Modulo #1. Parte 3 (42) Análise Emergética dos Sistemas Enrique Ortega e Fábio Takahashi

Modulo #1.Parte 3 (42)

Análise Emergética dos Sistemas

Enrique Ortega e Fábio Takahashi

A análise “emergética” de sistemas

A análise “emergética” visa ser uma Economia Biofísica com visão crítica e política. Capaz de analisar, comparar, diagnosticar, formular e atuar.

É o fruto de muitos anos de pesquisa liderada pelo professor Howard T. Odum. Hoje, ela é usada por cientistas de diversas áreas, no mundo inteiro.

Objetivos:A análise emergética consegue avaliar a renovabilidade, a emergia líquida, a carga ambiental e a relação de troca entre sistemas.

Os índices emergéticos permitem analisar as opções da sociedade e apontar as melhores.

“Emergia” como conceito de valorA emergia considerar a contribuição da natureza, o trabalho humano e os custos adicionais das externalidades negativas.

REnergias e materiais

renováveis

Força de trabalho

Fotossíntese

$

Vendas dos Produtos

Cobrança: poluição de efluentes, resíduos, emissões de gases de efeito estufa, etc.

Processamentos

FMateriais e serviços da economia humana

“Emergia” como conceito de valorA emergia considerar a contribuição da natureza, o trabalho humano e os custos adicionais das externalidades negativas.

Bio-diversidade,

recursos internos e cultura


renováveis

Recursos da Biosfera

Força de trabalho

Fotossíntese

$

Solo

R1 = Recursos renováveis diretos

Êxodo rural

Ocupação externa

Serviços ambientais

Perda dos estoques (erosão)ProdutosPoluição, resíduos, emissões de gases de efeito estufa, etc.

N = Perda do estoque

(Externalidades negativas)

R2= Recursos renováveis indiretos F= Feedback da economia humana urbana

Processamentos

FMateriais e serviços da economia humana

“Emergia” = (R+N) + (M+S + S adicionais)

Bio-diversidade,

recursos internos e cultura


renováveis

Recursos da Biosfera(dados difíceis

de obter)

Força de trabalho

Fotossíntese

M materiais da economia industrial

(baseada no petróleo)

$

S serviços da

economia humana (baseada no

petróleo)

Solo

R1 = Recursos renováveis diretos

Êxodo rural

Ocupação externa

Serviços ambientaisPerda de estoques (erosão)ProdutosPoluição, resíduos, emissões de gases de efeito estufa, etc.

N = Perda do estoque

(Externalidades negativas)

R2= Recursos renováveis indiretos

M= Materiais S= Serviços

F= M+S Feedback da economia humana urbana

Processamentos

E, quando os recursos naturais se esgotam (e a demanda se mantém), o preço aumenta e acelera a extração dos recursos remanescentes colocando em risco sua preservação.

A tendência da economia é mobilizar tão rápido quanto possível os estoques de alta qualidade. No caso dos recursos naturais se apresentam dois casos extremos: o da abundância e o da escassez.

Quando os recursos são abundantes o trabalho da natureza é considerado gratuito! Nesse caso, o valor dos recursos naturais é inversamente proporcional ao preço. O valor monetário recebido é menor que o valor real (o trabalho da natureza).

Como a disponibilidade dos recursos varia com o tempo, as políticas devem mudar a cada etapa dos ciclos de evolução.

Para garantir o aporte de recursos da natureza deve-se reconhecer seu trabalho e investir para que possa seguir oferecendo os serviços ambientais, entre eles:

A absorção dos resíduos, A infiltração da água da chuva, A fixação biológica de nitrogênio, A mobilização de nutrientes do solo agrícola A manutenção da qualidade do clima.

O trabalho da natureza deve ser valorizado e o dinheiro relativo à sua contribuição deve ser usado para garantir a sustentabilidade e governança do sistema, cuidando da reposição do foi extraído e de manter a fertilidade e qualidade do ecossistema.

Sol, calor interno,

marés

Combustíveis e minerais

Cidades Agricultura, pecuária, aqüicultura, silvicultura

Extração, beneficiamento e transformação

Biodiversidade

Energia degradada

Economia da Terra

Natureza

Informação pública

$

$

$

$

$

1.Prepara-se o diagrama de fluxos de energia, materiais e serviços do sistema;

2.Obtenção dos valores dos fluxos das entradas e dos estoques utilizados;

Cálculo do desempenho emergético de um sistema

3.Conversão desses valores em fluxos de emergia solar (mediante a multiplicação com fatores de conversão de energia ou “transformidades”);

4.Ao ter todos os fluxos expressos na mesma unidade (emergia solar) surge a possibilidade de agregar os fluxos conforme seu tipo e calcular os índices de desempenho.

Exemplo simples de cálculo:

Os fluxos desses materiais estão expressos em diversas unidades: kg de madeira/lápis, kg de tinta/lápis, kg de grafite/lápis, $ de serviços/lápis.

Para calcular a energia agregada na produção de um lápis devemos considerar a madeira, a tinta, o grafite, a mão de obra e os serviços utilizados na sua produção.

Para fazer a conversão para os fluxos equivalentes expressos em Joules de energia solar devemos usar os fatores de conversão: as transformidades solares.

Elas expressam essas relações em termos de Joules equivalentes de energia solar (sej) por unidade de recurso (J, kg, $).

Temos que conseguir as transformidades da madeira, da tinta, do grafite, do trabalho humano, e dos serviços em termos de sej/J,sej/kg, sej/$.

Depois de obter os valores dos fluxos de emergia, é possível somar os fluxos (pois todos eles estão na mesma unidade: emergia solar equivalente).

Os valores em emergia representam os verdadeiros valores dos recursos.

Assim podemos obter o valor da energia necessária para produzir o lápis, ou, de acordo com a metodologia empregada, a "emergia" do lápis, expressa em Joules de energia solar equivalente (seJ/lápis) ou emdolares/lápis.

Para entender um sistema deve fazer-se a análise de ciclo de vida (desde as origens das matérias primas até o consumo dos produtos).

Vento

Chuva

SolPlantação

Solo e água

Biomassa

$

Pessoas na cidade

$

Resíduos

Sistema Rural

Sistema urbano

Produtos agrícolas

Reciclagem de nutrientes, Insumos e Serviços Urbanos

Floresta nativa

Biodiversidade

NPK insolúvel no solo

N atm

Pessoas e IE*

IE

Nutrientes

Estoques: calotas polares, glaciares, geleiras, permafrost, recifes, etc.


Serviços biosféricos:

* IE = infra-estrutura

Produtos industriaisMinerais

Pessoas na cidade

$

Resíduos

IE

manutenção da temperatura, da umidade, das composições da atmosfera, dos oceanos e da superfície terrestre.

Sistema urbano

Esto-ques

Combus-tíveis Serviços

urbanos

Estoques críticos da biosfera

periférico central

Vento

Chuva

SolPlantação

Solo e água

Biomassa

$

Pessoas na cidade

$

Resíduos

Sistema Rural

Sistema Urbano

Produtos agrícolas

Reciclagem de nutrientes, Insumos e Serviços Urbanos

Floresta nativa

Biodiver-sidade

NPK insolúvel no solo

N atm

Pessoas e IE*

IE

Nutrientes

Ecossistemas globais preservados

Estoques

Estoques: calotas polares, glaciares, geleiras, permafrost, recifes, etc.


Serviços biosféricos:

* IE = infra-estrutura

Sol

Materiais da

natureza

Fotossíntese

Biomassa vegetal

Decom-positores

Sedi-mento

Reações

Biomassa sepultada

Hidro-carbonetos

Petróleo, gás, carvão

Extração e transporte

Estoques

Refinação

Produção primária de

petróleoIndústria

petroquímica

Produtos petro-

químicosIndustrias diversas

Produtos industriais

Minerais Extração

Pessoas na cidade

$

Resíduos

IE

Reações Reações

manutenção da temperatura, da umidade, das composições

da atmosfera, dos oceanos e da superfície terrestre.

Sistema Urbano

Esto-ques

CO2Calor

Redução da dissipaçãoa atmosfera

Aquecimento global

Análise de ciclo de vida (desde as matérias primas do lápis até o consumo do produto).

Emergia de um lapis:

0,006 kg de madeira/lápis = 3 x 1011 sej = 0,01 emdolares

=

0,001 kg de tinta/lápis = 1 x 1011 sej = 0,006 emdolares

0,005 kg de grafite/lápis = 2 x 1011 sej = 0,02 emdolares

0,02 $ de serviços/lápis = 6 x 1011 sej = 0,026 emdolares

++ +

= 12 x 1011 sej = 0,042 emdolares

Diagrama simplificado de fluxos agregados

Recursos renováveis da natureza: RRecursos não renováveis da natureza: NContribuição da natureza: I = R + N

Materiais comprados: MServiços comprados: SFeedback da economia: F = M + S

Cálculo dos fluxos de Emergia das Entradas, Perdas e da Energia dos Produtos

Emergia usada: Y = I + FEnergia produzida: Ep = energia dos produtos

Renováveis da natureza: R = Σ (Jei * Tri)Naturais não renováveis: N = Σ (Jei * Tri)

Contribuição da natureza: I = R + N

Materiais comprados: MR = Σ (Jei*Tri) (Reni) MN = Σ (Jei*Tri) (1-Reni)Serviços comprados: SR = Σ ($i*(Em/$)) (Reni) SN = Σ ($i*(Em/$)) (1-Reni)

Feedback da economia: F = (MR+MN)+(SR +SN)

Índices de desempenho emergético

Taxa de intercâmbio emergético: EER = [Y] / {(produto)*(preço de venda) * (emergia/USD)}

Transformidade: Tr = Y/E: Renovabilidade: %Ren = 100 (R/Y) Taxa de benefício custo ambiental: BCR = R/F

Taxa de rendimento emergético: EYR = Y/F Taxa de intensidade emergética: EIR= F/I: Taxa de carga ambiental: ELR = (N+F)/R Índice de Sustentabilidade Emergético: ESI = EYR/ELR

A transformidade (“transformity”) é o valor inverso da eficiência ecossistêmica. Avalia a intensidade da energia produzida. É obtida dividindo a emergia total (Y) entre a energia (ou a massa) do recurso produzido (E). Costuma-se considerar apenas o produto principal, porém a tendência é considerar a soma das energias de todos os produtos.

Indicadores de desempenho emergético

Transformidade: Tr = Y/E

Uma idéia interessante é usar duas transformidades complementárias para denotar a parte renovável e a não renovável:

Tr = (YR/E) + (YN/E)

Pode-se calcular a renovabilidade dividindo a emergia dos recursos renováveis (R) entre a emergia total usada no sistema (Y). É uma medida da sustentabilidade.

%Ren = (R / Y)*100.

Subsídio de sustentabilidade.

Porcentagem de renovabilidade:

Como a renovabilidade dos países industriais é baixa e dos países subdesenvolvidos é alta, no intercâmbio internacional há uma transferência da riqueza ambiental da periferia aos países centrais.

No decorrer de um século a renovabilidade da biosfera que era de 95 caiu a 28% e nos países industriais a renovabilidade caiu mais (5-10%) (Brown, 1998).

Ren = (R + MR + SR) / Y

Este índice pode ser aprimorado, se considerarmos que os materiais e os serviços da economia são em parte renováveis:

Para conhecer o benefício líquido, calcula-se a razão de rendimento emergético (“emergy yield ratio” ou “net emergy ratio”) dividindo a emergia total pela emergia das entradas da economia (F).

EYR = Y/FTaxa emergética de rendimento líquido:

EYR = (I + F) / F = ((R+N) + (M+S)) / F

Indica se o processo pode competir com outros no fornecimento de energia primária para a economia (o conjunto de consumidores).

Este indicador pode ser aprimorado:

Os recursos energéticos fósseis, dependendo da concentração, localização, preço e situação política fornecem 3 a 15 vezes mais emergia (valor alto de N) que a investida na extração e processamento. Porém a tendência é a queda no valor do EYR do petróleo, pois valor de F está aumentando.

Os produtos florestais rendem entre 2 e 10 vezes o investimento feito.

Os produtos agrícolas obtidos com insumos agro-químicos apresentam valores pequenos (entre 1,1 e 2). Os produtos agro-ecológicos apresentam valores maiores.

Quando o valor de EYR é próximo da unidade, não há emergia líquida, pois a captura da energia da natureza (I/F) é mínima:

EYR = Y/F = (R+N+F)/F = 1.0+[(R+N)/F] EYR = 1.0 + (I/F)

Pode-se aprimorar separando o saldo renovável e o saldo não renovável:

EYR = (I+F)/F = ((R+FR)/F)+((N+FN)/F) EYR = EYRR+EYRN

Em certa forma mede a viabilidade econômica. Quando a contribuição da fonte ambiental é alta e os custos de produção são baixos.

Para sobreviver, os países industriais com produtos de EIR alto taxam as importações de países da periferia que usam mais recursos naturais (EIR menor).

Taxa emergética de investimento:

Esse índice mede a proporção entre os recursos da economia com custo monetário (F) e a emergia da natureza gratuita (I).

EIR = F/I

A taxa de carga ambiental (“emergy loading ratio”) mede a proporção entre recursos não renováveis e os renováveis.

ELR = (N+F)/R

ELR= (renováveis)/(não renováveis) = (N+MN+SN)/(R+MR+SR)

Taxa de carga ambiental:

Este indicador pode ser aprimorado:

Os processos ecológicos apresentam um valor baixo, já os processos que usam intensamente os recursos não renováveis possuem valores altos.

A razão de intercâmbio de emergia (“emergy exchange ratio”) é a proporção entre a emergia cedida e a emergia recebida na transação.

Taxa de intercâmbio emergético:

As matérias-primas (minerais, produtos agrícolas, pesqueiros e da silvicultura), apresentam valores altos de EER. O dinheiro recebido somente paga parte dos serviços humanos e não retribui o trabalho da natureza.

EER = Y / Σ [(produção anual*preço)*(emergia/USD)]

Para o consumidor quanto maior o valor melhor.

Este índice permite avaliar o intercâmbio internacional.

Ao comprar matérias-primas de países menos desenvolvidos as nações industriais transferem um saldo de emergia, pois a emergia dos recursos monetários recebidos é muito menor que a contida nas matérias-primas vendidas.

Hoje há uma grande falta de equidade no intercâmbio da riqueza real no comércio internacional.

Tendências dos índices ao mudar o modelo global

Tendência ao aumento:N/F, ELR, EIR, Tr, EER

Tendência a diminuição:Ren, R/F

Individualismo, competiçãocapitalismo & exclusão

Fim do Petróleo = CO2 Redução de

Bilhões de barris por ano

Devem decrescer:N/F, ELR, EIR, Tr, EER

Esforços sociais e ecológicos para

Aumento: Ren, R/F

Soluções comunitárias

2000

As reflexões de H.T Odum e E.C. Odum sobre o futuro (após a era do crescimento) podem ser lidas no livro: “Prosperous Way Down”, publicado em 2001

Unicamp

Maçã EmDollar: 3.05 E12 sej/US$

Sustentabilidade Proporção dos recursos utilizados

Recursos renováveis 30.5%

Recursos não renováveis da natureza 1.6%

Recursos não renováveis da economia urbana 67.9%

Obs. Item Fração

renovávelQuantidade Unidade

Fator de conversão

Transformidade

dos fluxos (sej/unidade)

Emergia renovável

E12 sej/ha/ano

Emergia não renovável

E12 sej/ha/yr

Emergia total E12 sej/ha/ano

R1 Sol 1.0 31000000000 J/ha/ano 1 1 0.031 0.000 0.031

R2 Vento 1.0 31600000 J/ha/ano 1 2450 0.077 0.000 0.077

R3 Chuva 1.0 63300000000 J/ha/ano 1 31000 1962.300 0.000 1962.300

R4 Água de Córrego 1.0 47200000 J/ha/ano 1 176000 8.307 0.000 8.307

R5Fósforo atmosférico

1.0 4.53 kg/ha/ano 12200000000000

099.660 0.000 99.660

R6Nitrogênio atmosférico

1.0 3.4 kg/ha/ano 12410000000000

081.940 0.000 81.940

N1 Perda do solo 0 904000000 J/ha/ano 1 124000 0.000 112.096 112.096

M1Combustível Fóssil

0.01 445047148 J/ha/ano 1 110000 0.490 48.466 48.955

M2 Eletricidade 0.05 815000000 J/ha/ano 1 269000 10.962 208.273 219.235

M3Cálcio Queletizado

0.01 0.765 kg/ha/ano 1 380000000000 0.003 0.288 0.291

M4Sulfato de Magnésio

0.01 8.15 kg/ha/ano 1 380000000000 0.031 3.066 3.097

M5 Calcário 0.01 226.42 kg/ha/ano 1 1000000000000 2.264 224.156 226.420

Exemplo de cálculo

M6 Sementes 0.01 2.11 kg/ha/ano 1 1480000000000 0.031 3.092 3.123

M7 Concreto 0.01 90 kg/ha/ano 1 1540000000000 1.386 137.214 138.600

M8 Potássio 0.01 45.28 kg/ha/ano 1 1740000000000 0.788 77.999 78.787

M9 Aço 0.01 19.2 kg/ha/ano 1 2200000000000 0.422 41.818 42.240

M10 Mudas Frutíferas 0.01 36.8 US$/ha/ano 1 3110000000000 1.144 113.304 114.448

M11 Hormônios 0.01 52.7 US$/ha/ano 1 3110000000000 1.639 162.258 163.897

M12 Sulfato de Cobre 0.01 0.86 kg/ha/ano 1 6380000000000 0.055 5.432 5.487

M13 Fósforo 0.01 45.28 kg/ha/ano 1 22000000000000 9.962 986.198 996.160

M14 Nitrogênio 0.01 33.96 kg/ha/ano 1 24100000000000 8.184 810.252 818.436

M15 Fungicida 0.01 17.92 kg/ha/ano 1 24900000000000 4.462 441.746 446.208

M16 Herbicida 0.01 2.51 kg/ha/ano 1 24900000000000 0.625 61.874 62.499

M17 Inseticida 0.01 1.584 kg/ha/ano 1 24900000000000 0.394 39.047 39.442

S1 Mão de Obra 0.6 75700000 J/ha/ano 1 2800000 127.176 84.784 211.960

S2 Impostos 0.05 66.9 US$/ha/ano 1 3110000000000 10.403 197.656 208.059

S3 Externalidades 0 360 US$/ha/ano 1 3110000000000 0.000 1119.600 1119.600

Produto valor Valor calórico

Maçã

Massa 7188.68 kg/ha/ano

Umidade 84.3 %

Proteína 25 % 24000000 J/kg

Lipídios 25 % 39000000 J/kg

Carboidratos 7 % 17000000 J/kg

Preço 0.3 US$/kg


Nectarina


Umidade 87.6 %

Proteína 8.5 % 24000000 J/kg

Lipídios 2.6 % 39000000 J/kg


Preço 0.4 US$/kg


Cebola


Umidade 88.9 %

Proteína 15.3 % 24000000 J/kg

Lipídios 0.9 % 39000000 J/kg

Carboidratos 80.2 % 17000000 J/kg

Preço 0.37 US$/kg


Pêssego


Umidade 87.87 %

Proteína 8.2 % 24000000 J/kg

Lipídios 2.2 % 39000000 J/kg


Preço 0.43 US$/kg


Ameixa


Umidade 87.23 %

Proteína 5.5 % 24000000 J/kg

Lipídios 2.2 % 39000000 J/kg


Preço 0.8 US$/kg


Goiaba


Umidade 80.8 %

Proteína 13.3 % 24000000 J/kg

Lipídios 4.9 % 39000000 J/kg


Preço 1.25 US$/kg


Milho


Umidade 75.96 %

Proteína 13.4 % 24000000 J/kg

Lipídios 4.9 % 39000000 J/kg


Preço 0.15 US$/kg


Feijão


Umidade 14 %

Proteína 23.3 % 24000000 J/kg

Lipídios 1.5 % 39000000 J/kg


Preço 0.33 US$/kg


Pipoca


Umidade 35 %




Preço 0.6 US$/kg


Mandioca


Umidade 61.8 %

Proteína 2.9 % 24000000 J/kg

Lipídios 0.8 % 39000000 J/kg


Preço 0.05 US$/kg


Batata


Umidade 82.9 %

Proteína 10.5 % 24000000 J/kg



Preço 0.37 US$/kg


Batata doce


Umidade 69.5 %

Proteína 4.3 % 24000000 J/kg

Lipídios 0.3 % 39000000 J/kg


Preço 0.4 US$/kg


Amendoim


Umidade 6.4 %

Proteína 25.9 % 24000000 J/kg

Lipídios 46.9 % 39000000 J/kg


Preço 1 US$/kg


Abóbora


Umidade 95.7 %




Preço 0.2 US$/kg


Pepino


Umidade 96.8 %

Proteína 28.1 % 24000000 J/kg



Preço 0.34 US$/kg

Classificação das entradas Equação Fluxos agregados x E13 sej/ha/ano

Recursos renováveis da natureza R = Soma (Renováveis) 196.24

Recursos não renováveis da natureza N = Soma (Não renováveis) 11.21

I = R + N 207.45

Materiais da Economia M = Soma (Materiais) 336.45

Serviços da Economia S =Soma (Serviços) 140.20

F = M + S 494.69

Emergy usada Y = I + F 702.14

Sistema geral Valores Unidades

Área 26.5 ha

Massa seca total 1354.68 kg/ha/ano

Energia do produto 2.08 E10 J/ha/ano

Vendas 66225.83 US$/ano

Emergia recebida na venda 7.62 E13 sej/ha/yr

Valor real do produto 2302.11 em-US$/ha/yr

Índices de desempenho emergético

Equação ValorComentário

Transformidade (sej/J) Tr=Y/E=Emergia/Energia 337417 Bom

Transformidade (sej/kg) Tr=Y/M=Emergia/Massa seca 5.18 E12 -

Renovabilidade Ren=(100)*((R+Mr+Sr)/Y) 30.52% Baixa

Taxa de rendimento EYR=Y/(Mn + Sn) 1.47 Razoável

Taxa de investimento EIR=(Mn+Sn)/(R + Mr +Sr +N) 2.22 Razoável

Taxa de intercâmbio EER=Y/(Emergia recebida nas vendas) 0.92 Quase bom

Taxa de carga ambiental ELR=(N+Mn+Sn)/(R+Mr+Sr) 2.28 Exige cuidados

A renovabilidade é baixa (30%) em comparação a sistemas agro-florestais e agrosilvopastoris que valores entre 60 e 95%. Os valores de taxa de rendimento e de investimento são razoáveis. O produtor vende seus produtos a bom preço e quase atinge a igualdade entre a emergia do produto vendido e a emergia do dinheiro recebido.

Deve começar a se preocupar com os insumos que usa, pois são do tipo não renovável (derivados do petróleo).

Hoje usamos o computador para facilitar nossa vida. É possível fazer compras, acessar a conta bancária, consultar informações, etc.

Software para a avaliação emergética

Na página web do Laboratório de Engenharia Ecológica se explicações sobre a metodologia emergética, acesse: www.unicamp.br/fea/ortega.

http://www.unicamp.br/fea/ortega

Nessa página web pode acessar um sistema de avaliação emergética on-line de sistemas agrícolas.

Ao acessar o sistema, se abre uma página com explicações. Depois de ler elas, clique no link como indicado na figura.

Você será redirecionado para a página do sistema, onde poderá se cadastrar e começar sua análise.

Você poderá usar tabelas de modelos já estudados ou usar uma tabela geral (útil para qualquer sistema).

Pode usar ela para criar uma nova análise. Preencha as caixas de texto com os valores dos insumos utilizados no seu sistema.

Após o usuário colocar os dados o programa mostra uma nova página web com um gráfico que da as porcentagens de recursos renováveis e não renováveis utilizados e uma tabela com os indicadores emergéticos.

Desta forma podemos obter os índices emergéticos de uma forma fácil e rápida.

Qualquer pessoa pode acessar o sistema, modificar os valores existentes e verificar como a sustentabilidade é modificada com o aumento ou diminuição do uso de um insumo.

Acesse já e veja como é fácil!

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