Aplicaciones fotovoltaicas en la acuicultura: una introducción

Resumen

Esta publicación analiza el uso de la tecnología solar fotovoltaica (PV) en la acuicultura. En ella se describen los aspectos 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 granja piscícola 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 hacia el interior y a través del sistema, y purificarla. La energía eléctrica generada por energía solar, conocida como energía fotovoltaica (PV), puede utilizarse para satisfacer las necesidades energéticas de una operación de acuicultura.

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 que se pueblan con baja densidad y producen cosechas pequeñas, pero requieren poca gestión. La acuicultura intensiva se practica en sistemas artificiales, como estanques construidos, jaulas, canales de flujo y tanques, que se pueblan con alta densidad y tienen altos rendimientos, pero requieren mucha gestión.
• Los sistemas abiertos permiten que el agua fluya sin reutilizarse. Por lo general, cuanto más intensivo es un sistema acuícola, mayor es el volumen de agua que debe fluir a través de él. En los sistemas abiertos, el agua descargada se pierde del sistema. Los sistemas cerrados recirculan y reacondicionan 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 y cuando el precio de mercado pueda cubrir los requisitos de capital y energía del sistema.
• La acuicultura en estanques es la forma más común de acuicultura. La mayoría de los productores acuícolas a gran escala construyen estanques con diques, pero estos requieren grandes extensiones de terreno relativamente llano. Muchas granjas 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, son 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 desarmarse y volver a ensamblarse para su transporte o reubicación. Las ventajas del cultivo en tanques incluyen requisitos mínimos de terreno, portabilidad y facilidad de expansión. Los tanques pueden ubicarse en interiores para reducir las limitaciones climáticas. El alto costo del equipo, especialmente en los sistemas cerrados, es la principal desventaja del cultivo en tanques.

Los sistemas de acuicultura cerrados requieren agua en movimiento para varios fines:

• Airear el agua para mantener los 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 tanques
• Reponer el agua perdida por evaporación, filtración y fugas
• Eliminación de los desechos de pescado

Por regla general, el flujo mínimo de agua recomendado para una operación comercial que utilice un estanque es de 13 galones por minuto por acre de superficie del estanque. El flujo mínimo de agua recomendado para una operación comercial que utilice un canal de flujo es de 500 galones por minuto. Se puede estimar que una operación con un sistema de tanques a escala comercial podría tener recambios de agua de hasta un 10 % por día del volumen total del tanque (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 manera continua:

• Sistema de paneles solares: un número suficiente de módulos para satisfacer la demanda eléctrica, como se describe con más detalle en la siguiente sección.
• Banco de baterías: aunque las baterías marinas y de carritos de golf pueden utilizarse en sistemas fotovoltaicos pequeños, 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 bomba: el amplificador de corriente que actúa como interfaz entre el sistema fotovoltaico y la bomba de agua (y los aireadores). Proporciona la potencia óptima a la bomba y puede ponerla en marcha incluso en condiciones de poca luz.
• Inversor: transforma la energía de corriente continua (CC) de los paneles solares en energía de corriente alterna (CA). Evita usar un inversor siempre que sea posible, ya que aumenta el costo y la complejidad del sistema. Existen muchas bombas de CC de muy buena calidad; solo elige una bomba de CA si no hay ninguna bomba de CC disponible que cumpla con los requisitos de altura de bombeo y caudal del sistema.

Ten en cuenta que esta combinación de sistema fotovoltaico y equipo se basa en el supuesto de que NO es posible utilizar agua almacenada adicional en días nublados o durante la noche.

Cómo hacerlo bien: el sistema de paneles solares, las baterías y las bombas

Ubicar correctamente el sistema de paneles solares puede resultar difícil. Para empezar, coloca el sistema en un lugar a pleno sol, sin sombra. Si el sistema se encuentra al norte del ecuador, debe orientarse hacia el sur verdadero (no hacia el sur magnético). Si el sistema se encuentra al sur del ecuador, debe orientarse hacia el norte verdadero.

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

Hay dos fuentes confiables que proporcionan los ángulos fijos de los paneles solares según la latitud y el código postal, respectivamente, y que se enumeran en la sección “Recursos” al final de esta publicación.

Para un uso durante todo el año, un sistema fijo probablemente sea más económico y sencillo que uno con seguimiento que siga al sol a lo largo del cielo. Con el costo del sistema de seguimiento, se podrían agregar más paneles al sistema. El sistema podría instalarse sobre un poste, de modo que también brinde sombra sobre los tanques de peces, o bien montarse en el techo. Ten en cuenta que el techo debe tener la capacidad estructural para soportar el peso adicional del sistema, y que el material del techo no debe verse afectado, para garantizar que no se produzcan goteras.

El sistema de paneles solares alimentará la bomba o bombas de agua y, si es necesario, una bomba de aire para la aireación. El tamaño del sistema de paneles se basa en los requisitos de presión y flujo del sistema, y en si se necesitan baterías. Debe tomar 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 tener el tamaño adecuado para superar esta pérdida por fricción. El requisito de presión total, que incluye la altura de elevación (la altura a la que se debe 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 sistema de paneles solares y los requisitos del banco de baterías.

Los costos de la energía fotovoltaica han bajado drásticamente y actualmente son inferiores a 1 dólar por vatio para los paneles (sin incluir el envío, la instalación ni otros componentes del sistema). Los costos de los sistemas instalados varían considerablemente. En los Estados Unidos continentales, un sistema fotovoltaico residencial instalado cuesta entre 3 y 8 dólares por vatio, más el costo de las baterías.

Dado que el sistema de acuicultura opera de manera constante, se necesitarán baterías y un controlador de carga si no es posible conectarse a la red eléctrica. (La conexión a la red eléctrica es la opción más confiable para operaciones las 24 horas del día, los 7 días de la semana.) Las baterías de plomo-ácido son actualmente la tecnología de baterías más económica y vienen en tres tipos: baterías inundadas, de gel y selladas con malla de vidrio absorbente. Son superiores para los sistemas de energía solar en comparación con las baterías de grado marino y las 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 agregue agua periódicamente. Todas las baterías de tipo abierto emiten gas cuando se cargan y no deben usarse en interiores; de lo contrario, deben ventilarse en recintos cerrados para evitar la acumulación de gases explosivos.

Las baterías de gel selladas no tienen ventilación y no liberan gases durante el proceso de carga. Como se pueden usar de manera fácil y segura en interiores, estas baterías mantienen una temperatura más constante y, por lo tanto, ofrecen un mejor rendimiento.

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

Fuente: Cortesía de Dankoff Solar

Entre las tecnologías más recientes de baterías se encuentran las 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 de mayor vida útil que se recicla con mayor facilidad (Grande, 2018).

Debes proteger todas estas baterías de la luz solar directa, el calor intenso y las temperaturas bajo cero.

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 no sea necesario un controlador, ya que la bomba no se pondrá en marcha en condiciones de poca luz y, si está funcionando constantemente, 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 creado tablas de curvas de bombeo que pueden ayudar a un acuicultor que esté 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 23 pies de altura de bombeo (TDH), así es como determinarías 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 curva de la bomba en el punto donde se cruzan las líneas, que, en este caso, es 35 (A).
2. Busca el número en la tabla de requisitos de potencia que aparece en el recuadro de la esquina superior derecha. Siga la fila hasta la columna más a la derecha, hasta la letra (B). Si utiliza una bomba centrífuga de superficie de corriente continua que bombea 25 gpm a 23 TDH, necesitaría un sistema de paneles solares de al menos 404 vatios, sin incluir la carga del aireador ni la carga de la batería. Dado que no existe un sistema de paneles solares de 404 vatios, su proveedor de energía solar lo ayudará a elegir el sistema de mayor tamaño disponible que sea capaz de alimentar la bomba.

Podrías usar esta misma tabla para determinar las necesidades de energía fotovoltaica para un sistema de canales de distribución. Para bombear 500 gpm en un sistema de canales de distribución, necesitarás varias bombas en paralelo. En la tabla, verás que una sola bomba centrífuga de superficie de corriente continua (CC), capaz de suministrar 60 gpm a 20 pies de altura manométrica total (TDH), requeriría un sistema fotovoltaico de aproximadamente 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 las bombas 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 sistema solar, las baterías y todo el resto del equipo necesario para satisfacer las necesidades energéticas de un sistema acuícola cerrado. Los recursos que se enumeran a continuación, junto con un proveedor confiable de sistemas fotovoltaicos, pueden servir como excelentes puntos de partida para crear un sistema funcional y sostenible.

* ATTRA no respalda ningún producto comercial específico. Los 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, MT.

Grande, Lorenzo. 2018. Baterías de flujo redox 2018-2028: mercados, tendencias, 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. págs. 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 (PV). 2001. Por Endecon Engineering. Comisión de Energía de California.

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

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

Manual de capacitación para ingenieros sobre sistemas solares fotovoltaicos. 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
IP473
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 USDA. Esta publicación también ha sido posible, en parte, gracias al financiamiento del el Programa de Investigación y Educación en Agricultura Sostenible del Oeste (SARE).