El cultivo de microalgas ha recibido mucha atención debido a sus posibles aplicaciones en diversas industrias, como los biocombustibles, los productos farmacéuticos y los nutracéuticos. Sin embargo, la optimización de la producción de microalgas a menudo requiere condiciones ambientales controladas, como los niveles de oxígeno disuelto (OD), el pH y la temperatura del agua.
Los científicos de Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE y de la Tarbiat Modares University (TMU) publicaron un estudio en la revista que Results in Engineering tuvo como objetivo desarrollar un sistema acuavoltaico a pequeña escala y evaluar su impacto en estos parámetros en un estanque de canal abierto, mejorando así la productividad de las microalgas y generando energía limpia.
El potencial de la aquavoltaica
La aquavoltaica ofrece un enfoque prometedor para abordar los desafíos que enfrenta la industria de la acuicultura. La acuavoltaica utiliza la superficie de los cuerpos de agua para instalar paneles fotovoltaicos (PV), lo que permite la producción simultánea de electricidad y productos acuáticos. Este enfoque dual puede satisfacer significativamente las necesidades de agua, alimentos y energía de las comunidades.
Al integrar la tecnología fotovoltaica en la acuicultura, la industria puede reducir su dependencia de los combustibles fósiles, disminuir los costos operativos y mejorar la sostenibilidad. Los beneficios clave de la aquavoltaica incluyen:
- Consumo de energía reducido: Los paneles fotovoltaicos pueden generar energía limpia para alimentar las instalaciones de acuicultura, lo que reduce la dependencia de los combustibles fósiles y disminuye los costos operativos.
- Mejor calidad del agua: El sombreado que proporcionan los paneles fotovoltaicos puede ayudar a regular la temperatura del agua, reduciendo la evaporación y mejorando la calidad del agua.
- Mayor productividad: El entorno controlado creado por los sistemas acuavoltaicos puede optimizar las condiciones para el crecimiento de los organismos acuáticos, lo que conduce a una mayor productividad.
- Reducción de la huella de carbono: Al generar energía renovable y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, la acuavoltaica contribuye a la mitigación del cambio climático.
Factores clave que afectan el rendimiento de los sistemas acuavoltaicos
Varios factores influyen en el rendimiento de los sistemas acuavoltaicos, entre ellos:
- Profundidad y calidad del agua: La profundidad y la calidad del cuerpo de agua pueden afectar la eficiencia de los paneles fotovoltaicos y el crecimiento de los organismos acuáticos.
- Diseño y orientación de los paneles fotovoltaicos: El diseño y la orientación de los paneles fotovoltaicos pueden influir en la producción de energía y los efectos de sombreado.
- Especies y prácticas de acuicultura: El tipo de organismos acuáticos cultivados y las prácticas agrícolas específicas pueden afectar el rendimiento general del sistema.
Metodología
Los investigadores emplearon una metodología de superficie de respuesta (MSR) con un diseño compuesto central (DCC) para investigar los efectos de la velocidad de rotación de la rueda de paletas, la profundidad del agua y el tiempo de respuesta en los niveles de OD en el estanque de canal.
Los experimentos se llevaron a cabo durante un período de dos semanas, variando los parámetros dentro de rangos predeterminados. El OD, el pH, la temperatura del agua y las zonas muertas se monitorearon durante todo el estudio.
Resultados y discusión
Los resultados del estudio revelaron una correlación significativa entre la velocidad de rotación de la rueda de paletas y la profundidad del agua en la influencia de los niveles de OD. El aumento de la velocidad de rotación a profundidades de agua adecuadas controló eficazmente las concentraciones de OD, con un máximo de 6,94 mg/L alcanzado a 25 cm de profundidad de agua y 20 rpm.
La mejora en los niveles de OD se atribuye a una mayor circulación del agua, que promueve la difusión del oxígeno. Además, las velocidades de rotación más altas redujeron las zonas muertas del 21,05 % al 9,16 %, mejorando así el entorno de crecimiento general para las microalgas.
Si bien el estudio demostró la eficacia de los sistemas aquavoltaicos para optimizar la producción de microalgas, también destacó la importancia de una gestión cuidadosa de los parámetros. Las velocidades de rotación más bajas y las profundidades de agua más profundas podrían conducir a una disminución de los niveles de OD y pH, lo que podría obstaculizar el crecimiento de las microalgas. Además, el análisis económico reveló un ligero aumento en los costos de producción de espirulina con el sistema no aquavoltaico debido a la dependencia de la electricidad no solar.
Análisis económico
El análisis económico del estudio reveló que el sistema aquavoltaico es más rentable que los sistemas tradicionales no aquavoltaicos. Se descubrió que el costo de la espirulina producida con el sistema aquavoltaico era de 0,4975 USD/g a una tasa de interés del 5 % y de 0,331 USD/g a una tasa de interés del 10 % en el quinto año, en comparación con 0,5445 USD/g con el sistema no aquavoltaico.
Implicancias para la industria del cultivo de microalgas
Los hallazgos del estudio tienen implicaciones significativas para la industria de la acuicultura, destacando el potencial de la energía acuavoltaica para aumentar la producción de microalgas y reducir los costos de producción.
Si bien la energía acuavoltaica ofrece un potencial significativo, existen desafíos que abordar, entre ellos:
- Costos de inversión inicial: La inversión inicial para instalar sistemas acuavoltaicos puede ser alta.
- Avances tecnológicos: Se necesitan más investigaciones y desarrollos para optimizar el diseño de los sistemas y mejorar la eficiencia.
- Apoyo político: Las políticas e incentivos gubernamentales pueden desempeñar un papel crucial en la promoción de la adopción de la energía acuavoltaica.
Conclusión
La investigación destaca el potencial de los sistemas aquavoltaicos para mejorar la producción de microalgas y reducir los costos asociados. Al optimizar parámetros clave, como la velocidad de rotación de las ruedas de paletas y la profundidad del agua, es posible crear condiciones favorables para el crecimiento de las microalgas y, al mismo tiempo, generar energía renovable.
Los investigadores concluyen que es necesaria una mayor optimización entre la producción de energía y la sostenibilidad ambiental para aprovechar al máximo los beneficios de la energía acuavoltaica. De esta forma, los estudios futuros deberían explorar los impactos a largo plazo de los sistemas aquavoltaicos en la productividad de las microalgas, la sostenibilidad ambiental y la viabilidad económica.
Contacto
Shiva Gorjian
Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE,
Heidenhofstraße 2, 79110, Freiburg im Breisgau, Germany.
Email: shiva.gorjian@ise-extern.fraunhofer.de, Gorjian@modares.ac.ir
Referencia (acceso abierto)
Hamedani, H. P., Gorjian, S., Ghobadian, B., & Mokhtarzadeh, H. (2024). Development and experimental performance evaluation of a small-scale aquavoltaic system for microalgae production. Results in Engineering, 24, 102919. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102919
