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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.

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1 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

2 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

3 Energia potencial disponível Energias complementares Energia de maior qualidade Interação Energias complementares 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.

4 Exergia de fonte difusa contínua Materiais 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

5 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

6 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

7 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 predatória Energias fósseis 1 bilhão de pessoas 6 bilhões de pessoas

8 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 predatória Energias fósseis A população sustentável depende do estilo de vida (modelo político) e das condições da biosfera (aquecimento global, perda de funções sistêmicas, consciência planetária)

9 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

10 oceano Água atmosférica Vulcões e montanhas 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 biodiversidade Minerais solubilizados Interação antrópica com a biosfera

11 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- diversidade biomassa 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 petróleo Produtos industriais água Alimentos, madeira e outras fibras Ecossistemas naturais Agro- ecossistemas Serviços ambientais e a energia de biocombustíveis Energia de biocombustíveis

12 Fluxos de emergia no sistema natureza-sociedade (Brown & Ulgiati, 2004) Oceano Gases, Sedimentos e resíduos Energia solar Atmosfera Crosta terrestre Civilização 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: 26,1 Nuclear: 2,9 Madeira e solos: 2,8 Minerais: 2,5 Recursos não renováveis Emergia total: 50,1 Materiais Minerais e outros estoques Quantos Sois estamos usando? Energia solar

13 Energia radiante do Sol Força gravitacional da Lua Calor interno da Terra P1P1 P2P2 P3P3 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 Reciclagem e estoques Interações

14 Transformidade = Energia total _______________________________________ Produto Produto ____________________________________ Energia total Eficiência = ERS FGSL CIT P1P1 P2P2 P3P3 Transformidade = 1 ________________________ Eficiência Definições Fator de conversão: quanta energia é necessária para produzir um recurso

15 plantas animais seres humanos agrupa mentos sociais processos geológicos processos biológicos complexos energia básica

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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) CO 2 N 2 Renováveis Semi- Renováveis Não renováveis

22 Cálculo da sustentabilidade de um sistema Temos o problema de insumos diversos! Devemos colocar todos os fluxos em uma mesma unidade padrão: emergia solar.

23 Utiliza-se o valor da energia gasta na produção de cada insumo Economia Ecológica

24 No diagrama os recursos externos são colocados em ordem de intensidade e renovabilidade 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

25 Procedimento para o cálculo da emergia: 4.Expresse o fluxo em unidades de emergia (seJ or seJ/ área/tempo). 1.Obtenha o fluxo J 2 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 =

26 O objetivo do procedimento usado: agrupar fluxos conforme sua origem Recursos da Natureza ( I ) = R + N Recursos Econômicos ( F ) = M + S Emergia total ( Y ) = I + F E = energia do produto $ $ vendas M S

27 Índices Emergéticos Corresponde ao valor inverso da eficiência do sistema. Varia com o tempo e com os processos utilizados. É um fator de conversão. Transformidade MSF = M + S N R I = R + N produto Y = I + F E

28 Indica a renovabilidade do sistema, ou seja a sustentabilidade do empreendimento. Renovabilidade emergética MSF = M + S N R I = R + N produto Y = I + F E Índices Emergéticos

29 Mostra a emergia líquida obtida com o investimento realizado. O valor mínimo é 1. A diferença indica a energia capturada da natureza. Razão de Rendimento Emergético MSF = M + S N R I = R + N produto Y = I + F E

30 Índices Emergéticos Indicador da intensidade de uso de recursos econômicos para implementar um sistema agrícola ou agroindustrial. Razão de Investimento Emergético MSF = M + S N R I = R + N produto Y = I + F E

31 Índices Emergéticos Relação entre a emergia não renovável e a emergia renovável. Razão de Carga Ambiental MSF = M + S N R I = R + N produto Y = I + F E

32 Índices Emergéticos 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”) Razão de Intercâmbio Emergético MSF = M + S N R I = R + N produto Y = I + F Vendas E

33 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)] MSF = M + S N R I = R + N Produto Y = I + F E Vendas Eficiência: Tr = Y/Ep

34 Área de produção de alimentos e biocombustíveis para o mercado regional Ecossistemas naturais (serviços ambientais) Modelos de produção de biocombustíveis

35 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

36 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

37 Beneficiamento industrial Sistema integrado: Bosque nativo, Agro-floresta, Parcela individual, Criação animal, Produção de biomassa energética e Industrialização 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

38 Micro-usina de álcool Agroindústria local e regional Diagrama do sistema de produção agroecológico integrado Vegetação nativa Agro- floresta Cultivos energéticos Pastos, grãos, arbustos 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

39 Resultado da busca de sistemas reais parecidos ao modelo de eco-unidade Fazenda Jardim em Mateus Leme, Minas Gerais (perto de Belo Horizonte). Em 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

40 Micro-destilaria, agroindústria e indústria regional Vegetação nativa Eucalipto Cana-de- açúcar Pastos, grãos, arbustos Gado Parcela individual Pessoas Etanol (94%) Esterco fermentado Produtos e serviços ambientais Água, solo, biodiversidade, clima local Hortaliças Consumo familiar Vinhaça Bezerros 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 S erviços públicos Mão-de- obra externa Eco-unidade Uréia Biodiversidade 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

41 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

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43 Fazenda Jardim, Mateus Leme, MG, Brasil Transformidade: Tr = Y/Ep = 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 = seJ/J

44 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.


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