizi degli anni '80 per riferirsi alle differenti qualità delle energie in termini dei loro costi di generazione, anche se per lungo tempo gli fu preferito il concetto di "calorie solari congelate", mentre i fattori di qualità divennero i "rapporti di trasformazione". Nel 1986, David Scienceman, studente australiano in visita all'Università della Florida, suggerì i termini "emergia" ed "emjoule" (o "emcalorie"); il "rapporto di trasformazione" fu abbreviato in "transformity" nello stesso anno:

"A causa della grande confusione della letteratura scientifica, e con lo scopo di illustrare chiaramente le teorie di H.T.Odum, vengono ora introdotti nuovi termini - "memoria di energia", "emergia", "transformity", "empotenza", "emtropia", "emformazione", "emtelligenza", etc. - e le loro relative unità di misura." (Scienceman, 1987, p. 275)

Con questi nuovi termini, Scienceman cercò di chiarire due importanti fenomeni: 1) la combinazione di differenti forme di energie; 2) il processo di "congelamento" di queste diverse energie. Egli notò in seguito che il rapporto di efficienza usato nell'ingegneria termodinamica per quantificare la trasformazione dell'energia era simile al rapporto che H. T. Odum definì rapporto della qualità dell'energia; i due collaborarono frequentemente ad un progetto di semplificazione e unificazione del linguaggio scientifico mediante l'introduzione di nuovi concetti. Come osservò H.T.Odum:

"Nel 1983 la nostra idea di energia congelata (l'energia di una sola forma utilizzabile per produrre direttamente o indirettamente un prodotto o un servizio) era espressa dal termine “EMERGIA” e la sua unità di misura era chiamata “emjoule” o “emcaloria”. Il “rapporto di trasformazione dell'energia” venne rinominato “transformity”, avente come unità di misura l'“emjoule per Joule” (non è un rapporto adimensionale)."

In seguito, la metodologia emergetica ha continuato a svilupparsi fino ai giorni nostri, espandendosi in nuovi campi di ricerca teorica e pratica, con nuove sfide da affrontare. Contemporaneamente, si sono fornite definizioni più rigorose delle grandezze emergetiche e si sono affinati i metodi di calcolo delle transformities. Oggigiorno esistono una Society for the Advancement of Emergy Research e un'International Conference biennale che si tiene nel campus dell'Università della Florida.

La seguente tabella riporta la cronologia dell'evoluzione del metodo emergetico, con le relative nomenclature ed unità di misura.

Tabella 1: cronologia dello sviluppo della teoria emergetica.

Anni	Stato della teoria	Valore dell'emergia	Unità di misura	Note
1967–1971	La base di calcolo è la materia organica; tutte le energie di qualità superiore (legno, torba, carbone, petrolio, ecc.) sono espresse in unità di materia organica (OM).	Luce solare equivalente alla materia organica = 1000 kilocalorie solari per kilocaloria di materia organica.	g dry wt OM; kcal; conversione da OM a kcal = 5kcal/g dry wt.
1973–1980	La base sono i combustibili fossili ed in seguito il carbone; le altre forme di energia sono dunque espresse in unità equivalenti di combustibile fossile o di carbone.	Luce solare equivalente ai combustibili fossili = 2000 kilocalorie solari per kilocaloria di combustibile.	FFWE e CE
1980–1982	La base è l'energia solare globale; tutte le altre energie sono espresse in unità di energia solare.	6800 calorie di energia solare per caloria di energia disponibile estraibile dal carbone.	Calorie solari globali (GSE).
1983–1986	Scoperta che l'energia solare, l'energia geotermica e quella mareale sono alla base dei processi globali. Le risorse globali annuali sono dunque la somma di queste tre energie (circa 9.44*10^24 joule solari/anno)	Joule solari congelati per joule di combustibile fossile = 40000 seJ/J	Equivalente solare congelato (SEJ), più tardi chiamato "emergia".
1987–2000	Ulteriori affinamenti nel calcolo dell'energia totale dei processi globali; l'energia solare congelata è rinominata emergia.	Emergia solare per joule di energia da carbone: ~ 40000 emjoule solari/Joule (seJ/J); questo rapporto è chiamato "Transformity"	seJ/J = Transformity; seJ/g = emergia specifica
2000–presente	L'emergia totale della biosfera è rivalutata a circa 15.83*10^24 seJ/anno, facendo aumentare anche il valore della transformity di un fattore 15.83/9.44 = 1.68	Emergia solare per joule di energia da carbone: ~ 67000 seJ/J	seJ/J = Transformity; seJ/g = emergia specifica

Nomenclatura

Di seguito vengono elencati i termini più importanti utilizzati nella metodologia emergetica, e le loro rispettive definizioni:

• Emergia: energia disponibile di un solo tipo utilizzata, direttamente o indirettamente, per produrre un bene o un servizio. L'unità di misura dell'emergia è l'emjoule (eJ). Introducendo l'emergia, la luce solare, i combustibili fossili, l'elettricità e i servizi umani possono essere confrontati a partire da una base comune, esprimendo ciascuna di queste grandezze in termini di emjoule solari (seJ) richiesti per produrle (si possono altresì utilizzare altri tipi di energia come base, ad esempio quella del carbone o quella elettrica).
• Valori per unità di emergia (UEV): sono calcolati a partire dall'emergia richiesta per generare un'unità di prodotto attraverso un processo. Vi sono vari tipi di UEV, tra i quali troviamo:
  • Transformity: emergia in ingresso per unità di energia disponibile in uscita. Ad esempio, se occorrono 10000 emjoule solari per produrre un joule di energia dal legname, la transformity del legno è 10000 seJ/J. La transformity solare associata alla radiazione del Sole assorbita dalla Terra è per definizione pari a 1.
  • Emergia specifica: emergia per unità di massa del prodotto. Di solito, l'emergia specifica è espressa in seJ/g. Poiché è richiesta energia per concentrare elementi di materia, l'emergia specifica aumenta con la concentrazione. Elementi o composti normalmente non abbondanti avranno dunque un'elevata emergia specifica se trovati in alte concentrazioni (poiché è stato necessario un lavoro per concentrarli).
  • Emergia per unità di denaro: emergia necessaria alla generazione di un'unità di prodotto economico (il cui valore è espresso nella valuta corrente). Dal momento che il denaro è dato alle persone (per pagare i loro servizi) e non all'ambiente, il contributo ad un processo di pagamento monetario è pari all'emergia che le persone acquistano con i loro soldi. La quantità di risorse comprate dipende dall'emergia che sostiene l'economia e dalla quantità di denaro circolante. Un rapporto emjoule/€ medio può essere calcolato dividendo l'emergia totale utilizzata da uno Stato per il suo Prodotto Interno Lordo. Tale rapporto varia da paese a paese e decresce ogni anno, a causa dell'inflazione; è un indice molto utile per valutare i servizi espressi in unità di valuta, se il tasso di salario medio è appropriato.
  • Emergia per unità di lavoro: emergia che genera un'unità di lavoro umano direttamente implicato in un processo produttivo. Ad esempio, gli operai nel fare il loro lavoro è come se investissero indirettamente l'emergia da loro acquisita in precedenza (cibo, formazione, trasporto, ecc.). Questa intensità di emergia è generalmente misurata in seJ/anno o seJ/ora, o anche in seJ/€. Anche il lavoro indiretto coinvolto in processo è misurato in seJ/€.

• Empotenza: flusso di emergia, ovvero emergia per unità di tempo. In genere è espressa in seJ/s o seJ/anno.

La seguente tabella riassume i termini, le abbreviazioni, le definizioni e le unità di misura utilizzate nell'analisi emergetica.

Tabella 2: termini, abbreviazioni, definizione e unità di misura della teoria emergetica.

Termine	Definizione	Abbreviazione	Unità di misura
Proprietà estensive
Emergia	Energia di un solo tipo (in genere quella solare) richiesta direttamente o indirettamente per generare un altro tipo di energia.	Em	seJ
Flusso di emergia	Flusso di emergia associato ad un generico flusso di energia coinvolto in un processo.	R=flusso rinnovabile; N=flusso non rinnovabile; F=flusso importato; S=servizi	seJ*tempo−1
Prodotto Emergetico Lordo	Emergia totale utilizzata annualmente da un'economia nazionale o regionale.	GEP	seJ*anno−1
Proprietà intensive legate ai prodotti
Transformity	Emergia per unità di energia prodotta da un processo.	Τr	seJ*J−1
Emergia specifica	Emergia per unità di massa di prodotto.	SpEm	seJ*g−1
Intensità di emergia	Emergia per unità di PIL di un paese.	EIC	seJ*valuta−1
Proprietà intensive spaziali
Densità di emergia	Emergia contenuta in un'unità di volume di un materiale.	EmD	seJ*m−3
Proprietà intensive temporali
Empotenza	Flusso di emergia per unità di tempo	EmP	seJ*s−1
Intensità di empotenza	Empotenza per unità di superficie.	EmPI	seJ*s−1*m−2
Densità di empotenza	Empotenza per unità di volume.	EmPd	seJ*s−1*m−3
Indicatori di performance
Emergia utilizzata	Emergia necessaria per un processo (misura il suo impatto ambientale).	U= N+R+F+S	seJ
Resa emergetica	Emergia rilasciata per unità di emergia impiegata in un processo.	EYR= U/(F+S)
Carico ambientale	Emergia non rinnovabile e importata per unità di risorse rinnovabili.	ELR= (N+F+S)/R
Indice emergetico di sostenibilità	Resa emergetica per unità di carico ambientale.	ESI= EYR/ELR
Rinnovabilità	Percentuale dell'emergia utilizzata che è rinnovabile.	%REN= R/U
Rapporto di investimento emergetico	Investimento emergetico necessario per sfruttare un'unità di risorsa rinnovabile o non.	EIR= (F+S)/(R+N)

Transformity

Come per l'emergia, il concetto di transformity venne introdotto da Scienceman in collaborazione con Howard T. Odum. Scienceman definisce la transformity come:

"una variabile quantitativa che descrive una ben precisa proprietà misurabile di una qualsiasi forma di energia, ovvero la sua capacità di diffondersi sotto forma di reazione, relativa all'energia utilizzata per la sua formazione, nelle condizioni di massima potenza. Come variabile quantitativa analoga alla temperatura nella termodinamica, la transformity richiede che vengano specificate le sue unità di misura."

Nel 1996 Hodum ha ridefinito la transformity come

"l'emergia di un tipo richiesta per formare un'unità di un'energia di un altro tipo. Per esempio, poiché sono necessari 3 emjoule di carbone (cej) e 1 cej di servizi per produrre 1 J di elettricità, la transformity in carbone dell'elettricita è pari a 4 cej/J"

Definizione matematica

Come un qualsiasi rapporto di efficienza (rendimento), la transformity è definita come rapporto tra una grandezza in entrata e una grandezza in uscita. Tuttavia questo rapporto è l'inverso di quello per l'efficienza e include anche i flussi indiretti di energia; la transformity è in definitiva il rapporto tra l'emergia utilizzata e l'energia prodotta:

Formula originale:

$Transformity={\frac {emergia\;entrante}{energia\;uscente}}$

Ulteriori sviluppi

È stato in seguito notato che il termine "energia in uscita" si riferisce sia all'energia utile sia a quella non utilizzabile (dette rispettivamente exergia e anergia), mentre la transformity implica una cattura di emergia per ottenere un prodotto utilizzabile; questo rapporto è stato quindi in seguito modificato, diventando "emergia in entrata su exergia in uscita":

Versione modificata: $Transformity={\frac {emergia\;entrante}{exergia\;uscente}}$ o $Tr={\frac {E_{m}}{E_{x}}}$

Sostituendo la definizione matematica di emergia riportata in precedenza si ottiene:

$Tr={\frac {\int _{t=-\infty }^{t_{0}}P_{x}dt}{E_{x}}}$

Empotenza

Il termine empotenza si riferisce all'andamento del flusso di emergia: "Il cambiamento durante il tempo dell'emergia è detto empotenza, in analogia alla variazione durante il tempo dell'energia, la potenza." (Scienceman, 1987, p. 262.). L'empotenza massima si riferisce di conseguenza al più intenso flusso di emergia osservato in un certo intervallo di tempo; considerata come un principio fisico, l'empotenza diventa un corollario del principio della potenza massima, rinominato quindi "Principio dell'empotenza massima":

"Il Principio dell'Empotenza Massima di Lotka-Odum è generalmente considerato il "Quarto Principio della Termodinamica", principalmente a causa della sua validità pratica per una vasta gamma di sistemi fisici e biologici." (C.Giannantoni, 2000, § 13, p. 155)

Secondo H.T.Odum, J.L.Hau e B.R.Bakshi, "questo principio determina quali sistemi, siano essi ecologici o economici, possono sopravvivere nel tempo e perciò i loro possibili contributi per il futuro".

Definizione del principio della massima empotenza

"Nei processi auto-organizzanti, i sistemi sviluppano proprio quelle parti e quelle relazioni che massimizzano l'utilizzo dell'empotenza." (H.T. & E.C. Odum, 2000, p. 71)

"Il Principio della massima empotenza è un concetto unificante che spiega perché esistono i cicli dei materiali, le reazioni autocatalitiche, le concentrazioni nello spazio, le pulsazioni nel tempo: prevalgono quelle configurazioni che massimizzano l'empotenza." (H.T.Odum, 2002, p. 60)

"L'emergia totale disponibile guida un sistema in accordo con il Principio della massima empotenza, determinando la portata del sistema stesso e il suo tasso di sviluppo." (M.T.Brown e S.Ulgiati, 2001, p. 109)

Problemi aperti

Come citato in precedenza, il principio della massima empotenza è generalmente considerato il quarto principio della termodinamica; in realtà, come molti studiosi hanno notato, affinché ciò accada esso deve soddisfare due requisiti fondamentali: innanzitutto deve essere uno strumento utile a fornire una misura quantitativa del fenomeno analizzato: nel caso di questo principio, significa che esso deve fornire una misura dell'empotenza; in secondo luogo deve esistere un certo numero di equazioni matematiche in grado di dimostrare la relazione, verificabile sperimentalmente, tra l'empotenza e le altre grandezze termodinamiche. In conclusione, benché il concetto di "empotenza massima" sia utilizzato nei modelli di sostenibilità economico-ecologica, resta aperta la discussione sulla sua classificazione come principio termodinamico, almeno fino a quando non verrà introdotto un "metro" per l'empotenza.

Analisi dell'emergia

Il calcolo dell'emergia è un metodo globale di misura che riguarda il flusso di energia solare ricevuta, appunto, a livello globale; citando M.T.Brown e S.Ulgiati, l'analisi dell'emergia è "un metodo di calcolo che utilizza le basi termodinamiche di tutte le forme di energia e dei materiali, che converte poi nell'equivalente di un'unica fonte di energia, solitamente energia solare". L'analisi dell'emergia invece si riferisce a come quest'unica energia è distribuita. Il calcolo dell'emergia ha una serie di postulati:

1. Ogni settore dell'economia mondiale è in ultima analisi dipendente dalla disponibilità globale di energia.

2. Nessun settore dell'economia mondiale si può sovrapporre ad un altro per quanto riguarda le funzioni di ciascuno.

3. Settori non-umani (come i sistemi ecologici non-umani) devono essere inclusi nell'economia mondiale.

Il risultato di questi assunti è che, considerando tutti i settori nel loro insieme, si ottiene un'economia "completa", che include l'energia, l'emergia, i servizi e i flussi di denaro; questo metodo poggia principalmente sul principio della potenza massima, così come inteso da H.T.Odum. Da un certo punto di vista, l'uso di questo principio nell'analisi dell'economia globale implica il fatto che essa si possa muovere verso un'efficienza ottimale solo se la competizione non è frenata da differenze culturali, geografiche, di comunicazione o di legislazione.

Per valutare un qualsiasi sistema, viene innanzitutto costruito un diagramma che rappresenta tutti i flussi entranti ed uscenti da tale sistema e si ricava una tabella con i valori dei flussi di risorse, energia e lavoro. Si procede poi ad interpretare i risultati quantitativi: in alcuni casi, per esempio, si deve valutare una certa proposta di sviluppo, in altri si devono confrontare diverse alternative, in altri ancora si deve massimizzare il risultato economico.

Le considerazioni emergetiche sono allo stesso tempo sintetiche e analitiche: la sintesi prevede di combinare elementi in insiemi coerenti per la comprensione della totalità del sistema, mentre l'analisi consiste nella suddivisione del sistema per comprenderlo a partire dai suoi costituenti. Nell'analisi emergetica, spesso chiamata sintesi dell'emergia, dapprima si considera l'intero sistema, per poi concentrarsi sui flussi di energia, risorse ed informazioni che lo guidano. Valutando sistemi anche complessi, le grandezze antropiche di interesse sono integrate con quelle ambientali, per analizzare questioni di ordine sociale di gestione ambientale.

Passo 1: il diagramma del sistema

Diagramma energetico di una città e della regione circostante.

I diagrammi di sistema vengono utilizzati per evidenziare i flussi di energia che verranno poi stimati e sommati per ottenere il valore dell'emergia. Attraverso questi diagrammi si stila un inventario critico dei processi, delle sorgenti e dei flussi che guidano il sistema (attraverso una regione di controllo definita dalle condizioni al contorno) e che quindi è necessario valutare. La figura a fianco mostra un semplice diagramma di sistema di una città e della sua regione di supporto .

Passo 2: la tabella di valutazione dell'emergia

Dal diagramma del sistema si costruisce una tabella (vedi un esempio sotto) dei flussi di risorse, lavoro ed energia. I valori dei flussi che attraversano la regione di controllo vengono convertiti in unità emergetiche, e quindi sommati per ottenere l'emergia totale che guida il sistema. Ciascun flusso di energia è riportato nella tabella come una voce distinta, ed è ovviamente seguito da note che mostrano le fonti dei dati e dei calcoli.

Tabella 3: esempio di tabella di valutazione dell'emergia

Indice	Voce (nome)	Dato (flusso/tempo)	Unità	UEV (seJ/unità)	Emergia Solare (seJ/tempo)
1.	Primo flusso	xxx.x	J/yr	xxx.x	Em1
2.	Secondo flusso	xxx.x	g/yr	xxx.x	Em2
--
n.	n-esimo flusso	xxx.x	J/yr	xxx.x	Emn
O.	Output	xxx.x	J/yr o g/yr	xxx.x	$\sum _{n}^{1}Em_{i}$

La colonna #1 è l'indice di ciascuna voce, a cui corrispondono le note esplicative a pié pagina.

La colonna #2 è il nome di ciascuna voce, come rappresentata nel diagramma del sistema.

La colonna #3 riporta i dati numerici, in Joule, grammi, dollari o altre unità.

La colonna #4 mostra l'unità di misura dei dati.

La colonna #5 è il valore della grandezza emergetica associata, espressa in emjoule per unità. Spesso si usa un UEV (vedi paragrafi precedenti) appropriato (sej/s; sej/g; sej/$).

La colonna #6 è l'emergia solare del flusso, calculata a partire dall'UEV.

Passo 3: calcolo dei valori delle grandezze emergetiche

Dopo la scrittura della tabella, si calcola il valore emergetico del prodotto o del flusso in uscita (riga "O" nella tabella d'esempio), inizialmente in termini di energia o di massa. L'emergia in ingresso viene sommata e quindi divisa per le unità del prodotto, per trovare un valore emergetico unitario, utile per le successive valutazioni.

Passo 4: Indicatori di Performance

Diagramma che illustra i flussi considerati nel calcolo degli indicatori di performance.

Il diagramma a fianco mostra i contributi delle energie non rinnovabili (N), di quelle rinnovabili (R) e gli input economici come l'acquisto (F) di beni e servizi. Questi ultimi sono necessari affinché il processo abbia luogo, ed includono i servizi umani e le importazioni di energie non rinnovabili e materiali (combustibili, minerali, energia elettrica, macchinari, fertilizzanti, ecc.). Da queste grandezze si possono ricavare diversi rapporti, o Indicatori di Performance:

Emergy Yield Ratio (EYR): emergia totale prodotta per unità di emergia investita; misura quanto un investimento permette ad un processo di sfruttare le risorse locali al fine di contribuire all'economia.

Environmental Loading Ratio (ELR): rapporto tra l'utilizzo di emergia non rinnovabile ed importata e l'utilizzo di emergia rinnovabile. Si tratta di un indicatore dell'impronta che un processo di trasformazione ha sull'ambiente e può essere considerato una misura dello stress degli ecosistemi a causa di un'attività di produzione.

Emergy Sustainability Index (ESI): rapporto tra i due precedenti Indicatori; misura il contributo di una risorsa o di un processo per l'economia per unità di impronta ambientale.

Aerial Empower Intensity: rapporto tra l'emergia totale utilizzata nell'economia di una regione o di un paese e la superficie totale di tale regione o paese. Le densità di emergia rinnovabile e non rinnovabile si calcolano separatamente, dividendo le emergie totali di questo tipo per la superficie considerata.

Vengono poi calcolati ulteriori grandezze, in relazione al tipo e alla scala del sistema in esame:

Percent Renewable Emergy (%Ren): rapporto tra l'emergia rinnovabile utilizzata e l'emergia totale impiegata. Nel lungo periodo, solo i processi con alto %Ren sono sostenibili.

Emprice: corrisponde all'emergia che si riceve quando si acquista una merce. Si misura in sej/€.

Emergy Exchange Ratio (EER): rapporto tra le emergie scambiate in un generico rapporto commerciale, espresso sempre dal punto di vista di un solo partner. Misura il vantaggio relativo che si trae dallo scambio.

Emergy per capita: rapporto tra l'emergia totale utilizzata nell'economia di una Nazione e la sua popolazione; può essere una misura del livello di vita medio in quello Stato.

Controversie

Il concetto di emergia risulta tuttora controverso in seno a diverse comunità accademiche, come ad esempio l'ecologia, la termodinamica e l'economia. Una delle critiche mosse è che si vuole introdurre una teoria energetica del valore in sostituzione delle altre teorie del valore. I sostenitori dell'emergia ribattono che il loro proposito è fornire un valore "ecocentrico" da assegnare ai sistemi, ai processi e ai prodotti, in opposizione ai valori "antropocentrici"; non pretendono di sostituire i valori economici, ma di fornire ulteriori informazioni da un punto di vista diverso, per le quali la società potrebbe beneficiarne.

Mentre la qualità dell'energia è stata accettata dalla letteratura ed utilizzata in diversi studi, usando il primo principio della termodinamica, molti ricercatori si sono invece dimostrati riluttanti ad accettare le correzioni della qualità di diverse forme di energia: l'idea che una caloria di luce solare non sia equivalente ad una caloria di combustibile fossile o di elettricità per alcuni va valutata secondo criteri di secondo principio, assenti nella procedura emergetica. Altri hanno respinto il concetto in quanto poco pratico: dal loro punto di vista per esempio è impossibile calcolare la quantità di luce solare che è necessaria per produrre una certa quantità di petrolio; questo problema deriva dunque da una preoccupazione per le incertezze misurative coinvolte in tale quantificazione. Molti economisti hanno infine criticato la combinazione di punti di vista antropici ed ecologici, in quanto trascurano il valore di mercato determinato dalla disponibilità e dalla domanda.

Bibliografia

• B.R. Bakshi (2000) 'A thermodynamic framework for ecologically conscious process systems engineering', Computers and Chemical Engineering 24, pp. 1767–1773.
• S.Bastianoni (2000) 'The problem of co-production in environmental accounting by emergy analysis', Ecological Modelling 129, pp. 187–193.
• S.Bastianoni, F.M.Pulselli, M.Rustici (2006) Exergy versus emergy flow in ecosystems: Is there an order in maximizations?', Ecological Indicators 6, pp. 58–62
• M.T. Brown e S. Ulgiati (2004) Energy quality, emergy, and transformity: H.T. Odum's contributions to quantifying and understanding systems, Ecological Modelling, Vol. 178, pp. 201–213.
• T.T.Cai, T.W.Olsen e D.E.Campbell (2004) Maximum (em)power: A foundational principle linking man and nature', Ecological Modelling, Volume 178, 1ª-2ª edizione, pp. 115–119.
• D.E.Campbell (2001) Proposal for including what is valuable to ecosystems in environmental assessments', Environmental Science and Technology, Volume 35, 14ª edizione, pp. 2867–2873.
• G.Q. Chen (2006) 'Scarcity of exergy and ecological evaluation based on embodied exergy', Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 11, pp. 531–552
• B.D.Fath, B.C.Patten, e J.S.Choi (2001) Complementarity of ecological goal functions', Journal of Theoretical Biology, Volume 208, 4ª edizione, pp. 493–506.
• G.P. Genoni (1997) 'Towards a conceptual synthesis in ecotoxicology', OIKOS, 80:1, pp. 96–106.
• G.P. Genoni, E.I. Meyer e A.Ulrich (2003) 'Energy flow and elemental concentrations in the Steina River ecosystem (Foresta Nera, Germania)', Aquat. Sci., Vol. 65, pp. 143–157.
• C.Giannantoni (2000) 'Toward a Mathematical Formulation of the Maximum Em-Power Principle', in M.T.Brown (ed.) Emergy Synthesis: Theory and applications of the emergy methodology.
• C.Giannantoni (2002) The Maximum Em-Power Principle as the basis for Theromodynamics of Quality, Servizi Grafici Editoriali, Padova.
• C.Giannantoni (2006) 'Mathematics for generative processes: Living and non-living systems' Journal of Computational and Applied Mathematics 189, pp. 324–340.
• Shu-Li Huang e Chia-Wen Chen (2005) 'Theory of urban energetics and mechanisms of urban development', Ecological Modelling, 189, pp. 49–71.
• J.L.Hau e B.R.Bakshi (2004) 'Promise and Problems of Emergy Analysis', Ecological Modelling, edizione speciale in omaggio a T. Odum, vol. 178, pp. 215–225.
• S.E. Jorgensen, S.N.Nielsen, H.Mejer (1995) 'Emergy, environ, exergy and ecological modelling', Ecological Modelling, 77, pp. 99–109
• J.Laganisa, & M.Debeljakb (2006) 'Sensitivity analysis of the emergy flows at the solar salt production process in Slovenia', Journal of Ecological Modelling, 194, pp. 287–295.
• P.K.Nag (1984) Engineering Thermodynamics, Tata McGraw-Hill Publishing Company.
• H.T.Odum (1986) in N.Polunin, Ed. Ecosystem Theory and Application, Wiley, New York.
• H.T.Odum (1988) 'Self-Organization, Transformity, and Information', Science, Vol. 242, pp. 1132–1139.
• H.T.Odum (1995) 'Self-Organization and Maximum Empower', in C.A.S.Hall (ed.) Maximum Power; The Ideas and Applications of H.T.Odum, Colorado University Press, Colorado, pp. 311–330.
• H.T.Odum (1996) Environmental Accounting: Emergy and Environmental Decision Making, Wiley.
• H.T.Odum (2002) 'Material circulation, energy hierarchy, and building construction', in C.J.Kibert, J.Sendzimir e G.B.Guy (eds) Construction Ecology; Nature as the basis for green buildings, Spon Press, New York.
• H.T.Odum e E.C.Odum (1983)Energy Analysis Overview of Nations, Working Paper, WP-83-82. Laxenburg, Austria: International Institute of Applied System Analysis. 469 pp. (CFW-83-21)
• H.T.Odum e E.C.Odum (2000) A Prosperous way Down: Principles and Policies, Colorado University Press, Colorado.
• D.M.Scienceman (1987) 'Energy and Emergy.' In G. Pillet and T. Murota (eds), Environmental Economics: The Analysis of a Major Interface. Ginevra: R. Leimgruber. pp. 257–276. (CFW-86-26)
• D.M. Scienceman (1989) ' The Emergence of Emonomics'. In Proceedings of The International Society for General Systems Research Conference (July 2-7, 1989), Edimburgo, Scotland, 7 pp. (CFW-89-02).
• D.M. Scienceman (1991) Emergy and Energy: The Form and Content of Ergon.. Gainesville: Center for Wetlands, University of Florida. 13 pp. (CFW-91-10)
• D.M. Scienceman (1992) Emvalue and Lavalue, Articolo preparato in occasione del Meeting Annuale della Società Internazionale delle Scienze dei Sistemi, University of Denver, Denver, Colorado, U.S.A.
• D.M. Scienceman (1997) 'Letters to the Editor: Emergy definition', Ecological Engineering, 9, pp. 209–212.
• E. Sciubba, S. Ulgiatib (2005) 'Emergy and exergy analyses: Complementary methods or irreducible ideological options?' Energy 30, pp. 1953–1988.
• S.E.Tennenbaum (1988) Network Energy Expenditures for Subsystem Production, MS Thesis. Gainesville, FL: University of FL, 131 pp. (CFW-88-08)
• S.Ulgiati, H.T.Odum, S.Bastianoni (1994) 'Emergy use, environmental loading and sustainability. An emergy analysis of Italy', Ecological Modelling, Volume 73, 3ª-4ª edizione, Pagine 215-268.
• S.Ulgiati e M.T.Brown (1990) Valutazione dell'emergia del capitale naturale e della biosfera.
• S.Ulgiati e M.T.Brown (2001) 'Emergy Accounting of Human-Dominated, Large-Scale Ecosystems', in S.E.Jorgensen (ed) Thermodynamics and Ecological Modelling, CRC Press LLC, pp. 63–113.

Voci correlate

• Energetica (ecologia)
• Energia grigia
• Principio della potenza massima
• Qualità dell'energia

Collegamenti esterni

• (EN) articolo "eMergy Evaluation" di Howard T. Odum, su dieoff.org. URL consultato il 1º febbraio 2006 (archiviato dall'url originale il 22 novembre 2010).
• (EN) Emergy Systems, su emergysystems.org. URL consultato il 10 dicembre 2006 (archiviato dall'url originale l'8 settembre 2010).
• (EN) serie di file XML che includono tra l'altro un'analisi dell'emergia del sistema agricolo dello Stato della Florida (USA).
• (EN) S.Maud (2005) Where to with 'Emergy' Literacy?, su energybulletin.net. URL consultato il 10 dicembre 2006 (archiviato dall'url originale il 7 ottobre 2006).
• (EN) "Thermodynamics, Availability, and Emergy", Wayburn, Thomas L., in "Proceedings Engineering and Architecture Symposium", 15-16 marzo 1993, Istituto di Ingegneria e Architettura, Prairie View A&M University, Prairie View, Texas.
• (EN) Varie analisi di R.Valyi sui problemi di valutazione dell'emergia, su wiki.visualmodeller.org (archiviato dall'url originale il 29 settembre 2007).