como funciona a natureza? a visão da metodologia emergética
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Como funciona a natureza? A visão da Metodologia
Emergética
Análise de 3 opções para produzir biocombustíveis: produtor isolado, grandes monoculturas e SIPAES.
SEMEIA 2007Enrique Ortega, FEA/Unicamp.
Campinas, SP, 13 de junho de 2007
Energia potencial disponível
Materiais disponíveis
Energia concentrada de maior qualidade
Interação
Na natureza, a energia potencial externa interage com os materiais e energias disponíveis para produzir trabalho, parte dele fica (feedback) e parte sai (para uso em outros sistemas). A transformação gera trabalho e também energia degradada (calor de baixa intensidade) que saí do sistema.
Exergia
Trabalho
Calor (energia degradada)
(exergia com maior potencial)
feedback
produção
Energia potencial disponível
Energias complementare
s
Energia de maior
qualidade
Interação
Energias complementare
s
Energia de maior
qualidade
Interação
A energia externa capturada pelo sistema é transformada em um novo recurso.
Qualidade da energia.
Esse recurso participa de uma seqüência de etapas de aproveitamento e conversão de energia até esgotar o potencial disponível.
Exergia de fonte difusa
contínuaMateriais
com maior exergia
Interação Materiais dispersados
Materiais reciclados
Materiais da natureza originais
A energia potencial externa impulsiona o ciclo de materiais nos ecossistemas, na biosfera e, se observarmos com cuidado, veremos que também movimenta e transforma os materiais em todos os seres vivos.
energia potencial repassada a outros sistemas
Ciclagem de materiais
Energia dispersada
Por meio da fotossíntese a energia potencial externa de baixa intensidade se transforma em biomassa vegetal e depois em biomassa animal. A quantidade transferida diminui em cada estágio da cadeia trófica.
Os resíduos contém energia potencial que os decompositores aproveitam e devolvem ao sistema para reiniciar o ciclo.
Exergia difusa
Cadeia trófica
Resíduos e decomposição
Fotossíntese
Diagrama de um sistema com símbolos que representam os componentes (que realizam funções diferentes) dentro de uma estrutura hierárquica desenvolvida na auto-organização: fontes externas, produtores, consumidores, estoques.
fontes externas
estoques
consumidores
produtores
estoques
A cadeia trófica se estica ao receber novos fluxos de materiais com grande potencial produtivo: (a) recursos renováveis explorados sem dar condições para sua regeneração, (b) energias fósseis e (c) minerais extraídos com esses recursos.
Minerais
Recursos renováveis usados de
forma predatóriaEnergia
s fósseis
1 bilhão de pessoas
6 bilhões de pessoas
A cadeia trófica se estica ao receber novos fluxos de materiais porém também se recolhe quando se esgotam esses recursos.
1 a 3 bilhões de pessoas
Minerais
Recursos renováveis usados de
forma predatóriaEnergia
s fósseis
A população sustentável depende do estilo de vida
(modelo político) e das condições da
biosfera (aquecimento global,
perda de funções sistêmicas, consciência
planetária)
Há uma interdependência entre os componentes do sistema. Para a direita flui energia que alimenta os níveis tróficos superiores; destes flui em sentido contrário energia de maior qualidade e produtos químicos. A retroalimentação muda de volume e qualidade quando se usa energia fóssil.
Ecossistemas naturais
Agro-ecossistemas
Sistemas urbanos
Recursos não renováveis
Recursos renováveis
oceano
Água atmosférica
Vulcões e montanha
s
Ecossistemas e espaços agro silvi- pastoris
Sistemas urbanos
Matérias primas
agrícolas
Petróleo, gás
Recursos energéticos renováveis
Novos recursos
Água e serviços ambientais
Serviços sócio-ambientais
Minerais e sedimentos
Produtos industriais
derivados do petróleo
Infra-estrutura organização
Biomassa biodiversidad
e
Minerais solubilizados
Interação antrópica com a biosfera
Processamento ecossistêmico de emissões, efluentes e resíduos.
Controle da temperatura local e global, manutenção da qualidade da atmosfera, preservação do vigor genético
Produtos rurais
Bio-diversidadebiomas
sa
Pessoas nas
cidades
Conheci-mento e controle
Dejetos, emissões, resíduos
Lazer, remédios, cultura
Polinização, geração e preservação de solo agrícola, controle de inundações, água percolada e filtrada biologicamente
Minerais e
petróleoProdutos
industriaiságua
Alimentos, madeira e outras fibras
Ecossistemas naturais
Agro-ecossistemas
Serviços ambientais e a energia de biocombustíveis
Energia de biocombustíveis
Fluxos de emergia no sistema natureza-sociedade (Brown & Ulgiati, 2004)
Oceano
Gases, Sediment
os e resíduos
Energia solar
Atmosfera
Crosta terrestre
Civilização
Calor intenso
Calor intenso
Força gravitacional
do Sol e da Lua
Energia interna da Terra
Fluxos expressos em E24 sej/ano
3,93
3,84 8,06
34,3
Emergia solar externa: 15,8
Hidrocarbonetos: 26,1Nuclear: 2,9Madeira e solos: 2,8Minerais: 2,5
Recursos não renováveis
Emergia total: 50,1
Materiais
Minerais e outros estoques
Quantos Sois estamos usando?
Energia solarEnergia solarEnergia solarEnergia solarEnergia solarEnergia solarEnergia solarEnergia solar
Energia radiant
e do Sol
Força gravitacional da Lua
Calor interno
da Terra
P1
P2
P3
Metodologia Emergética: Cálculo da intensidade energética dos produtos da biosfera.
Estoque do
produto 1
Estoque produto 2
Estoque produto 3
Fluxos de materiais
Novos materiais Reciclage
m e estoques
Interações
Transformidade =
Energia total _______________________________________
Produto
Produto ____________________________________
Energia total
Eficiência =
ERS
FGSL
CIT
P1
P2
P3
Transformidade =
1 ________________________
Eficiência
Definições
Fator de conversão: quanta energia é necessária para produzir um recurso
matéria orgânica simples
águachuva
produção agroindustrial
produtos metálicos
produtos químicosfertilizantes
minerais sedmentaresevaporitos
conhecimento e informação da
sociedade
100
101
102
103
104
105
106
107
108
1010
1011
109
1012
1013
1014
1015
sistemas geológicos globais
formação de espécies biológicas
Sol
plantas
animais terrestres
sej / J
vento
animais aquaticoshumanos
derivados do petróleorochasenergia fóssil
conhecimento digitalizado
produtos eletrônica
Transformidade = Energia incorporada / Energia do recurso
plantas animaisseres
humanos
agrupamentos sociais
processos geológicos
processos biológicos complexos
energia básica
O dado de precipitação pluvial pode ser convertido em fluxo de emergia solar.
Fluxo de chuva no local:= 1500 kg/m2/ano x 1E4 m2/hectare = 1,5 E7 kg/hectare/ano
Tr = 1,5 E8 seJ/kg
Fluxo de emergia solar:= 1,5 E7 x 1,5 E8 seJ/hectare/ano= 225 E13 seJ/hectare/ano
O consumo de calcário pode ser convertido em emergia.
Fluxo de calcário:= 200 kg/hectare/ano
Tr = 1,5 E11 seJ/kg
Fluxo de emergia solar:= 200 x 1,5 E11 seJ/hectare/ano= 3,0 E13 seJ/hectare/ano
O trabalho humano pode ser convertido em emergia.
Fluxo de trabalho humano (mão-de-obra):= 200 horas/hectare/ano x 3200 quilocalorias/24 horas x 4186 J/quilocaloria= 260 E6 J/hectare/ano
Tr = 1,2 E6 seJ/J
Fluxo de emergia solar:= 260 x 1,2 E12 seJ/hectare/ano= 26,0 E13 seJ/hectare/ano
Um recurso monetário pode ser convertido em emergia.
Fluxo de dinheiro:= 50 USD/hectare/ano
Tr = 3,0 E12 seJ/USD (Brasil, 2007)
Fluxo de emergia solar:= 50 x 3,2 E12 seJ/hectare/ano= 16,0 E13 seJ/hectare/ano
Tudo pode ser colocado em termos de emergia solar!
Isso permite agrupar e somar coisas semelhantes, por exemplo: os fluxos renováveis!Podem se dividir fluxos agrupados e obter indicadores, por exemplo: renováveis entre recursos totais -> sustentabilidade
As contribuições da natureza em detalhe
Ecossistemas
Atmosfera
Recursos de reposição rápida
(solo, água)
Minerais da rocha mãe
NPK + outros
Energia degradada
Radiação solar
Gravidade lunar
Calor interno da
Terra
Decompo-sitores
Informa-ção
Consumi-dores
Recursos de reposição lenta
(florestas)
Recursos de reposição muito lenta (espécies)
Recursos de reposição
infinitamente lenta (energéticos
fósseis)CO2
N2
Renováveis
Semi-Renováveis
Não renováveis
materiaislocais
energia solar direta
pessoas
bensestoques
milho
chuva
solo
produtos industriais
bens e serviços
interações
bio-diversidade
Cálculo da sustentabilidade de um sistemaTemos o problema de insumos diversos!
Devemos colocar todos os fluxos em uma mesma unidade padrão: emergia solar.
Milho
Chuva
Solo agrícola
Produtos industriais
Bens e serviços
Utiliza-se o valor da energia gasta na produção de cada insumo
Economia Ecológica
No diagrama os recursos externos são colocados em ordem de intensidade e renovabilidade
Energia solar direta
Produtos
Estoques internos
QJ1
Ecossistema agrícola
J2
J3 J4 J5
Tr2
Tr3 Tr4 Tr5
e2
e1
e3 e4 e5
EP
=Emergia usada
Energia produzida=
Ji Tri
Ep
e i
Ep
=Tr
Transformidade do recurso produzido
A conversão de cada um dos fluxos de entrada para fluxos de emergia solar equivalente se realizada por meio da multiplicação com a transformidade de cada recurso
Procedimento para o cálculo da emergia:
4. Expresse o fluxo em unidades de emergia (seJ or seJ/ área/tempo).
1. Obtenha o fluxo J2 na suas unidades usuais;
3. Multiplique pela transformidade (Tr);
2. Converta as unidades usuais para o Sistema Internacional (SI);
kg ha ano
--------
seJ ha ano
---------
seJ kg------- x
=
kg $
J ha ano--------
seJ ha ano
---------
seJ J
------ x
=
J
USD ha ano--------
seJ ha ano
---------
seJ USD
------ x
=
O objetivo do procedimento usado:agrupar fluxos conforme sua origem
Recursos daNatureza
( I ) = R + N
RecursosEconômicos
( F ) = M + S
Emergia total
( Y ) = I + F
E = energia do produto
R1
N
estoqueinterno
Q
Produtointerações
R2$
$ vendas
MS
Índices Emergéticos
Corresponde ao valor inverso da eficiência do sistema. Varia com o tempo e com os processos utilizados. É um fator de conversão.
E
YTr
Transformidade
M S F = M + S
N
R
I = R + N
produto
Y = I + F
E
Indica a renovabilidade do sistema,
ou seja a sustentabilidade do empreendimento.
Y
R*100%R
Renovabilidade emergética
M S F = M + S
N
R
I = R + N
produto
Y = I + F
E
Índices Emergéticos
Índices Emergéticos
Mostra a emergia líquida obtida com o investimento realizado. O valor mínimo é 1. A diferença indica a energia capturada da natureza.
F
I1
F
IF
F
YEYR
Razão de Rendimento Emergético
M S F = M + S
N
R
I = R + N
produto
Y = I + F
E
Índices Emergéticos
Indicador da intensidade de uso de recursos econômicos para implementar um sistema agrícola ou agroindustrial.
I
FEIR
Razão de Investimento Emergético
M S F = M + S
N
R
I = R + N
produto
Y = I + F
E
Índices Emergéticos
Relação entre a emergia não renovável e a emergia renovável.
R
NFELR
Razão de Carga Ambiental
M S F = M + S
N
R
I = R + N
produto
Y = I + F
E
Índices Emergéticos
Avalia se o produtor recebe na venda dos produtos, toda a emergia gasta na produção. EER > 1 o produtor perde. EER < 1 o produtor ganha (caso raro!)EER = 1 temos comércio justo (“Fair Trade”)
(sej/$)*($/kg)*ano)*(kg/ha
YEER
Razão de Intercâmbio Emergético
M S F = M + S
N
R
I = R + N
produto
Y = I + F
VendasE
Índices de desempenho emergético
Energia líquida: EYR = Y/F
Investimento: EIR = F/I
Renovabilidade
%R = 100(R/Y)
Carga ambiental: ELR = (F+N)/R
Intercâmbio: EER = Y/[produto*preço*(emergia/USD)]
M S F = M + S
N
R
I = R + N
Produto
Y = I + F
E
Vendas
Eficiência: Tr = Y/Ep
Área de produção de alimentos e biocombustíveis para o mercado regional
Ecossistemas naturais (serviços ambientais)
Modelos de produção de biocombustíveis
Lotes ou parcelas individuais: subsistemas de baixa intensidade com produção para consumo local e atender um pouco do mercado regional
Áreas reduzidas de ecossistemas naturais e poucos serviços ambientais
Modelo 1: parcelas ou lotes individuais
A monocultura agrícola se baseia no uso de recursos não renováveis, concentra a propriedade e a riqueza, gera desemprego, gera erosão,poluição, degradação cultural,perda de biodiversidade,aquecimento global.
Ecossistemas naturais reduzidos ao mínimo.
Modelo 2: monocultura
Fertilizantes, Pesticidas, Herbicidas, Maquinário, Combustível
Modelo agrícola do Agronegócio
Beneficiamento industrial
Sistema integrado:Bosque nativo,Agro-floresta,Parcela individual,Criação animal,Produção de biomassa energética eIndustrialização
Modelo 3: eco-unidade
Vegetação nativa
Agro-floresta
Cultivos energéticos
Pastos, grãos, arbustos
Gado
Parcela individual
Pessoas
Energia de biomassa
Alimentos beneficiados
Aproveitamento de resíduos
Micro-usina de álcool Agroindústria local e regional
Diagrama do sistema de produção agroecológico integrado
Vegetação nativa
Agro-floresta
Cultivos energéticos
Pastos, grãos, arbustos
Gado
Parcela individual
Pessoas
Energia
Alimentos
Produtos do bosque nativo
Água, solo, biodiversidade, micro-clima
Produtos da agrofloresta
Produtos da parcela
Consumo interno
Reciclagem Resíduos
beneficiados
Resultado da busca de sistemas reais parecidos ao modelo de eco-unidade
Fazenda Jardim em Mateus Leme, Minas Gerais (perto de Belo Horizonte).
Em 20-30 hectares engorda de gado. Possui Mata nativa e floresta pequena de eucalipto. Tem arvores leguminosas.
Vende esterco, banana e aspargos e futuramente postes de eucalipto.
Faz quatro anos que produz 100 litros de etanol (94%) por dia utilizando 3 ha de cana. O gado come a cana extraída e triturada adicionada de uréia. Usa o vinhoto para o gado beber. O gado não tem garrapato.
Gera trabalho humano de boa qualidade. Produz algumas coisas para consumo local
Micro-destilaria, agroindústria e indústria regional
Vegetação nativa
Eucalipto
Cana-de-açúcar
Pastos, grãos, arbustos
Gado
Parcela individual
Pessoas
Etanol (94%)
Esterco fermentado
Produtos e serviços ambientais
Água, solo, biodiversidade,
clima local
Hortaliças
Consumo familiar
VinhaçaBezerros gordos (carne)
Sol, vento, chuva
Água e minerais
Nitrogênio atmosférico
Cinzas e fibra
Bezerros magros
Postes de madeira de eucalipto
Formicida
Outros materiais e eletricidade
Serviços públicos Mão-de-
obra externa
Eco-unidade
UréiaBiodiversidad
e regional
Eficiência: Tr = Y/Ep
Emergia líquida: EYR = Y/F
Investimento: EIR = F/I
Renovabilidade:
%R = 100(R/Y)
Índices:
Fazenda Jardim, Mateus Leme, MG, Brasil
Transfor-midade
Fluxo de emergia renovável
Fluxo de emergia não renovável
Fluxo de emergia
Total
%
Ren Fluxo unidade sej/unidade sej sej sej Renováveis 5,33E+15 0 5,33E+15 53,9 Sol 1 5,20E+09 J 1,00E+00 5,20E+09 0 5,20E+09 0,0 Chuva 1 6,00E+10 J 3,06E+04 1,84E+15 0 1,84E+15 18,6 Nitrogênio (atm) 1 8,60E+01 Kg 4,05E+13 3,48E+15 0 3,48E+15 35,2 Minerais do solo 1 8,80E+00 Kg 8,72E+11 7,67E+12 0 7,67E+12 0,1 Não Renováveis 0,00E+00 1,12E+14 1,12E+14 1,1 Perda de solo 0 9,04E+08 J 1,24E+05 0,00E+00 1,12E+14 1,12E+14 1,1 Materiais 4,11E+14 2,32E+15 2,73E+15 27,6 Formicida 0 5,00E-02 kg 2,48E+13 0 1,24E+12 1,24E+12 0,0 Eletricidade 0,5 3,20E+07 J 3,36E+05 5,38E+12 5,38E+12 1,08E+13 0,1 Uréia 0 4,38E+02 kg 3,12E+12 0 1,37E+15 1,37E+15 13,8 Investimento 0,3 3,65E+02 US$ 3,70E+12 4,05E+14 9,45E+14 1,35E+15 13,7 Serviços 8,58E+14 8,58E+14 1,72E+15 17,4 Mão de obra 0,5 4,64E+02 US$ 3,70E+12 8,58E+14 8,58E+14 1,72E+15 17,4 Emergia total 6,59E+15 3,29E+15 9,88E+15 100,0
1. Procurar técnicas ecológicas de produção de uréia (ex. leguminosas)2. Limite físico da renovabilidade
3. Procurar um perfil de consumo local para a mão-de-obra
Álcool 100 litros/dia Eucalipto 10000 kg/ano/ha R 6,59E+15 sej/ha/ano365 dias/ano 0,1 % venda N 1,12E+14 sej/ha/ano
3392 kcal/litro 3392 kcal/kg I 6,71E+15 sej/ha/ano4186 J/kcal 4186 J/kcal M 2,32E+15 sej/ha/ano
20 ha 1,42E+10 J/ha/ano S 8,58E+14 sej/ha/ano2,59E+10 J/ha/ano F 3,18E+15 sej/ha/ano
Y 9,88E+15 sej/ha/anoCarne 0,4 kg/dia Aspargo 1000 kg/ano/ha
365 dias/ano 0,2 % venda Tr Y/E 8,81E+0480 cabeças 2200 kcal/kg Ren R/Y 0,67
1797 kcal/kg 4186 J/kcal EYR Y/F 3,114186 J/kcal 1,84E+09 J/ha/ano EIR F/I 0,47
20 ha ELR (F+N)/R 0,504,39E+09 J/ha/ano ESI EYR/ELR 6,23
ProdutosEsterco 6 kg/dia Álcool 2,59E+10 J/ha/ano
365 dias/ano Carne 4,39E+09 J/ha/ano80 cabeças Esterco 6,59E+10 J/ha/ano
1797 kcal/kg Eucalipto 1,42E+10 J/ha/ano4186 J/kcal Aspargo 1,84E+09 J/ha/ano
20 ha Total 1,12E+11 J/ha/ano6,59E+10 J/ha/ano
Fazenda Jardim, Mateus Leme, MG, Brasil
Transformidade: Tr = Y/Ep = 59 000 seJ/J
Emergia líquida: EYR = Y/F = 3.1
Investimento: EIR = F/I = 0.47
Renovabilidade:
%R = 100(R/Y) = 66%
Índices Eco-unidade:
Fotos e resultados
Destilaria comum:
Emergia líquida: EYR = Y/F = 1.72
Taxa Investimento EIR = F/I = 1.39
Renovabilidade:
%R = 100(R/Y) = 26%
Transformidade: Tr = Y/Ep = 88 000 seJ/J
Fazenda Jardim, Mateus Leme, MG, Brasil
A microdestilaria pode ser a base de um sistema integrado de produção de alimentos, energia, serviços ambientais e trabalho humano de boa qualidade.
Uma rede de SIPAES é uma idéia muito interessante que merece ser promovida pois é melhor que outras alternativas de uso do espaço geográfico.
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