Como funciona a natureza? A visão da Metodologia Emergética

1. Como funciona a natureza? A visão da Metodologia Emergética Análise de 3 opções para produzir biocombustíveis: produtor isolado, grandes monoculturas e SIPAES. SEMEIA 2007Enrique Ortega, FEA/Unicamp.Campinas, SP, 13 de junho de 2007

2. Energia concentrada de maior qualidade Materiais disponíveis Energia potencial disponível 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.

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

5. 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.

6. 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.

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

8. Recursos renováveis usados de forma predatória Minerais 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) 1 a 3 bilhões de pessoas A cadeia trófica se estica ao receber novos fluxos de materiais porém também se recolhe quando se esgotam esses recursos.

9. 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.

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

11. Ecossistemas naturais Conheci-mento e controle 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 Lazer, remédios, cultura Produtos rurais Agro-ecossistemas Minerais e petróleo Alimentos, madeirae outras fibras Produtos industriais água Energia de biocombustíveis Pessoas nas cidades Dejetos, emissões, resíduos

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

13. Calor interno da Terra Energia radiante do Sol Força gravitacional da Lua Metodologia Emergética: Cálculoda intensidade energética dos produtos da biosfera. Novos materiais Estoque produto 3 Reciclagem e estoques Estoque produto 2 P3 Estoque do produto 1 P2 P1 Interações Fluxos de materiais

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

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

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. Calor interno da Terra Gravidade lunar Atmosfera Minerais da rocha mãe NPK + outros Recursos de reposição infinitamente lenta (energéticos fósseis) Radiação solar Recursos de reposição rápida (solo, água) Recursos de reposição lenta (florestas) Recursos de reposição muito lenta (espécies) CO2 N2 Consumi-dores Ecossistemas Decompo-sitores Informa-ção Energia degradada As contribuições da natureza em detalhe Semi-Renováveis Não renováveis Renováveis

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

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

24. 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

25. $ kg J --------- seJ ha ano kg ha ano -------- seJ ha ano --------- ------- seJ kg -------- J ha ano x ------ seJ J = USD ha ano -------- x ------ seJ USD = seJ ha ano --------- Procedimento para o cálculo da emergia: 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).

26. N R estoque 2 interno Q Produto R interações 1 RecursosEconômicos ( F ) = M + S O objetivo do procedimento usado:agrupar fluxos conforme sua origem M S Emergia total ( Y ) = I + F $ $ vendas E = energia do produto Recursos daNatureza ( I ) = R + N

27. M S F = M + S Y = I + F N produto R 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 Transformidade

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

29. M S F = M + S Y = I + F N produto R E I = R + N 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 Rendimento Emergético

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

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

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

33. M S F = M + S Y = I + F N Produto E R Vendas I = R + N Índices de desempenho emergético Eficiência: Tr = Y/Ep 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)]

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

35. 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

36. Fertilizantes, Pesticidas, Herbicidas, Maquinário, Combustível Ecossistemas naturais reduzidos ao mínimo. Modelo 2: monocultura 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.

37. Pastos, grãos, arbustos Gado Pessoas Parcela individual Agro-floresta Cultivos energéticos Modelo 3: eco-unidade Sistema integrado: Bosque nativo, Agro-floresta, Parcela individual, Criação animal, Produção de biomassa energética e Industrialização Vegetação nativa Alimentos beneficiados Energia de biomassa Beneficiamento industrial Aproveitamento de resíduos

38. 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

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 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

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

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

43. Fotos e resultados Fazenda Jardim, Mateus Leme, MG, Brasil Índices Eco-unidade: Destilaria comum: Transformidade: Tr = Y/Ep = 59 000 seJ/J Transformidade: Tr = Y/Ep = 88 000 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) = 26% Renovabilidade: %R = 100(R/Y) = 66%

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.