Thermodynamics, Energy Balance, and Emergy in Agricultural Production

The energy balance in agricultural systems is defined as the analysis of energy flows and transformations within a bounded biological system (Yepes & Martínez, 2005YEPES, G.; MARTÍNEZ, E.: “Los balances energéticos en la producción agropecuaria”, Energética, 33, 73-90, 2005.). This text outlines the conceptual foundations of emergy and exergy in agricultural production systems. In agricultural contexts, this balance is primarily expressed through the process of photosynthesis, wherein incoming solar radiation is converted into chemical energy by autotrophic organisms (De Jesús et al. 2016DE JESÚS, T.; ARAYA, F.; CASTRO, G.; OBANDO, J. M.: “Uso de la energía solar en sistemas de producción agropecuaria: producción más limpia y eficiencia energética”, Tecnología en Marcha, 29(5), 46-56, 2016.). The efficiency of this conversion, denoted as η photosynthesis, is influenced by thermodynamic variables such as temperature (T) and water availability (Ψw) and optimizing these factors is critical for maximizing biomass production.

In livestock production, the energy balance involves evaluating the conversion of chemical energy contained in ingested feed into various forms of energy, including heat (Q), bodily work (W), and chemical energy stored in products such as meat, milk, eggs, and biomass. The metabolic efficiency (η metabolic) of this process is influenced by factors such as the nutritional quality of the feed and environmental conditions. Thermodynamic studies in livestock systems aim to optimize the rate at which feed energy is converted into valuable products while minimizing energy losses associated with metabolic processes.

The concept of emergy (Em), introduced by Odum (2007)ODUM, H. T.: Environment, power, and society for the twenty-first century: The hierarchy of energy. Columbia University Press, 2007., expands conventional thermodynamic analysis by incorporating the equivalent solar energy required both directly and indirectly to generate a flow or product (Brown & Ulgiati, 2013BROWN, M.T.; ULGIATI, S.: "Emergy analysis for environmental accounting". In Encyclopedia of Energy, Natural Resources, and Environmental Management 1-13. 2013.). Emergy quantifies the total energy invested (E_total) in production processes, encompassing both ecosystem-derived energy and energy associated with anthropogenic inputs. This approach offers a holistic perspective on sustainability (S), enabling the assessment of the embodied energy impact in the production of food and animal-derived products. Emergy thus emerges as a critical tool for evaluating the overall efficiency (η_global) of agricultural systems, considering both internal energy flows and the energetic contribution of external resources (Balanta & Nazarit, 2024BALANTA, V. J.; NAZARIT, D.: “La emergía como método de valoración que contribuye a los procesos biocontables en el marco de la ecocontabilidad: una revisión literaria”. Revista Facultad de Ciencias Contables Económicas y Administrativas -FACCEA, 14(1), 44-62, 2024. ).

The application of the concepts of emergy (Em) and exergy (Ex) Wall (2011)WALL, G.: “Exergy: A useful concept within resource accounting” Exergy, An International Journal, 1(3), 145-153, 2011. in animal production systems facilitates:

This article focuses on the analysis of emergy application in agricultural production systems, emphasizing its relevance for assessing sustainability, optimizing resource use, and analyzing case studies aimed at achieving more efficient and resilient management of productive systems.

Theoretical Foundations

This review article is based on a comprehensive documentary research methodology. The search strategy focused on identifying and selecting relevant academic literature from specialized sources. Key terms such as "emergy," "exergy," "agricultural systems," "agriculture," "livestock," "energy efficiency," and "sustainability" were used to gather studies, books, and scholarly articles addressing the conceptual foundations of both methodologies and their application in the agricultural context.

The literature selection was carried out through a review of titles, abstracts, and, when necessary, full texts, prioritizing works that clearly defined the principles of emergy and exergy, and that discussed their conceptual or theoretical application in agricultural and livestock production systems.

A key reference is the study by Martinez & Calderón (2024)MARTINEZ, B.V.J.; CALDERÓN, D.N.: “La emergía como método de valoración que contribuye a los procesos biocontables en el marco de la ecocontabilidad: Una revisión literaria”, Revista Facultad de Ciencias Contables Económicas y Administrativas-FACCEA, 14(1): 44-62, 2024, ISSN: 2539-4703., who identified a "tree of research trends" in energy analysis. This study outlines the construction of a science tree aimed at understanding the evolution of terms and key authors involved in energy valuation methods with biophysical accounting implications. The tree is based on citation analysis, word co-occurrence, co-citation, and bibliographic coupling. The roots represent the most influential authors, the trunk reflects the main orientations of the field, and the leaves indicate the most recent research lines. The information search for this analysis was conducted in 2022 using Boolean formulas across two academic databases, with results detailed in the original document.

The synthesis of the information was achieved through the extraction and organization of key concepts, fundamental definitions, units of measurement, and the ways in which both methodologies are understood and applied to assess efficiency and sustainability in the agricultural sector. The aim was to identify the similarities, differences, and complementarities of emergy and exergy as conceptual analytical tools in this domain. This synthesis is presented in a logical structure, beginning with the conceptual foundations of each methodology independently, followed by their specific application to agroecosystems.

Energy is a physical entity that naturally exists in various forms and, together with matter, constitutes the basis of all phenomena occurring in the universe. It is the capacity of a body to perform work, induce change, or bring about transformation. Agricultural production, as a complex system, involves a series of energy transformations from primary sources (sunlight) to final products (meat, milk, eggs, biomass).

Thermodynamics, the science that studies heat, work, and the relationship between them, provides a conceptual framework for analyzing these processes. However, to evaluate the sustainability and efficiency of such systems, it is necessary to go beyond basic energy accounting and consider the quality of the energy being utilized.

Energy is available to agroecosystems from two main sources: ecological and cultural. Ecological energy originates from the sun and other natural resources and participates in the production of chemical energy via photosynthesis. Cultural energy, on the other hand, is supplied by humans to optimize biomass production within agroecosystems. Cultural energy sources are divided into biological (of animal or human origin animal or human labor, manure, or biomass energy) and industrial (electricity, gasoline, petroleum, natural gas, fertilizers, machinery, etc.) (Guadiana et al., 2021GUADIANA, Z.A.; DURÁN, H.M.; ROSSEL, E.D.; ALGARA, M.; CISNEROS, R.: “Eficiencia energética en sistemas agrícolas familiares bajo condiciones de clima controlado”, Interciencia, 46(1): 32-36, 2021, ISSN: 0378-1844.).

Energy balances, as accounting systems of energy inflows and outflows in food production processes, form the foundation for decision-making regarding the environmental viability of energy investments and the economic profitability of agricultural systems. As a cost estimation methodology, energy balances have been used since the 1970s and have become widespread in developed countries, especially in Europe (Yepes & Martínez, 2005YEPES, G.; MARTÍNEZ, E.: “Los balances energéticos en la producción agropecuaria”, Energética, 33, 73-90, 2005.).

Energy analysis seeks to quantify the input and output energy demands of a given system-in this case, an agricultural system (Neira et al., 2013NEIRA, D.P.; MONTIEL, M.S., FERNÁNDEZ, X.S.: “Energy analysis of organic farming in Andalusia (Spain)”, Agroecology and Sustainable Food Systems, 37(2), 231-256, 2013.). According to Taiz & Zeiger (2002); Camejo (2012) cited by Guadiana et al. (2021)GUADIANA, Z.A.; DURÁN, H.M.; ROSSEL, E.D.; ALGARA, M.; CISNEROS, R.: “Eficiencia energética en sistemas agrícolas familiares bajo condiciones de clima controlado”, Interciencia, 46(1): 32-36, 2021, ISSN: 0378-1844., since energy is inherent in everything that can be recognized (even information), an energy metric based on emergy-spelled with an "m"-can be used to assess real wealth on a common basis, although calories of different types are not aggregated (Álvarez et al., 2006ÁLVAREZ, S.; LOMAS, P.L.; MARTÍN, B.; RODRÍGUEZ, M.; MONTES, C.: “La Síntesis Emergética (“Emergy Synthesis”): Integrando energía, ecología y economía”, Publicaciones de la Fundación Interuniversitaria Fernando González Bernáldez para los espacios naturales, 2, 2006.).

Agricultural systems are evolving without a predetermined direction. To realign this process, new methodologies for evaluating and designing agricultural systems are required ones that guide them toward a maximum equilibrium among the components of sustainability (Valdés et al., 2009VALDÉS, N.; PÉREZ, D.; MÁRQUEZ, M.: ANGARICA, L.; VARGAS, D.: “Funcionamiento y balance energético en agroecosistemas diversos”, Cultivos Tropicales, 30(2), 36-42, 2009.). In line with this, recent data from Colombia, reported in a 2024 study by CORPOEMAUPME-CORPOEMA: Caracterización del consumo final de energía en los sectores agropecuario y agroindustrial, identificando los principales usos, equipos o tecnologías y energéticos; como insumo para la formulación de las estrategias y medidas de eficiencia energética, 2024. https://www1.upme.gov.co/DemandayEficiencia/Paginas/Biblioteca.aspx , highlight the lack of centralized energy data within the Colombian agricultural sector, with sugarcane being the only notable exception. Only four sectors (floriculture, poultry, aquaculture, and pig farming) currently incorporate renewable energy sources. These sectors vary greatly in terms of processes and producer scale.

The agricultural sector accounts for 2.37% of national energy consumption, with 10.9% derived from diesel (ACPM), 4% from gasoline and LPG, and just 0.1% from electricity relative to total national consumption. A striking 86% of energy use is concentrated in lowland regions, where the main productive sectors are located. Moreover, 97.54% of the energy is used for mechanical power, and 97% of total consumption corresponds to fossil fuels. Primary agricultural production leads in energy consumption (25,952 TJ/year), followed by the livestock sector (13,769 TJ/year). Cattle-numbering over 30 million heads-are the largest consumers, due to their daily energy demands. In agriculture, the most energy-intensive processes include harvesting, land preparation, irrigation, and internal transportation, while in livestock production, transportation and feeding account for the highest energy use. In fisheries and aquaculture, fishing activities represent the main energy burden.

Energy analysis is essential in agricultural studies as it strengthens technical and productive decision-making by offering alternatives with greater energy returns-an increasingly important factor given the growing environmental impact (Neira et al., 2013NEIRA, D.P.; MONTIEL, M.S., FERNÁNDEZ, X.S.: “Energy analysis of organic farming in Andalusia (Spain)”, Agroecology and Sustainable Food Systems, 37(2), 231-256, 2013.). To achieve meaningful energy efficiency, a holistic approach to the agri-food system is required. In precision agriculture, thermodynamics and emergy serve to optimize irrigation and fertilization, improving both energy and water efficiency (De Melo et al., 2017DE MELO, C. A: “Agricultural water management: Efficiency and sustainability”, Journal of Agricultural Sciences, 35(4), 245-259, 2017.; Zhou & Yan, 2024ZHOU, J.; YAN, S.: “A comprehensive review of corn ethanol fuel production: from agricultural cultivation to energy application”, Journal of Energy Bioscience, 15, 2024, ISSN: 1925-1963.; Zhou et al., 2018; Odum, 2007ODUM, H. T.: Environment, power, and society for the twenty-first century: The hierarchy of energy. Columbia University Press, 2007.; Foley et al., 2011FOLEY, J.A.; RAMANKUTTY, N.; BRAUMAN, K.; CASSIDY, E.S.; GERBER, J.S.; JOHNSTON, M.; MUELLER, N.D.; O’CONNELL, C.; RAY, D.K.; WEST, P.C.: “Solutions for a cultivated planet”, Nature, 478(7369): 337-342, 2011, ISSN: 0028-0836.). Similarly, in livestock production, these principles enhance thermal comfort and metabolic efficiency Thornton (2010)THORNTON, P.K.: “Livestock production: Recent trends, future prospects”, Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 365(1554), 2853-2867, 2010., thus contributing to system sustainability.

The integration of energy balance and emergy within a thermodynamic framework promotes the development of more sustainable and efficient agricultural models Odum (2007)ODUM, H. T.: Environment, power, and society for the twenty-first century: The hierarchy of energy. Columbia University Press, 2007., optimizing resource use and mitigating environmental impacts (Godfray et al., 2010GODFRAY, H.; BEDDINGTON, J.R.; CRUTE, I.; HADDAD, L.; LAWRENCE, D.; MUIR, J.F.; PRETTY, J.; ROBINSON, S.; THOMAS, S.; TOULMIN, C.: “Food security: the challenge of feeding 9 billion people”, science, 327(5967): 812-818, 2010, ISSN: 0036-8075.; Foley et al., 2011FOLEY, J.A.; RAMANKUTTY, N.; BRAUMAN, K.; CASSIDY, E.S.; GERBER, J.S.; JOHNSTON, M.; MUELLER, N.D.; O’CONNELL, C.; RAY, D.K.; WEST, P.C.: “Solutions for a cultivated planet”, Nature, 478(7369): 337-342, 2011, ISSN: 0028-0836.). In conclusion, the application of thermodynamics and emergy improves efficiency and supports the advancement of more resilient and sustainable production systems.

Thermodynamic Principles and Their Application in Animal Production

According to Campbell & Tilley (2003)CAMPBELL, D.E., TILLEY, D.R.: “Emergy analysis of dairy farm systems”, Ecological Modelling, 161(3), 225-242, 2003., Emergy provides a holistic perspective on sustainability by considering the solar energy embedded in production processes. In the agricultural sector, emergy enables the evaluation of resource-use efficiency and the environmental impact of farming practices. To grasp the importance of this tool, it is necessary to approach it from its conceptual foundations through to its practical applicability in agricultural production systems.

Advanced Applications of Emergy and Exergy Concepts in Agricultural Production

Case Studies Approaching Emergy Estimation

Agostinho et al. (2010)AGOSTINHO, F.: "Emergy assessment of maize production in Brazil". Journal of Cleaner Production, 18(16-17), 1645-1653, 2010.: This specific study analyzes emergy in corn production in Brazil, providing useful comparative data. It presents the emergy calculation for one ton of corn produced on a 10-hectare farm. The system is defined by its boundaries and components, including soil, water, seeds, fertilizers, machinery, fuel, and transportation. The identified input energy flows comprise solar radiation (100 GJ), precipitation (500 m³), fertilizers (5 tons), fuel (1,000 liters), seeds (1 ton), and machinery operation (50 hours). These inputs are subsequently converted into emjoules using the corresponding transformity factors.

The second example illustrates the emergy calculation to produce 1,000 liters of milk on a farm with 50 dairy cows. The system is defined by its boundaries and components, which include pasture, water, concentrated feed, milking equipment, refrigeration, and transportation. The identified energy inputs are pasture (20 tons), water (10,000 liters), concentrated feed (5 tons), electricity (500 kWh), and transport (100 km). These inputs are then converted into emjoules using their respective transformity factors to calculate the total emergy invested (TEI). Additionally, the emergy of the product (TEP) is calculated for the 1,000 liters of milk, along with the emergy efficiency ratio (EER).

Termodinámica, Balance de Energía y Emergía en la Producción Agropecuaria

El balance energético en sistemas agropecuarios se define como el análisis de los flujos y transformaciones de energía dentro de un sistema biológico delimitado (Yepes & Martínez, 2005YEPES, G.; MARTÍNEZ, E.: “Los balances energéticos en la producción agropecuaria”, Energética, 33, 73-90, 2005.).

El presente texto identifica las bases conceptuales de la emergía y la exergía en los sistemas de producción agropecuarios. En el ámbito agrícola, este balance se manifiesta principalmente a través del proceso de fotosíntesis, donde la energía solar incidente es convertida en energía química por los organismos autótrofos (De Jesús et al. 2016DE JESÚS, T.; ARAYA, F.; CASTRO, G.; OBANDO, J. M.: “Uso de la energía solar en sistemas de producción agropecuaria: producción más limpia y eficiencia energética”, Tecnología en Marcha, 29(5), 46-56, 2016.). La eficiencia de esta conversión, η fotosíntesis, está condicionada por variables termodinámicas como la temperatura (T) y la disponibilidad hídrica (Ψw), y su optimización es crucial para la maximización de la biomasa producida.

En la producción pecuaria, el balance energético implica la evaluación de la conversión de la energía química contenida en el alimento ingerido en diversas formas de energía, incluyendo calor (Q), trabajo corporal (W) y la energía química almacenada en productos como carne, leche, huevos y biomasa. La eficiencia metabólica, η metabólica​, de este proceso se ve afectada por factores como la calidad nutricional del alimento y las condiciones ambientales. Los estudios termodinámicos en sistemas pecuarios buscan optimizar la tasa de conversión de la energía del alimento en productos de valor, minimizando las pérdidas energéticas asociadas a procesos metabólicos.

El concepto de emergía (Em), introducido por Odum (2007)ODUM, H. T.: Environment, power, and society for the twenty-first century: The hierarchy of energy. Columbia University Press, 2007., extiende el análisis termodinámico convencional al incorporar la energía solar equivalente requerida directa e indirectamente para generar un flujo o un producto (Brown & Ulgiati, 2013BROWN, M.T.; ULGIATI, S.: "Emergy analysis for environmental accounting". In Encyclopedia of Energy, Natural Resources, and Environmental Management 1-13. 2013.). La emergía cuantifica la energía total invertida (Etotal) en los procesos productivos, abarcando tanto la energía de los ecosistemas como la energía asociada a los insumos antropogénicos. Este enfoque proporciona una perspectiva holística de la sostenibilidad (S), permitiendo la evaluación del impacto energético incorporado en la producción de alimentos y productos de origen animal. La emergía se erige como una herramienta fundamental para la evaluación de la eficiencia global (ηglobal) de los sistemas agropecuarios, considerando tanto los flujos energéticos internos como la contribución energética de los recursos externos (Balanta & Nazarit, 2024BALANTA, V. J.; NAZARIT, D.: “La emergía como método de valoración que contribuye a los procesos biocontables en el marco de la ecocontabilidad: una revisión literaria”. Revista Facultad de Ciencias Contables Económicas y Administrativas -FACCEA, 14(1), 44-62, 2024. ).

La aplicación de los conceptos de emergía (Em) y exergía (Ex) Wall (2011)WALL, G.: “Exergy: A useful concept within resource accounting” Exergy, An International Journal, 1(3), 145-153, 2011. en sistemas de producción animal facilita:

El presente artículo se centrará en el análisis de la aplicación de la emergía en sistemas de producción agropecuarios, resaltando su relevancia para la evaluación de la sostenibilidad, la optimización del uso de recursos y el análisis de estudios de caso orientados a un manejo más eficiente y resiliente de los sistemas productivos.

Fundamentos Teóricos

Este artículo de revisión se fundamenta en una metodología de investigación documental exhaustiva. La estrategia de búsqueda se centró en la identificación y selección de literatura académica relevante en fuentes especializadas. Se emplearon términos clave como "emergía", "exergía", "sistemas agropecuarios", "agricultura", "ganadería", "eficiencia energética" y "sostenibilidad" para recopilar estudios, libros y artículos que abordaran las bases conceptuales de ambas metodologías y su enfoque en el contexto agropecuario.

La selección de la literatura se realizó mediante la revisión de títulos, resúmenes y, cuando fue necesario, el texto completo, priorizando aquellos trabajos que definieran claramente los principios de la emergía y la exergía y que discutieran su aplicación conceptual o teórica en sistemas de producción agrícola y pecuaria.

Es de vital relevancia citar el estudio realizado por Martinez & Calderón (2024)MARTINEZ, B.V.J.; CALDERÓN, D.N.: “La emergía como método de valoración que contribuye a los procesos biocontables en el marco de la ecocontabilidad: Una revisión literaria”, Revista Facultad de Ciencias Contables Económicas y Administrativas-FACCEA, 14(1): 44-62, 2024, ISSN: 2539-4703., los cuales identifican árbol de las tendencias investigativas frente al análisis energético; describe la construcción de un árbol de la ciencia para comprender la evolución de términos y autores relevantes en un método de valoración energético con implicaciones biocontables. Este árbol se basa en el análisis de citaciones, coocurrencia de palabras, concitaciones y acoplamiento bibliográfico. La raíz representa a los autores más influyentes, el tronco las orientaciones del campo, y las hojas las líneas de investigación recientes. La búsqueda de información para este análisis se realizó en 2022 en dos bases de datos, utilizando fórmulas booleanas, cuyos resultados se presentan en el documento.

La síntesis de la información se llevó a cabo mediante la extracción y organización de los conceptos clave, las definiciones fundamentales, las unidades de medida y la forma en que ambas metodologías se entienden y se aplican para analizar la eficiencia y la sostenibilidad en el sector agropecuario. Se buscó identificar las similitudes, diferencias y la complementariedad de la emergía y la exergía como herramientas de análisis conceptual en este campo. La presentación de esta síntesis se estructura de manera lógica para exponer primero las bases conceptuales de cada metodología por separado y luego su enfoque particular en los sistemas agropecuarios.

La energía es un ente físico que existe por doquier bajo distintas formas y constituye, junto con la materia, la base de todos los fenómenos que tienen lugar en el universo; es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo, producir un cambio o transformación. La producción agropecuaria, como sistema complejo, implica una serie de transformaciones energéticas desde las fuentes primarias (luz solar) hasta los productos finales (carne, leche, huevos, biomasa). La termodinámica, ciencia que estudia el calor, el trabajo y las relaciones entre ambos, proporciona un marco conceptual para analizar estos procesos. Sin embargo, para evaluar la sostenibilidad y eficiencia de estos sistemas, es necesario ir más allá de la simple contabilidad energética y considerar la calidad de la energía utilizada. La energía está disponible para los agroecosistemas a partir de dos fuentes fundamentales: la ecológica y la cultural. La energía ecológica es aquella que proviene del sol y de otros recursos naturales e interviene en la producción de energía química a través de la fotosíntesis. La energía cultural es la que suministran los seres humanos a fin de optimizar la producción de biomasa en los agroecosistemas. Existen dos fuentes de energía cultural: la biológica (de origen animal o humano-trabajo animal o humano, estiércol o energía de la biomasa) y la industrial (electricidad, gasolina, petróleo, gas natural, fertilizantes, maquinaria, etc.) (Guadiana et al., 2021GUADIANA, Z.A.; DURÁN, H.M.; ROSSEL, E.D.; ALGARA, M.; CISNEROS, R.: “Eficiencia energética en sistemas agrícolas familiares bajo condiciones de clima controlado”, Interciencia, 46(1): 32-36, 2021, ISSN: 0378-1844.).

Los balances energéticos, como sistema de contabilidad de los ingresos y egresos en los procesos de producción de alimentos, son la base para la toma de decisiones acerca de la viabilidad de los costos ambientales de inversión de energía y de rentabilidad económica en la agricultura. Como metodología de estimativo de costos, los balances energéticos son utilizados desde la década del 70 y se han generalizado en los países desarrollados, especialmente en Europa (Yepes & Martínez, 2005YEPES, G.; MARTÍNEZ, E.: “Los balances energéticos en la producción agropecuaria”, Energética, 33, 73-90, 2005.). Con el análisis energético se busca cuantificar la demanda de entrada y salida de energía de un determinado sistema, en este caso de un sistema agrario (Neira et al., 2013NEIRA, D.P.; MONTIEL, M.S., FERNÁNDEZ, X.S.: “Energy analysis of organic farming in Andalusia (Spain)”, Agroecology and Sustainable Food Systems, 37(2), 231-256, 2013.). Según Taiz & Zeiger (2002); Camejo (2012) citados por Guadiana et al. (2021)GUADIANA, Z.A.; DURÁN, H.M.; ROSSEL, E.D.; ALGARA, M.; CISNEROS, R.: “Eficiencia energética en sistemas agrícolas familiares bajo condiciones de clima controlado”, Interciencia, 46(1): 32-36, 2021, ISSN: 0378-1844., dado que hay energía disponible en todo lo que es reconocible (incluso información), una energía basada en medidas de emergía, deletreado con una "m", se puede utilizar para evaluar la riqueza real en una base común pero no se agregan calorías de diferentes tipos (Álvarez et al., 2006ÁLVAREZ, S.; LOMAS, P.L.; MARTÍN, B.; RODRÍGUEZ, M.; MONTES, C.: “La Síntesis Emergética (“Emergy Synthesis”): Integrando energía, ecología y economía”, Publicaciones de la Fundación Interuniversitaria Fernando González Bernáldez para los espacios naturales, 2, 2006.). Los sistemas agrícolas se están desarrollando sin una dirección predeterminada. Para reorientar este proceso, es preciso contar con metodologías nuevas de evaluación y diseño de sistemas agrícolas, y colocarlos en una línea de evolución hacia el punto máximo de equilibrio entre los componentes de la sostenibilidad (Valdés et al., 2009VALDÉS, N.; PÉREZ, D.; MÁRQUEZ, M.: ANGARICA, L.; VARGAS, D.: “Funcionamiento y balance energético en agroecosistemas diversos”, Cultivos Tropicales, 30(2), 36-42, 2009.). En concordancia con lo anterior se muestran los siguientes datos en Colombia del estudio realizado en 2024 por UPME-CORPOEMA (2024)UPME-CORPOEMA: Caracterización del consumo final de energía en los sectores agropecuario y agroindustrial, identificando los principales usos, equipos o tecnologías y energéticos; como insumo para la formulación de las estrategias y medidas de eficiencia energética, 2024. https://www1.upme.gov.co/DemandayEficiencia/Paginas/Biblioteca.aspx donde se revela una falta de centralización en la información energética del sector agropecuario colombiano, con la caña de azúcar como única excepción. Solo cuatro sectores (flores, avícola, acuicultura y porcícola) integran energías renovables. Los sectores son diversos en procesos y tamaños de productores. El sector agropecuario representa el 2,37% del consumo energético nacional, con un 10,9% de ACPM, 4% de gasolina y GLP, y 0,1% de energía eléctrica respecto al total nacional. El 86% del consumo se concentra en pisos cálidos, donde se ubican los principales sectores productivos. El 97,54% de la energía se usa para fuerza motriz, y el 97% del consumo total son combustibles fósiles. La producción primaria agrícola lidera el consumo energético (25 952 TJ/año), seguida por la pecuaria (13 769 TJ/año). El ganado, con 30 millones de cabezas, es el mayor consumidor debido a procesos diarios. Los procesos de cosecha, preparación del terreno, riego y transporte interno son los de mayor consumo en el sector agrícola, mientras que en el pecuario son el transporte y la alimentación. En pesca y acuicultura, la pesca es el proceso de mayor consumo energético.

El análisis energético es fundamental en estudios agrarios para fortalecer la toma de decisiones técnicas y productivas, ofreciendo alternativas con mayores rendimientos energéticos necesarios por el aumento de impactos ambientales (Neira et al., 2013NEIRA, D.P.; MONTIEL, M.S., FERNÁNDEZ, X.S.: “Energy analysis of organic farming in Andalusia (Spain)”, Agroecology and Sustainable Food Systems, 37(2), 231-256, 2013.). Para una eficiencia energética trascendente, se requiere un enfoque holístico del sistema agroalimentario. En la agricultura de precisión, la termodinámica y la emergía optimizan riego y fertilización, mejorando la eficiencia energética e hídrica (De Melo et al., 2017DE MELO, C. A: “Agricultural water management: Efficiency and sustainability”, Journal of Agricultural Sciences, 35(4), 245-259, 2017.; Zhou & Yan, 2024ZHOU, J.; YAN, S.: “A comprehensive review of corn ethanol fuel production: from agricultural cultivation to energy application”, Journal of Energy Bioscience, 15, 2024, ISSN: 1925-1963.; Zhou et al., 2018; Odum, 2007ODUM, H. T.: Environment, power, and society for the twenty-first century: The hierarchy of energy. Columbia University Press, 2007.; Foley et al., 2011FOLEY, J.A.; RAMANKUTTY, N.; BRAUMAN, K.; CASSIDY, E.S.; GERBER, J.S.; JOHNSTON, M.; MUELLER, N.D.; O’CONNELL, C.; RAY, D.K.; WEST, P.C.: “Solutions for a cultivated planet”, Nature, 478(7369): 337-342, 2011, ISSN: 0028-0836.). Similarmente, en la producción pecuaria, estos principios optimizan el bienestar térmico y la eficiencia metabólica Thornton (2010)THORNTON, P.K.: “Livestock production: Recent trends, future prospects”, Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 365(1554), 2853-2867, 2010., contribuyendo a la sostenibilidad. La integración del balance energético y la emergía en un marco termodinámico avanza hacia modelos agropecuarios más sostenibles y eficientes Odum (2007)ODUM, H. T.: Environment, power, and society for the twenty-first century: The hierarchy of energy. Columbia University Press, 2007., optimizando el uso de recursos y mitigando impactos ambientales (Godfray et al., 2010GODFRAY, H.; BEDDINGTON, J.R.; CRUTE, I.; HADDAD, L.; LAWRENCE, D.; MUIR, J.F.; PRETTY, J.; ROBINSON, S.; THOMAS, S.; TOULMIN, C.: “Food security: the challenge of feeding 9 billion people”, science, 327(5967): 812-818, 2010, ISSN: 0036-8075.; Foley et al., 2011FOLEY, J.A.; RAMANKUTTY, N.; BRAUMAN, K.; CASSIDY, E.S.; GERBER, J.S.; JOHNSTON, M.; MUELLER, N.D.; O’CONNELL, C.; RAY, D.K.; WEST, P.C.: “Solutions for a cultivated planet”, Nature, 478(7369): 337-342, 2011, ISSN: 0028-0836.). En conclusión, la aplicación de termodinámica y emergía mejora la eficiencia y contribuye al desarrollo de modelos de producción más sostenibles y resilientes.

Fundamentos Termodinámicos y su Aplicación en la Producción Animal:

Según Campbell & Tilley (2003)CAMPBELL, D.E., TILLEY, D.R.: “Emergy analysis of dairy farm systems”, Ecological Modelling, 161(3), 225-242, 2003., "La emergía proporciona una visión holística de la sostenibilidad, al considerar la energía solar incorporada en los procesos de producción". En el sector agropecuario, la emergía permite evaluar la eficiencia en el uso de recursos y el impacto ambiental de las prácticas agrícolas; para entender la importancia de esta herramienta se necesita realizar un abordaje desde sus bases conceptuales hasta su aplicabilidad en los sistemas de producción agropecuaria.

Aplicaciones Avanzadas de los conceptos Emergía y Exergía en la Producción Agropecuaria

Estudios de Caso que se aproximan a la estimación de la Emergía

Agostinho et al. (2010)AGOSTINHO, F.: "Emergy assessment of maize production in Brazil". Journal of Cleaner Production, 18(16-17), 1645-1653, 2010.: este estudio específico analiza la emergía en la producción de maíz en Brasil, lo que puede proporcionar datos comparativos útiles; aquí se presenta el cálculo de la emergía para una tonelada de maíz producida en una finca de 10 hectáreas. Se define el sistema incluyendo sus límites y componentes como suelo, agua, semillas, fertilizantes, maquinaria, combustible y transporte. Se identifican los flujos de energía de entrada, que comprenden luz solar (100 GJ), precipitaciones (500 m³), fertilizantes (5 toneladas), combustible (1000 litros), semillas (1 tonelada) y trabajo de maquinaria (50 horas). Posteriormente, se realiza la conversión de estas entradas a emjulios utilizando los factores de transformación correspondientes.

El segundo ejemplo ilustra el cálculo de la emergía para la producción de 1000 litros de leche en una granja con 50 vacas lecheras. El sistema se define por sus límites y componentes, que incluyen pastos, agua, alimento concentrado, maquinaria de ordeño, refrigeración y transporte. Los flujos de energía de entrada identificados son pastos (20 toneladas), agua (10,000 litros), alimento concentrado (5 toneladas), electricidad (500 kWh) y transporte (100 km). Estos insumos son luego convertidos a emjulios utilizando sus respectivos factores de transformación para calcular la emergía total invertida (ETI). Adicionalmente, se calcula la emergía del producto (ETP) para los 1000 litros de leche y la relación de eficiencia emergética (RE).