modelagem de sistemas e sustentabilidade
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Modelos para simular cenários sociais de produção, consumo e reciclagem
(sustentáveis ou não)
A contribuição da visão sistêmica de Howard T. Odum
Prof. Dr. Enrique Ortega UNICAMP, Brasil
Julho de 2011. Primeira revisão: agosto de 2011
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O futuro pode ser ecológico?Que podemos
fazer para ajudar nessa
tarefa?
2011 - ?
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Pode-se modelar e simular o sistema econômico - ecológico para explicar tanto o passado e o presente quanto para prever o futuro.
Os estudos existentes devem ser analisados criticamente, atualizados e, se forem úteis, devem ser aproveitados.
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Vou me referir aos trabalhos de Howard T. Odum (1924-2002) professor de Ecologia de Sistemas da Universidade de Florida relativos ao modelado e simulação de ecossistemas naturais e ecossistemas sob controle das sociedades humanas.
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a. As leis e os princípios da Termodinâmica dos sistemas abertos;
b. Os balances de massa, energia e informação com visão de ciclo de vida. Além disso considerar os novos fatos tais como as mudanças climáticas (IPCC);
c. A tipologia das fontes de energia e as funções que descrevem as interações entre os elementos de um ecossistema.
Para modelar e simular ecossistemas, de acordo com Odum, é necessário aplicar:
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O modelo de um sistema permite ações de controle para melhorar seu desempenho, e atingir padrões de qualidade desejados.
Para fazer a simulação de um sistema podem-se usar linguagens de programação, planilhas eletrônicas ou aplicativos específicos (MatLab/Simulink, Stella, VenSim, PowerSim, iThink, Simile, EmSim, Modelica).
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Primeiramente devemos fazer a representação do ecossistema através do diagrama de fluxos de energia no qual se usam símbolos gráficos (ícones) e líneas de fluxo para mostrar os componentes e suas interações. “Ecosistemas y Políticas Públicas”: http://www.unicamp.br/fea/ortega/eco
“Modelaje y simulación de Ecossistemas”: http://www.unicamp.br/fea/ortega/eco/ecosim
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8
A diagramação de sistemas com símbolos permite visualizar a organização, entender o sentido e o comportamento do fenômeno que se estuda.
Os diagramas mostram as interações que se realizam entre as forças externas e os componentes internos para produzir recursos com novos potenciais e, ao mesmo tempo, degradar a energia potencial disponível.
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Leis da Termodinâmica
Primeira lei: “A energia total de um sistema é composta pela suma das energias existentes em um certo momento. A energia não se cria e no desaparece,apenas muda de forma (se transforma)"
E = constante = soma de energias Segunda lei: “A energia potencial ao interatuar converte-se em energia de melhor qualidade (trabalho, W) e em energia degradada (Q)"
E = W + Q
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Princípios dos sistemas abertos (quarta e quinta leis da termodinâmica) :
Os sistemas criam laços auto-catalíticos e se auto-organizam. Os sistemas abertos cambiam com o tempo y sua evolução depende da energia externa disponível, da organização interna e do aproveitamento dos resíduos do sistema.
Os sistemas interatuam para criar redes para aproveitar as energias disponíveis.As redes permitem aumentar a circulação de materiais e a captura de energia potencial disponível em fontes externas.
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Outros princípios dos sistemas abertos
Os sistemas se desenvolvem em ciclos que incluem três etapas: produção, consumo e reciclagem.
Os conceitos desenvolvidos pela Termodinâmica para a energia se aplicam também para a matéria:
M total = constante = soma das massas.M útil = M transformada + M dispersada
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Outros princípios dos sistemas abertos
Os sistemas aumentam a intensidade e duração de seus ciclos quando crescem (ampliam suas fronteiras para incorporar mais estoques de recursos).
Hoje vivemos um momento de intenso consumo de estoques e isso é visto como um processo contínuo, autônomo e infinito, sendo que é apenas parte de um ciclo. Depois do crescimento vai ocorrer a etapa do decrescimento.
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Fluxo de energia
Produtor
Fonte externa (ilimitada)
Estoque interno
Transação
preço
Sumidouro de Energia
Fonte externa não renovável (limitada)
ConsumidorInteração
Sistema ou subsistema
Interruptor
Símbolos e conexões
Fonte externa renovável(limitada)
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Índice dos capítulos (Portugues) Chapter Index (English)
Modelagem e simulação de Sistemas para estudantes de Engenharia, Biologia e Ciências Sociais
Howard T. Odum & Elisabeth C. Odum, Gainesville, Florida, EUA, 1994
http://www.unicamp.br/fea/ortega/ModSim/index.html
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Q
Tanque
Energia externa
K*Q
Energia dispersada
J
Q
Dreno
K*Q
Energia dispersada
DQ = J - K*Q*DT
DQ = - K*Q*DT
Mini-modelos
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Q
Estoque externo não renovável
K2*QK1*E
Q K2*Q
E
XEnergia externa
Laço de retro-alimentação
K1*J*Q
Estoque interno
DQ = K1*E – K2*Q
DQ = K1*J*Q – K2*QFonte ilimitada
Crescimento Exponencial(fenômeno temporário)
Laço de reforço da entrada auto-catalítico
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R
QK2*Q*Q
XEnergia externa
Fonte ilimitadaLaço de retro-alimentação
X
K1*J*Q
Q Fonte limitadaK2*Q
XEnergia externa
Possui retroalimentação
K1*R*Q
J
DQ = K1*R*Q – K2*Q
DQ = K1*J*Q – K2*Q*Q
Laço duplo de desgaste interno
Fonte limitada
LogísticoDesgaste
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Q Estoque usado rapidamente
K2*Q
X
Fonte limitada
E
R
QDuas fontes
K3*Q
XEnergia externa
K1*R*Q
J
EX
K1*E*Q
K2*E*Q
Fonte limitada
Fonte limitada
Laço de retro-alimentação
DQ = K1*E*Q – K2*Q
DQ = K1*R*Q + K2*E*Q – K3*Q
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Desenvolvimento a partir de duas fontes(uma renovável e outra não renovável)
http://www.unicamp.br/fea/ortega/extensao/DuasFontes.html
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MineraisEnergia
fóssil
Monocultivos
Extração predatória
Duas visões em conflito Cultura
humana ecológica
Sistemas agro-químicos
Biodiver-sidade
Cultura humana
industrial
Sistemas agroecológicos
Erosão, ResíduosEmissões
Perdas sociaise biológicas
Câmbio climático
Reciclagem, manejo sustentável
Impacto social, ambiental e climático
Produtos químicos, maquinaria, diesel, subsídios
Maior produção, menor preço, mais gente
Catástrofes
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Paradigmas em conflito
Competição excludente
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Cooperação
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Balance de emergia do Brasil
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Relação Centro-Periferia
Sun K6K3K2
World
K1
K7
K4
K5
I
X X
X
Ssoils wood
Ffuels
Qassets
K8
Rain
State
L6
L2
Wwater
J
L1
L3
L5
L
L4
XU
assets
D1 = K1*S*F*Q + K2*S*Q - K3*Q + K8*SD2 = I - K5*S*F*Q - K6*S*Q - K7*SD3 = - K4*S*F*QD4 = J - L1*W*U*Q - L3*W - L5*WD5 = L2*U*Q*W + L4*W - L6*U - L*U
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A tarefa de pensar nosso planeta é a mais difícil, porém também
é a mais necessária.
Edgar MorinCapítulo: “En el corazón de la crisis planetaria”
Livro: “La violencia en el mundo”Editora Capital Intelectual, Buenos Aires, 2011