1 Para entender el funcionamiento de los sistemas de - e

Para entender el funcionamiento de los
sistemas de producción de alimentos
es necesario un conocimiento
multidisciplinar de buena calidad
PRIMER CURSO INTERNACIONAL
Miércoles y jueves, 25 y 6 de Noviembre de 2009
USO DE LA METODOLOGIA EMERGÉTICA EN EL
ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE PRODUCCIÓN
Y CONSUMO (METABOLISMO CAMPO - CIUDAD).
sobre la interacción entre los recursos
físicos, biológicos y humanos
Dr. Enrique Ortega Rodríguez
FEA, Unicamp, CP 6121 Campinas, SP 13083-862
E-mail: <[email protected]>
las cuencas hidrográficas, en el país,
en la economía global y en la Biosfera.
SUPPORT Alfa Programme Meeting
Buenos Aires, Argentina, November 2009
1
El análisis debe llevar a una síntesis:
un modelo que explique el sistema.
Feedback renovable de
la Economía externa
ENTRADAS
Contribuciones renovables de la
naturaleza que dependen de la
existencia de biodiversidad local
FR
R1
Feedback no renovable
de la Economía externa
Un modelo de ese tipo permite:
Cambios en los
depósitos internos
NN
NR
Capital
natural
Energía renovable
Síntesis = modelo do funcionamiento
energético del agro-ecosistema
FN
R2
Acervos
humanos
• Evaluar el desempeño actual,
SALIDAS
• Simular en la computadora escenarios
para estudiar los mecanismos de
respuesta a las variaciones de las
fuerzas externas e internas.
Depreciación
Servicios ambientales
Capital natural perdido
Productos agrícolas
Emisiones gaseosas
Cursos de agua
Residuos
Contaminantes
Agricultura
2
Energía degradada
3
El análisis energético de los sistemas agrícolas permite:
4
El análisis energético de los sistemas agrícolas
permite:
(a) Medir la capacidad de soporte renovable y
compararla con la capacidad aumentada para usar
productos obtenidos de recursos no renovables;
(b) Calcular el saldo energético de los
sistemas agrícolas para el sustento de las
cadenas tróficas humanas;
(c) Visualizar las tendencias de evolución
(composición y número de especies) de los
sistemas;
5
6
1
Etapa inicial de desarrollo humano
Salida de materiales
Materiales
externos
Depósitos
Recursos
energéticos
biológicos
fósiles
producidos
en centenas de
millones de años
Reciclaje
Reservas de
la biosfera:
atmosfera,
minerales,
sedimentos
Depósitos
biológicos
Renovables
anualmente
Materiales
externos
Depósitos de
la biosfera:
atmosfera,
minerales,
sedimentos
Productores
Fuentes
externas de
energía
(limitadas)
Depósitos
energéticos
Renovables
Minerales
fósiles
en centenas
de millones de
años
Reciclaje
Minerales
Reservas no renovables
Flujos
Civilización urbana no industrial
Salida de materiales
Depósitos
biológicos
Renovables
anualmente
Flujos
Consumidor
no- sustentable
Productores
Consumidor
sustentable
Consumidor
sustentable
Fuentes
externas de
energía
(limitadas)
Sistema de la Biosfera
Sistema de la Biosfera
Sumidero de energía
Sumidero de Energía
7
Civilización actual
Salida de materiales
Materiales
externos
Reciclaje
Depósitos de
la biosfera:
atmosfera,
minerales,
sedimentos
Renovables
en centenas
de millones de
años
Depósitos
biológicos
Renovables
anualmente
Materiales
externos
Depósitos
biológicos
Renovables
anualmente
Reservas
decrecientes
Flujos
menores
Consumidor
no- sustentable
Productores
Emisiones
y
Residuos
Consumidor
sustentable
Energías
fósiles
Minerales
No
Renovables
Reciclaje
Depósitos de
la biosfera:
atmosfera,
minerales,
sedimentos
Consumidor
no-sustentable
Flujos
Situación inicial de reajuste
Salida de materiales
Depósitos
energéticos Minerales
fósiles
Productores
Fuentes
externas de
energía
(limitadas)
8
Sistema de la Biosfera
Transferencia de
personas y recursos
Consumidor
sustentable
Fuentes
externas de
energía
(limitadas)
Emisiones y
Residuos
Sistema de la Biosfera
Sumidero de Energía
Sumidero de Energía
Senescencia:
decrecimiento
9
10
Gráfico de los cambios en los depósitos de la Biósfera
Seres anaeróbicos y
aeróbicos, atmósfera
termo-regulada con O2
Desarrollo
Crecimiento
Sustentable
industrial
Transición
Apostar a un
Crecimiento
Biodiversidad,
inmovilización
de Carbono
opciones
1500
Recursos
energéticos
locales
Medio ambiente
Combustibles
y minerales
Agricultura
Industria
Figura adaptada del libro
The Prosperous Way Down
de H.T. Odum & E.C. Odum (2001)
Centros de
población
Información
Cazadores y colectores
Energía usada
Mantener el sistema
como esta hoy
Crecimiento
humano en
detrimento de
otras especies,
sin uso de
energía fósil
De 0 hasta 4 billones - 10 000
de años de la Tierra
Recuperación
de los
ecosistemas
Modelo de ocupación del espacio
Recuperar la resiliencia
y la sustentabilidad por medio de la
ruralización ecológica (decrecimiento)
Ajuste de la
homeostasis población y
cambio de los
sistemas de
producción y
extinción
consumo
2000
2100
Economía Agraria
Energía usada
Revolución
Industrial
Energía usada
Energía usada
Explosión
Poblacional
Tormenta Global de Informaciones
Tiempo
Energía usada
11
12
2
Modelo de ocupación del espacio
Recursos
energéticos
locales
Combustibles
y minerales
(d) Preveer situaciones de riesgo y discutir las
medidas para solucionar esos problemas.
Medio ambiente
Agricultura
Industria
Centros de
población
Caçadores
Comunidades
erurales
coletores
ecológicas
(SIPAES)
Economia
Agrária
Revolução
Industrial
Explosão
Populacional
Información
Tormenta
Global de
Información
13
Resultados del análisis energético de
la producción de alimentos
14
La producción de alimentos
puede ser hecha en:
(a) Sistemas agroecológicos
que usan recursos naturales locales;
(b) Sistemas agroquímicos
que usan insumos industriales
derivados del petróleo,
mecanización y semillas artificiales.
15
La producción de maíz basada en recursos
naturales todavía existe en algunos lugares y la
productividad varia entre 500 y 5000 kg/ha/año,
ella ocurre junto con la producción de una gran
diversidad de plantas y animales, sin polución.
16
La producción agrícola sustentable depende de:
1. Energía solar (sol, viento y lluvia);
2. Recursos de las cuencas (agua de arroyos,
con humus y sedimentos);
3. Minerales de suelo movilizados por la biota;
4. Nitrógeno fijado por las bacterias;
5. Trabajo complejo derivado de las funciones
de la biodiversidad;
17
6. Trabajo animal y humano con infra-estructura
y organización.
18
3
Sistema agrícola sustentable
Cambios no renovables en la agricultura:
Fertilizantes, pesticidas, herbicidas y
mecanización intensa (derivados del petróleo);
Infra-estructura cara;
Maquinaria, electricidad, combustible;
Productos químicos diversos;
Semillas producidas fuera de la región;
Dietas para animales hechas con granos
de la agricultura química no renovable;
Residuos animales en exceso.
19
20
Sistema agroquímico de baja sustentabilidad
La productividad en los sistemas agroquímicos, para
el maíz varia entre 2000 a 12 000 kg/ha/año y para
la soja entre 2000 a 6000 kg/ha/año.
Pero los sistemas agroquímicos destruyen la
vegetación nativa, generan perdida de la
biodiversidad con disminución de las funciones
ecosistémicas y, además de eso, provocan
polución, expulsión de ocupantes y pequeños
productores de la región, concentración de los
ingresos y dependencia de recursos externos.
Los sistemas agroquímicos de alta productividad
causan un impacto ambiental y social muy grande
y su sustentabilidad es muy baja.
21
22
Inclusión de las externalidades negativas
23
Diagrama resumido de las interacciones de un sistema agrícola.
24
4
Diagrama resumido de los flujos de energía, materiales
e información en la agricultura.
Diagrama de flujos de energia, materiales e información.
25
26
Un diagrama mínimo de flujos
agregados permite visualizar las fuerzas
que definen el comportamiento del sistema
agrícola.
... y también definir indicadores de
desempeño.
Diagrama de flujos agregados de un sistema agrícola.
27
Los indicadores son razones entre los flujos agregados.
28
Con el correr del tiempo los sistemas agrícolas
pasaran a incorporar de forma creciente los recursos
no renovables, que destruyen el capital natural y
reducen los servicios ambientales.
Sistema agro-químico
super intensificado.
Sistema agroquímico “moderno”.
Se puede evaluar la eficiencia, la sustentabilidad, el saldo de
energía líquida, la presión sobre el ambiente, entre otros.
Sistema agroecológico antiguo.
29
Sistema sin
fertilidad, de baja
productividad.
Sistema agroecológico
recuperado
30
5
Las externalidades negativas de los
sistemas agrícolas exigen
servicios adicionales (costos extras)
de la economía de los ecosistemas.
Por ejemplo: los cuidados con los
cambios climáticas.
No renovables
Renovables
No renovable
M
SA
S
M
N
R3
S
R2
R3
Renovables
R1
N
R2
R1
31
32
Sistema degradado
sin fertilidad
Producción
Sistema regenerado
ecológicamente
Inversión
Depreciación
Servicios ambientales
Reservas y flujos de agua
Recursos renovables
Perdidas de capital natural
Capital natural
Residuos y desechos
R
N, SA
F
Feedback de la economía
Flujos
agregados de
emergía
Servicios ambientales
Emisiones
Productos
Subproductos
Precio de los productos
P
SP
Índices de
emergía
Margen de lucro
Precio de los insumos
Lucro por hectárea
Concentración de área
Problemas sociales y climáticos
33
Economía
Ecológica
La evaluación emergética
basada en el
concepto de
energía agregada
El análisis “emergético” fue propuesto
por Howard T. Odum para hacer una
contabilidad basada en la economía de
la Biosfera. Integra conceptos de la
Termodinámica de Sistemas Abiertos y
de la Ecología de Sistemas.
H. T. Odum
34
La emergía es toda la energia potencial
(exergía) usada para producir un
recurso (bien o servicio) en la biosfera.
Se utiliza el valor
de trabajo hecho
por la naturaleza y
por el ser humano
en la producción
de cada insumo
utilizado.
Se expresa en términos de energía
solar equivalente.
La unidad es el Joule de energía solar equivalente (sej).
35
36
6
En el diagrama los recursos
externos son colocados en
orden de intensidad y
renovabilidad
Fonte de
energia
transformidade
kg
energia / área / tempo
Fluxo J2
Cada flujo de entrada es
convertido en flujo de
emergía solar equivalente
y se lo multiplica por la
transformidad del recurso
Procedimiento para el cálculo de la emergía:
Tr 2
Fluxo e2
emergia / energia
kg
seJ
seJ
-------- x ------- = --------ha ano
kg
ha ano
emergia / área / tempo
Processo de interação
Transformidad del recurso producido
$
J
J
seJ
-------- x ------ =
ha ano
J
seJ
--------ha ano
USD
seJ
-------- x ------ =
ha ano
USD
seJ
--------ha ano
1.
Obtenga el flujo J2 en sus unidades usuales;
2.
Convierta las unidades usuales al Sistema Internacional (SI);
3.
Multiplique por la transformidad (Tr);
4.
Exprese el flujo en unidades de emergía (seJ o seJ/ área/tiempo).
37
38
Análisis emergética x Análisis económica clásica
La emergía permite medir el trabajo realizado por
medio de balances de energía y masa de los
procesos que generan los recursos de la biosfera.
+
=
Sol
+
+
=
Sol
Lluvia
+
Suelo
+
Máquinas
+
Insumos
Lluvia
+
Suelo
+
Máquinas
+
Insumos
Servicios
El aná
análisis econó
económico clá
clásico contabiliza solamente las
contribuciones que tienen un valor monetario de mercado
Servicios
El aná
análisis de emergí
emergía contabiliza todas contribuciones
(de la naturaleza y de la economía)
El análisis de emergía evoluciona en el sentido de calcular el valor de
las externalidades negativas y de las pérdidas de servicios ambientales
=
200E13 sej/ha/a
5E10 J/ha/a
200E13 sej/ha/a
6400E13 sej/ha/a
La relación (emergía/PIB) del país
posibilita la conversión de flujos
monetarios en energí
energía solar equivalente
y viceversa.
6000E13 sej/ha/a
→
39
Recomendaciones:
Pagar los servicios ambientales debidos
Cobrar las externalidades negativas
Tr =
+
Y (R + N) + F + F''
=
Ep
Ep
40
La intensificación del uso de recursos no
renovables (subsidiados por la economía
global) aumenta la rentabilidad de las
empresas. Y como no se reconocen los
servicios ambientales y no se cobran las
externalidades negativas se sacrifica el
ambiente y el futuro de la humanidad:
- Menor sustentabilidad (renovabilidad);
Se debe contabilizar el saldo de reservas naturales (suelo, agua,
biodiversidad, personas) que generan servicios ambientales (percolación de
agua, captura de carbono, vigor genético, control biológico, cultura ecológica),
la polución, la erosión, los servicios para la población marginalizada.
41
- Perdida de la capacidad de soporte renovable;
- Alcanzar los límites de resiliencia de la biosfera
42
7
La figura siguiente muestra la forma como el
centro económico coloca presiones de
diversos tipos en los países periféricos para
cambiar la forma de uso de los recursos
locales.
Esa presión orienta la producción agrícola
para el mercado externo y a la venta de
insumos químicos, maquinas y semillas.
Como resultado hay perdida de autonomía y
la soberanía y una disminución en el cuidado
de las necesidades de la población local.
Sistema auto-suficiente sustentable.
43
44
Dinámica de los
sistemas agrícolas.
Sistema bajo presión para cambiar la forma de uso de los recursos.
45
46
Sistema natural
Sistema natural
Servicios ambientales
Cosechas
Sistema agroquímico
47
48
8
Dinámica de sistemas (Holling, 1986)
Hipertrofia
Oligotrofia
Eutrofia
Mesotrofia
Distrofia
El ciclo de los sistemas humanos consta de cuatro etápas:
exploración (organización del sistema político y social),
desarrollo (mantención y proliferación del sistema),
desagregación (revolución y/o colapso) y
reorganización (cambio de régimen y nuevo paradigma). .
49
50
Sin embargo el escenario del
futuro se complica mucho
mas si consideramos los
cambios climáticos.
petróleo
Concentração de CO2 na atmosfera
420
400
CO2
380
Calentamiento de
la temperatura
media del planeta
por encima de
2 grados Celsius.
Gases do
Permafrost,
autoignición de
bosques,
clatratos
Amenaza gravísima de
la resiliencia de la
Biosfera!
ppm de CO2
Productos
industriales
CO2
CH4
Con innovación transdisciplinar
que cuide de todos los aspectos
del nuevo modelo de desarrollo
basado en SIPAES
360
340
Tiene que haber una
inversión de la tendencia!
320
Cómo?
6 años?
300
280
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
51
52
Comparación de los indicadores emergéticos de
usinas de alcohol: convencional versus SIPAES.
SIPAES: Sistema integrado
de producción de alimentos,
energía y servicios
Fórmulas
Índice
53
Tr
(seJ/J)
Y/∑E
%R*
100 x ((R+MR+SR)/Y)
EYR
Y/(MN+SN)
Usina Grande
(30 000 ha)
Micro usina
+ policultura y
SAF (30 ha)
sin considerar
externalidades
sin externalidades
48 700
74 000
35
76
1,57
6,31
EIR
(MN+SN)/(R+MR+SR+N)
1,39
0,37
ELR*
(N+MN+SN)/(R+MR+SR)
1,82
0,29
54
9
Un sistema que combina policultura ecológica,
sistema agroflorestal (o agrosilvopastoril) y microdestilería de etanol gana en casi todos los
indicadores del análisis emergético:
mayor renovabilidad
Conclusiones
a) Estudiar a fondo la opción de los SIPAES (microdestilerías integradas a sistemas agroforestales) para
producir etanol, alimentos, servicios ambientales y trabajo
humano de buena calidad en redes de cooperativas de
productores.
mayor saldo energético,
b) Apoyar los emprendimientos de ese tipo que están
siendo implementados en diversas regiones del país.
menor tasa de inversión,
menor carga ambiental.
c) Analizar los resultados y a partir de ellos imaginar
escenarios en los diversos espacios geográficos
Los resultados del análisis económico estan siendo
revisados, pero se muestran promisorios.
La tasa de empleo correspondiente a la agricultura
familiar (1 familia/10 ha) es mejor que la de un
modelo agroquímico (1 trabajador/300 ha).
d) Discutir políticas y programas de gobierno para las
distintas regiones del país y para atender mercados
locales, regionales y externos.
55
56
La Humanidad agota su "espacio de
operaciones", dice los científicos
Folha de São Paulo (26/09/2009 - 09h25)
www1.folha.uol.com.br/folha/ciencia/ult306u629600.shtml
Un nuevo alerta se ha hecho por un grupo
internacional de 29 científicos, en un artículo
esta semana en la revista "Nature".
La humanidad puede estar llevando el planeta
de una excepcional estabilidad ambiental en la
que se encontraba hace 10 mil años y hacia
una zona turbulenta con consecuencias
"catastróficas".
El time reúne alguno de los mayores
especialistas del sistema terrestre, entre ellos
un holandês Paul Crutzen, premio Nobel de
Química en 95 por su trabajo sobre la camada
de ozono.
57
58
Superados
Ellos identificaron nueve factores-clave del
funcionamiento del planeta que no deberían ser
perturbados mas allá de un cierto límite para que la
estabilidad ambiental que permitió el florecimiento
de la civilización continúe por millones de años.
1. El cambio climático;
2. La pérdida de biodiversidad;
3. La alteración del ciclo de nitrógeno;
Sin información suficiente,
4. La polución química;
5. La liberación de aerosoles a la atmósfera;
Sucede que, de los nueve “umbrales planetarios",
como el artículo llama a esos factores, tres ya
fueron excedidos lejos, sobre dos de ellos, no hay
información suficiente, otros tres todavía no
tuvieron sus límites sobrepasados, pero si, si las
actividades humanas mantuvieran el ritmo y el
carácter actuales, el umbral será revertido a los
valores pre-industriales.
Pueden sobrepasar sus límites,
6. El uso de agua dulce;
7. El cambio en el uso de la tierra;
8. La acidificación de los océanos;
Revertido a los valores preindustriales,
9. La destrucción del ozono estratosférico.
59
60
10
Três já foram excedidos
A mudança climática;
Não há informação suficiente
A poluição química;
A acidificação
dos oceanos;
A destruição
do ozônio
estratosférico.
Único limiar
revertido aos
valores préindustriais
O lançamento
de aerossóis
na atmosfera;
A perda da
biodiversidade;
Se a atividade humana seguir igual
terão seus limites ultrapassados
A mudança no
uso da terra;
A alteração
nos ciclos do
nitrogênio e
do fósforo
O uso da
água doce;
61
62
63
64
63
64
En los fertilizantes, el nitrógeno es convertido a una
forma reactiva y termina en el medio ambiente,
contaminando los ríos y las zonas costeras y
formando óxido nítrico, un gas de efecto invernadero .
El ciclo del nitrógeno no suele aparecer como una
de las plagas más citadas del medio ambiente.
Sin embargo, los investigadores,
liderados por Johan Rockström
(Universidad de Estocolmo), plantean
que la cantidad de gas removida de la
atmosfera para uso humano - casi todo
como fertilizante para la agricultura ya es cuatro veces mayor que el límite
propuesto.
“Es más que los efectos combinados de todas los
procesos (naturales) de la Tierra", escribieron los
autores.
62
65
Otro nutriente importante, el fósforo, también está
teniendo su ciclo alterado, aunque hay "grandes
incertezas" sobre cual seria su límite.
66
11
Un grupo apunta al hecho de que "apenas" tres
umbrales hayan sido cruzados no es garantía de
que el mundo no sufrirá cambios catastróficas.
Al final, existen múltiples interacciones entre los
umbrales.
Gracias por su atención y estoy a su disposición
Contactos: [email protected]
"Transgredir la barrera del nitrógenofósforo puede destruir la resiliencia de los
ecosistemas marinos, reduciendo su
capacidad de absorber CO2,
afectando así la barrera climática."
67
68
www.unicamp.br/fea/ortega/
69
12