Transcript Como funciona a natureza? A visão da Metodologia Emergética Análise de 3 opções para produzir biocombustíveis: produtor isolado, grandes monoculturas e SIPAES. SEMEIA 2007 Enrique Ortega,

Como funciona a natureza?
A visão da Metodologia Emergética
Análise de 3 opções para produzir
biocombustíveis: produtor isolado,
grandes monoculturas e SIPAES.
SEMEIA 2007
Enrique Ortega, FEA/Unicamp.
Campinas, SP, 13 de junho de 2007
Exergia
Materiais
disponíveis
Energia
potencial
disponível
feedback
Interação
Energia
concentrada
de maior
qualidade
produção
Trabalho
(exergia com
maior potencial)
Calor (energia degradada)
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.
Energias
complementares
Energias
complementares
Energia de
maior
qualidade
Energia
potencial
disponível
Interação
Qualidade da energia.
Energia de
maior
qualidade
Interação
A energia externa capturada
pelo sistema é transformada
em um novo recurso.
Esse recurso participa de uma
seqüência de etapas de
aproveitamento e conversão
de energia até esgotar o
potencial disponível.
Materiais da
natureza
originais
Exergia de
fonte difusa
contínua
Materiais
reciclados
Ciclagem de
materiais
Materiais com
maior exergia
Interação
energia potencial
repassada a
outros sistemas
Materiais
dispersados
Energia dispersada
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.
Cadeia trófica
Exergia
difusa
Fotossíntese
Resíduos e
decomposição
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.
estoques
consumidores
produtores
fontes
externas
estoques
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.
1 bilhão de
pessoas
Minerais
Energias
fósseis
Recursos
renováveis
usados de
forma
predatória
6 bilhões de pessoas
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.
1 a 3 bilhões
de pessoas
Recursos
AMinerais
população
sustentável
renováveis
usados
de
depende do
estilo
de vida
forma
Energias
(modelo
político)
predatória
fósseis
e das
condições da biosfera
(aquecimento global,
perda de funções sistêmicas,
consciência planetária)
A cadeia trófica se estica ao receber novos fluxos de materiais
porém também se recolhe quando se esgotam esses recursos.
Ecossistemas
naturais
Recursos
renováveis
Recursos não
renováveis
Agroecossistemas
Sistemas
urbanos
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.
Petróleo,
gás
Água atmosférica
oceano
Água e serviços
ambientais
Recursos
energéticos
renováveis
Novos
recursos
Produtos
industriais
derivados do
petróleo
Minerais e
sedimentos
Vulcões e
montanhas
Minerais
solubilizados
Interação
antrópica
com a
biosfera
Infra-estrutura
organização
Biomassa
biodiversidade
Matérias
primas
agrícolas
Ecossistemas e
espaços agro
silvi- pastoris
Serviços sócio-ambientais
Sistemas urbanos
Serviços ambientais e a energia de biocombustíveis
Processamento ecossistêmico de emissões, efluentes e resíduos.
Controle da temperatura local e global,
manutenção da qualidade da atmosfera,
preservação do vigor genético
Biodiversidade
biomassa
Polinização, geração e preservação de
solo agrícola, controle de inundações,
água percolada e filtrada biologicamente
Ecossistemas
naturais
Produtos
rurais
Lazer,
remédios,
cultura
Agroecossistemas
Alimentos, madeira
e outras fibras
Energia de
biocombustíveis
água
Minerais e
petróleo Produtos
industriais
Conhecimento e
controle
Pessoas
nas cidades
Dejetos, emissões, resíduos
Emergia solar
externa: 15,8
Força
gravitacional
do Sol e
da Lua
Emergia total:
50,1
Calor intenso
Quantos Sois
estamos usando?
3,93
Energia
solar
Energia
Energia
solar
Energia
solar
Energia
Energia
solar
Energia
solar
solar
Energia
solar
Energia
solar
solar
3,84
8,06
Energia
interna
da Terra
Materiais
Atmosfera
Calor
intenso
Hidrocarbonetos: 26,1
Nuclear: 2,9
Madeira e solos: 2,8
Minerais: 2,5
Minerais
e outros
estoques
Crosta
terrestre
Oceano
Recursos
não
renováveis
34,3
Civilização
Gases,
Sedimentos
e resíduos
Fluxos expressos em E24 sej/ano
Fluxos de emergia no sistema natureza-sociedade (Brown & Ulgiati, 2004)
Metodologia Emergética:
Cálculo da intensidade energética
dos produtos da biosfera.
Calor
interno
da Terra
Novos
materiais
Estoque
produto 3
Reciclagem
e estoques
Estoque
produto 2
Estoque do
produto 1
Força
gravitacional
da Lua
P1
Energia
radiante
do Sol
P3
P2
Interações
Fluxos de materiais
Definições
Eficiência =
CIT
Produto
____________________________________
Energia total
P3
FGSL
P1
P2
ERS
Energia total
Fator de conversão: quanta Transformidade =
Produto
energia é necessária para
1
produzir um recurso
Transformidade =
Eficiência
_______________________________________
________________________
Transformidade = Energia incorporada / Energia do recurso
formação de espécies
biológicas
sistemas geológicos
globais
conhecimento e
informação da
sociedade
sej / J
1015
1014
1013
1012
1011
1010
9
10
108
107
106
105
10
4
produtos metálicos
produção
agroindustrial
água
chuva
plantas
102
10
produtos eletrônica
produtos químicos
fertilizantes
minerais sedmentares
evaporitos
derivados do petróleo
rochas
energia fóssil
humanos
animais aquaticos
animais terrestres
103
101
conhecimento digitalizado
vento
matéria orgânica simples
Sol
0
energia
básica
plantas
animais
seres
humanos
agrupa
mentos
sociais
processos
geológicos
processos
biológicos
complexos
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
Minerais da
rocha mãe
NPK + outros
Calor
interno da
Terra
Gravidade
lunar
Radiação
solar
Renováveis
SemiRenováveis
Não renováveis
Atmosfera
Recursos de
Recursos de
Recursos de reposição muito
reposição
reposição lenta lenta (espécies)
infinitamente lenta
(florestas)
(energéticos
CO2
Recursos de
fósseis)
N2
reposição rápida
(solo, água)
Informação
ConsumiEcossistemas
dores
Decompositores
Energia degradada
Cálculo da sustentabilidade de um sistema
Temos o problema de insumos diversos!
biodiversidade
produtos
industriais
bens e
serviços
solo
chuva
pessoas
materiais
locais
energia
solar direta
bens
estoques
interações
Devemos colocar todos os fluxos em uma
mesma unidade padrão: emergia solar.
milho
Bens e serviços
Solo agrícola
Produtos industriais
Economia
Ecológica
Utiliza-se o valor
da energia gasta
na produção de
cada insumo
Chuva
Milho
No diagrama os recursos externos
são colocados em ordem de
intensidade e renovabilidade
J3
J2
J4
Tr4
Tr3
Tr2
e2
J5
e3
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
Tr5
e4
e5
Estoques
internos
Q
J1
Energia
solar direta e1
Ecossistema
agrícola
Produtos
EP
Transformidade do recurso produzido
Emergia usada
Tr =
Energia produzida
ei
Ji Tri
=
=
Ep
Ep
Fonte de
energia
energia / área / tempo
Fluxo J2
transformidade
Procedimento para o cálculo da emergia:
Tr 2
Fluxo e2
emergia / energia
emergia / área / tempo
kg
J
$
kg
seJ
seJ
-------- x ------- = --------ha ano
kg
ha ano
J
seJ
seJ
-------- x ------ = --------ha ano
J
ha ano
Processo de interação
USD
seJ
seJ
-------- x ------ = --------ha ano
USD
ha ano
1.
Obtenha o fluxo J2 na suas unidades usuais;
2.
Converta as unidades usuais para o Sistema Internacional (SI);
3.
Multiplique pela transformidade (Tr);
4.
Expresse o fluxo em unidades de emergia (seJ or seJ/ área/tempo).
O objetivo do procedimento usado:
agrupar fluxos conforme sua origem
Recursos
Econômicos
(F)=M+S
N
M
S
Emergia total
R2
estoque
interno
Q
$
(Y)=I+F
$ vendas
R1
Recursos da
Natureza
(I) =R+N
interações
Produto
E = energia
do produto
Índices Emergéticos
M
N
Transformidade
Y
Tr 
E
R
S
F=M+S
Y=I+F
produto
E
I=R+N
Corresponde ao valor inverso da eficiência do
sistema. Varia com o tempo e com os
processos utilizados. É um fator de conversão.
Índices Emergéticos
M S
F=M+S
N
Renovabilidade
emergética
R
I=R+N
R
% R  100 *
Y
Indica a renovabilidade do sistema,
ou seja a sustentabilidade do
empreendimento.
Y=I+F
produto
E
Índices Emergéticos
M S
N
Razão de Rendimento
Emergético
Y FI
EYR  
 1
F
F
R
F=M+S
Y=I+F
produto
E
I=R+N
I
 F 
Mostra a emergia líquida obtida com o investimento
realizado. O valor mínimo é 1. A diferença indica a
energia capturada da natureza.
Índices Emergéticos
M S
F=M+S
N
Razão de Investimento
Emergético
R
I=R+N
F
EIR 
I
Indicador da intensidade de uso de
recursos econômicos para implementar
um sistema agrícola ou agroindustrial.
Y=I+F
produto
E
Índices Emergéticos
M S
F=M+S
N
Razão de Carga
Ambiental
R
I=R+N
FN
ELR 
R
Relação entre a emergia não renovável e a
emergia renovável.
Y=I+F
produto
E
Índices Emergéticos
M S
F=M+S
Y=I+F
N
Razão de Intercâmbio
Emergético
R
produto
E
Vendas
I=R+N
Y
EER 
(kg/ha * ano) * ($/kg) * (sej/$)
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”)
Índices de desempenho emergético
Eficiência:
Tr = Y/Ep
Renovabilidade
%R = 100(R/Y)
M
S
F=M+S
Y=I+F
N
Produto
E
R
Vendas
I=R+N
Energia líquida:
EYR = Y/F
Investimento:
EIR = F/I
Carga ambiental:
ELR = (F+N)/R
Intercâmbio:
EER = Y/[produto*preço*(emergia/USD)]
Modelos de produção de biocombustíveis
Ecossistemas naturais
(serviços ambientais)
Área de produção de
alimentos e biocombustíveis
para o mercado regional
Modelo 1: parcelas ou
lotes individuais
Áreas reduzidas de
ecossistemas naturais e
poucos serviços ambientais
Lotes ou parcelas individuais:
subsistemas de baixa
intensidade com produção
para consumo local e atender
um pouco do mercado regional
Ecossistemas naturais
reduzidos ao mínimo.
Modelo 2: monocultura
Fertilizantes,
Pesticidas,
Herbicidas,
Maquinário,
Combustível
Modelo agrícola do
Agronegócio
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.
Modelo 3: eco-unidade
Sistema integrado:
Bosque nativo,
Agro-floresta,
Parcela individual,
Criação animal,
Produção de biomassa
energética e
Industrialização
Vegetação
nativa
Agrofloresta
Pessoas
Parcela
individual
Pastos, grãos,
arbustos
Cultivos
energéticos
Alimentos
beneficiados
Gado
Beneficiamento Energia de
biomassa
industrial
Aproveitamento
de resíduos
Água, solo,
biodiversidade,
micro-clima
Vegetação
nativa
Diagrama do sistema de produção
agroecológico integrado
Produtos do bosque nativo
Produtos da agrofloresta
Agrofloresta
Consumo interno
Pessoas
Produtos da parcela
Parcela
individual
Reciclagem
Pastos, grãos,
arbustos
Cultivos
energéticos
Gado
Micro-usina de
álcool
Agroindústria
local e regional
Resíduos
beneficiados
Energia
Alimentos
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
Biodiversidade
regional
Bezerros
magros
Água e
minerais
Nitrogênio
atmosférico
Fazenda Jardim,
Mateus Leme, Uréia
MG, Brasil
Formicida
Outros
materiais e Serviços
eletricidade públicos
Água, solo,
biodiversidade,
clima local
Mão-deobra
externa
Produtos e
serviços
ambientais
Vegetação
nativa
Consumo
familiar
Hortaliças
Pessoas
Eco-unidade
Parcela
individual
Sol,
vento,
chuva
Índices:
Eficiência:
Tr = Y/Ep
Emergia líquida:
EYR = Y/F
Investimento:
EIR = F/I
Renovabilidade:
%R = 100(R/Y)
Bezerros
gordos
(carne)
Vinhaça
Pastos, grãos,
arbustos
Eucalipto
Cana-deaçúcar
Gado
Cinzas e
fibra
Micro-destilaria,
agroindústria e
indústria regional
Postes de
madeira de
eucalipto
Etanol (94%)
Esterco
fermentado
Ren
Renováveis
Sol
Chuva
Nitrogênio (atm)
Minerais do solo
Não Renováveis
Perda de solo
Materiais
Formicida
Eletricidade
Uréia
Investimento
Serviços
Mão de obra
Emergia total
Fluxo unidade
1
1
1
1
5,20E+09
6,00E+10
8,60E+01
8,80E+00
J
J
Kg
Kg
0
9,04E+08
J
0
0,5
0
0,3
5,00E-02
3,20E+07
4,38E+02
3,65E+02
kg
J
kg
US$
0,5
4,64E+02
US$
Transfor- Fluxo de Fluxo de
emergia não
midade emergia
renovável renovável
sej
sej
sej/unidade
0
5,33E+15
1,00E+00 5,20E+09
0
3,06E+04 1,84E+15
0
4,05E+13 3,48E+15
0
8,72E+11 7,67E+12
0
1,12E+14
0,00E+00
1,24E+05 0,00E+00
1,12E+14
2,32E+15
4,11E+14
2,48E+13
1,24E+12
0
3,36E+05 5,38E+12
5,38E+12
3,12E+12
1,37E+15
0
3,70E+12 4,05E+14
9,45E+14
8,58E+14
8,58E+14
3,70E+12 8,58E+14
8,58E+14
3,29E+15
6,59E+15
%
Fluxo de
emergia
Total
sej
5,33E+15 53,9
0,0
5,20E+09
1,84E+15 18,6
3,48E+15 35,2
0,1
7,67E+12
1,12E+14
1,1
1,1
1,12E+14
2,73E+15 27,6
0,0
1,24E+12
0,1
1,08E+13
1,37E+15 13,8
1,35E+15 13,7
1,72E+15 17,4
1,72E+15 17,4
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
365
3392
4186
20
2,59E+10
litros/dia
dias/ano
kcal/litro
J/kcal
ha
J/ha/ano
Eucalipto
10000
0,1
3392
4186
1,42E+10
kg/ano/ha
% venda
kcal/kg
J/kcal
J/ha/ano
Carne
0,4
365
80
1797
4186
20
4,39E+09
kg/dia
dias/ano
cabeças
kcal/kg
J/kcal
ha
J/ha/ano
Aspargo
1000
0,2
2200
4186
1,84E+09
kg/ano/ha
% venda
kcal/kg
J/kcal
J/ha/ano
2,59E+10
4,39E+09
6,59E+10
1,42E+10
1,84E+09
1,12E+11
J/ha/ano
J/ha/ano
J/ha/ano
J/ha/ano
J/ha/ano
J/ha/ano
Esterco
6
365
80
1797
4186
20
6,59E+10
kg/dia
dias/ano
cabeças
kcal/kg
J/kcal
ha
J/ha/ano
Produtos
Álcool
Carne
Esterco
Eucalipto
Aspargo
Total
R
N
I
M
S
F
Y
6,59E+15
1,12E+14
6,71E+15
2,32E+15
8,58E+14
3,18E+15
9,88E+15
Tr
Ren
EYR
EIR
ELR
ESI
Y/E
R/Y
Y/F
F/I
(F+N)/R
EYR/ELR
sej/ha/ano
sej/ha/ano
sej/ha/ano
sej/ha/ano
sej/ha/ano
sej/ha/ano
sej/ha/ano
8,81E+04
0,67
3,11
0,47
0,50
6,23
Fotos e resultados
Fazenda Jardim, Mateus Leme, MG, Brasil
Índices Eco-unidade:
Destilaria comum:
Transformidade:
Tr = Y/Ep = 88 000 seJ/J
Transformidade:
Tr = Y/Ep = 59 000 seJ/J
Emergia líquida:
EYR = Y/F = 3.1
Emergia líquida:
EYR = Y/F = 1.72
Investimento:
EIR = F/I = 0.47
Taxa Investimento
EIR = F/I = 1.39
Renovabilidade:
%R = 100(R/Y) = 66%
Renovabilidade:
%R = 100(R/Y) = 26%
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.