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
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
Melhor percepção do mundo:
Ações mais coerentes
Diagnostico
emergético
Modelagem e
simulação
Diagramas de
sistemas
Cálculo dos fluxos
de emergia
Símbolos com conexões
Fonte de
energia externa
Fluxo de Energia
ilimitada
Fonte de energia
limitada
Sistema ou
subsistema
Sumidouro de Energia
Estoque
interno
Produtor
Interação
Consumidor
preç
o
Interruptor
Transação
Fonte de energia
externa ilimitada
Fonte de energia
externa limitada
Também deposito ou
estoque interno
(limitado)
Produtor
Fluxos de Energia
Sistema ou
subsistema
Consumidor
Sumidouro
de Energia
preço
Transação
Interação
Interruptor
Tela pronta para fazer seu diagrama (fundo branco)
Fonte de energia
externa ilimitada
Fluxos de Energia
Sistema ou
subsistema
Fonte de energia
externa limitada
Deposito ou estoque
interno (limitado)
Produtor
Consumidor
Sumidouro de Energia
Transação
Interação
Interruptor
Símbolos prontos para usar, em fundo escuro.
preço
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
Entradas de
Energia Potencial
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.
Saída de uma ou várias energias de maior
qualidade (trabalho do sistema)
Energia dispersada
Energia = Trabalho + Calor
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
Q
Q
P
Produtor
R
Consumidor
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.
Produtores
Nutrientes
Cadeia de vários estágios
de consumidores
Fontes
renováveis
externas
Resíduos
Energia dispersada
Aproveitamento da energia disponível em uma área
Fontes externas
1 000 000 J
1 000 J
Nutrientes
Consumidores de biomassa
100 J
10 J
1J
Produtores de
biomassa
Resíduos
Energia dispersada
Energia disponível na área
Decompositores
1 000 000 Joules de energia solar (sej)
Energia incorporada/Energia de cada etapa
1 000 sej/J
1 000 J
0J
100 000 sej/J
10 000 sej/J
1000 000 sej/J
Transformidade
100 J
10 J
Energia disponível em cada etapa
1J
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.
J/t
10 000 000
0.1 E4
0. 1 E1
0.1 E3
0.1 E2
10 000
1 000
100
10
Tr=1000
Tr=1 E4
Tr=1 E5
Tr=1 E6
0.1 E0
1
Sol
9 999 000
9 000
900
EMERGIA Solar = 1 E7 Joules de energia solar equivalente / Tempo
90
Tr=1 E7
9
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.
Energia
fóssil
Sol
Capacidade renovável
Capacidade de suporte
temporariamente alta em
base a recursos fósseis
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 autoorganização de sistemas desenvolve estoques auto-catalíticos
para maximizar o aproveitamento de energia.
Desenho auto-catalítico.
O crescimento é exponencial se F
é constante e ilimitada
dQ/dt =
k3.F.Q
k1.F.Q - k3.F.Q - k2.Q
Q
Retro-alimentação
Quantidade
em estoque
longe do
equilíbrio
Produção
Fonte
F
k1.F.Q
Processo de
transformação da
energia
Taxa de incremento da entropia
ambiental Se com dissipação da energia
dSe/dt = (k4.Q + k5.F.Q) / T
Depreciação
k2.Q
Materiais liberados
k4.Q
T = Temperatura em
graus Kelvin
k5.F.Q
Energia degradada
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 uma área,
acumulam energia, evoluem. Eles se expandem e contraem.
Agregação
:
Sol
J/t
0.6E7
0.6E6
0.6E5
6E9
6E7
6E6
6E5
EMERGIA Solar = 6E9 Emjoules Solares Tempo
0.6E4
6E4
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
preço
Interruptor: um controlador que
permite que ocorra um fluxo ou um
processo a partir de uma combinação
de sinais obtidas por sensores.
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
Fonte de
energia
externa
Interação
Consumidor
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
Materiais
Estoques
externos
Organização
Q
Energia
externa
ConsumiQ
dores
P
Produtores
R
Biomassa vegetal
Recursos diversos
Biosfera
Energia dispersada
A floresta: relações plantas-solo
Bombeamento de materiais
Açúcar para a micro-biota
Matéria orgânica para a
macro-biota
Solubilização de minerais
Maior porosidade no solo
Estoques
externos
Interações
Absorção de gases
Maior umidade do solo
Q
Energia
externa
P
Produtores
Fixação de nitrogênio
Amortece golpe da chuva
Efeito esponja de água
Energia dispersada
A floresta
Produtos e serviços ambientais
Diminui a temperatura
Estoques
externos
Biomassa
Biodiversidade
Q
Energia
externa
P
Produtores
Facilita a precipitação e
estabiliza o regime de
chuvas
Gera solo fértil e infiltra
água limpa
Impede desabamentos
Maior absorção solar e
maior produtividade
Absorve CO2 e gera ar
oxigenado
Beleza e plenitude
Resilência: permite
recuperar o ecossistema
Energia dispersada
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).
Emergia=custo energético total
Energias que
entram
Emergias que
entram
Energia
Emergia
dos
produtos
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
Chuva
Vento
Sol
Materiais
e Serviços
Taxas
Família
Reserva
Florestal
Serviços
ambientais
locais
$
Plantação
Serviços
ambientais
Multas
Preço
Beneficiamento
Produtos
Taxas
Perdas:
solo,
nutrientes,
Pessoas,
Insumos.
Avaliação Emergética
Procedimentos para uma avaliação emergética de um sistema.
Emergia não renovável
Minerais
(N)
Outros
Processos
Naturais
Reservas
semirenováveis
Economia
Moderna
Soma dos Insumos
de Emergia Solar
Emergia acumulada nos ecossistemas:
solo, água, madeira, etc.
emjoule: Joule de energia disponível (de um
Energia do Sol,
certo
tipo de energia) previamente usada
Emergia
direta
da Lua e do
para fazer um produto ou serviço. Se usar-mos
Sistema
núcleo interno
como energia de referência a energia
solar, Agrícola
Sol, vento,
chuva,
da Terra
temos
o emjoule solar ou sej
marés, ondas,
soerguimento geológico
Energia
Produzida
Dispersão de
Energia Potencial
Emergia solar dos insumos (sej/ha/ano )
Transformidade Solar ( sej /J )
=
Energia produzida (J/ha/ano )
R2 = recursos
renováveis da
biosfera e da
região
N = fontes
não- renováveis
da natureza
F= materiais e serviços
comprados da economia
(em geral não-renováveis)
F
R2
N
Compras
Erosão
R1 = recursos
renováveis
diretos
Controle
bens
humanos
Infraestrutura
Produtos
E1 vendidos
R1
Albedo
Fotosíntesse
E2
E3 Serviços
Unidade de produção
Diagrama resumido
Perdas e
desperdício
(sem taxar)
ambientais
(sem subsídio)
Energia
degradada
Diagrama resumido tradicional
Deposito ou
estoque interno
(limitado)
Materiais
M
Serviços
F = M+S
S
N
I = R+N
Emergia total
Consumo
interno
Y = I+F
Produtos
R
Produtor
Fonte de energia
externa limitada
Sumidouro de Energia
Ep = Energia dos produtos
Transformidade:
Tr = Emergia/Energia dos produtos
Contribuição não renovável
da natureza: N
N F
Retroalimentação da Economia: F
R
Recursos renováveis
da natureza:
R=R1+R2
Contribuições
da natureza:
I=R+N
Y
Emergia incorporada: Y = I + F
Porcentagem
Transformidade
de de
Razão
de
Razão
derendimento
investimento
renovabilidade
deemergia
emergia(%)
Y
(Emergia de I+F)
Tr=
=F Y
Economia
Emergia
%R=100(R/Y)
Q=
(Energia
de Y)
EIR
= =
p
EYR=
I F
Natureza
Economia
Mede a sustentabilidade
Razão entre
entre aemergia
de
Razão
contribuição
do
sistema
produtivo
Mede
a incorporação
de
umeconomia
produto específico
da
(F) e osoueaa
energia
da natureza
energia útil do produto
recursos
emergia naturais
líquida. (I)
2. Montar a Tabela de Avaliação Emergética
Nota
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
A
#
valor realdo
da item,
riqueza
estimado
em emdolares.
Este
A coluna
coluna
# 61#É#
é4oo2
que
é emjoules
também
o(Joules
número
da
nota
A
coluna
énúmero
a Transformidade
em
indexados
A
coluna
3
é
contém
a
fonte
os
de
nomes
dados
das
em
diversas
Joules,
entradas
gramas,
do
ou de
valor
é
obtido
dividindo-se
a
emergia
na
coluna
5
pela
relação
de
A
coluna
#derivados
5 éonde
a por
emergia
solar.
É
o produto
das colunas
3 e 4.
rodapé
na tabela
asde
fontes
de
dados
são
citadas
e ou
os cálculos
em
energia
solar)
unidade
(sej/Joule;
sej/grama;
dólares,
sistema.
fontes.
emergia/capital(dinheiro)
para várias
o ano selecionado.
mostrados.
sej/dólar). Estes dado são obtidos de estudos prévios.
Diagrama resumido considerando renovabilidade parcial
Deposito ou
estoque interno
(limitado)
Materiais e serviços
renováveis
Mr+Sr
Materiais e serviços
não-renováveis
F = Fr+Fn
Mn+Sn
N
I = R+N
R
Consumo
interno
Emergia total
Y = I+F
Produtos
Produtor
Fonte de energia
externa limitada
Sumidouro de Energia
Ep = Energia dos produtos
Transformidade:
Tr = Emergia/Energia dos produtos
Contribuição não renovável da natureza: N
N FR FN
R
Retroalimentação da Economia: F
Y
F=M+S
M = MR + MN
S = SR + SN
F = FR + FN
FR = MR + SR
FN = MN + SN
Emergia incorporada: Y = I + F
Recursos renováveis
da natureza: R= R1 + R2
R1 = fluxos diretos
R2 = fluxos de estoques
Contribuições da natureza:
I=R+N
Mão-de-obra local: SRL
SR = SRL + SRE
Mão-de-obra
local
Intensidade
de
Porcentagem
Transformidade
de
Razão
deAmbiental
rendimento
Razão
Carga
de
investimento
(produção
familiar)
mão-de-obra
renovabilidade
(%)
de
de emergia
emergia
Y
(Emergia de I+F)
Tr=
=F Y
Economia
Emergia
LSR
=
S
S)/Y
LSR=
//Sde
%R=100*(R+F
ELR=(R+F
)/(N+F
)
RL
R
R
R
N
Q
(Energia
Y)
EIR
=
=
p
EYR=
=
I F
Natureza
Economia
Mede a proporção
entre
sustentabilidade
Razão entre
entre aemergia de
Razão
a
no
total
local
o
domão-de-obra
sistema
produtivo
Mede
a incorporação
recursos
renováveis
ede
um
produto
específico
e
contribuição
da do
de
total
de da
serviços
do ou
energia
natureza
nãoserviços
renováveis
a energia útil
do
economia
(F)
e os
sistema
produtivo
a
emergia
líquida.
produto naturais (I)
recursos
As aplicações da metodologia serão
mostradas em outras apresentações.
Obrigado!!!