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

Cálculo dos fluxos de emergia Diagnostico emergético Metodologia Emergética Linguagem dos Símbolos Energéticos: fontes de energia, estoques de materiais, fluxos, processos, produtos, resíduos, energia dispersada, retro-alimentação, reciclagem. Teoria Geral de Sistemas Funções ecossistêmicas Termodinâmica de sistemas abertos Diagramas de sistemas Cálculo dos fluxos de emergia Melhor percepção do mundo: Ações mais coerentes Diagnostico emergético Modelagem e simulação

Símbolos com conexões Fonte de energia externa ilimitada Fluxo de Energia Fonte de energia limitada Sumidouro de Energia Sistema ou subsistema Estoque interno Produtor preço Transação Interruptor Interação Consumidor

Tela pronta para fazer seu diagrama (fundo branco) Fonte de energia externa ilimitada Fluxos de Energia Fonte de energia externa limitada Sistema ou subsistema Também deposito ou estoque interno (limitado) Produtor Sumidouro de Energia Consumidor preço Transação Interação Interruptor Tela pronta para fazer seu diagrama (fundo branco)

Símbolos prontos para usar, em fundo escuro. Fonte de energia externa ilimitada Fluxos de Energia Sistema ou subsistema Fonte de energia externa limitada Deposito ou estoque interno (limitado) Sumidouro de Energia Consumidor Produtor preço Transação Interruptor Interação Símbolos prontos para usar, em fundo escuro.

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

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 de Energia Potencial Saída de uma ou várias energias de maior qualidade (trabalho do sistema) Energia = Trabalho + Calor Energia dispersada Energia potencial = Energia de maior qualidade + Energia dispersada

Significado dos símbolos da Análise Emergética Produtor: Unidade auto-catalítica que coleta e transforma energia de baixa qualidade (intensidade) sob a ação de fluxo de energia de alta qualidade. 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.

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.

Cadeia de vários estágios de consumidores Produtores Nutrientes Cadeia de vários estágios de consumidores Fontes renováveis externas Resíduos Energia dispersada Aproveitamento da energia disponível em uma área

Consumidores de biomassa Fontes externas Nutrientes Consumidores de biomassa 1 000 000 J 1 000 J 100 J 10 J 1 J 0 J Produtores de biomassa Resíduos Energia dispersada Decompositores Energia disponível na área 1 000 000 Joules de energia solar (sej) Energia incorporada/Energia de cada etapa 1000 000 sej/J 100 000 sej/J 10 000 sej/J 1 000 sej/J Transformidade 100 J 10 J 1 J 1 000 J Energia disponível em cada etapa

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. Sol 10 000 000 J/t EMERGIA Solar = 1 E7 Joules de energia solar equivalente / Tempo 10 000 1 000 100 1 0.1 E4 0.1 E3 0.1 E2 0. 1 E1 10 Tr=1000 Tr=1 E4 Tr=1 E5 Tr=1 E6 Tr=1 E7 9 999 000 9 000 900 90 9 0.1 E0

Princípio da máxima empotência 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 em função da emergia disponível. Sol Energia fóssil Sol Capacidade de suporte temporariamente alta em base a recursos fósseis Capacidade renovável

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.

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. Q Quantidade em estoque longe do equilíbrio Desenho auto-catalítico. O crescimento é exponencial se F é constante e ilimitada k3.F.Q dQ/dt = k1.F.Q - k3.F.Q - k2.Q Retro-alimentação Fonte F Produção Depreciação k2.Q k1.F.Q Processo de transformação da energia Materiais liberados k4.Q k5.F.Q Taxa de incremento da entropia ambiental Se com dissipação da energia T = Temperatura em graus Kelvin Energia degradada dSe/dt = (k4.Q + k5.F.Q) / T

Princípio da máxima empotência A 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. Sol 6E9 J/t EMERGIA Solar = 6E9 Emjoules Solares Tempo 6E7 6E6 6E5 6E4 0.6E7 0.6E6 0.6E5 0.6E4 Agregação:

Diagrama resumido F R2 N R1 E1 E2 E3 N = fontes não- renováveis da natureza R2 = recursos renováveis da biosfera e da região F= materiais e serviços comprados da economia (em geral não-renováveis) F R2 N Compras R1 = recursos renováveis diretos Erosão bens humanos Controle Infra- estrutura Produtos Vendidos Subsídios E1 R1 Perdas (sem taxar) Externalidades E2 Fotosíntesse Albedo Serviços ambientais (sem subsídio) E3 Unidade de produção Diagrama resumido Energia degradada

N Contribuição não renovável da natureza: N FR FN Retroalimentação da Economia: F F = M + S M = MR + MN S = SR + SN F = FR + FN FR = MR + SR FN = MN + SN Recursos renováveis da natureza: R= R1 + R2 R1 = fluxos diretos R2 = fluxos de estoques R Emergia incorporada: Y = I + F Y Transformidade Y (Emergia de I+F) Tr= = Qp (Energia de Y) Razão entre emergia de um produto específico e a energia útil do produto Razão de rendimento de emergia Y Emergia EYR= = F Economia Mede a incorporação de energia da natureza ou a emergia líquida. Carga Ambiental ELR=(R+FR)/(N+FN) Mede a proporção entre recursos renováveis e não renováveis do sistema produtivo Porcentagem de renovabilidade (%) %R=100*(R+FR)/Y Mede a sustentabilidade do sistema produtivo Intensidade de mão-de-obra LSR= SR / 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 = SRL / S Mede a proporção entre a mão-de-obra no total de serviços Razão de investimento de emergia F Economia EIR = = I Natureza Razão entre a contribuição da economia (F) e os recursos naturais (I) O seguinte passo é calcular os índices emergéticos que estão relacionados com os recursos naturais renováveis e não-renováveis e com os fluxos da economia. Contribuições da natureza: I = R + N Mão-de-obra local: SRL SR = SRL + SRE

Significado dos símbolos da Análise Emergética 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). 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.

Significado dos símbolos da Análise Emergética sensores on off Interruptor: um controlador que permite que ocorra um fluxo ou um processo a partir de uma combinação de sinais obtidas por sensores. preço 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.

Fluxos de energia e materiais em um sistema Deposito externo Fonte de energia externa Materiais reciclados Deposito interno Consumidor Fonte de energia externa Interação Produtor Sumidouro de Energia

Fluxos de energia na biosfera A Terra, após longa evolução, desenvolveu inúmeros estoques: solos férteis, água limpa, ar limpo, bom clima, sistemas ecológicos saudáveis e beleza estética Estoques externos Materiais Organização Q Consumi- dores R Q Energia externa P Produtores Biomassa vegetal Recursos diversos Biosfera Energia dispersada

A floresta: relações plantas-solo Estoques externos Bombeamento de materiais Açúcar para a micro-biota Matéria orgânica para a macro-biota Solubilização de minerais Maior porosidade no solo Interações Absorção de gases Maior umidade do solo P Q Fixação de nitrogênio Energia externa Amortece golpe da chuva Produtores Efeito esponja de água Energia dispersada

Produtos e serviços ambientais A floresta Produtos e serviços ambientais P Q Energia externa Energia dispersada Estoques externos Produtores Diminui a temperatura Facilita a precipitação e estabiliza o regime de chuvas Gera solo fértil e infiltra água limpa Biomassa Biodiversidade Impede desabamentos Maior absorção solar e maior produtividade Absorve CO2 e gera ar oxigenado Beleza e plenitude Resilência: permite recuperar o ecossistema

Há energia disponível em tudo aquilo que é reconhecido um ente da terra e do universo, inclusive a informação. A energia pode ser utilizada para avaliar a riqueza real em uma base comum. Emergia 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).

Metodologia Emergia dos produtos Energia dos produtos Energias que entram Energia dos produtos Emergias que entram Clique para adicionar texto Emergia dos produtos Energia degradada

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)

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).

Análise Emergética 1. Levantamento da história dos locais de estudo 2. Elaboração do Diagrama 3. Montar a Tabela de Avaliação Emergética 4. Calcular os Índices Emergéticos 5. Interpretação dos Resultados

1. Elaboração do Diagrama Nitrogênio da Atmosfera Nutrientes Rocha Subsolo Biodiversidade Regional Materiais e Serviços Taxas Família Benefi- ciamento Reserva Florestal Plantação Serviços ambientais Multas Chuva Vento Sol Serviços ambientais locais $ Preço Taxas Produtos Perdas: solo, nutrientes, Pessoas, Insumos.

Sol, vento, chuva, marés, ondas, soerguimento geológico Avaliação Emergética Procedimentos para uma avaliação emergética de um sistema. Minerais (N) Emergia não renovável Reservas semi- renováveis Soma dos Insumos de Emergia Solar Economia Moderna Outros Processos Naturais Emergia acumulada nos ecossistemas: solo, água, madeira, etc. Energia do Sol, da Lua e do núcleo interno da Terra emjoule: Joule de energia disponível (de um certo tipo de energia) previamente usada para fazer um produto ou serviço. Se usar-mos como energia de referência a energia solar, temos o emjoule solar ou sej Emergia direta Sistema Agrícola Energia Produzida Sol, vento, chuva, marés, ondas, soerguimento geológico Dispersão de Energia Potencial Emergia solar dos insumos (sej/ha/ano ) Transformidade Solar ( sej /J ) = Energia produzida (J/ha/ano )

Diagrama resumido F R2 N R1 E1 E2 E3 N = fontes não- renováveis da natureza R2 = recursos renováveis da biosfera e da região F= materiais e serviços comprados da economia (em geral não-renováveis) F R2 N Compras R1 = recursos renováveis diretos Erosão bens humanos Controle Infra- estrutura R1 Produtos vendidos E1 Perdas e desperdício (sem taxar) E2 Fotosíntesse Albedo Serviços ambientais (sem subsídio) E3 Unidade de produção Diagrama resumido Energia degradada

Diagrama resumido tradicional Materiais Serviços Deposito ou estoque interno (limitado) M S F = M+S N Consumo interno Y = I+F Emergia total I = R+N Produtos R Produtor Ep = Energia dos produtos Fonte de energia externa limitada Transformidade: Tr = Emergia/Energia dos produtos Sumidouro de Energia

%R=100(R/Y) Contribuição não renovável da natureza: N R N Y F Retroalimentação da Economia: F Emergia incorporada: Y = I + F Recursos renováveis da natureza: R=R1+R2 Porcentagem de renovabilidade (%) %R=100(R/Y) Mede a sustentabilidade do sistema produtivo Transformidade Y (Emergia de I+F) Tr= = Qp (Energia de Y) Razão entre emergia de um produto específico e a energia útil do produto Razão de investimento de emergia F Economia EIR = = I Natureza Razão entre a contribuição da economia (F) e os recursos naturais (I) Razão de rendimento de emergia Y Emergia EYR= = F Economia Mede a incorporação de energia da natureza ou a emergia líquida. O seguinte passo é calcular os índices emergéticos que estão relacionados com os recursos naturais renováveis e não-renováveis e com os fluxos da economia. Contribuições da natureza: I=R+N

2. Montar a Tabela de Avaliação Emergética 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. Nota 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 # 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. Nome da contribuição Dados, Unidade Emergia/ Unidade Emergia Solar Emdólar R: Recursos da natureza renováveis N: Recursos da natureza não-renováveis M: Materiais da economia S: Serviços da economia

Diagrama resumido considerando renovabilidade parcial Materiais e serviços renováveis Materiais e serviços não-renováveis Deposito ou estoque interno (limitado) F = Fr+Fn Mr+Sr Mn+Sn N Y = I+F Emergia total Consumo interno I = R+N R Produtos Produtor Ep = Energia dos produtos Fonte de energia externa limitada Transformidade: Tr = Emergia/Energia dos produtos Sumidouro de Energia

N Contribuição não renovável da natureza: N FR FN Retroalimentação da Economia: F F = M + S M = MR + MN S = SR + SN F = FR + FN FR = MR + SR FN = MN + SN Recursos renováveis da natureza: R= R1 + R2 R1 = fluxos diretos R2 = fluxos de estoques R Emergia incorporada: Y = I + F Y Transformidade Y (Emergia de I+F) Tr= = Qp (Energia de Y) Razão entre emergia de um produto específico e a energia útil do produto Razão de rendimento de emergia Y Emergia EYR= = F Economia Mede a incorporação de energia da natureza ou a emergia líquida. Carga Ambiental ELR=(R+FR)/(N+FN) Mede a proporção entre recursos renováveis e não renováveis do sistema produtivo Porcentagem de renovabilidade (%) %R=100*(R+FR)/Y Mede a sustentabilidade do sistema produtivo Intensidade de mão-de-obra LSR= SR / 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 = SRL / S Mede a proporção entre a mão-de-obra no total de serviços Razão de investimento de emergia F Economia EIR = = I Natureza Razão entre a contribuição da economia (F) e os recursos naturais (I) O seguinte passo é calcular os índices emergéticos que estão relacionados com os recursos naturais renováveis e não-renováveis e com os fluxos da economia. Contribuições da natureza: I = R + N Mão-de-obra local: SRL SR = SRL + SRE

As aplicações da metodologia serão mostradas em outras apresentações. Obrigado!!!