Como funciona a natureza? A visão da Metodologia Emergética Análise de 3 opções para produzir biocombustíveis: produtor isolado, grandes monoculturas e

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


Um recurso monetário pode ser convertido em emergia.

Fluxo de dinheiro:= 50 USD/hectare/ano

Tr = 3,0 E12 seJ/USD (Brasil, 2007)


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



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


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


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


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


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


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


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


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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Como funciona a natureza? A visão da Metodologia Emergética Análise de 3 opções para produzir biocombustíveis: produtor isolado, grandes monoculturas e