Cómo reducir el consumo de electricidad en sistemas RAS sin comprometer la salud de los peces

Puntos clave

• El desafío energético: Los sistemas de recirculación acuícola (RAS) reciclan hasta el 99% del agua; sin embargo, consumen entre 1,4 y 1,8 veces más electricidad que las granjas de flujo abierto, principalmente por la operación continua de los aeradores.
• Innovación tecnológica: Investigadores en Japón desarrollaron un sistema de control inteligente que automatiza la activación de los aeradores según la demanda real de oxígeno de los peces y la disponibilidad de energía renovable.
• Resultados verificados: La aplicación logró reducir en un 17,8% el consumo anual de electricidad y un 31,9% las emisiones de CO₂, manteniendo los niveles de oxígeno disuelto dentro de márgenes de seguridad estrictos.
• Resiliencia ante emergencias: En un ensayo de corte eléctrico de 72 horas (simulando un tifón), el sistema inteligente mantuvo la oxigenación adecuada usando una sola batería. En contraste, el control convencional agotó la reserva, dejando el sistema sin oxígeno seguro durante 17 horas.
• Lección operativa: Optimizar con precisión los umbrales de oxígeno otorga una flexibilidad operativa equivalente a multiplicar por 5 o 10 la capacidad de almacenamiento en baterías, a una fracción del costo.

Son las tres de la madrugada y el tifón entra por el este. En una granja de mero malabar en Okinawa, el operador solo puede observar el medidor de oxígeno: la red eléctrica colapsó hace horas. Los aireadores, que normalmente operan sin descanso, dependen ahora de una batería que se agota minuto a minuto. Él conoce bien la ecuación: si el oxígeno disuelto en el tanque cae por debajo del umbral crítico, no perderá unos cuantos ejemplares; perderá la producción entera antes del amanecer.

Esa escena —el apagón, la batería agotándose y el reloj corriendo contra la asfixia de los peces— sintetiza la principal vulnerabilidad de una tecnología llamada a liderar el futuro de la acuicultura sostenible. Los sistemas de recirculación acuícola reciclan casi la totalidad del agua, contienen los nutrientes y garantizan una producción en condiciones controladas. Sin embargo, ese nivel de control tiene un alto costo energético que muchos productores no logran asumir.

Un estudio recién publicado en la revista Sustainable Energy Technologies and Assessments propone una solución concreta a este doble desafío: reducir el consumo eléctrico diario y mitigar la vulnerabilidad ante cortes de energía, sin exigir inversiones adicionales en equipamiento. La premisa es clara: dejar de operar el aireador de forma continua y gestionarlo como un recurso flexible que se activa únicamente cuando la biomasa lo requiere.

Por qué el aerador es el principal consumidor de energía en un sistema RAS

Cualquier operador de un sistema de recirculación acuícola lo comprueba en su factura eléctrica: las bombas de circulación, los biofiltros y, de forma crítica, los aeradores operan de manera ininterrumpida. La práctica habitual en el sector —mantener la aireación encendida las 24 horas del día— responde a un temor plenamente fundamentado: el oxígeno disuelto es el recurso que primero se agota y el parámetro donde nadie desea asumir riesgos, pues un fallo de pocas horas basta para descapitalizar una producción.

El inconveniente radica en que esta estrategia de operación continua ignora la dinámica biológica del sistema. Los peces no consumen oxígeno a una tasa constante; su demanda fluctúa en función de la biomasa total, la ración alimenticia suministrada y la etapa del ciclo de cultivo. En consecuencia, durante gran parte de la jornada el equipo trabaja con sobrecapacidad, consumiendo electricidad para mantener concentraciones de oxígeno superiores a las requeridas en ese momento.

Por años, la alternativa habitual consistió en aplicar esquemas de aireación intermitente (como ciclos fijos de ocho horas de encendido y ocho de apagado). Si bien este método reduce los costos operativos, lo hace a ciegas. El estudio evidencia que dicha estrategia, aunque disminuye la factura energética, sitúa la concentración de oxígeno por debajo del límite de seguridad durante casi 3000 horas al año, un nivel de riesgo inaceptable para la producción acuícola comercial.

La pieza que faltaba: enseñar al sistema a estimar el consumo de oxígeno por especie

Aquí radica el aporte fundamental de los investigadores de la University of the Ryukyus y la Saitama University. En lugar de programar la aireación mediante temporizadores fijos, desarrollaron un modelo predictivo que estima el consumo de oxígeno en el tanque para las horas siguientes y gestiona el aerador en consecuencia.

Para calibrar el modelo, el equipo realizó mediciones de laboratorio a nivel individual. La investigación se llevó a cabo con mero malabar (Epinephelus malabaricus) —especie de alto valor comercial en el sudeste asiático— en las instalaciones del Nakagusuku Aquaculture Innovation Center (NAICe) en Okinawa. Tras monitorear la tasa de respirometría en tanques cerrados durante periodos de ayuno y posterior a la alimentación, cuantificaron un patrón crítico: el consumo de oxígeno se incrementa drásticamente tras la ingesta de alimento y escala proporcionalmente con el crecimiento del pez.

Con estos parámetros, los autores formularon una ecuación que correlaciona el peso individual, la densidad de siembra y la tasa de alimentación con los requerimientos futuros de oxígeno disuelto. Cabe destacar un importante matiz de rigor científico: los investigadores señalan que la respiración de los peces responde a una relación alométrica más compleja respecto a la masa corporal. Sin embargo, dado que los ejemplares ingresan a las instalaciones RAS en etapas cercanas a la talla comercial, una aproximación lineal ofrece una precisión predictiva equivalente dentro de ese intervalo. Se trata de un enfoque pragmático que transforma una ecuación teórica en una herramienta verdaderamente operativa para el productor.

La gestión del oxígeno como sistema alternativo de almacenamiento energético

Con este modelo predictivo de consumo, los investigadores integraron la información en un controlador de optimización que opera con un horizonte de proyección a cuatro días. El algoritmo cruza tres variables críticas: la demanda biológica de oxígeno de los peces, la previsión de generación solar y eólica, y las tarifas eléctricas vigentes. Con base en estos parámetros, el sistema determina la programación óptima de la aireación.

La innovación principal radica en la gestión de los excedentes de energía renovable. Cuando la radiación solar o el viento alcanzan su punto máximo y la batería principal está completamente cargada, el sistema aprovecha el exceso energético para intensificar la aireación y elevar la concentración de oxígeno en el tanque hasta niveles cercanos a la saturación. Este volumen adicional queda disuelto en la columna de agua. Posteriormente, durante periodos sin generación renovable, el controlador interrumpe la operación del aerador durante horas, permitiendo que la biomasa consuma la reserva acumulada.

De este modo, el propio tanque actúa como un almacenamiento energético complementario sin costo de capital. En lugar de almacenar electricidad, almacena oxígeno disuelto, mitigando la intermitencia de las fuentes renovables de forma tan efectiva como un banco de baterías convencional.

Los datos respaldan este enfoque: en comparación con la aireación continua, el sistema optimizado redujo el tiempo de operación del aerador casi a la mitad, disminuyó el costo eléctrico anual en un 32,1% e incrementó la cuota de energía renovable consumida del 46,7% al 55,8%. Todo ello garantizando que el oxígeno disuelto se mantuviera siempre por encima del umbral de seguridad de 3,5 mg/L.

Para los autores, esta estrategia representa una transformación fundamental en la gestión técnica del sector. «Nuestros resultados demuestran que los aeradores en una instalación acuícola no deben tratarse simplemente como cargas eléctricas fijas», señala el profesor asistente Akito Nakadomari, investigador de la Saitama University y autor de correspondencia del estudio. «Desde la perspectiva de los sistemas de potencia y energía, la clave reside en comprender cómo los procesos biológicos y operativos determinan el comportamiento de la demanda eléctrica. Al incorporar estas dinámicas en la gestión energética, es posible identificar y aprovechar una flexibilidad operativa que antes permanecía oculta. En esta investigación, el oxígeno disuelto funcionó como el nexo integrador entre la operación del aerador y la seguridad del cultivo, permitiendo coordinar la aireación con la generación renovable, el almacenamiento en baterías y la red eléctrica».

La prueba de fuego: 72 horas de interrupción energética por tifón

Retomemos la contingencia del tifón. El equipo de investigación no se limitó a simular un ciclo operativo ordinario; recreó el escenario más extremo tomando como referencia el tifón Tapah, que impactó Okinawa el 21 de septiembre de 2019. El modelo simuló la caída total de la red eléctrica durante 72 horas y la desconexión preventiva del aerogenerador para evitar daños estructurales, dejando la instalación dependiente de manera exclusiva del banco de baterías y la generación fotovoltaica.

Bajo el esquema convencional de aireación continua, el desenlace fue el esperado: la concentración de oxígeno descendió por debajo del umbral de seguridad en dos oportunidades, inicialmente durante 12 horas consecutivas y posteriormente durante 5 horas. Esta primera caída, por sí sola, habría provocado la mortalidad masiva de la biomasa. Para prevenir un evento crítico con la metodología tradicional, el productor tendría que duplicar la capacidad de almacenamiento en baterías, una inversión de capital difícil de justificar.

En contraste, el controlador inteligente gestionó la contingencia de 72 horas sin que el oxígeno disuelto cayera por debajo del límite de seguridad, operando con la misma capacidad de batería. Al priorizar el suministro energético hacia la aireación y suspender consumos secundarios, garantizó la supervivencia del cultivo sin requerir equipamiento adicional. En este escenario, la resiliencia operativa no provino de adquirir más infraestructura, sino de optimizar la toma de decisiones con los recursos disponibles.

La estrategia de inversión: optimizar el umbral de oxígeno resulta más rentable que ampliar el banco de baterías

Quizá la conclusión más valiosa para la toma de decisiones financieras en el sector provino del análisis de sensibilidad. El equipo de investigación evaluó el comportamiento del sistema al modificar dos variables clave: la capacidad de almacenamiento de la batería y el límite mínimo de oxígeno disuelto permitido.

El hallazgo resultó determinante: incrementar la capacidad de la batería de 0,1 a 1,0 kWh tuvo un impacto marginal en la reducción de emisiones de CO₂ y en la penetración de energía renovable. En contraste, ajustar el margen de seguridad de oxígeno a 3,5 mg/L generó un rendimiento equivalente a quintuplicar o decuplicar la capacidad de almacenamiento. En términos operativos, resulta considerablemente más eficiente definir con precisión el requerimiento térmico y metabólico real de la especie que incurrir en gastos de capital para almacenamiento energético adicional.

No obstante, los autores establecen un criterio de prudencia técnica: en especies afines, la mortalidad se incrementa drásticamente cuando la concentración de oxígeno cae por debajo de 1,4 mg/L. Por ello, fijaron el límite en 3,5 mg/L, un umbral de resguardo que absorbe posibles desviaciones en la instrumentación o en la modelación predictiva, asegurando una concentración media diaria óptima de 5,0 mg/L. Flexibilizar esta variable no implica comprometer la bioseguridad del cultivo, sino eliminar la sobreoxigenación innecesaria que encarece la factura eléctrica.

Del laboratorio al tanque comercial: escalabilidad y futuro de la gestión energética en la acuicultura

Conviene precisar el alcance del estudio: la investigación se desarrolló en un sistema piloto a escala reducida, equipado con paneles solares de 200 W, una turbina de 90 W y un tanque de 400 litros. Si bien los valores absolutos de ahorro variarán al escalar la tecnología a una granja comercial —aspecto que los propios autores señalan como la siguiente fase de su investigación—, la lógica fundamental permanece inalterable: cuantificar la fisiología real de la especie y emplear el oxígeno disuelto en la columna de agua como un amortiguador energético natural no depende de la dimensión de la infraestructura.

Este principio, según Nakadomari, trasciende la producción de mero. «La flexibilidad de un sistema puede incrementarse no solo añadiendo baterías u otro equipamiento, sino también comprendiendo los procesos que estructuran la demanda eléctrica», explica el investigador. «Este estudio utilizó el oxígeno disuelto para demostrar el concepto, pero la operación de un sistema RAS está gobernada por múltiples estados de proceso y requisitos operativos interconectados. Al incorporar estas interacciones en la gestión energética, buscamos identificar flexibilidad adicional sin comprometer una producción segura y confiable. El mismo principio podría extenderse a otras instalaciones esenciales reguladas por criterios de seguridad, calidad o servicio».

Retomemos una última vez el escenario de la granja bajo el tifón. Bajo el enfoque de este estudio, el operador no tendría que monitorear con angustia el medidor de oxígeno en medio de la madrugada, confiando en la capacidad restante de la batería. El controlador inteligente habría anticipado la interrupción energética con días de antelación, saturado el agua de oxígeno durante las horas de radiación solar y racionado cada vatio para preservar el insumo crítico para la supervivencia del cultivo. La misma infraestructura y el mismo banco de baterías, pero con una producción intacta al amanecer.

Contacto
Akito Nakadomari
Saitama University
255 Shimookubo, Sakura-ku, Saitama-shi, Saitama, 338-8570, Japan
Email: nakadomari@mail.saitama-u.ac.jp

Referencia (acceso abierto)
Nakadomari, A., Fukunaga, K., Ueda, S., & Senjyu, T. (2026). Optimization of renewable energy-integrated recirculating aquaculture systems under dissolved oxygen constraints. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 91, 105029. https://doi.org/10.1016/j.seta.2026.105029

Milthon Lujan

Editor de la revista digital AquaHoy. Biólogo Acuicultor titulado por la Universidad Nacional del Santa (UNS) y Máster en Gestión de la Ciencia y la Innovación por la Universidad Politécnica de Valencia, con diplomados en Innovación Empresarial y Gestión de la Innovación. Posee amplia experiencia en el sector acuícola y pesquero, habiendo liderado la Unidad de Innovación en Pesca del Programa Nacional de Innovación en Pesca y Acuicultura (PNIPA). Ha sido consultor senior en vigilancia tecnológica, formulador y asesor de proyectos de innovación, y docente en la UNS. Es miembro del Colegio de Biólogos del Perú y ha sido reconocido por la World Aquaculture Society (WAS) en 2016 por su aporte a la acuicultura.