Modelos para simular cenários sociais de produção, consumo e reciclagem

(sustentáveis ou não)

A contribuição da visão sistêmica de Howard T. Odum

Prof. Dr. Enrique Ortega UNICAMP, Brasil

Julho de 2011. Primeira revisão: agosto de 2011

O futuro pode ser ecológico?Que podemos

fazer para ajudar nessa

tarefa?

2011 - ?

Pode-se modelar e simular o sistema econômico - ecológico para explicar tanto o passado e o presente quanto para prever o futuro.

Os estudos existentes devem ser analisados criticamente, atualizados e, se forem úteis, devem ser aproveitados.

Vou me referir aos trabalhos de Howard T. Odum (1924-2002) professor de Ecologia de Sistemas da Universidade de Florida relativos ao modelado e simulação de ecossistemas naturais e ecossistemas sob controle das sociedades humanas.

a. As leis e os princípios da Termodinâmica dos sistemas abertos;

b. Os balances de massa, energia e informação com visão de ciclo de vida. Além disso considerar os novos fatos tais como as mudanças climáticas (IPCC);

c. A tipologia das fontes de energia e as funções que descrevem as interações entre os elementos de um ecossistema.

Para modelar e simular ecossistemas, de acordo com Odum, é necessário aplicar:

O modelo de um sistema permite ações de controle para melhorar seu desempenho, e atingir padrões de qualidade desejados.

Para fazer a simulação de um sistema podem-se usar linguagens de programação, planilhas eletrônicas ou aplicativos específicos (MatLab/Simulink, Stella, VenSim, PowerSim, iThink, Simile, EmSim, Modelica).

Primeiramente devemos fazer a representação do ecossistema através do diagrama de fluxos de energia no qual se usam símbolos gráficos (ícones) e líneas de fluxo para mostrar os componentes e suas interações. “Ecosistemas y Políticas Públicas”: http://www.unicamp.br/fea/ortega/eco

“Modelaje y simulación de Ecossistemas”: http://www.unicamp.br/fea/ortega/eco/ecosim

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A diagramação de sistemas com símbolos permite visualizar a organização, entender o sentido e o comportamento do fenômeno que se estuda.

Os diagramas mostram as interações que se realizam entre as forças externas e os componentes internos para produzir recursos com novos potenciais e, ao mesmo tempo, degradar a energia potencial disponível.

Leis da Termodinâmica 

Primeira lei: “A energia total de um sistema é composta pela suma das energias existentes em um certo momento. A energia não se cria e no desaparece,apenas muda de forma (se transforma)"

E = constante = soma de energias Segunda lei: “A energia potencial ao interatuar converte-se em energia de melhor qualidade (trabalho, W) e em energia degradada (Q)"

E = W + Q

Princípios dos sistemas abertos (quarta e quinta leis da termodinâmica) :

Os sistemas criam laços auto-catalíticos e se auto-organizam. Os sistemas abertos cambiam com o tempo y sua evolução depende da energia externa disponível, da organização interna e do aproveitamento dos resíduos do sistema.

Os sistemas interatuam para criar redes para aproveitar as energias disponíveis.As redes permitem aumentar a circulação de materiais e a captura de energia potencial disponível em fontes externas.

Outros princípios dos sistemas abertos 

Os sistemas se desenvolvem em ciclos que incluem três etapas: produção, consumo e reciclagem.

Os conceitos desenvolvidos pela Termodinâmica para a energia se aplicam também para a matéria:

M total = constante = soma das massas.M útil = M transformada + M dispersada

Outros princípios dos sistemas abertos 

Os sistemas aumentam a intensidade e duração de seus ciclos quando crescem (ampliam suas fronteiras para incorporar mais estoques de recursos).

Hoje vivemos um momento de intenso consumo de estoques e isso é visto como um processo contínuo, autônomo e infinito, sendo que é apenas parte de um ciclo. Depois do crescimento vai ocorrer a etapa do decrescimento.

Fluxo de energia

Produtor

Fonte externa (ilimitada)

Estoque interno

Transação

preço

Sumidouro de Energia

Fonte externa não renovável (limitada)

ConsumidorInteração

Sistema ou subsistema

Interruptor

Símbolos e conexões

Fonte externa renovável(limitada)

Índice dos capítulos (Portugues) Chapter Index (English)

Modelagem e simulação de Sistemas para estudantes de Engenharia, Biologia e Ciências Sociais

Howard T. Odum & Elisabeth C. Odum, Gainesville, Florida, EUA, 1994

http://www.unicamp.br/fea/ortega/ModSim/index.html

Q

Tanque

Energia externa

K*Q

Energia dispersada

J

Q

Dreno

K*Q

Energia dispersada

DQ = J - K*Q*DT

DQ = - K*Q*DT

Mini-modelos

Q

Estoque externo não renovável

K2*QK1*E

Q K2*Q

E

XEnergia externa

Laço de retro-alimentação

K1*J*Q

Estoque interno

DQ = K1*E – K2*Q

DQ = K1*J*Q – K2*QFonte ilimitada

Crescimento Exponencial(fenômeno temporário)

Laço de reforço da entrada auto-catalítico

R

QK2*Q*Q

XEnergia externa

Fonte ilimitadaLaço de retro-alimentação

X

K1*J*Q

Q Fonte limitadaK2*Q

XEnergia externa

Possui retroalimentação

K1*R*Q

J

DQ = K1*R*Q – K2*Q

DQ = K1*J*Q – K2*Q*Q

Laço duplo de desgaste interno

Fonte limitada

LogísticoDesgaste

Q Estoque usado rapidamente

K2*Q

X

Fonte limitada

E

R

QDuas fontes

K3*Q

XEnergia externa

K1*R*Q

J

EX

K1*E*Q

K2*E*Q

Fonte limitada

Fonte limitada

Laço de retro-alimentação

DQ = K1*E*Q – K2*Q

DQ = K1*R*Q + K2*E*Q – K3*Q

Desenvolvimento a partir de duas fontes(uma renovável e outra não renovável)

http://www.unicamp.br/fea/ortega/extensao/DuasFontes.html

MineraisEnergia

fóssil

Monocultivos

Extração predatória

Duas visões em conflito Cultura

humana ecológica

Sistemas agro-químicos

Biodiver-sidade

Cultura humana

industrial

Sistemas agroecológicos

Erosão, ResíduosEmissões

Perdas sociaise biológicas

Câmbio climático

Reciclagem, manejo sustentável

Impacto social, ambiental e climático

Produtos químicos, maquinaria, diesel, subsídios

Maior produção, menor preço, mais gente

Catástrofes

Paradigmas em conflito

Competição excludente

Cooperação

Balance de emergia do Brasil

Relação Centro-Periferia

Sun K6K3K2

World

K1

K7

K4

K5

I

X X

X

Ssoils wood

Ffuels

Qassets

K8

Rain

State

L6

L2

Wwater

J

L1

L3

L5

L

L4

XU

assets

D1 = K1*S*F*Q + K2*S*Q - K3*Q + K8*SD2 = I - K5*S*F*Q - K6*S*Q - K7*SD3 = - K4*S*F*QD4 = J - L1*W*U*Q - L3*W - L5*WD5 = L2*U*Q*W + L4*W - L6*U - L*U

A tarefa de pensar nosso planeta é a mais difícil, porém também

é a mais necessária.

Edgar MorinCapítulo: “En el corazón de la crisis planetaria”

Livro: “La violencia en el mundo”Editora Capital Intelectual, Buenos Aires, 2011