Economia & Energia
Ano III - No 12 Janeiroro/Fevereiro 1999
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MAK
Editoração Eletrônic
a
marcos@rio-point.com
Revisado:
Thursday, 10 July 2003.

http://ecen.com

ANÁLISE EXERGÉTICA DE SISTEMAS DE PRODUÇÃO AGRÍCOLA

 Omar Campos Ferreira
Pesquisador Associado - FAPEMIG
omar@ecen.com

 

Sistemas de produção, em geral, são classificáveis como sistemas termodinâmicos abertos. Os insumos são recursos naturais transformados pelas operações de produção em produtos para o uso humano. Do ponto de vista energético, um sistema de produção agrícola pode ser interpretado como de conversão da energia da radiação solar em energia de alimentos, com a intervenção de água e gás carbônico e de produtos semi-elaborados, como os combustíveis, os fertilizantes, os pesticidas, as sementes, etc. Um dos insumos básicos é a tecnologia de produção que, analogamente ao capital, resulta da acumulação de excedentes da produção sobre o consumo e que se transfere de um a outro modo de produção no processo que chamamos de desenvolvimento de tecnologia.

A agricultura rudimentar, de subsistência, usa apenas os recursos naturais , como a luz do sol, a água de chuva, o carbono do ciclo natural e o trabalho humano, além daqueles que caracterizam a qualidade do solo natural. Uma vez esgotado o potencial de produção de uma área de assentamento, o agricultor primitivo simplesmente se deslocava para outra área, reiniciando o ciclo produtivo. Como havia terra em abundância, a área esgotada podia recompor o potencial produtivo através dos mecanismos naturais de recomposição do solo e ser eventualmente utilizada em outro ciclo de produção. À medida que a civilização se desenvolveu, os investimentos feitos em infra-estrutura de assentamento, como as habitações, os caminhos, os sistemas de adução de água, etc, tornaram-se muito valiosos para serem abandonados e o sistema de rotação da terra, conhecido como alqueive, foi se tornando anti-econômico. Porém, a recomposição da terra por processos artificiais exigiu a introdução de energia extra-humana, sendo utilizados os animais domesticados para a tração de máquinas, rudimentares no princípio e progressivamente aperfeiçoadas para melhorar o rendimento. De maneira geral, o processo de reaproveitamento da terra pode ser descrito como de substituição parcial de um fator de produção ( o solo fértil ) por outro fator, a energia.

A introdução da máquina a vapor, do motor de combustão interna e do motor elétrico acentuou o uso da energia, em formas progressivamente sofisticadas, no sentido de serem mais gerenciadas. Com o desenvolvimento de outros sistemas de produção, como a indústria química, a agricultura passou a ser assistida também por energia embutida nos fertilizantes, pesticidas, combustíveis, cuja produção foi facilitada pela existência de outros recursos naturais, como os nitratos, os fosfatos, etc. Porém, todos os recursos naturais fora do ciclo da fotossíntese são esgotáveis em prazos históricos e, assim como a agricultura primitiva da Mesopotâmia, do Egito, da China e de outras regiões outrora essencialmente agrícolas, os países da Europa viram decair o seu potencial de produção, requerendo quantidades cada vez maiores de energia para manter a população crescente.. É previsível que a mesma sequência de evolução venha a ser percorrida pela agricultura brasileira, na qual a demanda de energia já está crescendo mais depressa do que na indústria.

Enquanto os recursos energéticos são abundantes, repetimos com eles o ciclo de exploração da terra : esgotado um recurso, passamos a explorar outro, de preferência usando a mesma tecnologia de conversão e a limitação observada na agricultura primitiva será repetida na conversão de energia. Combinados, os dois processos de esgotamento representam um gargalo intransponível para o desenvolvimento posterior da civilização. No caso energético, há um ainda engano fundamental, a avaliação dos recursos como se eles fossem equivalentes na conversão em energia motriz, o produto final da conversão, que resulta fundamentalmente de ignorar-se a limitação da eficiência de conversão imposta pela Lei da Entropia, ainda considerada, até mesmo nos meios técnicos, como uma complicação desnecessária da análise energética. Assim, a contabilidade energética baseia-se atualmente na Lei da Conservação da Energia e a crença generalizada é de que haverá sempre energia conversível em motriz a custo constante. A profunda repercussão dos choques de preços do petróleo da década de 70 na organização política e econômica da sociedade humana sugere a necessidade de refinamento dos métodos de análise energética, de forma a possibilitar melhor uso dos recursos naturais e a avaliação dos impactos ambientais dos processos intensivos em energia.

A metodologia que estamos propondo introduzir na análise de sistemas de produção agrícola surgiu na Europa, no fim do século passado, e foi ignorada na literatura especializada até a crise do petróleo. O susto produzido pela crise sacudiu o meio técnico e científico e, como consequência, houve uma avalanche de artigos a respeito da função termodinâmica chamada de disponibilidade energética, essergia, exergia e, mais recentemente, de emergia (H.T. Odum, em "Environmental Accounting"). No Brasil, há grupos trabalhando com o conceito de exergia na USP, UNICAMP, EFEI, IPT, UFMG e UFV ( Prof. Delly Oliveira Filho e seu grupo de Pós-Graduação), com objetivos variados ( análise de motores de combustão interna, de sistemas de reciclagem de rejeitos, de planejamento energético, de sistemas de co-geração, de ciclos combinados, etc.), mas a metodologia de análise exergética ainda é desconhecida pela maioria dos estudiosos. No CETEC, em projeto financiado pela FAPEMIG, está sendo implementada como instrumento de análise ecológica, de planejamento energético e de estudo dos mecanismos de desestabilização de solos. Em parceria com a EMBRAPA e a EPAMIG, está sendo definido um projeto de análise de desempenho de sistemas de irrigação, sendo esta a razão do contacto que estamos estabelecendo.

Para os iniciados em Termodinâmica, a função exergia pode ser conceituada sem muito trabalho, começando por um sistema termodinâmico fechado, que não troca matéria com a vizinhança, e generalizando em seguida o conceito para sistemas abertos. Para sistema fechado, as equações de Conservação da Energia e de não decrescimento da Entropia para um processo elementar são:

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onde o símbolo d indica que as diferenciais não são exatas, isto é, trabalho e quantidade de calor são grandezas dependentes do trajeto do sistema no espaço de fases p,V ( figura ), e o subscrito refere-se à vizinhança do sistema. Lembremos que em processo não reversível a temperatura do sistema não é única, o que impede a medição direta da quantidade de calor trocada. Para remover este problema, é comum supor que o sistema troca calor com um reservatório situado na vizinhança, de capacidade térmica muito maior do que a do sistema, e então :

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o que permite obter

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Entrando com a expressão de d Q na equação de conservação, obtem-se

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e, como o segundo membro só contém diferenciais exatas, pode-se escrever

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A função

E = U - T0 S

é a que se chama exergia do sistema no estado definido por T0 e S.

O trabalho assim expresso é o total efetuado pelo sistema, incluindo o trabalho útil e o de expansão do mesmo contra a pressão exercida pela vizinhança. Se o processo considerado for reversível, o trabalho é o máximo possível entre dois estados termodinâmicos . Neste caso, o cálculo de W pela variação de exergia dá o mesmo resultado que o cálculo por balanço de energia. Como os processos reais são irreversíveis, o balanço de energia, hoje usado como o único método de avaliação de eficiência, fornece avaliações irrealistas em diferentes graus conforme a importância da irreversibilidade. Há casos de flagrante inadequação da análise por balanço, como a avaliação do antigo programa de Eletrotermia, do Governo Federal, no qual a energia elétrica é valorada pelo seu equivalente térmico, pondo em pé de igualdade o aquecimento por rejeito térmico de motores, por exemplo, e por energia elétrica.

Ao integrar o trabalho elementar para obter o trabalho em processo finito, aparece uma constante de integração que deve ser definida para que a análise se complete. Para as aplicações em economia e em ecologia, que envolvem trocas de energia entre o sistema e Biosfera, o estado termodinâmico de referência é o que corresponderia ao equilibrio do ambiente. Mas a Biosfera está longe de ser um sistema em equilíbrio, de forma que é necessário idealizar um estado cujas variáveis tenham o valor médio da temperatura, da entropia e da energia interna do ambiente, atribuindo a ele exergia nula. Aceita a convenção, a exergia do sistema é interpretada como o trabalho que o sistema realiza se for levado ao equilíbrio com o ambiente mediante processo reversível. Inversamente, a exergia é o trabalho que se deve fornecer ao sistema para o remover do estado de equilíbrio com o ambiente e levá-lo ao estado considerado.

Desta interpretação surge a utilidade da análise exergética :

  • a exergia do sistema mede o potencial de interação com o ambiente, o que se chama, em análise ecológica, de IMPACTO AMBIENTAL

  • a exergia mede o trabalho mínimo necessário à produção de um bem ou serviço, o que se chama, em análise econômica, de VALOR AGREGADO.

Ressalve-se que o potencial de impacto ambiental não é o impacto efetivo, da mesma forma que o trabalho mínimo não é o valor efetivamente agregado. Ambos são os valores limites destes parâmetros quando a irreversibilidade do processo tende a zero, da mesma forma que o ciclo de Carnot tem a eficiência limite para os ciclos reais, irreversíveis. Portanto, a análise exergética não é a panacéia da análise econômica ou da ecológica, mas é um aperfeiçoamento do método energético convencional.

No que se refere ao valor agregado, por exemplo, é claro que outros fatores de produção devem ser considerados. Entretanto, em situação limite em que a energia é o fator crítico, como se pode esperar em uma nova crise do petróleo, nada imprevisível devido à situação política no Oriente Médio e na Rússia, a análise exergética permite prever os rumos da economia mundial com mais segurança do que o balanço energético. A diferença fundamental entre estes dois métodos está, a nosso ver, na comparação entre os caminhos termodinâmicos possíveis e dirigir as ações para aquele que permita extrair o trabalho máximo de um dado recurso natural caracterizado pela sua energia interna. Em outras palavras, a análise exergética obriga o exame da natureza do processo, enquanto que o balanço energético considera o processo como já estabelecido. Este uso da análise exergética abre novas perspectivas para a racionalização energética, hoje restrita à minimização da perda de energia interna.

Para sistemas abertos, como os da produção, a expressão da exergia é ligeiramente diferente. Para evitar estender o texto além do necessário a uma primeira aproximação, limitaremos a apresentação aos sistemas abertos operando em regime permanente. Como agora há circulação de matéria e o trabalho correspondente deve ser considerado como custo, pode-se demonstrar que a expressão adequada da função exergia é :

B = H - T0 S

sendo H a entalpia do sistema, permanecendo

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O diagrama abaixo mostra um sistema de produção típico, as trocas de matéria e de energia e as interações energéticas com o ambiente cuja temperatura é suposta constante e igual a T0.

FIGURA (brevemente aqui)

A figura de mérito dos processos possíveis é a eficiência exergética, definida, para a produção, como a razão da exergia dos produtos para a exergia dos insumos. Encontram-se em diversas referências tabelas de exergia das substâncias mais comuns nos processos industriais e também para algumas substâncias contidas nos alimentos, como carbohidratos, açúcares, gorduras e proteínas. Para as finalidades da análise ecológica há outras definições que serão apresentadas oportunamente.

Como os termos da função exergia são propriedades termodinâmicas extensivas, com a exceção da temperatura, que é constante, a exergia de uma mistura de substâncias é igual à soma das exergias das substâncias componentes. Neste caso, é necessário ter em conta a variação de entropia associada com a interdifusão das substâncias componentes.

A eficiência exergética pode ser usada como critério de seleção de tipos de culturas, orientando políticas de nutrição das populações, para a distribuição de custos em sistemas em que um ou mais insumos têm usos múltiplos, como o caso da água, para comparar configurações de produção (por exemplo, agricultura tradicional comparada à agricultura assistida), para avaliar efeitos de dados insumos, etc.