Aplicaciones fotovoltaicas en la acuicultura: una introducción

Resumen

Esta publicación analiza el uso de la tecnología solar fotovoltaica (FV) en la acuicultura. En ella se exponen las cuestiones clave que hay que tener en cuenta si se está considerando la instalación de paneles solares en un sistema de acuicultura cerrado, y se incluye un ejemplo de una piscifactoría que actualmente utiliza energía fotovoltaica.

Introducción

La acuicultura es el cultivo de peces, animales y plantas acuáticos. Los sistemas de acuicultura cerrados necesitan bombas y aireadores para suministrar oxígeno, hacer circular el agua por el sistema y purificarla. La energía eléctrica generada por energía solar, conocida como energía fotovoltaica (FV), puede utilizarse para satisfacer las necesidades energéticas de una explotación acuícola.

Los elementos básicos de los sistemas de producción acuícola son los siguientes (Gegner y Rinehart, 2009):

• La acuicultura extensiva se lleva a cabo en estanques con una baja densidad de población y un rendimiento reducido, pero que requieren pocos cuidados. La acuicultura intensiva se practica en sistemas artificiales, como estanques artificiales, jaulas, canales de cría y tanques, que cuentan con una alta densidad de población y un alto rendimiento, pero que requieren muchos cuidados.
• Los sistemas abiertos permiten que el agua fluya sin ser reutilizada. Por lo general, cuanto más intensivo es un sistema acuícola, mayor es el caudal de agua que debe pasar por él. En los sistemas abiertos, el agua vertida se pierde del sistema. Los sistemas cerrados recirculan y tratan prácticamente toda el agua utilizada, lo que libera en gran medida a los acuicultores de las limitaciones de suministro de agua. Los sistemas cerrados tienen el potencial de permitir la producción de casi cualquier especie en cualquier lugar, siempre que el precio de mercado pueda cubrir los requisitos de capital y energía del sistema.
• La acuicultura en estanques es la forma más habitual de acuicultura. La mayoría de los acuicultores a gran escala construyen estanques con diques, pero estos requieren grandes extensiones de terreno relativamente llano. Muchas explotaciones acuícolas a pequeña escala y algunas a gran escala utilizan estanques de cuenca.
• Los canales de cría, que son canales largos y estrechos con grandes caudales, constituyen el sistema de producción más utilizado para el cultivo intensivo de salmón, trucha y salvelino.
• El cultivo en tanques, tanto en sistemas abiertos como cerrados, puede adaptarse a una amplia variedad de especies y situaciones. Los tanques fabricados en acero, fibra de vidrio o plástico pueden desmontarse y volver a montarse para su transporte o traslado. Entre las ventajas del cultivo en tanques se encuentran el mínimo espacio necesario, la facilidad de transporte y la facilidad de ampliación. Los tanques pueden ubicarse en interiores para reducir las limitaciones climáticas. El elevado coste del equipo, especialmente en los sistemas cerrados, es la principal desventaja del cultivo en tanques.

Los sistemas de acuicultura cerrados necesitan agua en movimiento por varios motivos:

• Airear el agua para mantener unos niveles de oxígeno disuelto lo suficientemente altos como para que los peces puedan sobrevivir y desarrollarse
• Bombeo de agua hacia y a través de los canales y depósitos
• Reponer el agua perdida por evaporación, filtraciones y fugas
• Eliminación de los residuos de pescado

Por regla general, el caudal mínimo recomendado para una explotación comercial que utilice un estanque es de 13 galones por minuto por acre de superficie del estanque. El caudal mínimo recomendado para una explotación comercial que utilice un canal de recirculación es de 500 galones por minuto. Cabe prever que una explotación con un sistema de tanques a escala comercial podría tener renovaciones de agua de hasta un 10 % al día del volumen total de los tanques (Swann, sin fecha).

La energía solar puede proporcionar la energía necesaria para hacer funcionar aireadores y bombas de sistemas cerrados. Los componentes básicos de un sistema fotovoltaico para la acuicultura no difieren mucho de los de cualquier otro sistema utilizado para bombear agua de forma continua:

• Sistema fotovoltaico: un número suficiente de módulos para satisfacer la demanda eléctrica, tal y como se describe con más detalle en la siguiente sección.
• Banco de baterías: aunque en los pequeños sistemas fotovoltaicos se pueden utilizar baterías marinas y de carritos de golf, las baterías de almacenamiento de grado industrial son mucho más adecuadas cuando la demanda eléctrica es constante.
• Controlador de carga: evita que las baterías se sobrecarguen o se descarguen por completo.
• Controlador de la bomba: el amplificador de corriente que actúa como interfaz entre el generador fotovoltaico y la bomba de agua (y los aireadores). Proporciona la potencia óptima a la bomba y permite ponerla en marcha incluso con poca luz.
• Inversor: transforma la corriente continua (CC) procedente de los paneles solares en corriente alterna (CA). Si es posible, evite utilizar un inversor, ya que aumenta el coste y la complejidad del sistema. Existen muchas bombas de CC de gran calidad; opte por una bomba de CA únicamente si no hay ninguna bomba de CC que satisfaga los requisitos de altura de bombeo y caudal del sistema.

Ten en cuenta que esta combinación de paneles fotovoltaicos y equipos parte de la premisa de que NO es posible recurrir al agua almacenada adicional en días nublados o por la noche.

Acertar en la elección: el sistema de paneles solares, las baterías y las bombas

Colocar correctamente el conjunto de paneles puede resultar complicado. Para empezar, coloque el conjunto de paneles en un lugar totalmente soleado, sin sombra. Si el conjunto se encuentra al norte del ecuador, debe orientarse hacia el sur verdadero (no hacia el sur magnético). Si el conjunto se encuentra al sur del ecuador, debe orientarse hacia el norte verdadero.

Para un uso durante todo el año en zonas situadas entre los 25° y los 50° de latitud, multiplique la latitud por 0,76 y sume 3,1° para obtener el ángulo de inclinación óptimo para un conjunto fijo —es decir, un conjunto que no se ajusta entre el invierno y el verano—. Para latitudes inferiores a 25°, multiplique la latitud por 0,87 para hallar el ángulo de inclinación óptimo. En latitudes tropicales, no tiene mucho sentido utilizar un sistema ajustable, ya que el ángulo del sol varía muy poco.

En la sección «Recursos», al final de esta publicación, se incluyen dos fuentes fiables que proporcionan los ángulos fijos de los paneles solares según la latitud y el código postal, respectivamente.

Para un uso durante todo el año, un sistema fijo probablemente resulte más económico y sencillo que uno con seguimiento solar que sigue la trayectoria del sol por el cielo. Con lo que cuesta el sistema de seguimiento, se podrían añadir más paneles al conjunto. El sistema podría instalarse sobre un poste, de modo que también proporcione sombra a los tanques de peces, o bien montarse en el tejado. Hay que tener en cuenta que el tejado debe ser estructuralmente capaz de soportar el peso añadido del conjunto, y que el material del tejado no debe verse comprometido, para garantizar que no se produzcan goteras.

El generador solar alimentará la bomba o bombas de agua y, si es necesario, una bomba de aire para la aireación. El tamaño del generador se determina en función de los requisitos de presión y caudal del sistema, así como de si se necesitan baterías. Debe tener en cuenta la fricción en las tuberías y accesorios, los filtros y otros componentes del sistema por los que pasa el agua bombeada. La bomba debe dimensionarse para superar esta pérdida por fricción. El requisito de presión total, que incluye la altura de elevación (la altura a la que hay que bombear el agua) y la pérdida por fricción, se denomina altura dinámica total (TDH). Una vez que conozca el caudal y la altura de elevación, consulte con un proveedor para que le ayude a determinar el tipo y tamaño exactos de la bomba, el tamaño del generador solar y los requisitos del banco de baterías.

Los costes de la energía fotovoltaica han bajado drásticamente y, en la actualidad, los paneles cuestan menos de 1 dólar por vatio (sin incluir el envío, la instalación ni otros componentes del sistema). Los costes de los sistemas instalados varían considerablemente. En el territorio continental de Estados Unidos, un sistema fotovoltaico residencial instalado cuesta entre 3 y 8 dólares por vatio, más el coste de las baterías.

Dado que el sistema de acuicultura funciona de forma continua, serán necesarias baterías y un regulador de carga si no es posible la conexión a la red eléctrica. (La conexión a la red eléctrica es la opción más fiable para un funcionamiento ininterrumpido). Las baterías de plomo-ácido son actualmente la tecnología de baterías más económica y se presentan en tres tipos: baterías de plomo-ácido, de gel y de fibra de vidrio absorbente (AGM) selladas. Son superiores para los sistemas de energía solar a las baterías de grado marino y de carritos de golf, ya que tienen placas más gruesas y pueden soportar muchos más ciclos de descarga profunda (Zipp, 2013; Sun Power Company, 2014).

Las baterías de plomo-ácido de tipo abierto requieren que se les añada agua periódicamente. Todas las baterías de este tipo desprenden gas durante la carga, por lo que no deben utilizarse en espacios cerrados; en caso de hacerlo, deben ventilarse adecuadamente para evitar la acumulación de gases explosivos.

Las baterías de gel selladas no tienen ventilación y no emiten gases durante el proceso de carga. Dado que pueden utilizarse de forma fácil y segura en interiores, estas baterías mantienen una temperatura más constante y, por lo tanto, ofrecen un mejor rendimiento.

Las baterías de fibra de vidrio absorbente cuentan con una malla de fibra de vidrio entre las placas de la batería para retener el electrolito. No presentan fugas ni derrames y no desprenden gases durante la carga. Mantienen mejor el voltaje, se descargan más lentamente y tienen una mayor vida útil (Sun Power Company, 2014).

Fuente: Cortesía de Dankoff Solar

Entre las tecnologías de baterías más recientes se encuentran las baterías de iones de litio, que son más ligeras que las de plomo-ácido, pero más caras a corto plazo (Energy Sage, 2019). La batería de flujo redox es la tecnología más novedosa: una batería con mayor vida útil que se recicla más fácilmente (Grande, 2018).

Debes proteger todas estas pilas de la luz solar directa, el calor intenso y las heladas.

El controlador de la bomba proporciona la potencia óptima a la bomba y puede ponerla en marcha en condiciones de poca luz. Sin embargo, si se trata de una bomba centrífuga, es probable que el controlador no sea necesario, ya que la bomba no se pondrá en marcha en condiciones de poca luz y, si funciona de forma continua, no necesitará arrancar. No obstante, el controlador puede ser necesario para otros controles (por ejemplo, sobretensión/subtensión, sobrecarga del motor, interruptor de flotador o interruptor de encendido/apagado). El controlador de la bomba y el controlador de carga pueden incluirse en la misma unidad.

Dankoff Solar* ha elaborado tablas de curvas de bombeo que pueden ayudar a los acuicultores que estén considerando la energía solar a tomar decisiones más informadas antes de contratar a un proveedor. Por ejemplo, si tienes un estanque que requiere 25 galones por minuto (gpm) y tiene una altura de bombeo de 23 pies (TDH), así es como se determinaría el tamaño de la bomba y los requisitos mínimos de energía solar, utilizando la tabla SunCentric de Dankoff Solar que se muestra a la derecha:

1. Busca 25 gpm en el eje horizontal y 23 TDH en el eje vertical. Anota el número de la curva de la bomba en el punto donde se cruzan las líneas, que, en este caso, es 35 (A).
2. Busque el número en la tabla de requisitos de alimentación que aparece en el recuadro de la esquina superior derecha. Siga la fila hasta la columna del extremo derecho hasta la letra (B). Si utiliza una bomba centrífuga de superficie de corriente continua que bombea 25 gpm a 23 pies de altura manométrica total (TDH), necesitaría un panel de al menos 404 vatios, sin incluir la carga del aireador ni la carga de la batería. Dado que no existen paneles solares de 404 vatios, su proveedor de energía solar le ayudará a elegir el panel de mayor tamaño disponible capaz de alimentar la bomba.

Podría utilizar este mismo gráfico para determinar las necesidades fotovoltaicas de un sistema de canalización. Para bombear 500 gpm en un sistema de canalización, necesitará varias bombas en paralelo. En la tabla, verá que una sola bomba centrífuga de superficie de CC capaz de suministrar 60 gpm a 20 pies de altura manométrica total (TDH) requeriría un sistema fotovoltaico de unos 1.000 vatios (C), sin incluir la carga del aireador ni la carga de la batería. Para alcanzar los 500 gpm se necesitarían nueve bombas y al menos nueve paneles fotovoltaicos de 100 vatios. Durante el día, cuando la bomba y los aireadores funcionan con energía solar, el sistema fotovoltaico también debe cargar las baterías para su uso nocturno, por lo que se necesitan aún más paneles solares.

Conclusión

La energía solar puede utilizarse, y de hecho se utiliza, en la acuicultura. Es fundamental dimensionar adecuadamente el parque solar, las baterías y el resto del equipo necesario para satisfacer las necesidades energéticas de un sistema de acuicultura cerrado. Los recursos que se enumeran a continuación, junto con un proveedor de energía fotovoltaica de confianza, pueden servir como excelentes puntos de partida para crear un sistema funcional y sostenible.

* ATTRA no respalda ningún producto comercial concreto. Los productos que se mencionan en esta publicación se citan únicamente a modo de ejemplo.

Referencias

Dankoff Solar. Sin fecha. Bombas solares de superficie/Datos técnicos. SunCentric. Página 2.

Gegner, Lance y Lee Rinehart. 2009. Empresas acuícolas: consideraciones y estrategias. Publicación de ATTRA. Centro Nacional de Tecnología Apropiada. Butte, Montana.

Grande, Lorenzo. 2018. Baterías de flujo redox 2018-2028: mercados, tendencias y aplicaciones. IDTechEx, Cambridge, Reino Unido.

NRG Solar. Sin fecha. Granja piscícola de Lashto en Haití.

Sage Energy. 2019.

Fondo para la Iluminación Eléctrica Solar. 2018.

Sun Power Company. 2014. Tutoriales básicos: Baterías de almacenamiento.

Swann, LaDon. Sin fecha. Guía para piscicultores sobre la calidad del agua. Extensión Cooperativa de Purdue, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN.

Zipp, Kathleen. 2013. ¿Cuál es la mejor batería para tu sistema solar? Solar Power World. Marzo.

Recursos adicionales

Aireación de estanques piscícolas mediante energía fotovoltaica. 2001. Por J. Applebaum, D. Mozes, A. Steiner, I. Segal, M. Barak, M. Reuss y P. Roth. Progress in Photovoltaics Research and Applications. Vol. 9, n.º 4. p. 295-301.

Aplicación de las energías renovables en la acuicultura. 2019. Por S. Bharathi, Cheryl Antony, A. Uma, B. Ahilan, S. Aanand y R. Somu Sunder Lingam. Aquaculture International. 48-54. Marzo.

Centro de Acuicultura Tropical y Subtropical.

Guía para el diseño y la instalación de sistemas fotovoltaicos (FV). 2001. Por Endecon Engineering. Comisión de Energía de California.

Cómo determinar el mejor ángulo de inclinación de los paneles solares (incluye un mapa mundial de latitudes titulado «Ángulo óptimo para paneles solares fijos en función de la posición de instalación»). 2013. Paneles solares fotovoltaicos.

Ángulo de los paneles solares por código postal. 2019. Por Sage Energy.

Manual de formación para ingenieros sobre sistemas fotovoltaicos solares. 2011. Por Dinesh Kumar Sharma y Shree Raj Shakya. Gobierno de Nepal, Ministerio de Medio Ambiente, Ciencia y Tecnología, Centro de Promoción de Energías Alternativas y Programa de Asistencia al Sector Energético.

Aplicaciones fotovoltaicas en la acuicultura: una guía básica
Por Al Kurki, especialista de programas del NCAT, y Vicki Lynne, ingeniera energética del NCAT
Publicado en mayo de 2014
Actualizado en abril de 2019 por Al Kurki, especialista de programas del NCAT, y Danielle Mishka, ingeniera energética del NCAT
Tracy Mumma, editora
Amy Smith, producción
Abigail Larson, producción HTML
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Slot 485
Versión 093019

Esta publicación ha sido elaborada por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en el marco de un acuerdo de cooperación con el Departamento de Desarrollo Rural del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA). Esta publicación también ha sido posible, en parte, gracias a la financiación del el Programa de Investigación y Educación en Agricultura Sostenible (SARE) del Oeste.