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Fundamentos teórico-metodológicos para la implementación de la síntesis emergética en sistemas agropecuarios

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias

versión On-line ISSN 2071-0054

Rev Cie Téc Agr vol.29 no.2 San José de las Lajas abr.-jun. 2020  Epub 01-Jun-2020

 

REVISIÓN

Fundamentos teórico-metodológicos para la implementación de la síntesis emergética en sistemas agropecuarios

Ing. Jenifer Alvarez-LimaI  * 

Dr.C. Yanoy Morejón-MesaII 

Dr.C. Pedro Pablo del Pozo-RodríguezIII 

IUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Agronomía, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

IIUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

IIIMinisterio de Educación Superior, Municipio Plaza, La Habana, Cuba.

RESUMEN

Todos los procesos involucrados en la producción de alimentos implican un importe energético a partir de diversas fuentes; en forma de energía solar, combustibles fósiles, recursos renovables, servicios y energía invertida en la producción de los materiales de la economía. Algunos flujos involucrados en los procesos agrarios, como es el caso de las contribuciones de la naturaleza, no son considerados por la Economía Clásica al definir los precios de mercado; lo que ha provocado la devaluación y el agotamiento de recursos no renovables. El análisis eMergético es la metodología de base científica que contabiliza el valor ambiental y el valor económico, bajo una unidad común (emJoule solar); haciendo uso de la Economía Ambiental, la Teoría de Sistemas, la Termodinámica, la Biología y los nuevos principios del funcionamiento de sistemas abiertos. Se desarrolla en cuatro etapas: diseño del Diagrama de Sistema, Tabla de Evaluación Emergética, Cálculo de Índices Emergéticos e Interpretación de los resultados. Dichos índices permiten conocer la eficiencia de los sistemas en el uso de los recursos, evaluar la sostenibilidad, establecer comparaciones entre varios escenarios y, por tanto, sirven de apoyo para la gestión. Con esta revisión se pretende establecer los fundamentos para la implementación de esta metodología.

Palabras clave: energía; análisis emergético; eficiencia; sostenibilidad

INTRODUCCIÓN

El agotamiento de energía fósil hace eminente optimizar la eficiencia en el uso de la energía disponible, más, cuando ello condiciona la calidad de vida de millones de personas, que por diversas razones poseen restricciones al acceso de este recurso indispensable (Montico et al., 2006).

En los agroecosistemas, además de la energía solar, se utiliza energía de otras fuentes, principalmente energía fósil derivada del petróleo (Suárez et al., 2017). Por definición, la agricultura implica la modificación de los ecosistemas naturales y, esto requiere suministrar energía adicional a la solar, en forma de insumos externos. El objetivo de la agricultura es manipular los flujos de energía con el propósito de obtener una cierta productividad neta que pueda ser extraída como producto (grano, forraje, carne, leche, etc.), por lo que es necesario realizar un aporte de energía (Flores y Sarandón, 2014).

En la actualidad se tiende a pensar sobre las necesidades de energía en términos de combustible, haciendo caso omiso a la contribución de la naturaleza y los seres humanos, sin percatarse que la energía utilizada en los servicios y obtención del material puede ser mayor que la de los combustibles utilizados en muchos procesos (Izursa, 2011).

El desarrollo obtenido hasta el momento en la economía ha sido a costa del detrimento del medio ambiente, contaminando el suelo, el agua, el aire y su capacidad de regeneración. Esto ha ocurrido ya que el mercado es quien decide lo que se va a producir, cómo hacerlo y cómo distribuirlo; despreciándose al definir los precios, los servicios que brinda la naturaleza para obtener el producto (Roque, 2016).

La combustión en demasía de hidrocarburos fósiles y otros recursos no renovables, unido al manejo intensivo, que le resta capacidad de regeneración a los renovables, amenaza la vida en la Tierra con evidencia en el cambio climático global que lejos de atenuarse continúa creciendo. La preocupación de revertir esta situación ha llevado a algunas naciones, entre ellas Cuba, a comprometerse en alcanzar objetivos y metas para el desarrollo sostenible con fecha límite en el 2030.

En el logro de la sostenibilidad en la producción de alimentos y la seguridad alimentaria, desempeña un papel fundamental el uso eficiente de la energía que fluye en los procesos agropecuarios en forma de recursos naturales, productos y servicios; pues esta constituye el sostén de los ecosistemas y es responsable de un importante gasto económico. El objetivo de la presente revisión es establecer las bases para la implementación de la metodología de síntesis emergética, la cual brinda diferentes salidas para el análisis de la eficiencia energética de los sistemas de producción agrarios y consecuentemente permite incrementar la eficiencia en la toma de decisiones de gestión sobre los mismos.

DESARROLLO DEL TEMA

El término "Emergía" fue propuesto por Odum (1988), ante la necesidad de cuantificar no sólo la energía contenida en el producto o servicio final, sino toda la energía invertida en él; y lo definió como «la suma de toda la energía de una forma, necesaria para desarrollar un flujo de energía de otra forma, en un período de tiempo dado». En publicaciones más recientes Aguilar et al. (2015), plantean que Emergía, es «la cantidad de energía que ha sido empleada de forma directa o indirecta en la generación de un determinado bien o servicio con el objetivo de analizar las diferentes contribuciones de flujos energéticos (naturaleza y economía) bajo una unidad común, el emjoule solar (seJ)».

En correspondencia a lo planteado por estos autores, el análisis emergético sería la metodología de base científica que contabiliza el valor ambiental y el valor económico, haciendo uso de la Economía, la Teoría de Sistemas, la Termodinámica, la Biología y los nuevos principios del funcionamiento de sistemas abiertos (Ortega et al., 2002).

Aumentar las investigaciones sobre el valor monetario de los servicios ecosistémicos contribuye a atraer el apoyo de los actores políticos y de mercado, para abordar los problemas ambientales y contribuir en la conservación de los ecosistemas; ya que es allí donde se configura el esquema de pagos por servicios ambientales, instrumento empleado dentro de política pública en algunos países y sectores, que propone compensar a los usuarios de la tierra por las externalidades ambientales positivas que generan a través de la adopción de prácticas agrícolas sostenibles (González y Serna, 2018).

Los sistemas económicos humanos producen materiales y combustibles para apoyar al desarrollo de las poblaciones y culturas. Sin embargo, los seres humanos son sólo una pequeña parte de la gran biosfera que incluye bosques, océanos, montañas, valles, tierras, ríos y la atmosfera. En última instancia, no son sólo los seres humanos y su dinero los que determinan qué es importante, sino es la energía del mundo. Tendría entonces, mucho sentido medir este sistema mediante el flujo de energía, pues se consideraría la contribución de la naturaleza (Izursa, 2011).

El punto de partida de la emergía o síntesis emergética como campo de estudio es que se pueden comparar diferentes tipos de energía utilizando factores de conversión que muestran la cantidad de tipos de energía equivalentes (Ortega et al., 2002; Flores y Sarandón, 2014; Stark et al., 2016). Al conectar diferentes tipos de energía se puede asociar varias partes y visualizar la complejidad de una manera sencilla, utilizando diagramas, a partir de los cuales se hacen cálculos de flujos y depósitos (Odum, 1996; Izursa, 2011). Se necesitan muchas unidades de energía diluida para formar una unidad de energía concentrada; por ejemplo, se requieren 4 J de carbón para producir 1 J de electricidad, y 1 000 J de luz solar para obtener 1 J de madera. La energía total necesaria para obtener un producto es la energía acumulada en ese producto (Odum y Odum, 2003; Izursa, 2011).

La síntesis emergética se fundamenta en el estudio de los flujos biogeofísicos y socio-económicos de materia y energía que se intercambian entre los elementos constituyentes de los sistemas socio-ecológicos bajo una misma base (Aguilar et al., 2015).

Todos los procesos de auto-organización de sistemas (ejemplo: ecosistemas), como se ha mencionado, están regidos por la segunda ley de la ter modinámica, pues la energía que pasa de un nivel inferior a otro superior de la auto-organización es menor en cada escalón, dado que no existe una eficiencia del cien por ciento en el proceso de transformación; pero la energía necesaria para la construcción de niveles más altos de la auto-organización es cada vez mayor conforme el sis tema se hace más complejo, es decir, conforme avanza en la cadena de organización (Bravo et al., 2018).

Esta observación implica que 1 joule de energía solar, 1 joule de carbón o 1 joule de electricidad, aunque re presentan la misma «cantidad» de energía (1 joule), no representan la misma «calidad», en el sentido del poten cial que tienen estos distintos tipos de fuentes energéti cas para actuar sobre el conjunto del sistema, es decir, en la necesidad que tiene el sistema de recibir mayores o menores cantidades de energía menos concentrada para generar cada una de ellas (Bravo et al., 2018). Se concluye entonces que existe una jerarquía de energías según su calidad o potencial para influir en el sistema, que va desde fuentes de energía poco con centradas (como el sol) hasta aquellas muy concentra das (como el petróleo) (Odum y Odum, 2003).

La energía solar es seleccionada como la energía de refe rencia, pues en el análisis emergético se supone que ésta es la principal entrada de energía poco concentrada a la ecosfera. Por tanto, la transformidad tendría unidades de seJ/unidad de energía (joules equivalentes solares/uni dad de energía) (Bravo et al., 2018).

Además de la emergía, existen diversas metodologías de gestión ambiental como el Análisis de ciclo de vida (LCA) y la Evaluación Multicriterio (EMC), por citar algunas, que permiten analizar la producción con criterios energéticos para diseñar sistemas más sustentables, en los cuales se reducen las importaciones de insumos y las emisiones contaminantes (Odum y Odum, 1981). Se pueden identificar oportunidades en las diferentes etapas productivas y realizar un inventario de insumos energéticos usados (Aguilar et al., 2015).

Para lograr una integración de todas las relaciones hom bre-naturaleza en un ecosistema, el análisis emergético separa las entradas de fuentes renovables y no renovables. Estas distincio nes hacen posible definir los índices emergéticos, que proveen las herramientas para la toma de decisiones de sustentabilidad, especialmente cuando se tratan diferen tes alternativas (Brown et al., 2012; Bravo et al., 2018).

De acuerdo a lo planteado por Aguilar et al. (2015), la Intensidad Emergética equivale al valor real del producto, o sea, toda la emergía utilizada en la producción de una determinada cantidad del producto. Existen tres principales tipos de Intensidad Emergética: Transformidad (en seJ J-1), Emergía Específica (en seJ g-1) y Emergía por Unidad Monetaria (en seJ $-1).

La transformidad de un producto mide la calidad de energía y su posición jerárquica en la energía universal. Cuanto mayor sea el número de transformaciones de energía necesaria para la elaboración de un producto o la ejecución de un proceso, mayor será el valor de su transformidad, siendo mayor también la importancia del recurso para los ecosistemas y para los seres humanos. Este abordaje posibilita visualizar y cuantificar de forma dinámica los flujos de los recursos naturales, servicios ambientales provenientes de la naturaleza y de los impactos de actividades antrópicas, permitiendo la comprensión de los límites en cada ecosistema y el establecimiento de metas y objetivos para garantizar la capacidad de soporte, es decir, determina la sustentabilidad de los sistemas (Aguilar et al., 2015).

Metodología de Síntesis Emergética

La Metodología Emergética propuesta por Odum (1996) se desarrolla en cuatro etapas: diseño del Diagrama de Sistema, Tabla de Evaluación Emergética, Cálculo de Índices Emergéticos e Interpretación de los resultados.

Elaboración del diagrama sistémico

Esta primera etapa está precedida por un diagnóstico en el que se identifican los límites, componentes, entradas y salidas del sistema, y cómo fluctúan los materiales y la energía. Con estos datos, se procede a elaborar el diagrama, de modo que sea expresada toda la complejidad del mismo, representándose sus elementos y flujos a través de los símbolos establecidos por Odum (1996) (Tabla 1).

TABLA 1 Símbolos utilizados en la elaboración del diagrama sistémico 

Símbolo Significado
Flujo de energía: Conecta los diversos componentes del sistema. Refleja las transferencias de energía, materiales o información entre los mismos.
Interacción: Convergencia de flujos de varios tipos que, mediante la actuación de diversos procesos dan lugar a flujos de mayor calidad.
Transacción: Intercambio de un flujo por otro. Generalmente se refiere a bienes y servicios (línea continua) a cambio de dinero (línea discontinua).
Depósito: Se trata de un almacenamiento de materia, energía, dinero, servicios, información, cuyas tasas de uso son mayores que las de su renovación.
Consumidor: Componentes que consumen más energía de la que producen, aunque aportan servicios con mayor Emergía. Usan los productos de los Productores.
Productor: Componentes que, a través de determinados procesos, recogen y transforman energía de baja calidad, concentrándola. Hacen productos.
Fuente: Recursos que se encuentran fuera de los límites de sistema, y de ellos parten flujos de materia y energía al interior del mismo.
Sumidero de energía: Representa la disipación de energía en calor que acompaña todos los procesos de transformación o acumulación.
Caja: Límites del sistema.

Fuentes: Odum (1996).

Los Diagramas Sistémicos posibilitan visualizar de forma holística el funcionamiento los escenarios de interés y conocer la realidad de forma detallada. Pese a su precisión, deben ser lo suficientemente simples como para facilitar su entendimiento. Constituyen la base para organizar el trabajo y desarrollar la evaluación emergética.

Para comprender mejor los flujos de cada recurso, en las diferentes etapas de esta metodología, se desglosa la emergía total importada por el sistema (Y); considerándose los recursos de la naturaleza (I), como renovables (R) y no renovables (N); y los recursos de la economía (F), como materiales (M) y servicios (S), según se representa de forma simplificada en la Figura 1.

Fuente: Stark et al. (2016).

FIGURA 1 Diagrama simplificado de un Sistema Productivo. 

Construcción de la tabla de evaluación emergética.

Todos los flujos que cruzan los límites del sistema (entradas), siguen una secuencia que van desde la fuente de energía externa hasta el componente interno que la utiliza. Estos flujos, que fueron previamente representados en el diagrama, se convierten en una línea de cálculo en la tabla de evaluación de emergía (Tabla 2).

TABLA 2 Estructura de la tabla de Síntesis Emergética 

Nota Nombre de las contribuciones Cantidad Unidad (/ha/año) Transformidad (seJ/unidad) Emergía Solar (seJ/ha/año)
R1,2,3...n
N1,2,3...n
M1,2,3…n
S1,2,3...n

La primera columna "Nota" hace alusión al orden en que está colocado cada flujo (1, 2, 3…n) y al orden de la nota a pie de tabla en la que se expresa el origen del dato (R, N, M, S). La segunda, "Nombre de las contribuciones", refiere el nombre del flujo evaluado. La "Cantidad" (valor numérico o flujo) especifica la cuantía o proporción en que entra cada flujo. Para un sistema en estado estacionario se colocan los valores correspondientes a los flujos anuales medios. Se expresa en sus respectivas "Unidades" (gramos, kilogramos, joules, $, etc.) en la columna cuatro, teniendo en cuenta el área (ha, m2, m) y el tiempo (año). La "Transformidad" (emergía por unidad o energía específica) de cada flujo se debe obtener de una fuente de información citada en estudios anteriores.

La "Emergía Solar" (flujos de emergía) se calcula multiplicando la cuantía en que entra cada flujo (columna 3) por la transformidad correspondiente (columna 5). Este valor se interpreta como la energía solar necesaria para producirse un servicio o un producto. Multiplicar por la transformidad permite tener todos los flujos expresados en unas unidades comunes y comparables, julios solares (seJ); ya que se pondera la distinta calidad de cada energía.

Esta tabla ofrece una contabilidad de todos los componentes del sistema ambiental analizado.

Cálculo de los índices emergéticos.

A partir de los datos obtenidos en la tabla de evaluación emergética, se calculan e interpretan los índices emergéticos relacionados en la Tabla 3. Estos índices brindan determinada información sobre el sistema; que permite conocer su eficiencia en el uso de los recursos, evaluar la sostenibilidad, establecer comparaciones entre varios escenarios y, por tanto, sirven de apoyo para la gestión.

TABLA 3 Índices emergéticos 

Índices Emergéticos Fórmula Concepto
Transformidad solar Tr = Y/EP…(1) Emergía total / Energía del recurso
Renovabilidad %R = (R/Y) x100… (2) Entradas renovables de la naturaleza / Emergía total
Razón de Inversión Emergética EIR = F/ I…. (3) Recursos de la economía / Recursos de la naturaleza
Razón de rendimiento emergético EYR = Y/F… (4) Emergía total / Recursos de la economía
Razón de Carga Ambiental ELR = (F+N)/R… (5) (Recursos de la economía + Recurso no renovables) / Recursos renovables
Razón de Intercambio de Emergía EER = Y/ Em ventas….(6) Emergía total / Emergía recibida de la venta

Interpretación de los índices emergéticos

Transformidad (Tr) es la relación entre la emergía total que ingresa en el sistema (Y) y la emergía de los productos que salen (Ep). Este índice revela una cualidad del sistema, cuanto mayor Tr más emergía se requiere para generar productos. Puede interpretarse como el valor inverso de la eficiencia de un agroecosistema.

Renovabilidad (%R) es la relación entre las entradas renovables de la naturaleza (R) y la emergía total que entra en el sistema (Y). Expresa el porcentaje que representan las energías renovables dentro del sistema.

Razón de Inversión Emergética (EIR) es la relación entre la contribución de la economía (F) y la naturaleza (I), es adimensional. Es un indicador para comprender la intensidad de emergía “comprada” utilizada en los sistemas agroindustriales.

Razón de Rendimiento Emergético (EYR) es la relación entre la emergía total que entra al sistema (Y) y la contribución de la economía (F). Este índice es adimensional y permite conocer, de manera general, el beneficio neto que el sistema ofrece a la economía global.

Razón de Carga Ambiental (ELR) es la relación entre la suma de los recursos no renovables de la naturaleza (N) y los de la economía (F) por los recursos renovables de la naturaleza (R), es adimensional. Cuando el valor del índice es alto, mayor será el impacto ambiental del sistema. También indica que los costos de producción son más altos, y por lo que su precio final se incrementará, haciendo que el producto o zonas productoras sean menos competitivos en el mercado con una relación de carga ambiental más baja.

Razón de Intercambio de Emergía (EER) es la relación entre la emergía total (Y) y la emergía recibida de las ventas de los productos (Em ventas). La Em ventas, se obtiene de la multiplicación del precio del producto por el Emergy money ra tio (relación emer gía-dinero o canje emergético). Este último es la cantidad de emergía que se puede comprar en un determinado país por una unidad de dinero (un dólar) en un año específico. Es adimensional. Representa si el productor está recibiendo en la venta de los productos la emergía necesaria para la producción. Si el valor del índice es mayor que la unidad representa que los gastos son mayores que las ventas.

CONCLUSIONES

  • Al expresar en unidades comunes y comparables los flujos energéticos de diferentes calidades que intervienen en la agricultura, se pueden contabilizar los mismos en términos monetarios.

  • La Metodología de Síntesis Emergética revela la eficiencia energética, el grado de aprovechamiento de los recursos renovables y la medida en que se emplean los no renovables, la contribución de los recursos económicos y naturales y el impacto ambiental de los sistemas agropecuarios.

  • La eficiencia de los procesos agrarios en el uso de la energía, permite disminuir las cargas contaminantes, conservar los recursos no renovables y aumentar la resiliencia, la autosuficiencia y la soberanía económica; por lo que, para regularlos, se hace inminente cuantificar sus flujos.

REFERENCES

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Recibido: 25 de Septiembre de 2019; Aprobado: 13 de Marzo de 2020

*Autor para correspondencia: Jenifer Alvarez-Lima, e-mail: ymm@unah.edu.cu

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