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エメルギーとは、製品やサービスを作るための直接的および間接的な変換で消費されるエネルギーの量です。[1]エメルギーは、異なる形態のエネルギーの質の違いを測る尺度です。エメルギーは、製品やサービスを生み出す作業プロセスで使用されるすべてのエネルギーを、1種類のエネルギーの単位で表したものです。エメルギーは、変換で消費される利用可能なエネルギーを指す単位であるエムジュール単位で測定されます。エメルギーは、さまざまな形態のエネルギーとリソース（太陽光、水、化石燃料、鉱物など）を占めています。各形態は自然界での変換プロセスによって生成され、それぞれが自然システムと人間システムでの作業をサポートする能力が異なります。これらの質の違いを認識することが重要な概念です。
歴史
エメルギー方法論の理論的および概念的基礎は、熱力学[要出典]、一般システム理論[2]、システム生態学[3]に基づいています。ハワード・T・オダムによる最初の30年間の理論の進化は、 Environmental Accounting [1]とCAS Hall編のMaximum Power [4]でレビューされています。
背景
1950年代初頭、オダムは、さまざまな規模でさまざまな形態のエネルギーが観測された生態系（フロリダ州シルバースプリングス、 [ 5]、南太平洋のエニウェトク環礁、 [6]テキサス州ガルベストン湾[7]、プエルトリコの熱帯雨林[8]など）におけるエネルギーの流れを分析した。生態系におけるエネルギーの流れ、および太陽光、淡水流、風、海流の潜在エネルギーの違いを分析したオダムは、2つ以上の異なるエネルギー源がシステムを駆動する場合、エネルギーの質の違いを考慮した共通の尺度に変換せずには、それらを加算できないという提案をした。これにより、オダムは「エネルギーコスト」という共通の分母として「1種類のエネルギー」という概念を導入した。[9]その後、オダムは、1960年代に食糧生産のモデル化に分析を拡大し、[9] 1970年代には化石燃料にまで分析を拡大した。[10] [11]
後にエメルギーと呼ばれることになる理論について、オダムが初めて公式に述べたのは 1973 年のことでした。
エネルギーはカロリー、 BTU 、キロワット時、その他の相互変換可能な単位で測定されますが、エネルギーにはこれらの尺度では示されない質の尺度があります。人間が仕事をする能力はエネルギーの質と量に依存し、これはより高品質のエネルギーを開発するために必要なより低品質のエネルギーの量によって測定されます。エネルギーの尺度は、薄い太陽光から植物、石炭、石炭から石油、電気、そしてコンピューターと人間の情報処理の高品質の努力まであります。[12]
1975年に彼は「エネルギー品質係数」の表を発表しました。これは、1キロカロリーのより高品質なエネルギーを作るのに必要な太陽光エネルギーのキロカロリーです。[13]これは、「エネルギーの品質は、ある種類のエネルギーから次の種類のエネルギーへの変換に使用されるエネルギーによって測定される」というエネルギー階層の原理を初めて言及したものです。
これらのエネルギー品質係数は化石燃料ベースに置かれ、「化石燃料仕事当量」(FFWE) と呼ばれ、エネルギー品質は化石燃料基準に基づいて測定され、化石燃料 1 キロカロリーは太陽光 2000 キロカロリーに相当します。「エネルギー品質比率」は、新しい形態を作るための変換プロセスにおけるエネルギー量を評価することによって計算され、その後、異なる形態のエネルギーを共通の形態、この場合は化石燃料当量に変換するために使用されました。FFWE は石炭当量 (CE) に置き換えられ、1977 年までに品質評価システムは太陽光ベースに置かれ、太陽光当量 (SE) と呼ばれました。[14]
内包エネルギー
「内包エネルギー」という用語は、1980年代初頭に、エネルギー生成コストの観点から見たエネルギー品質の違い、およびある種類のエネルギーのカロリー（またはジュール）から別の種類のエネルギーを生成するために必要な「品質係数」と呼ばれる比率を指すために使用されていました。[15]しかし、「内包エネルギー」という用語は、製品の生成に必要な化石燃料エネルギーを評価していた他のグループによって使用され、すべてのエネルギーを含めていなかったり、品質を暗示する概念を使用していなかったりしたため、「内包エネルギー」は「内包太陽カロリー」に置き換えられ、品質係数は「変換比率」として知られるようになりました。
「エメルギー」という用語の導入
この概念における「内包エネルギー」という用語の使用は、1986年にフロリダ大学の客員研究員であったオーストラリアのデイビッド・サイエンスマンが、エメルギー単位と利用可能なエネルギー単位を区別するために、「エメルギー」と「エムジュール」または「エムカロリー」という用語を測定単位として提案したときに修正されました。[16]変換率という用語は、ほぼ同じ時期に変換率に短縮されました。この20年間を通じて、エネルギーと資源の形態を評価するための基準または基礎が、有機物から化石燃料、そして最終的には太陽エネルギーに移行したことに注目することが重要です。
1986 年以降、科学者のコミュニティが拡大し、人間と自然の複合システムに関する新しい応用研究が新しい概念的および理論的問題を提示するにつれて、エメルギー方法論は発展を続けました。エメルギー方法論の成熟により、用語と命名法のより厳密な定義と、変換を計算する方法の改良がもたらされました。国際エメルギー研究推進協会 (2016-05-13 にアーカイブ)とフロリダ大学で 2 年ごとに開催される国際会議がこの研究を支援しています。
年表
定義と例
エメルギー— 製品やサービスを作るために直接的または間接的に変換に使用される 1 つの形態のエネルギーの量。エメルギーの単位はエムジュールまたはエメルギー ジュールです。エメルギーを使用すると、太陽光、燃料、電気、および人的サービスは、それぞれを生産するために必要な太陽エネルギーのエムジュールで表すことで共通の基準にすることができます。太陽エメルギーが基準である場合、結果は太陽エムジュール (略称 seJ) になります。石炭エムジュールや電気エムジュールなどの他の基準が使用されていますが、ほとんどの場合、エメルギー データは太陽エムジュールで提供されます。
単位エメルギー値 (UEV) — 1 単位の出力を生成するために必要なエメルギー。UEV の種類:
- 変換率— 利用可能なエネルギー出力単位あたりのエネルギー入力。たとえば、1 ジュールの木材を生成するために 10,000 ソーラー エムジュールが必要な場合、その木材のソーラー変換率は 10,000 ソーラー エムジュール/ジュール (略称 seJ/J) です。地球が吸収する太陽光のソーラー変換率は定義により 1.0 です。
- 比エメルギー— 単位質量あたりのエメルギー出力。比エメルギーは通常、グラムあたりの太陽エメルギー (seJ/g) として表されます。物質を濃縮するにはエネルギーが必要なので、物質の単位エメルギー値は濃度とともに増加します。自然界に豊富ではない元素や化合物は、空間的にも化学的にも濃縮するためにより多くの環境作業が必要なので、濃縮された状態で見つかるとエメルギー/質量比が高くなります。
- 単位貨幣あたりのエメルギー— 1単位の経済生産物（貨幣価値で表現）の生成を支えるエメルギー。これは、貨幣をエメルギー単位に変換するために使用されます。貨幣は商品やサービスに対して支払われますが、環境に対して支払われるわけではないため、貨幣支払いによって表されるプロセスへの貢献は、貨幣が購入するエメルギーです。貨幣が購入する資源の量は、経済を支えるエメルギーの量と流通する貨幣の量によって決まります。太陽エムジュール/ドルでの平均エメルギー/貨幣比率は、州または国の総エメルギー使用量をその総経済生産で割ることで計算できます。これは国によって異なり、毎年減少することが示されており、これはインフレの1つの指標です。このエメルギー/貨幣比率は、平均賃金率が適切な場合に貨幣単位で与えられたサービス投入を評価するのに役立ちます。
- 単位労働あたりのエメルギー— プロセスに適用される 1 単位の直接労働を支えるエメルギー。労働者はプロセスに労力を投入し、その際に、労働を可能にしたエメルギー (食料、トレーニング、交通費など) を間接的にプロセスに投資します。このエメルギー強度は、通常、時間あたりのエメルギー (seJ/年、seJ/時間) として表されますが、稼いだお金あたりのエメルギー (seJ/ドル) も使用されます。プロセスへの入力を製造および供給するために必要な間接労働は、通常、サービスのドル コストで測定されるため、そのエメルギー強度は seJ/ドルとして計算されます。
- エンパワー— エメルギーの流れ（つまり、単位時間あたりのエメルギー）。
会計方法
エネルギー会計は、あらゆる形態のエネルギー、資源、および人的サービスの熱力学的基礎を、通常は太陽エネルギーなどの単一の形態のエネルギーの等価物に変換します。システムを評価するには、システム図で評価を整理し、エネルギーの入出力を考慮します。図から資源、労働、エネルギーの流れの表を作成し、すべての流れを評価します。最終段階では、結果を解釈します。[1]
目的
場合によっては、開発提案がその環境に適合しているかどうかを判断するために評価が行われます。また、代替案を比較することもできます。もう 1 つの目的は、経済活力を最大化するためにリソースの最適な使用法を模索することです。
システム図
システム図は、フローのエメルギーを得るために評価され、合計される入力を示します。都市とその地域支援エリアの図を図1に示します。[21]
評価表
この図から、資源フロー、労働力、エネルギーの表 (以下の例を参照) が作成されます。境界を越える流入に関する生のデータは、エネルギー単位に変換され、合計されて、システムをサポートする総エネルギーが算出されます。単位時間あたり (通常は年間) のエネルギー フローは、表に個別の行項目として表示されます。
- 伝説
- 列 1 は行項目番号であり、生のデータ ソースが引用され、計算が表示される表の下にある脚注の番号でもあります。
- 列 2 は項目の名前であり、集計図にも表示されます。
- 列 3 は、ジュール、グラム、ドル、またはその他の単位での生データです。
- 列 4 には、各生データ項目の単位が表示されます。
- 列番号 5 は単位エメルギー値で、単位あたりの太陽エメルギー ジュールで表されます。入力はグラム、時間、またはドルで表される場合があります。その場合は、適切な UEV (sej/hr、sej/g、sej/$) が使用されます。
- 列 6 は、特定のフローの太陽エネルギーであり、生の入力値に UEV (列 3 と列 5 を掛けた値) を掛けて計算されます。
すべての表の後に、データと計算の引用を示す脚注が続きます。
単位値の計算
この表では、単位エメルギー値を計算できます。最後の出力行 (上記の表の例の行「O」) は、最初にエネルギーまたは質量の単位で評価されます。次に、入力エメルギーが合計され、出力の単位でエメルギーを割ることによって単位エメルギー値が計算されます。
パフォーマンス指標
図 2 は、再生不可能な環境貢献 (N) を材料のエネルギー貯蔵として、再生可能な環境入力 (R) を、経済からの購入 (F) の商品およびサービスとして示しています。購入入力はプロセスの実行に必要であり、人的サービスおよび購入された再生不可能なエネルギーと他から持ち込まれた材料 (燃料、鉱物、電気、機械、肥料など) が含まれます。図 2 には、プロセスの全体的なパフォーマンスを評価するいくつかの比率または指標が示されています。
- エマージー収率 (EYR) —投資単位あたりの放出（消費）エマージー。この比率は、投資によってプロセスがどの程度地域資源を活用できるかを測る指標です。
- 環境負荷率 (ELR ) — 再生可能エネルギー使用量に対する再生不可能な輸入エネルギー使用量の比率。これは、変換プロセスが環境に及ぼす圧力の指標であり、生産 (変換活動) による生態系ストレスの尺度と見なすことができます。
- エネルギー持続可能性指数 (ESI ) — EYR と ELR の比率。環境負荷単位あたりの資源またはプロセスの経済への貢献を測定します。
- 面積発電強度 —地域の経済におけるエネルギー使用量とその面積の比率。再生可能エネルギー密度と非再生可能エネルギー密度は、それぞれ再生可能エネルギー総量を面積で割った値と非再生可能エネルギー総量を面積で割った値で別々に計算されます。
評価対象のシステムのタイプと規模に応じて、他の比率が役立ちます。
- 再生可能エネルギーの割合 (%Ren ) — 再生可能エネルギーの総使用量に対する割合。長期的には、%Ren が高いプロセスのみが持続可能です。
- 商品のエンプライスとは、sej/$ で支払ったお金に対して受け取るエマージーです。
- エネルギー交換比率 (EER ) — 貿易または購入で交換されるエネルギーの比率 (受け取るエネルギーと与えるエネルギーの比率)。この比率は常に貿易相手国を基準として表され、一方の相手国が他方に対して持つ相対的な貿易上の優位性を示す尺度です。
- 一人当たりのエネルギー —地域または国の人口に対するエネルギー使用量の比率。一人当たりのエネルギーは、人口の潜在的な平均生活水準の尺度として使用できます。
- エネルギーベースの投資収益率は、投資したエネルギーに対するエネルギー回収率の概念を橋渡しし、環境への影響も含めた形で改善する方法として導入されました。 [22]
用途
エネルギーが複雑なシステムの成長とダイナミクスに関係していることが認識された結果、人類と自然のシステムにおけるあらゆる規模の物質とエネルギーの流れの影響を説明および解釈できる環境評価方法がますます重視されるようになりました。次の表は、エメルギー方法論が採用されている一般的な分野の一部を示しています。
論争
エメルギーの概念は、生態学、熱力学、経済学を含む学界で議論の的となっている。[23] [24] [25] [26] [27] [28]エメルギー理論は、他の価値理論に代わるエネルギー価値理論を提供しているとして批判されてきた。 [要出典]エメルギー評価の目標は、システムやプロセスの「エコセントリック」な評価を提供することである。したがって、経済的価値に代わるものではなく、異なる観点からの追加情報を提供することを意図している。[要出典]
太陽光のカロリーが化石燃料や電気のカロリーと等しくないという考えは、第一法則のエネルギー単位の定義が熱の尺度（つまりジュールの熱の機械的当量）であることから、多くの人には不合理に思える。[29]他の人々は、彼らの観点からは、ある量の石油を生産するために必要な太陽光の量を客観的に定量化することは不可能であるため、この概念は非現実的であると否定している。主流派の経済学者は、人類と自然のシステムを組み合わせ、経済への環境的インプットを評価する際に、市場価値を無視しているとしてエメルギー方法論を批判している。[要出典]
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外部リンク
- Emergy Systems - フロリダ大学。出版物、システムシンボルと図、テンプレート、パワーポイント講義などをダウンロードできます。
- エメルギーについて記述したHTオダムの論文（1998年）
- 21世紀の環境、電力、社会：エネルギーの階層
- ホール最大出力 - HT オダムのアイデアと応用。コロラド大学出版局、ニウォット、454 ページ、CAS 編集、1995 年
- Odum HT および EC Odum、2001 - 「繁栄への道: 原則と方針」コロラド大学出版局]
- Marvuglia、Benetto、Rios、Rugani、2013 - SCALE: ライフサイクル インベントリに基づくエメルギー計算ソフトウェア