Lemergia è una grandezza fisica definita come l'"energia disponibile di un solo tipo utilizzata, direttamente o indirettamente, per produrre un bene o un servizio"Odum, H.T. 1996. Environmental Accounting: Emergy and Environmental Policy Making. John Wiley and Sons, New York. p370. 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 e 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:
Altre definizioni di emergia sono le seguenti:
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:
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:
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:
ed è equivalente al concetto di potenza dell'exergia.
L'emergia è definita come l'integrale del potere exergetico in funzione del tempo:
ovvero come la variazione totale di exergia da (questa è solo un'approssimazione della formula di Giannantoni, vedi ).
Emergia solare L'emergia solare viene indicata con il simbolo ; è definita come l'energia solare richiesta, sia direttamente che indirettamente, per guidare un processo che produce energia di altro tipo:
Dove è il contenuto di energia utilizzabile (o energia libera) dell'"i-esimo" flusso di energia assorbito dal processo e è la "solar transformity" (vedi in seguito) riferita sempre al generico flusso "i". La solar transformity dell'irraggiamento diretto da parte del Sole () è posta uguale a 1.
Storia Le basi teoriche e concettuali della metodologia emergetica hanno le loro radici nella termodinamica, nella teoria generale dei sistemivon Bertalanffy. L. 1968. General System Theory. George Braziller Publ. New York 295 p. e nell'ecologia dei sistemiOdum, H.T. 1983. Systems Ecology: An Introduction. John Wiley, NY. 644 p.. I primi trent'anni di evoluzione della teoria sono raccontati da H.T Odum nel libro Environmental Accounting e nel volume Maximum PowerOdum, H.T., 1995. Self organization and maximum power. Capitolo 28, pp. 311-364 in Maximum Power, Ed. C.A.S. Hall, University Press of Colorado, Niwot.. Agli inizi degli anni '50, Odum introdusse i principi della qualità dell'energia a partire dai suoi studi sugli ecosistemi umani e naturaliOdum, H.T. 1957. Trophic structure and productivity of Silver Springs, Florida. Ecol. Monogr. 27:55-112.Odum, H.T. e E.P. Odum. 1955. Trophic structure and productivity of a windward coral reef at Eniwetok Atoll, Marshall Islands. Ecol. Monogr. 25:291-320.Odum, H.T. e C.M. Hoskin. 1958. Comparative studies of the metabolism of Texas Bays. Pubi. Inst. Mar. Sci., Univ. Tex. 5:16-46.Odum, H.T. e R.F. Pigeon, eds. 1970. A Tropical Rain Forest. Division of Technical Information, U.S. Atomic Energy Commission. 1600 pp., 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"Odum, H.T. 1967. Energetics of food production. In: The World Food Problem, Report of the President's Science Advisory Committee, Panel on World Food Supply, Vol. 3. The Whitehouse. pp. 55-94.. La prima menzione di "qualità dell'energia" si trova nel libro di Odum Environment Power and SocietyOdum, H.T. 1971. Environment, Power and Society. John Wiley, NY. 336 pp.:
La prima definizione di quello che poi diventerà l'emergia risale al 1973:
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 superioreOdum, H.T. 1976. Energy quality and carrying capacity of the earth. Response at Prize Ceremony, Institute de la Vie, Paris. Tropical Ecology 16(l):1-8.. 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")Odum, H.T. 1977. Energy analysis, energy quality and environment. In Energy Analysis: A New Public Policy Tool, M.W. Gilliland, ed. American Association for the Advancement of Science, Selected Symposium No. 9, Wash. DC. Westview Press. pp. 55-87..
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 generazioneOdum, E.C., e Odum, H.T., 1980. Energy systems and environmental education. Pp. 213-231 in: Environmental Education- Principles, Methods and Applications, Ed. T.S. Bakshi e Z. Naveh. Plenum Press, New York., 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:
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:
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.