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Introdução à Metodologia Emergética.
Fevereiro 2005
Enrique Ortega
Departamento de Engenharia de Alimentos
Laboratório de Engenharia Ecológica e Informática Aplicada
Unicamp
www.unicamp.br/fea/ortega
Faculdade de Engenharia de Alimentos
Metodologia
Emergética
Teoria Geral de SistemasFunções ecossistêmicasTermodinâmica de sistemas abertos
Diagramas de sistemas
Cálculo dos fluxos de emergia
Linguagem dos Símbolos Energéticos: fontes de energia, estoques de materiais, fluxos, processos, produtos, resíduos, energia dispersada, retro-alimentação, reciclagem.
Diagnostico emergético
Modelagem e simulação
Melhor percepção do mundo:
Ações mais coerentes
Fluxo de Energia
Produtor
Fonte de energia externa ilimitada
Estoque interno
Transação
preço
Sumidouro de Energia
Fonte de energia limitada
Consumidor
Interação
Sistema ou subsistema
Interruptor
Símbolos com conexões
Fluxos de Energia
Produtor
Fonte de energia externa ilimitada
Também deposito ou estoque interno (limitado)
Transação
preço
Sumidouro de Energia
Fonte de energia externa limitada
Consumidor
Interação
Sistema ou subsistema
Interruptor
Tela pronta para fazer seu diagrama (fundo branco)
Fluxos de Energia
Produtor
Fonte de energia externa ilimitada
Deposito ou estoque interno (limitado)
Transação
preço
Sumidouro de Energia
Fonte de energia externa limitada
Consumidor
Interação
Sistema ou subsistema
Interruptor
Símbolos prontos para usar, em fundo escuro.
Significado dos símbolos da Análise
Emergética
Fluxo de Energia: Um fluxo cuja vazão depende de uma interação ou da fonte que o produz e do estoque energético produzido.
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.
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 deEnergia Potencial
Saída de uma ou várias energias de maior qualidade (trabalho do sistema)
Energia dispersada
Energia potencial = Energia de maior qualidade + Energia dispersada
Energia = Trabalho + Calor
Significado dos símbolos da Análise
Emergética
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.
Produtor: Unidade auto-catalítica que coleta e transforma energia de baixa qualidade (intensidade) sob a ação de fluxo de energia de alta qualidade.
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.
Aproveitamento da energia disponível em uma área
Cadeia de vários estágios
de consumidores
Energia dispersada
Fontes renováveis externas
Produtores
Resíduos
Nutrientes
Consumidores de biomassa
Energia dispersada
Fontes externas
Produtores de biomassa
Resíduos
Nutrientes
Decompositores
Energia disponível na área
Energia incorporada/Energia de cada etapa
Transformidade
1 000 J
1 000 000 Joules de energia solar
(sej)
1 000 000 J100 J 10 J 1 J 0 J
1 000 sej/J
Energia disponível em cada
etapa
1 000 J 100 J 10 J 1 J
10 000 sej/J100 000 sej/J
1000 000 sej/J
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.
Sol10 000 00010 000 000
J/tJ/t
EMERGIA Solar = 1 E7 Joules de energia solar equivalente / TempoEMERGIA Solar = 1 E7 Joules de energia solar equivalente / Tempo
10 10 000000
1 0001 000 100100 11
0.1 E40.1 E4 0.1 E30.1 E3 0.1 E20.1 E2 0. 1 0. 1 E1E1
1010
Tr=1000Tr=1000 Tr=1 E4Tr=1 E4 Tr=1 E5Tr=1 E5 Tr=1 E6Tr=1 E6 Tr=1 E7Tr=1 E7
9 999 9 999 000000
9 0009 000 900900 9090 99
0.1 E00.1 E0
Princípio da máxima empotência• Aplica-se a todos os níveis e escalas ao mesmo
tempo.
SolSol
Energia fóssil
Capacidade renovável
Capacidade de suporte temporariamente alta em base a recursos fósseis
• 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.
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.
FonteF
Processo de transformação daenergia
QQuantidade em estoque
longe do equilíbrio
dQ/dt =
Desenho auto-catalítico.O crescimento é exponencial se F é constante e ilimitada
k1.F.Q
k3.F.Q
k1.F.Q- k3.F.Q - k2.Q
k2.Q
Materiais liberados
T = Temperatura em graus KelvindSe/dt = (k4.Q + k5.F.Q) / T
Taxa de incremento da entropia ambiental Se com dissipação da energia
k4.Q
k5.F.Q
Retro-alimentação
Produção Depreciação
Energia degradada
Princípio da máxima empotênciaA 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.
Sol6E96E9
J/tJ/t
EMERGIA Solar = 6E9 Emjoules Solares EMERGIA Solar = 6E9 Emjoules Solares TempoTempo
6E76E7 6E66E6 6E56E5 6E46E4
0.6E0.6E77
0.6E0.6E66
0.6E0.6E55
0.6E0.6E44
AgregaçãAgregação:o:
R1
Fotosíntesse
Infra-estrutura
R2 N
F
benshumanos
Unidade de produção
Energiadegradada
Produtos VendidosSubsídios
E1
Perdas (sem taxar)Externalidades
E2
Serviços ambientais (sem subsídio)
E3
Albedo
Erosão
Controle
R2 = recursos renováveis da biosfera e da região
R1 = recursos renováveis diretos
N = fontes não- renováveis da natureza
F= materiais e serviços comprados da economia (em geral não-renováveis)
Diagrama resumido
Compras
Transformidade
Y (Emergia de Y (Emergia de I+F)I+F)Tr= = Tr= = QQpp (Energia de (Energia de Y)Y)Razão entre emergia
de um produto específico e a energia útil do produto
Razão de rendimento de
emergia Y Y Emergia Emergia EYR= = EYR= = F F EconomiaEconomia
Mede a incorporação de energia da natureza ou a emergia líquida.
Razão de investimento de
emergia F F Economia Economia EIR = = EIR = = I I NaturezaNaturezaRazão entre a contribuição da economia (F) e os recursos naturais (I)
Contribuições da natureza: I = R + N
Recursos renováveis da natureza: R= R1 + R2
R1 = fluxos diretosR2 = fluxos de estoques
R
Contribuição não renovável da natureza: N
N
Emergia incorporada: Y = I + F Y
FR FN Retroalimentação da Economia: FF = M + SM = MR + MN
S = SR + SN
F = FR + FN
FR = MR + SR
FN = MN + SN
Porcentagem de renovabilidade (%)
%R=100*(R+F%R=100*(R+FRR)/Y)/Y
Mede a sustentabilidade do sistema produtivo
Carga Ambiental
ELR=(R+FELR=(R+FRR)/(N+F)/(N+FNN))
Mede a proporção entre recursos renováveis e não renováveis do sistema produtivo
Intensidade de mão-de-obra
LSR= SLSR= SR R / S/ 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 = SLSR = SRL RL / S/ S
Mede a proporção entre a mão-de-obra no total de serviços
Mão-de-obra local: SRL
SR = SRL + SRE
Significado dos símbolos da Análise
Emergética
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.
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).
Significado dos símbolos da Análise
Emergética
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.
preço
Interruptor: um controlador que permite que ocorra um fluxo ou um processo a partir de uma combinação de sinais obtidas por sensores.
sensores
onoff
Fluxos de energia e materiais em um
sistema
Sumidouro de Energia
Fonte de energia externa
Interação
Deposito interno
Produtor
Consumidor
Depositoexterno
Fonte deenergia externa
Materiais reciclados
A Terra, após longa evolução, desenvolveu inúmeros estoques: solos férteis, água limpa, ar limpo, bom clima, sistemas ecológicos saudáveis e beleza estética
P
Q
Produtores
Energia externa
Organização
Biosfera
Consumi-dores
R
Q
Materiais
Biomassa vegetalRecursos diversos Energia dispersada
Estoquesexternos
Fluxos de energia na
biosfera
Produtores
P
Q
Energia externa
Interações
Energia dispersada
Estoquesexternos
A floresta: relações plantas-solo
Maior porosidade no solo
Solubilização de minerais
Maior umidade do solo
Fixação de nitrogênioAmortece golpe da chuva
Absorção de gases
Bombeamento de materiaisAçúcar para a micro-biota Matéria orgânica para a macro-biota
Efeito esponja de água
Produtos e serviços ambientais
BiomassaBiodiversidade
A floresta
Diminui a temperatura
P
Q
Energia externa
Energia dispersada
Estoquesexternos
Produtores
Gera solo fértil e infiltra água limpa
Maior absorção solar e maior produtividade
Absorve CO2 e gera ar oxigenado Beleza e plenitude
Impede desabamentos
Resilência: permite recuperar o ecossistema
Facilita a precipitação e estabiliza o regime de chuvas
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).
Há energia disponível em tudo aquilo que é reconhecido
um ente da terra e do universo, inclusive a informação.
Emergia
A energia pode ser utilizada para avaliar a riqueza
real em uma base comum.
Metodologia
Emergia
dos produtos
Energias que entram
Emergias que entram
Energia
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
2. Elaboração do
Diagrama3. Montar a Tabela de Avaliação
Emergética4. Calcular os Índices
Emergéticos5. Interpretação dos Resultados
1. Levantamento da história dos locais de
estudo
1. Elaboração do
Diagrama
Nitrogênioda
AtmosferaNutrientes
RochaSubsolo
BiodiversidadeRegional
Chuva
Vento
Sol
Benefi-ciamento
Reserva Florestal
Plantação
Serviçosambientaislocais
Materiais e Serviços
Taxas
Preço
Taxas
$
Produtos
Serviços ambientaisMultas
Perdas: solo,nutrientes,Pessoas,Insumos.
Família
Emergia acumulada nos ecossistemas: solo, água, madeira, etc.
EconomiaEconomiaModernaModerna
Avaliação Emergética
Procedimentos para uma avaliação emergética de um sistema.
Energia do Sol,Energia do Sol,da Lua e do da Lua e do
núcleo interno núcleo interno da Terra da Terra
Sistema AgrícolaSistema Agrícola
OutrosOutrosProcessosProcessosNaturaisNaturais
Reservas semi-
renováveis
Emergia direta
Dispersão deEnergia Potencial
Energia Produzida
Transformidade Solar ( sej /J )
=Emergia solar dos insumos (sej/ha/ano )
Energia produzida (J/ha/ano )
Soma dos Insumos de Emergia Solar
emjoule: Joule de energia disponível (de um certo tipo de energia) previamente usadapara fazer um produto ou serviço. Se usar-mos como energia de referência a energia solar,temos o emjoule solar ou sej
Emergia não renovável
Sol, vento, chuva, marés, ondas,
soerguimento geológico
Minerais(N)
R1
Fotosíntesse
Infra-estrutura
R2 N
F
benshumanos
Unidade de produção
Energiadegradada
ProdutosvendidosE1
Perdas e desperdício(sem taxar)
E2
Serviços ambientais (sem subsídio)
E3
Albedo
Erosão
Controle
R2 = recursos renováveis da biosfera e da região
R1 = recursos renováveis diretos
N = fontes não- renováveis da natureza
F= materiais e serviços comprados da economia (em geral não-renováveis)
Diagrama resumido
Compras
Diagrama resumido
tradicional Serviços
Deposito ou estoque interno (limitado)
Sumidouro de Energia
Fonte de energia externa limitada
Materiais
Produtor
Consumo interno
R
N
M S
I = R+N
Produtos
F = M+S
Ep = Energia dos produtos
Y = I+F
Emergia total
Transformidade:Tr = Emergia/Energia dos produtos
Porcentagem de renovabilidade (%)
%R=100(R/Y)%R=100(R/Y)
Mede a sustentabilidade do sistema produtivo
Transformidade
Y (Emergia de Y (Emergia de I+F)I+F)Tr= = Tr= = QQpp (Energia de Y) (Energia de Y)
Razão entre emergia de um produto específico e a energia útil do produto
Razão de rendimento de emergia
Y Emergia Y Emergia EYR= = EYR= = F EconomiaF Economia
Mede a incorporação de energia da natureza ou a emergia líquida.
Razão de investimento de emergia
F F Economia Economia EIR = = EIR = = I I NaturezaNaturezaRazão entre a contribuição da economia (F) e os recursos naturais (I)
Contribuições da natureza: I=R+N
Emergia incorporada: Y = I + F
Recursos renováveis da natureza: R=R1+R2
Retroalimentação da Economia: F
Contribuição não renovável da natureza: N
R
N
Y
F
2. Montar a Tabela de Avaliação
Emergética
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.
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 # 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.
EmergiaSolar
S: Serviços da economia
M: Materiais da economia
N: Recursos da natureza não-renováveis
R: Recursos da natureza renováveis
Emdólar Emergia/ Unidade
Dados, Unidade
Nome da contribuiçãoNota
Diagrama resumido considerando
renovabilidade parcialMateriais e serviços renováveis
Materiais e serviços não-renováveis
Deposito ou estoque interno (limitado)
Sumidouro de Energia
Fonte de energia externa limitada
Produtor
Consumo interno
R
N
Mn+Sn
I = R+N
Produtos
F = Fr+Fn
Ep = Energia dos produtos
Y = I+F
Emergia total
Transformidade:Tr = Emergia/Energia dos produtos
Mr+Sr
Transformidade
Y (Emergia de Y (Emergia de I+F)I+F)Tr= = Tr= = QQpp (Energia de (Energia de Y)Y)Razão entre emergia
de um produto específico e a energia útil do produto
Razão de rendimento de
emergia Y Y Emergia Emergia EYR= = EYR= = F F EconomiaEconomia
Mede a incorporação de energia da natureza ou a emergia líquida.
Razão de investimento de
emergia F F Economia Economia EIR = = EIR = = I I NaturezaNaturezaRazão entre a contribuição da economia (F) e os recursos naturais (I)
Contribuições da natureza: I = R + N
Recursos renováveis da natureza: R= R1 + R2
R1 = fluxos diretosR2 = fluxos de estoques
R
Contribuição não renovável da natureza: N
N
Emergia incorporada: Y = I + F Y
FR FN Retroalimentação da Economia: FF = M + SM = MR + MN
S = SR + SN
F = FR + FN
FR = MR + SR
FN = MN + SN
Porcentagem de renovabilidade (%)
%R=100*(R+F%R=100*(R+FRR)/Y)/Y
Mede a sustentabilidade do sistema produtivo
Carga Ambiental
ELR=(R+FELR=(R+FRR)/(N+F)/(N+FNN))
Mede a proporção entre recursos renováveis e não renováveis do sistema produtivo
Intensidade de mão-de-obra
LSR= SLSR= SR R / S/ 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 = SLSR = SRL RL / S/ S
Mede a proporção entre a mão-de-obra no total de serviços
Mão-de-obra local: SRL
SR = SRL + SRE
As aplicações da metodologia
serão mostradas em outras
apresentações.Obrigado!!
!