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

Calor (energia degradada) Energia potencial disponível Materiais disponíveis Energia concentrada de maior qualidade Interação Exergia feedback Trabalho produção (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.

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.

Materiais da natureza originais Materiais reciclados Ciclagem de materiais energia potencial repassada a outros sistemas Exergia de fonte difusa contínua Materiais com maior exergia Materiais dispersados Interação 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.

Resíduos e decomposição Exergia difusa Cadeia trófica 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.

Recursos renováveis usados de forma predatória Minerais Recursos renováveis usados de forma predatória 1 bilhão de pessoas Energias fósseis 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.

Recursos renováveis usados de forma predatória Minerais Recursos renováveis usados de forma predatória A população sustentável depende do estilo de vida (modelo político) e das condições da biosfera (aquecimento global, perda de funções sistêmicas, consciência planetária) 1 a 3 bilhões de pessoas Energias fósseis A cadeia trófica se estica ao receber novos fluxos de materiais porém também se recolhe quando se esgotam esses recursos.

Recursos não renováveis Ecossistemas naturais Recursos renováveis Agro-ecossistemas 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.

Água e serviços ambientais Produtos industriais derivados do petróleo Petróleo, gás Água atmosférica oceano Recursos energéticos renováveis Água e serviços ambientais Novos recursos Produtos industriais derivados do petróleo Minerais e sedimentos Vulcões e montanhas Matérias primas agrícolas Infra-estrutura organização Minerais solubilizados Biomassa biodiversidade Ecossistemas e espaços agro silvi- pastoris Interação antrópica com a biosfera Serviços sócio-ambientais Sistemas urbanos

Bio-diversidadebiomassa 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 Bio-diversidadebiomassa Polinização, geração e preservação de solo agrícola, controle de inundações, água percolada e filtrada biologicamente Ecossistemas naturais Lazer, remédios, cultura Produtos rurais Agro-ecossistemas Conheci-mento e controle Alimentos, madeira e outras fibras Minerais e petróleo água Produtos industriais Energia de biocombustíveis Pessoas nas cidades Dejetos, emissões, resíduos

Gases, Sedimentos e resíduos Energia interna da Terra Emergia solar externa: 15,8 Força gravitacional do Sol e da Lua Hidrocarbonetos: 26,1 Nuclear: 2,9 Madeira e solos: 2,8 Minerais: 2,5 Emergia total: 50,1 3,84 8,06 Calor intenso Materiais Quantos Sois estamos usando? Minerais e outros estoques Atmosfera Recursos não renováveis Calor intenso 3,93 Crosta terrestre 34,3 Energia solar Oceano Civilização Energia solar Gases, Sedimentos e resíduos Fluxos expressos em E24 sej/ano Fluxos de emergia no sistema natureza-sociedade (Brown & Ulgiati, 2004)

Força gravitacional da Lua Energia radiante do Sol 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 Força gravitacional da Lua P3 Estoque do produto 1 P2 P1 Energia radiante do Sol Interações Fluxos de materiais

Definições Produto Eficiência = ____________________________________ Energia total Eficiência = Definições ERS FGSL CIT P1 P2 P3 Transformidade = Energia total _______________________________________ Produto Fator de conversão: quanta energia é necessária para produzir um recurso Transformidade = 1 ________________________ Eficiência

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

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 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) CO2 N2 Semi-Renováveis Não renováveis Renováveis

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

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

Transformidade do recurso produzido No diagrama os recursos externos são colocados em ordem de intensidade e renovabilidade 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 Transformidade do recurso produzido

Procedimento para o cálculo da emergia: kg J $ kg ha ano -------- x seJ kg ------- = seJ ha ano --------- J ha ano -------- seJ ha ano --------- seJ J ------ x = USD ha ano -------- seJ ha ano --------- seJ USD ------ x = Obtenha o fluxo J2 na suas unidades usuais; Converta as unidades usuais para o Sistema Internacional (SI); Multiplique pela transformidade (Tr); 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 R 1 N estoque interno Q Produto interações 2 M S Emergia total ( Y ) = I + F $ $ vendas E = energia do produto Recursos da Natureza ( I ) = R + N

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

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

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

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

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

Índices Emergéticos Razão de Intercâmbio Emergético F = M + S Y = I + F N produto Razão de Intercâmbio Emergético R E Vendas I = R + N 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 M S F = M + S N R I = R + N Produto Y = I + F E Vendas Renovabilidade %R = 100(R/Y) 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

Modelo 2: monocultura Ecossistemas naturais reduzidos ao mínimo. Modelo agrícola do Agronegócio Fertilizantes, Pesticidas, Herbicidas, Maquinário, Combustível 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 Agro-floresta Parcela individual Pessoas Alimentos beneficiados Pastos, grãos, arbustos Gado Energia de biomassa Beneficiamento industrial Cultivos energéticos Aproveitamento de resíduos

Água, solo, biodiversidade, micro-clima Diagrama do sistema de produção agroecológico integrado Água, solo, biodiversidade, micro-clima Vegetação nativa Produtos do bosque nativo Produtos da agrofloresta Agro-floresta Consumo interno Pessoas Produtos da parcela Parcela individual Reciclagem Resíduos beneficiados Pastos, grãos, arbustos Gado Micro-usina de álcool Agroindústria local e regional Energia Alimentos Cultivos energéticos

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

Fazenda Jardim, Mateus Leme, MG, Brasil Biodiversidade regional Fazenda Jardim, Mateus Leme, MG, Brasil Outros materiais e eletricidade Bezerros magros Formicida Serviços públicos Uréia Mão-de-obra externa Água e minerais Água, solo, biodiversidade,clima local Produtos e serviços ambientais Vegetação nativa Nitrogênio atmosférico Consumo familiar Pessoas Hortaliças Eco-unidade Parcela individual Sol, vento, chuva Bezerros gordos (carne) Vinhaça Índices: Pastos, grãos, arbustos Gado Eficiência: Tr = Y/Ep Postes de madeira de eucalipto Cinzas e fibra Emergia líquida: EYR = Y/F Eucalipto Etanol (94%) Micro-destilaria, agroindústria e indústria regional Investimento: EIR = F/I Esterco fermentado Cana-de-açúcar Renovabilidade: %R = 100(R/Y)

Procurar técnicas ecológicas de produção de uréia (ex. leguminosas) Limite físico da renovabilidade Procurar um perfil de consumo local para a mão-de-obra

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.