Corso di Economia Urbana L’energia, gli ecosistemi e l’economia Venezia 22 Marzo 2004 Francesco Musco, Dipartimento di Pianificazione

No serious student of environmental economics can afford to ignore the subject matter of “ecology”, the widely embracing science which looks at the interrelationship between living species and their habitats. (Pearce, 1978)

Il ruolo dell’energia negli ecosistemi e nei processi economici (1) La disponibilità dell’energia chimica che supporta tutte le forme di organismi viventi e il mantenimento della circolazione materiale all’interno dell’ecosistema, richiede un continuo flusso di energia da una fonte esterna. Per quel che riguarda il nostro pianeta questa fonte essenziale di energia è la radiazione solare. Come mai gli ecosistemi naturali necessitano di avere un continuo flusso di energia da una fonte esterna? Una risposta adeguata alla domanda richiede la ripresa delle leggi che governano le trasformazioni della materia e dell’energia.

Il ruolo dell’energia negli ecosistemi e nei processi economici (2) Come definizioni semplificate possiamo dire che la materia può essere identificata come qualsiasi cosa che occupa uno spazio e ha una massa L’energia può essere vista come un’entità che manca di massa ma ha in sé la capacità di muovere e/o trasformare un oggetto. Possiamo anche intenderla come capacità a compiere un lavoro.

Le leggi della termodinamica (1) La prima legge della termodinamica è anche detta principio della conservazione della materia e dell’energia. Infatti stabilisce che la materia e l’energia non possono essere create o distrutte ma solo trasformate. Importanti sono le implicazioni ecologiche ed economiche. Pensiamo ad esempio ai rifiuti: il primo principio della termodinamica che non possiamo buttare via davvero qualcosa, ma che tutto finisce da qualche parte. Il primo principio della termodinamica analiticamente: dU=dQ-dL In ogni sistema chiuso, per qualsiasi tipo di trasformazione, il calore (Q) ed il lavoro (L) concorrono a far variare lo stato del sistema. La variazione dell’energia interna (U) è pari alla somma algebrica di calore e lavoro scambiati con l’esterno

Le leggi della termodinamica (2) La seconda legge della termodinamica si occupa delle trasformazioni energetiche e della qualità dell’energia (energia utile ed energia inutile). L’energia può esistere in diverse forme e “stati”. La legge afferma che ogni volta l’energia in una data forma è convertita o trasformata da uno stato (o forma) ad un altro, c’è sempre meno energia utile nel secondo stato di quanta ce ne fosse nel primo. Enunciato di Clausius - È impossibile effettuare una trasformazione il cui unico risultato sia il passaggio di calore ad un corpo a temperatura inferiore ad un altro a temperatura superiore. Enunciato di Kelvin - È impossibile realizzare una trasformazione ciclica mediante la quale vi sia trasformazione di calore in lavoro utilizzando una unica sorgente a temperatura uniforme

Le leggi della termodinamica (3) Esiste anche un terzo enunciato della seconda legge della termodinamica che introduce una funzione di stato, l’Entropia (S) ampiamente presente nella teoria Bioeconomica di Georgescu- Roegen: In un sistema isolato l’Entropia non può mai diminuire:  S ≥ 0 Significative conseguenze del secondo principio della Termodinamica sono: 1.L’energia varia nella sua qualità e nella capacità di compiere lavoro. 2.In tutte le conversioni di energia in lavoro, ci sarà sempre una certa perdita nella qualità dell’energia stessa. Così non saremo mai in grado di realizzare un sistema perfetto di conversione energetica o il moto perpetuo. 3.Non possiamo mai riciclare l’energia. Questo spiega perché gli ecosistemi naturali richiedono continuamente energia da una fonte esterna.

L’entropia Il secondo principio della Termodinamica nella formulazione di Clausius del 1850, afferma che in ogni produzione di lavoro mediante calore, una parte dell’energia impiegata passa da una forma disponibile ad una indisponibile. L’energia sotto forma di calore subisce una degradazione la cui misura è chiamata “entropia”. Analiticamente l’aumento è dato dalla relazione: Dobbiamo ricordare che la termodinamica classica si occupa di sistemi isolati e in condizioni di equilibrio termodinamico. Sommando gli incrementi “infinitesimali” dati dalla formula sopra è teoricamente possibile calcolare l’incremento di entropia totale. Anche perché l’entropia non è misurabile empiricamente.

L’entropia e la teoria di Georgescu - Roegen Secondo Georgescu Roegen la legge dell’entropia si applica direttamente ai processi di produzione che utilizzano energia, ossia al processo economico ed industriale stesso. Poiché un pezzo di carbone può essere bruciato una sola volta e per quanto l’energia prodotta dalla combustione permanga nell’ambiente, poiché si presenta in una forma “diffusa” e “dispersa”, non può essere adoperata una seconda volta. La legge di entropia si presenta nell’opera di Georgescu-Roegen quale base fisica del valore economico. L’intero processo economico è sostenuto da fonti energetiche a bassa entropia (carbone, petrolio, uranio …). Secondo Roegen deriva dall’entropia anche il concetto di valore d’uso: condizione necessaria ma non sufficiente perché una cosa sia utile è che possieda bassa entropia (ad esempio i diamanti hanno un’entropia minore dell’acqua, ma non possiamo certo dire che siano più utili in assoluto).

L’entropia e la teoria di Georgescu - Roegen (2) L’applicazione della seconda legge della termodinamica al processo economico, oltre alle evidenti conseguenze ecologiche (emissioni inquinanti nell’ambiente ed esaurimento delle risorse) Altra conseguenza per Roegen è l’orientamento nel tempo del processo economico, la cosiddetta freccia entropica: in pratica non è concepibile un ritorno alle condizioni iniziali. La teoria economica standard ha ignorato le determinanti fisiche sottostanti al processo economico, sostenendo la visione di un sistema economico chiuso e circolare.

L’entropia e la teoria di Georgescu - Roegen (3) Il pensiero di Georgescu-Roegen è stato in parte criticato proprio per il rapporto con il concetto di Entropia, o meglio per il tipo di sistema che viene preso in considerazione. La Termodinamica infatti può essere applicata a sistemi di diversa tipologia: 2. Sistemi termodinamici chiusi. Ad esempio la Terra. In questi avviene scambio di energia, ma non di materia, con l’ambiente. Georgescu-Roegen di solito fa riferimento a questi. 1. I sistemi termodinamici isolati. Questi non scambiano né energia, né materia con l’ambiente. In un sistema isolato l’entropia tende necessariamente verso il massimo. È l’ambito più consueto per l’applicazione della termodinamica classica. 3. Sistemi termodinamici aperti. Scambiano sia energia che materia con l’ambiente circostante. Teoria delle strutture dissipative di Prigogine.

La critica a Georgescu-Roegen Recentemente il dibattito promosso da “Ecological Economics” ha sottolineato che le conclusioni di Georgescu-Roegen siano perfettamente legittime nell’ambito dei sistemi isolati, ma non siano sufficienti per spiegare i cambiamenti evolutivi dei sistemi aperti. Da questo punto di vista il sistema economico e i sistemi biologici essendo aperti troverebbero riferimento più adatto nella teoria di Prigogine, secondo cui la variazione di entropia di un sistema aperto può essere diviso in due parti, lo scambio di entropia con l’ambiente (e) e la produzione di entropia interna al sistema (i).

La critica a Georgescu-Roegen (2) Per un sistema isolato ovviamente la componente (e) di entropia estrerna è pari a zero. In un sistema aperto lo scambio di entropia con l’ambiente esterno può essere invece positivo o negativo. Il valore della produzione di entropia interna dS (i), per qualsiasi sistema non in equilibrio termodinamico, sarà invece > 0. Distinguiamo quindi tre casi: dS>0 è il caso dei sistemi isolati o dei sistemi aperti per i quali la produzione di entropia interna è maggiore, in valore assoluto, dell’entropia negativa fornita dall’ambiente esterno. È questa la condizione presa in considerazione da Georgescu-Roegen

La critica a Georgescu-Roegen (3) dS=0 è la situazione in condizioni di stato stazionario in cui il flusso di entropia prodotta all’interno e quello proveniente dall’ambiente esterno si compensano. dS<0 è il caso deii sistemi aperti nei quali l’ambiente esterno fornisce entropia negativa in modo tale da superare la produzione di entropia interna al sistema.

Le conseguenze sulla teoria Bioeconomica Le conclusioni di Georgescu-Rogen (irreversibile degradazione della materia / energia in particolare connessa all’attività economica) sono perfettamente legittime solo nell’ambito dei sistemi isolati, ma non lo sono necessariamente nell’ambito dei sistemi chiusi o dei sistemi aperti. Poiché il sistema economico e l’ecosistema sono sistemi non isolati è necessario verificare - per i sistemi reali - se la quantità di energia dissipata all’interno del sistema è maggiore o minore di quella assorbita dall’esterno (dS>0; dS=0; dS<0). Se si verifica che il sistema assorbe dall’esterno energia sufficiente a portarlo lontano dall’equilibrio termodinamico, la teoria di Prigogine (dS<0) risulta più adatta a descrivere queste situazioni.