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Introdução à Metodologia Emergética. Fevereiro 2005 Enrique Ortega Departamento de Engenharia de Alimentos Laboratório de Engenharia Ecológica e Informática Aplicada Unicamp www.unicamp.br/fea/orte ga Faculdade de Engenharia de Alimentos

Introdução à Metodologia Emergética. Fevereiro 2005 Enrique Ortega Departamento de Engenharia de Alimentos Laboratório de Engenharia Ecológica e Informática

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Page 1: Introdução à Metodologia Emergética. Fevereiro 2005 Enrique Ortega Departamento de Engenharia de Alimentos Laboratório de Engenharia Ecológica e Informática

Introdução à Metodologia Emergética.

Fevereiro 2005

Enrique Ortega

Departamento de Engenharia de Alimentos

Laboratório de Engenharia Ecológica e Informática Aplicada

Unicamp

www.unicamp.br/fea/ortega

Faculdade de Engenharia de Alimentos

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Metodologia

Emergética

Teoria Geral de SistemasFunções ecossistêmicasTermodinâmica de sistemas abertos

Diagramas de sistemas

Cálculo dos fluxos de emergia

Linguagem dos Símbolos Energéticos: fontes de energia, estoques de materiais, fluxos, processos, produtos, resíduos, energia dispersada, retro-alimentação, reciclagem.

Diagnostico emergético

Modelagem e simulação

Melhor percepção do mundo:

Ações mais coerentes

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Fluxo de Energia

Produtor

Fonte de energia externa ilimitada

Estoque interno

Transação

preço

Sumidouro de Energia

Fonte de energia limitada

Consumidor

Interação

Sistema ou subsistema

Interruptor

Símbolos com conexões

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Fluxos de Energia

Produtor

Fonte de energia externa ilimitada

Também deposito ou estoque interno (limitado)

Transação

preço

Sumidouro de Energia

Fonte de energia externa limitada

Consumidor

Interação

Sistema ou subsistema

Interruptor

Tela pronta para fazer seu diagrama (fundo branco)

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Fluxos de Energia

Produtor

Fonte de energia externa ilimitada

Deposito ou estoque interno (limitado)

Transação

preço

Sumidouro de Energia

Fonte de energia externa limitada

Consumidor

Interação

Sistema ou subsistema

Interruptor

Símbolos prontos para usar, em fundo escuro.

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Significado dos símbolos da Análise

Emergética

Fluxo de Energia: Um fluxo cuja vazão depende de uma interação ou da fonte que o produz e do estoque energético produzido.

Fonte continua ilimitada: Um recurso externo que fornece energia de acordo a um programa controlado externamente (força constante).Fonte continua limitada: Um recurso externo que fornece energia de acordo a uma certa interação regulada pela estrutura interna do sistema (função força decrescente).Fonte temporária limitada: Uma reserva energética fora do sistema, que guarda uma certa quantidade de energia potencial.

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Significado dos símbolos da Análise

Emergética Interação: processo de transformação de energia potencial que exige a participação de varias formas de energia. O conceito de energia potencial se estende a matéria e a informação.

Entradas deEnergia Potencial

Saída de uma ou várias energias de maior qualidade (trabalho do sistema)

Energia dispersada

Energia potencial = Energia de maior qualidade + Energia dispersada

Energia = Trabalho + Calor

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Significado dos símbolos da Análise

Emergética

Sumidouro de Energia: Degradação e dispersão da energia potencial empregada no processo.

Consumidor: Unidade auto-catalítica

que aproveita a biomassa produzida em etapas anteriores da cadeia trófica e gera um fluxo de energia de alta qualidade para fins de controle geral.

Produtor: Unidade auto-catalítica que coleta e transforma energia de baixa qualidade (intensidade) sob a ação de fluxo de energia de alta qualidade.

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Unidades auto-

catalíticas

P

Q

Produtor Consumidor

R

Q

Parte do trabalho produzido permanece no sistema como energia estrutural que reforça a interação. Esse estoque interno denomina-se Q pois indica Quantidade e Qualidade.

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Aproveitamento da energia disponível em uma área

Cadeia de vários estágios

de consumidores

Energia dispersada

Fontes renováveis externas

Produtores

Resíduos

Nutrientes

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Consumidores de biomassa

Energia dispersada

Fontes externas

Produtores de biomassa

Resíduos

Nutrientes

Decompositores

Energia disponível na área

Energia incorporada/Energia de cada etapa

Transformidade

1 000 J

1 000 000 Joules de energia solar

(sej)

1 000 000 J100 J 10 J 1 J 0 J

1 000 sej/J

Energia disponível em cada

etapa

1 000 J 100 J 10 J 1 J

10 000 sej/J100 000 sej/J

1000 000 sej/J

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Princípio da máxima empotência

A potência ecossistêmica (emergia/tempo) denomina-se empotência.

O “principio da máxima empotência” diz: Os sistemas tendem a maximizar o fluxo de emergia. Isso implica maximizar o fluxo de energia em toda a cadeia alimentar.

Sol10 000 00010 000 000

J/tJ/t

EMERGIA Solar = 1 E7 Joules de energia solar equivalente / TempoEMERGIA Solar = 1 E7 Joules de energia solar equivalente / Tempo

10 10 000000

1 0001 000 100100 11

0.1 E40.1 E4 0.1 E30.1 E3 0.1 E20.1 E2 0. 1 0. 1 E1E1

1010

Tr=1000Tr=1000 Tr=1 E4Tr=1 E4 Tr=1 E5Tr=1 E5 Tr=1 E6Tr=1 E6 Tr=1 E7Tr=1 E7

9 999 9 999 000000

9 0009 000 900900 9090 99

0.1 E00.1 E0

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Princípio da máxima empotência• Aplica-se a todos os níveis e escalas ao mesmo

tempo.

SolSol

Energia fóssil

Capacidade renovável

Capacidade de suporte temporariamente alta em base a recursos fósseis

• Os sistemas se auto-organizam em hierarquias de transformação de energia que pulsam, cobrem diversas áreas, acumulam energia e evoluem. Os sistemas se expandem e se contraem em função da emergia disponível.

Page 14: Introdução à Metodologia Emergética. Fevereiro 2005 Enrique Ortega Departamento de Engenharia de Alimentos Laboratório de Engenharia Ecológica e Informática

Hipótese da auto-organização

O princípio da máxima potência sugere que a auto-organização das espécies ocorre pelo reforço daquelas que desenvolvem contribuições a outras partes do sistema.

A auto-organização de sistemas desenvolve estoques auto-catalíticos para maximizar o aproveitamento de energia.

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Hipótese da auto-organização

O princípio da máxima potência sugere que a auto-organização de espécies disponíveis ocorre pelo reforço daquelas que desenvolvem contribuições a outras partes do sistema. A auto-organização de sistemas desenvolve estoques auto-catalíticos para maximizar o aproveitamento de energia.

FonteF

Processo de transformação daenergia

QQuantidade em estoque

longe do equilíbrio

dQ/dt =

Desenho auto-catalítico.O crescimento é exponencial se F é constante e ilimitada

k1.F.Q

k3.F.Q

k1.F.Q- k3.F.Q - k2.Q

k2.Q

Materiais liberados

T = Temperatura em graus KelvindSe/dt = (k4.Q + k5.F.Q) / T

Taxa de incremento da entropia ambiental Se com dissipação da energia

k4.Q

k5.F.Q

Retro-alimentação

Produção Depreciação

Energia degradada

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Princípio da máxima empotênciaA potência ecossistêmica (emergia/tempo) denomina-se empotência. O “principio da máxima empotência” disse: Os sistemas tendem a maximizar o fluxo de energia. Isso implica maximizar o fluxo de energia em toda a cadeia alimentar. Aplica-se a todos os níveis e escalas ao mesmo tempo. Os sistemas se auto-organizam em hierarquias de transformação de energia que pulsam, cobrem diversas áreas, acumulam energia e evoluem. Os sistemas se expandem e se contraem.

Sol6E96E9

J/tJ/t

EMERGIA Solar = 6E9 Emjoules Solares EMERGIA Solar = 6E9 Emjoules Solares TempoTempo

6E76E7 6E66E6 6E56E5 6E46E4

0.6E0.6E77

0.6E0.6E66

0.6E0.6E55

0.6E0.6E44

AgregaçãAgregação:o:

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R1

Fotosíntesse

Infra-estrutura

R2 N

F

benshumanos

Unidade de produção

Energiadegradada

Produtos VendidosSubsídios

E1

Perdas (sem taxar)Externalidades

E2

Serviços ambientais (sem subsídio)

E3

Albedo

Erosão

Controle

R2 = recursos renováveis da biosfera e da região

R1 = recursos renováveis diretos

N = fontes não- renováveis da natureza

F= materiais e serviços comprados da economia (em geral não-renováveis)

Diagrama resumido

Compras

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Transformidade

Y (Emergia de Y (Emergia de I+F)I+F)Tr= = Tr= = QQpp (Energia de (Energia de Y)Y)Razão entre emergia

de um produto específico e a energia útil do produto

Razão de rendimento de

emergia Y Y Emergia Emergia EYR= = EYR= = F F EconomiaEconomia

Mede a incorporação de energia da natureza ou a emergia líquida.

Razão de investimento de

emergia F F Economia Economia EIR = = EIR = = I I NaturezaNaturezaRazão entre a contribuição da economia (F) e os recursos naturais (I)

Contribuições da natureza: I = R + N

Recursos renováveis da natureza: R= R1 + R2

R1 = fluxos diretosR2 = fluxos de estoques

R

Contribuição não renovável da natureza: N

N

Emergia incorporada: Y = I + F Y

FR FN Retroalimentação da Economia: FF = M + SM = MR + MN

S = SR + SN

F = FR + FN

FR = MR + SR

FN = MN + SN

Porcentagem de renovabilidade (%)

%R=100*(R+F%R=100*(R+FRR)/Y)/Y

Mede a sustentabilidade do sistema produtivo

Carga Ambiental

ELR=(R+FELR=(R+FRR)/(N+F)/(N+FNN))

Mede a proporção entre recursos renováveis e não renováveis do sistema produtivo

Intensidade de mão-de-obra

LSR= SLSR= SR R / S/ S

Mede a proporção entre a mão-de-obra local e o total de serviços do sistema produtivo

Mão-de-obra local(produção familiar)

LSR = SLSR = SRL RL / S/ S

Mede a proporção entre a mão-de-obra no total de serviços

Mão-de-obra local: SRL

SR = SRL + SRE

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Significado dos símbolos da Análise

Emergética

Caixa: Símbolo de uso múltiplo que pode ser usado para representar uma unidade de consumo e produção dentro de um sistema. Representa um sub-sistema.

Depósito: Uma reserva energética dentro do sistema, que guarda uma quantidade de energia de acordo com o balanço de entradas e saídas (variáveis de estado).

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Significado dos símbolos da Análise

Emergética

Transação: ação de venda de bens ou serviços (linha continua) em troca de pagamento em dinheiro (linha tracejada). O preço é mostrado na figura como uma fonte de energia externa. O processo pode ser também de escambo.

preço

Interruptor: um controlador que permite que ocorra um fluxo ou um processo a partir de uma combinação de sinais obtidas por sensores.

sensores

onoff

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Fluxos de energia e materiais em um

sistema

Sumidouro de Energia

Fonte de energia externa

Interação

Deposito interno

Produtor

Consumidor

Depositoexterno

Fonte deenergia externa

Materiais reciclados

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A Terra, após longa evolução, desenvolveu inúmeros estoques: solos férteis, água limpa, ar limpo, bom clima, sistemas ecológicos saudáveis e beleza estética

P

Q

Produtores

Energia externa

Organização

Biosfera

Consumi-dores

R

Q

Materiais

Biomassa vegetalRecursos diversos Energia dispersada

Estoquesexternos

Fluxos de energia na

biosfera

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Produtores

P

Q

Energia externa

Interações

Energia dispersada

Estoquesexternos

A floresta: relações plantas-solo

Maior porosidade no solo

Solubilização de minerais

Maior umidade do solo

Fixação de nitrogênioAmortece golpe da chuva

Absorção de gases

Bombeamento de materiaisAçúcar para a micro-biota Matéria orgânica para a macro-biota

Efeito esponja de água

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Produtos e serviços ambientais

BiomassaBiodiversidade

A floresta

Diminui a temperatura

P

Q

Energia externa

Energia dispersada

Estoquesexternos

Produtores

Gera solo fértil e infiltra água limpa

Maior absorção solar e maior produtividade

Absorve CO2 e gera ar oxigenado Beleza e plenitude

Impede desabamentos

Resilência: permite recuperar o ecossistema

Facilita a precipitação e estabiliza o regime de chuvas

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É definida como toda a energia incorporada na produção

de um recurso, seja ela na forma de energia ou matéria,

trabalho humano ou da Natureza, em outras palavras, é

toda a energia necessária para um sistema produzir um

recurso (Odum, 1996).

Há energia disponível em tudo aquilo que é reconhecido

um ente da terra e do universo, inclusive a informação.

Emergia

A energia pode ser utilizada para avaliar a riqueza

real em uma base comum.

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Metodologia

Emergia

dos produtos

Energias que entram

Emergias que entram

Energia

dos produtos

Energia degradada

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Conceitos Básicos

Emergia de um recurso é a soma de toda a emergia necessária, direta ou indireta, para produzi-lo. (Joules de energia solar)

Transformidade solar de um recurso é a quantidade total de emergia solar (sej) usada no sistema para produzir uma unidade de energia do produto (Joules, J). Indica a posição do produto na hierarquia energética do planeta. (Joules de energia solar por Joule, sej/J)

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Capacidade de Suporte

Número de indivíduos de uma população de

uma determinada espécie que pode ser

sustentado por uma região ou uma

determinada área da paisagem.

.. depende tanto da quantidade de recursos

naturais disponíveis (R) quanto da energia

adquirida ou importada pelo sistema, que

pode ser não renovável (N).

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Análise

Emergética

2. Elaboração do

Diagrama3. Montar a Tabela de Avaliação

Emergética4. Calcular os Índices

Emergéticos5. Interpretação dos Resultados

1. Levantamento da história dos locais de

estudo

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1. Elaboração do

Diagrama

Nitrogênioda

AtmosferaNutrientes

RochaSubsolo

BiodiversidadeRegional

Chuva

Vento

Sol

Benefi-ciamento

Reserva Florestal

Plantação

Serviçosambientaislocais

Materiais e Serviços

Taxas

Preço

Taxas

$

Produtos

Serviços ambientaisMultas

Perdas: solo,nutrientes,Pessoas,Insumos.

Família

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Emergia acumulada nos ecossistemas: solo, água, madeira, etc.

EconomiaEconomiaModernaModerna

Avaliação Emergética

Procedimentos para uma avaliação emergética de um sistema.

Energia do Sol,Energia do Sol,da Lua e do da Lua e do

núcleo interno núcleo interno da Terra da Terra

Sistema AgrícolaSistema Agrícola

OutrosOutrosProcessosProcessosNaturaisNaturais

Reservas semi-

renováveis

Emergia direta

Dispersão deEnergia Potencial

Energia Produzida

Transformidade Solar ( sej /J )

=Emergia solar dos insumos (sej/ha/ano )

Energia produzida (J/ha/ano )

Soma dos Insumos de Emergia Solar

emjoule: Joule de energia disponível (de um certo tipo de energia) previamente usadapara fazer um produto ou serviço. Se usar-mos como energia de referência a energia solar,temos o emjoule solar ou sej

Emergia não renovável

Sol, vento, chuva, marés, ondas,

soerguimento geológico

Minerais(N)

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R1

Fotosíntesse

Infra-estrutura

R2 N

F

benshumanos

Unidade de produção

Energiadegradada

ProdutosvendidosE1

Perdas e desperdício(sem taxar)

E2

Serviços ambientais (sem subsídio)

E3

Albedo

Erosão

Controle

R2 = recursos renováveis da biosfera e da região

R1 = recursos renováveis diretos

N = fontes não- renováveis da natureza

F= materiais e serviços comprados da economia (em geral não-renováveis)

Diagrama resumido

Compras

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Diagrama resumido

tradicional Serviços

Deposito ou estoque interno (limitado)

Sumidouro de Energia

Fonte de energia externa limitada

Materiais

Produtor

Consumo interno

R

N

M S

I = R+N

Produtos

F = M+S

Ep = Energia dos produtos

Y = I+F

Emergia total

Transformidade:Tr = Emergia/Energia dos produtos

Page 34: Introdução à Metodologia Emergética. Fevereiro 2005 Enrique Ortega Departamento de Engenharia de Alimentos Laboratório de Engenharia Ecológica e Informática

Porcentagem de renovabilidade (%)

%R=100(R/Y)%R=100(R/Y)

Mede a sustentabilidade do sistema produtivo

Transformidade

Y (Emergia de Y (Emergia de I+F)I+F)Tr= = Tr= = QQpp (Energia de Y) (Energia de Y)

Razão entre emergia de um produto específico e a energia útil do produto

Razão de rendimento de emergia

Y Emergia Y Emergia EYR= = EYR= = F EconomiaF Economia

Mede a incorporação de energia da natureza ou a emergia líquida.

Razão de investimento de emergia

F F Economia Economia EIR = = EIR = = I I NaturezaNaturezaRazão entre a contribuição da economia (F) e os recursos naturais (I)

Contribuições da natureza: I=R+N

Emergia incorporada: Y = I + F

Recursos renováveis da natureza: R=R1+R2

Retroalimentação da Economia: F

Contribuição não renovável da natureza: N

R

N

Y

F

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2. Montar a Tabela de Avaliação

Emergética

A coluna # 6 É o valor real da riqueza estimado em emdolares. Este valor é obtido dividindo-se a emergia na coluna 5 pela relação de emergia/capital(dinheiro) para o ano selecionado.

A coluna # 5 é a emergia solar. É o produto das colunas 3 e 4.

A coluna # 4 é a Transformidade em emjoules (Joules indexados em energia solar) por unidade (sej/Joule; sej/grama; ou sej/dólar). Estes dado são obtidos de estudos prévios.

A coluna # 3 é a fonte de dados em Joules, gramas, ou dólares, derivados de várias fontes.A coluna # 2 contém os nomes das diversas entradas do sistema.

A coluna # 1 é o número do item, que é também o número da nota de rodapé na tabela onde as fontes de dados são citadas e os cálculos mostrados.

EmergiaSolar

S: Serviços da economia

M: Materiais da economia

N: Recursos da natureza não-renováveis

R: Recursos da natureza renováveis

Emdólar Emergia/ Unidade

Dados, Unidade

Nome da contribuiçãoNota

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Diagrama resumido considerando

renovabilidade parcialMateriais e serviços renováveis

Materiais e serviços não-renováveis

Deposito ou estoque interno (limitado)

Sumidouro de Energia

Fonte de energia externa limitada

Produtor

Consumo interno

R

N

Mn+Sn

I = R+N

Produtos

F = Fr+Fn

Ep = Energia dos produtos

Y = I+F

Emergia total

Transformidade:Tr = Emergia/Energia dos produtos

Mr+Sr

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Transformidade

Y (Emergia de Y (Emergia de I+F)I+F)Tr= = Tr= = QQpp (Energia de (Energia de Y)Y)Razão entre emergia

de um produto específico e a energia útil do produto

Razão de rendimento de

emergia Y Y Emergia Emergia EYR= = EYR= = F F EconomiaEconomia

Mede a incorporação de energia da natureza ou a emergia líquida.

Razão de investimento de

emergia F F Economia Economia EIR = = EIR = = I I NaturezaNaturezaRazão entre a contribuição da economia (F) e os recursos naturais (I)

Contribuições da natureza: I = R + N

Recursos renováveis da natureza: R= R1 + R2

R1 = fluxos diretosR2 = fluxos de estoques

R

Contribuição não renovável da natureza: N

N

Emergia incorporada: Y = I + F Y

FR FN Retroalimentação da Economia: FF = M + SM = MR + MN

S = SR + SN

F = FR + FN

FR = MR + SR

FN = MN + SN

Porcentagem de renovabilidade (%)

%R=100*(R+F%R=100*(R+FRR)/Y)/Y

Mede a sustentabilidade do sistema produtivo

Carga Ambiental

ELR=(R+FELR=(R+FRR)/(N+F)/(N+FNN))

Mede a proporção entre recursos renováveis e não renováveis do sistema produtivo

Intensidade de mão-de-obra

LSR= SLSR= SR R / S/ S

Mede a proporção entre a mão-de-obra local e o total de serviços do sistema produtivo

Mão-de-obra local(produção familiar)

LSR = SLSR = SRL RL / S/ S

Mede a proporção entre a mão-de-obra no total de serviços

Mão-de-obra local: SRL

SR = SRL + SRE

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As aplicações da metodologia

serão mostradas em outras

apresentações.Obrigado!!

!