Estudio de factibilidad económica de los aireadores en acuicultura utilizando un enfoque de costo del ciclo de vida (LCC)

El aireador seleccionado para las operaciones de acuicultura debe ser económicamente eficiente y capaz de cumplir con los requerimientos de suministro de oxígeno del agua del estanque, por lo que su adecuada selección influye tanto en la sostenibilidad como en la rentabilidad de los cultivos.

El sector acuícola juega un papel vital en la satisfacción de la demanda de alimentos y nutrición en el mundo. Los acuicultores están aumentando la producción a través de la adopción de sistemas semintensivos e intensivos para cubrir la demanda.

En la regulación de la producción de peces a alta densidad de población, el oxígeno disuelto (DO, por sus siglas en inglés) es probablemente el segundo insumo más importante después de la alimentación.

Por ello, es esencial el suministro de oxígeno disuelto a través de aireadores artificiales, con la finalidad de mantener una concentración adecuada de DO en los estanques acuícolas para garantizar el crecimiento saludable y la supervivencia de las especies acuáticas.

“Los aireadores pueden inducir la circulación del agua, suministrar DO, remover partículas pequeñas o grandes y mejorar las condiciones del lodo del fondo. Sin embargo, el conocimiento del uso eficiente de los aireadores para contribuir con sistemas de producción sostenibles es deficiente.”

Muchos acuicultores operan los aireadores sin conocer su idoneidad de uso y eficiencia, lo que es perjudicial porque su costo de manejo puede ser prohibitivo. Por lo tanto, se requiere una operación sistemática del aireador con el conocimiento adecuado, tanto desde el punto de vista económico, como ambiental.

Este artículo presenta un estudio realizado para evaluar la viabilidad económica de diferentes tipos de aireadores utilizando el método de capitalización y un enfoque costo de ciclo de vida (LCC, por sus siglas en inglés) para comparar su economía.

En este método, el costo total de capitalización se determina añadiendo el costo de capital del aireador con los valores capitalizados de costo de reemplazo, costo de mantenimientos y costo de energía.

Se consideró un cultivo típico de la carpa principal de la India (IMC, por sus siglas en inglés) y, en función de su demanda de oxígeno, fitoplancton y bentos, se obtuvo el costo capitalizado de nueve aireadores para diferentes condiciones (niveles iniciales de DO y volúmenes de estanque) y se recomendó el aireador de menor costo capitalizado para cada condición.

Materiales y métodos

Enfoque del costo del ciclo de vida

El costo del ciclo de vida (LCC) es una técnica de análisis económico para evaluar el costo total de un sistema durante su vida útil o el tiempo que presta un servicio. En esta técnica, se consideran dos costos:

(i) costo de capital y

(ii) costo recurrente.

Es la sumatoria del costo de capital, costo de reemplazo del producto, costo de mantenimiento capitalizado, costo de energía capitalizado, se representa con la siguiente ecuación:

C_C= C_O+C_R+C_M+C_E

donde, C_O es el costo de capital del producto, C_R es el costo de reposición capitalizado, C_M es el costo de mantenimiento capitalizado, y C_E es el costo de energía capitalizado. La configuración óptima será la que arroje el menor costo capitalizado.

Siguiendo el método descrito y asumiendo que el costo de capital incluye el costo de los aireadores requeridos y los aireadores de reserva como factor de seguridad, también se calculó el costo capitalizado de los aireadores.

Características de aireación de varios aireadores

En las operaciones de acuicultura se utilizan diferentes tipos de aireadores, que se clasifican en tres categorías:

(i) Aireador de salpicadura,

(ii) Aireador de aire difuso y

(iii) Aireador por gravedad.

En el estudio se consideraron nueve tipos diferentes de aireadores:

(i) cascada escalonada circular agrupada perforada (PPCSC, por sus siglas en inglés);

(ii) cascada escalonada circular agrupada (PCSC);

(iii) cascada escalonada circular (CSC);

(iv) rueda de paletas (PWA);

(v) aireador en espiral (SA);

(vi) bomba aspiradora de hélice (PAA);

(vii) aireador sumergible (SUBA),

(viii) aireador de impulsor (IA) y

(ix) aireador de chorro de aire (AJA) (Figura 1).

En la Tabla 1, se muestra sus características.

Método para evaluar la tasa de transferencia de oxígeno estándar y la eficiencia de aireación estándar de un sistema de aireación

En general, para evaluar el rendimiento de un aireador se utilizan la tasa de transferencia de oxígeno estándar (SOTR, por sus siglas en inglés) y la eficiencia de aireación estándar (SAE).

La tasa estándar de transferencia de oxígeno se define como la transferencia de oxígeno por unidad de tiempo para un cuerpo de agua en condiciones estándar. Mientras que la eficiencia de aireación estándar es un mejor parámetro de rendimiento comparativo que SOTR, que se define como la tasa estándar de transferencia de oxígeno por unidad de entrada de energía al aireador.

Estimación de la demanda total de oxígeno

La demanda total de oxígeno (TOD, por sus siglas en inglés) en estanques acuícolas depende de las especies cultivadas, así como de la calidad del agua. En el estudio se empleó un cultivo estándar de carpa de la India (IMC) denominada, catla (Catla catla), rohu (Labeo rohita) y mrigal (Cirrhinus mrigala) con una proporción de 4:3:3. Los diferentes parámetros del cultivo se presentan en la Tabla 2.

Condiciones del estanque

La eficiencia de aireación y el número de aireadores requeridos dependen directamente de las condiciones de calidad del agua que incluyen principalmente la temperatura del agua, T; Factores α y β, concentración inicial de DO en el agua del estanque (CP) y volúmenes de agua del estanque.

Los valores típicos de temperatura (T), α y β se eligieron como 25°C, 0.95 y 0.90, respectivamente. La concentración de saturación de oxígeno disuelto (Cs), se consideró de 8.26 mg/L a 25°C. CP (1, 2 y 3 mg/L) así como los volúmenes de agua del estanque (500, 1000, 2000, 3000, 5000, 8000 y 10,000 m³ con profundidad de agua de 1.0 m) fueron variados para evaluar el costo del ciclo de vida para los diferentes aireadores.

Estimación del costo de capitalización total del sistema de aireación (C_C)

Los valores de costos de capital y la vida útil de los diferentes aireadores se presentan en la Tabla 3. Se asumió que los valores de la tasa de interés bancaria, la fracción de mantenimiento, la fracción de salvamento y la fracción de reserva de los aireadores eran 12%, 0.07, 0.10 y 0.75 respectivamente.

La tasa de electricidad se tomó como Rs. 4.72/ kWh. Suponiendo un periodo de cultivo de 190 días por año con 16 h de aireación por día, el total de horas anuales de aireación se calculó en 3,040 h.

“El costo de capital, el costo de reposición capitalizado, el costo de mantenimiento capitalizado y el costo de energía capitalizado se calcularon asumiendo la tasa de interés bancaria, la fracción de mantenimiento, la fracción de salvamento y la fracción de reserva.”

Luego, se calculó el costo total capitalizado de los nueve diferentes aireadores utilizando una ecuación de C_C que incluye los aspectos mencionados para diferentes valores de CP (1, 2, y 3 mg/L) y volúmenes de agua de los estanques (500, 1000, 2000, 3000, 5000, 8000 y 10,000 m³).

Se realizó una comparación económica entre los diferentes aireadores en función del costo total capitalizado. Finalmente, se recomendó el tipo óptimo de aireador con base en los valores de CP y los volúmenes de agua de los estanques.

Resultados

Costo capitalizado de los diferentes aireadores

El costo capitalizado de todos los aireadores se presenta en la Tabla 4. El aireador con el costo mínimo capitalizado a un particular CP y volumen de agua de estanque, se indica en negrita.

Se puede apreciar que para los volúmenes de agua menores a 2,000 m³, el costo de capitalización mínimo se logra con el aireador PPCSC, particularmente a bajos valores de CP (CP < 3 mg/L, condición crítica en caso de estanques de acuicultura intensiva).

Sin embargo, en volúmenes de estanque de agua más altos (más de 2,000 m³) y CP ≥ 3 mg/L, es preferible el aireador IA. La idoneidad de varios aireadores para diferentes valores de CP (mg/L) y volúmenes de agua de los estanques (V) en función del costo mínimo capitalizado se presenta en la Tabla 5.

Se puede observar que, el aireador PPCSC puede ser considerado como el más adecuado (arroja el costo capitalizado más bajo), para las siguientes combinaciones:

(i) CP = 1 mg/L y V ≤ 2,100 m³,

(ii) CP = 2 mg/L y V ≤ 2,800 m³ y

(iii) CP = 3 mg/L y V ≤ 1,800 m³.

Bajo otras situaciones, principalmente cuando el volumen de agua del estanque es mayor, el aireador IA demostró ser más adecuado. Es importante señalar que, en los sistemas intensivos de cultivo de peces, se ha convertido en una práctica común adoptar tamaños de estanques pequeños para un manejo apropiado del sistema de cultivo. Para este tipo de estanque, el aireador PPCSC es el indicado.

Análisis de sensibilidad

El costo capitalizado de los aireadores depende de varios parámetros, como las especies cultivadas, su demanda de oxígeno, las especies de planctónicos y bénticas, la densidad de población, las condiciones ambientales de los estaques acuáticos, incluyendo temperatura, CP y V.

“Además de CP y V, dos parámetros significativos que afectan la economía de los aireadores son la densidad de población de peces y el costo de capital del aireador porque tienen un impacto directo en los valores de C_C para los diferentes aireadores.”

En este análisis, se realizó la comparación solo con los dos aireadores de mejor rendimiento: PPCSC e IA.

Para evaluar el efecto de la densidad de población de peces en C_C, se realizó un análisis de sensibilidad para PPCSC y IA variando la densidad de población en ±20% para diferentes volúmenes de agua del estanque (V) de 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 8000 y 10,000 m³ y valores de CP (1, 2 y 3 mg/L).

Se puede concluir que cuando la densidad de población disminuye en 20%, el mejor aireador es PPCSC con V menores iguales a 2,000 m³ en todos los valores de CP. Los resultados para CP = 3 mg/L se muestran en la Figura 2.

Se calculó la variación del costo capitalizado debido a cambios en el costo de capital (±20%) de los aireadores a diferentes volúmenes de agua del estanque para valores de CP de 1, 2 y 3 mg/L. Los resultados para CP =3 mg/L se muestran en la Figura 3.

Se puede apreciar en las figuras que el aireador PPCSC tiene mejor rendimiento que el aireador IA hasta un volumen de V = 2,000 m³. Sin embargo, a valores más altos de V el rendimiento económico de IA es mejor.

El enfoque de costo del ciclo de vida para la selección de aireadores puede ser aplicado para cualquier tipo de sistema de cultivo. No obstante, los parámetros de entrada relacionados con el cultivo de especies acuáticas específicas deben modificarse, para luego calcular y comparar el costo capitalizado para diferentes aireadores.

Conclusiones

Se ha desarrollado un marco para el análisis económico comparativo entre diferentes aireadores para su uso en estanques acuícolas basado en el método de capitalización con enfoque en el costo del ciclo de vida. El análisis revela que:

(i) El aireador PPCSC es económicamente el más eficiente cuando el volumen de agua del estanque es inferior o igual a 2,100 m³ y el oxígeno disuelto en el estanque es críticamente bajo (inferior o igual a 3 mg/L).

(ii) Para volúmenes de agua de estanque superiores a 2,100 m³, IA es el aireador más adecuado seguido por PWA, PPCSC y otros aireadores.

(iii) El análisis de sensibilidad del costo de capital del aireador y la densidad de población sobre el costo capitalizado de los aireadores reveló que hasta 2,000 m³ de volumen de agua del estanque, el aireador PPCSC es económicamente mejor que el IA. No obstante, para volúmenes de estanque de agua más altos, IA funciona mejor en términos económicos.

Esta es una versión resumida desarrollada por el equipo editorial de Panorama Acuícola Magazine del artículo titulado “ECONOMIC FEASIBILITY STUDY OF AERATORS IN AQUACULTURE USING LIFE CYCLE COSTING (LCC) APPROACH” escrito por SUBHA M. ROY, RAJENDRA MACHAVARAM y C.K. MUKHERJEE Indian Institute of Technology Kharagpur, West Bengal, India; SANJIB MOULICK – Kalinga Institute of Industrial Technology (KIIT) Deemed to be University, Bhubaneswar, Odisha, India.
La versión original, incluyendo tablas y figuras fue publicada en NOVIEMBRE de 2021 en JOURNAL OF ENVIRONMENTAL MANAGEMENT.
Se puede acceder a la versión completa a través de https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114037