Concha_Cerda_Madrid - FICH-UNL

ENFOQUE SISTÉMICO PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS ENERGÉTICOS
ACUÍCOLAS RESILIENTES
UNA DISCUSIÓN APLICADA AL CASO DE MARINE FARMS S.A., VALPARAÍSO,
CHILE
Marcelo Concha1, Claudia Cerda2, Aldo Madrid 3, Jeremy Kindseth1
1
Tebal Consultorías, mconcha@tebal.cl
2
Facultad de Ciencias Forestales y de Conservación de la Naturaleza, Universidad
de Chile, clcerdaj@uchile.cl
3
Marine Farms S.A. amadrid@marinefarms.cl
“La integración y la separación representan dos aspectos fundamentalmente
diferentes de la misma realidad, en el momento en que se rompe el todo se pierde
alguna de sus propiedades vitales” Ludwing Von Bertalanffy
RESUMEN. Los efectos combinados del crecimiento de la población y su demanda
por bienes y servicios han provocado un incremento exponencial de la producción
energética, y por consiguiente, de las emisiones de gases de efecto invernadero.
Estas emisiones promotoras del cambio climático han preocupado a la acuicultura la
que ha desarrollado -como la mayor parte de los sistemas productivos- soluciones
de carácter mecanicista y economicistas que son aplicadas uniformemente a
diferentes sistemas productivos. Este enfoque fragmentado no permite comprender
a la acuicultura como parte de un sistema natural mayor, escondiendo gran parte de
la complejidad de los flujos de energía y sus interdependencias sistémicas.
Marine Farms S.A, centro de producción acuícola, localizado en Valparaíso, Chile,
ha utilizado el enfoque sistémico para el desarrollo de un modelo de producción de
energía integral orientado a la resiliencia y baja emisión de carbono. Este modelo
está focalizado a la heterogeneidad de las fuentes, reducción del consumo,
sincronía, reciclaje y reuso de los residuos productivos y en la utilización de recursos
energéticos renovables disponibles en el paisaje ecológico donde la operación se
desarrolla.
Esta revisión discute el caso de Marine Farms S.A. y la necesidad e importancia de
desarrollar y aplicar modelos energéticos integrales basados en el enfoque sistémico
que consideren las operaciones e instalaciones como parte de un ecosistema, de
modo que la acuicultura puede tener una herramienta para mejorar su eficiencia
ecológica, su competitividad y su resiliencia.
ABSTRACT. The combined effects of global population growth and the steadily
increasing demand for goods and services has resulted in an exponential increase in
energy production and, consequently, an increase in atmospheric emissions of
greenhouse gases.
Aquaculture, also aware by the threat of climatic change, has developed -as almost
all traditional production systems- a set of mechanistic and economicist solutions that
are applied uniformly to different production systems. This fragmented approach
does not permit understanding the aquaculture as part of larger natural system,
hiding much of the complexity of energy flows and system interdependencies.
Marine Farms S.A., abalone farm located in Valparaíso, Chile, has used a systemic
approach to develop a comprehensive model of energy production for their
aquaculture operations oriented towards resilience and low carbon emission. This
model is focused on a diverse energy system, reduced consumption, recycling, reuse
of productive outputs and on the integration of resources available in the ecological
landscape where operations take place.
This review discuss the Marine Farms S.A. case and the need and importance of
developing and applying comprehensive energetic models based on a systemic
approach that considers the facilities and operations as part of ecosystem, so then
the aquaculture will have tools to improve its ecologic efficiency, market
competiveness and the resilience if its own systems as well.
INTRODUCCIÓN
Los efectos combinados del crecimiento de la población y el constante incremento
en la demanda de bienes y servicios ha provocado un incremento exponencial de la
producción alimenticia y energética, y, por consiguiente, de las emisiones
atmosféricas de gases de efecto invernadero (GEI), causando en palabras del
economista Richard Stern (2006), el mayor y más generalizado fracaso del mercado
–el cambio climático-.
Este fenómeno ha llevado a cuestionar los modelos energéticos utilizados por toda
la actividad productiva, incluida la acuicultura. Modelos desarrollados bajo criterios
economicistas, que se han transformado en soluciones uniformes, homogéneas y
poco específicas. Este enfoque de desarrollo, de carácter mecanicista, ha dificultado
la integración de variables medioambientales en los sistemas energéticos y
productivos. . Ocultando la complejidad de la operación acuícola como parte de un
ecosistema.
Como forma de integrar la complejidad ambiental en la operación, desde 2007,
Marine Farms S.A., con su centro de producción acuícola instalado en Laguna
Verde, Valparaíso, ha diseñado y, desarrollado un sistema energético utilizando el
enfoque sistémico, orientado a la resiliencia y la reducción de emisiones. Sistema
centrado en la heterogeneidad energética, reciclaje y reuso de los desechos
productivos y la utilización de las energías primarias disponibles en el paisaje
ecológico de punta Curaumilla en Laguna Verde.
En la revisión presente revisión se discute brevemente la aplicación del enfoque
sistémico para la conceptualización, diseño, desarrollo y optimización de sistemas
de energía en la industria acuícola, preferentemente en los cultivos marinos en
tierra.
ENFOQUE SISTÉMICO
La teoría general de los sistemas (TGS) es un método de aproximación y
entendimiento sistemático y científico de la realidad, caracterizada por la
comprensión de las interacciones de sus componentes y la no linearidad de éstas
(McNeill y P. Freiberger 1993). Esta teoría, atribuible a Ludwing Von Bertalanffy,
nace de la inaplicabilidad de los enfoques analítico/reduccionistas y sus principios
mecánico/causales en estudios sobre fenómenos biológicos (Arnold & Rodríguez,
1990). Posteriormente, este enfoque avanzó hacia la comprensión de sistemas de
diversa naturaleza: mecánicos, químicos, sociales, productivos, etc.
La intrínseca relación entre el sistema natural y los sistemas productivos en de la
acuicultura, ofrece una oportunidad para el uso de conceptos y metodologías
provenientes de la TGS para el desarrollo de sistemas acuícolas. Su perspectiva
holística e integradora, y las relaciones y los conjuntos que a partir de ellas emergen,
permiten apuntar definir hacia el desarrollo de objetivos sistémicos en el diseño de
los mismos.
RESILIENCIA
En 1973, Crawford Holling introduce por primera vez el concepto de resiliencia en la
literatura ecológica como una forma para comprender las dinámicas y los procesos a
través de los cuales los ecosistemas se auto-mantienen y persisten frente a
perturbaciones y cambios (Holling, 1973). Asbjornslett y Rausan (2003) describen la
resiliencia como la habilidad de los sistemas para resistir desórdenes. Peck (2005),
por su parte, la define como la habilidad de los sistemas para retornar a sus estados
originales o moverse a uno nuevo, más deseable, después de ser perturbado. De la
misma forma que el enfoque sistémico el concepto de resiliencia posteriormente ha
sido utilizadao por diferentes disciplinasciencias.
DISEÑO DE SISTEMAS RESILIENTES
Resilience Alliance (2010) -grupo multidisciplinario que investiga adaptación de
sistemas complejos- desarrolló una metodología de 5 etapas para desarrollar,
evaluar e implementar sistemas resilientes. Como primer lugar, se requiere una
descripción detallada del sistema. En este punto, es relevante determinar los
objetivos del mismosistema. Se debe responder preguntas esenciales como ¿qué es
y qué no es el sistema?, ¿Cómo se define?, ¿Cuáles son sus principios éticos? y
¿Cuáles son sus propósitos y pretensiones? Aunque parezcan preguntas sencillas,
se traducen en respuestas esenciales para evitar confusión y ambigüedad en el
desarrollo de sistemas (Gallopin, 2003). En segundo lugar, se debe estudiar la
dinámica del sistema y su comportamiento frente al cambio. Según Brooks (1992) no
pueden existir sistemas en equilibrio estático. Permanentes modificaciones
ecosistémicas, avances tecnológicos y cambios sociales hacen del desarrollo de
sistemas y su sustentabilidad un proceso dinámico (Froger y Zyla, 1998). .
En tercer lugar, se debe simular y proyectar respuestas, ante crisis internas y/o del
entorno, considerando escenarios complejos, probables y cambiantes.
Adicionalmente, un elemento relevante para evaluar y desarrollar la resiliencia del
sistema es su vinculación y compatibilidad con las dinámicas y oportunidades del
entorno tecnológico, económico y social. Finalmente, la última etapa, trata del
diseño, la evaluación y la implementación del sistema. Metodológicamente, se trata
de un proceso siempre iterativo que procede, como se señaló, de una reflexión y
decisión para cada etapa y requiere, inevitablemente, de retroalimentación
permanente y, en ocasiones, de revisión completa del sistema y sus objetivos.(Fig.
2)
Figura 2. Diseño sistemas resilientes (adaptado de Resilience Alliance (2010))
MARINE FARMS Y SU PAISAJE ECOLÓGICO:.
Marine Farms S.A. es una empresa dedicada al cultivo de semillas de abalón,
producción de carne abalón orgánico, investigación aplicada y eculturismo marino.
Su hatchery de abalón y las instalaciones marinas de investigación marina están
localizadas en la Región ciudad de Valparaíso, en la localidad de Laguna Verde,
específicamente en la península de Curaumilla, a 120 minutos de Santiago. (Fig. 3 y
4). El hatchery posee una capacidad instalada para la producción de 500.000
semillas de abalón rojo (Haliotis rufescens), las que posteriormente son enviadas a
Chiloé para la engorda y exportación.
Figura 3. Ubicación Geográfica nivel nacional-comunal Marine Farms S.A
Figura 4. Fotografía e imagen satelital instalaciones Marine Farms S.A.
La península de Curaumilla corresponde a un horz provocado por fuerzas tectónicas
y presenta un alto grado de exposición oceánica. Forma parte del Macrobioclima
templado mediterráneo, característico la zona central de Chile. (Amigo y Ramírez
1998, Luebert y Pliscoff 2006). Presenta una marcada estacionalidad de
precipitaciones. Entre los meses de mayo a septiembre se produce el 90.9 % del
total, con una media de 351 mm. Y entre los meses de mayo a septiembre, el 9.1%
restante con una media de 36.6 mm. Siendo febrero el mes más seco (0.03 mm)
(Marek et al, 2010).
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4
4
m/s
m/s
Las temperaturas promedio son de 12,3ºC, desde mayo a septiembre y 15,3ºC
desde octubre a abril. La baja amplitud térmica entre los meses de invierno y verano
se debe a la gran nubosidad asociada a la humedad aportada por las masas de aire
provenientes desde el océano, provocando nieblas y lloviznas (Marek et al, 2010).
La condición oceánica de Curaumilla, permite la disposición de fuertes y estables
vientos desde el Sur. Los valoresas velocidades más bajosmenores de velocidad de
viento, se encuentran producen en los meses de otoño/invierno, cuando el Anticiclón
del Pacífico se presenta menos desarrollado. Las velocidades más altas se
producen en los meses estivales periodo en que el Anticiclón presenta su mayor
desarrollo geográfico. AdicionalmentePor otra parte, La la velocidad del viento
horaria aumenta al atardecer aproximadamente desde las 18 horas y disminuye al
anochecer, según mediciones realizadas desde 2007 a 2010 insitu a 12 m de altura,
con presión atmosférica de 1.009,9 mbar y Tº promedio 14,3ºC. (Marek et al, 2010)
(Fig 5).La presión atmosférica media, entre 2007 y 2010 fue de 1.009,9 mbar.
(Marek et al, 2010)
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(a)
(b)
Figura 5: (a) Velocidad del viento promedio mensual (b) Velocidad del viento
promedio horaria.
Por su parte, la intensidad de la irradiación solar total, de acuerdo a monitoreos
horizontales realizados in situ, por la empresa, alcanza su mayor valor en el mes de
enero, con un promedio de 144,4 KWh/m2, mientras que la radiación horaria superior
se logra a las 12 h, con 536 W/m2 (Fig. 6) (Marek et al, 2010)
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hora sol del día
(b)
(a)
Figura 6. Irradiación solar total (a) mensual y (b) horas de sol. Datos promedio
(2007-2010)
En cuanto al suelo, la zona está ubicada en la serie de suelos Lo Vasquez, miembro
de la Familia franca fina, mixta, térmica de los Ultic Haploxeralfs (Alfisol) (CIREN,
1997). Se trata de suelos evolucionados derivados de rocas graníticas,
moderadamente profundos, de los cerros de la Cordillera de la Costa de Región
Central. De color pardo rojizo oscuro en el matiz 5YR y, textura franco arcillo
arenosa en la superficie, y arcillosa en profundidad. La profundidad efectiva del
suelo promedio en el área del cultivo varía entre 50 y 100 cm. La temperatura media
anual del suelo se estima que fluctúa entre 15 y 16º C. (Rodríguez, 2010)
Los elementos vegetacionales asociados a punta Curaumilla, corresponden según
Gajardo (1994), cuyo enfoque es fisonómico-estructural, al Bosque Esclerófilo
Costero. Esta formación contiene elementos esclerófilos y laurifolios insertos en un
paisaje muy alterado (Fig 7). Las comunidades vegetacionales frecuentes del
Bosque Esclerófilo Costero corresponden a Cryptocarya alba -Schinus latifolius ,
Lithrea caustica -Peumus boldus y Beilschmiedia miersii -Crinodendron patagua.
Desde un enfoque bioclimático vegetacional, la definición de pisos de vegetación de
Luebert y Pliscoff (2006) propone que dicha área se encontraría inserta en el de
bosque esclerófilo mediterráneo costero de Lithrea caustica y Cryptocarya alba.
(b)
(a)
Figura 7. (a) Límite entre matorral arborescente costero y plantación forestal (b)
Bosque laurifolio y plantación forestal
En la actualidad en la península de punta Curaumilla es posible observar extensas
áreas de plantaciones de Pinus radiata y Eucalyptus globelus, que le han ido
quitando terreno al matorral y bosque nativo (Fig. 7). Esta situación ha cambiado
perturbado el hábitat natural de varias especies faunísticas, las que han disminuido
del área o han debido alterar sus hábitos o lugares de habitación. Tal es el caso de
aves como la codorniz, la turca, el tapaculo, tenca, diuca, loica y charcán, roedores
como el cururo, el marsupial yaca, reptiles como culebra de cola larga, lagarto
chileno y lagartija lemniscata, además de mamíferos como el zorro chilla y el coipo.
MARINE FARMS S.A., SU SISTEMA ENERGÉTICO
El diseño del sistema energético para el hatchery de Marine Farms S.A fue
desarrollado utilizando el enfoque sistémico y la metodología sugerida por
Resillience Alliance (2010). Una de las perspectivas fundamentales que se utilizó
para concebir el sistema productivo acuícola –Hatchery Marine Farms S.A - es
considerarlo como una componente del Sistema Natural y no al revés (Fig. 1). En
términos de la TGS, el sistema productivo es un subsistema del sistema natural,
representado, en este caso, por el concepto de paisaje ecológico de Laguna Verde,
parte de la totalidad.
Figura 1: Modelo conceptual Sistema Hatchery Marine Farms S.A
El primer paso, entonces, para el desarrollo del sistema energético es la definición
del sistema en términos de sus objetivos y propósitos. Los objetivos Ase relacionan
con cinco aspectos:
1) Uso de fuentes de energías autóctonas. Un recurso no autóctono puede llegar
a convertirse en un recurso incontrolado, en particular en el caso de la energía. De
este modo, se trata de favorecer recursos energéticos y dinámicas provenientes del
paisaje ecológico de Laguna Verde, abundante en energía eólica, solar y desechos
orgánicos de producción.
2) Heterogeneidad de fuentes de energía: Se trata de otorgar flexibilidad y
estabilidad al sistema, incrementando su capacidad de adaptación frente a cambios.
3) Almacenamientos energía. Se trata simplemente de generar transformar la
energía cinética consumida en el bombeo en energía potencial, acumulando agua de
mar en estanques y, por otro lado, almacenando electricidad desde fuentes locales.
Otorgando estabilidad y seguridad de abastecimiento de recursos y condiciones para
los procesos productivos del hatchery.
4) Sincronización energética Se trata de coordinar el consumo y la disposición
cíclica de la energía. En este sentido, se busca un sistema energético con actividad
y descanso periódico. Por ejemplo, sincronizando horarios de trabajo y descanso de
los operarios en función de la energía lumínica disponible. Optimizando las tasas de
recambio de agua estanques de cultivo con los requerimientos de los abalones.
5) Disminución de emisiones de carbono: Se busca disminuir las emisiones de
GEI favoreciendo el uso de generadores renovables locales. Basando, entonces, la
matriz de la empresa en gas natural, biogás, energía solar y eólica.
Una vez que se determinan los propósitos del sistema, se determinan las dinámicas
e interacciones del sistema, las cuales representan la etapa 2 y 3 de la metodología
señalada por Resilience Alliance (2010). En este sentido, se conceptualizaron las
interacciones en términos de flujos de energía desde la totalidad, al paisaje
ecológico y, desde este ecosistema al sistema productivo Hatchery Marine Farms
S.A, tal como se presenta en la Fig. 8.
Figura 8. Modelo conceptual de los flujos energéticos
Este modelo puede ser descrito de forma matemática a través de un set de 5
ecuaciones de balance e interacción energética:
(1) Et= (Epe+Etc+Dtp+Enu1)
(2) Etu= Etc+Etd+Eta+Etr+Enu3
(3) Epe=Etd+Eta+Etr+Enu2
(4) Dtp=Etu-(Os+Enu3)
(5) EDtp= EDr+Enu4
Finalmente, se desarrolla el diseño final detallado conceptual del sistema de energía,
dimensionando sus componentes, considerando cada una de las etapas anteriores,
los feedback recibidosde las etapas anteriores, más las consideraciones
provenientes del medio, la tecnología, las necesidades socioeconómicas y las redes
sociales disponibles (Fig. 9)
Figura 9: Diseño sistema energético hatchery Marine Farms S.A
Tal como puede verse en la Fig. 9, el sistema energético diseñado se presenta como
una red de interrelaciones en el sistema energético de Marine Farmssistémicas.
Existen cuatro inputs relevantes, marcados en color verde. Tres provienen
directamente del paisaje ecológico de Laguna Verde: Agua (de mar y dulce),
electricidad (transformada desde la energía eólica/solar)(Fig 10) y alimentos,
(fundamentalmente algas pardas para abalones y vegetales cultivados en la
operación para los operarios). El agua es convertida en energía potencial, a través
de su elevación y disposición en 3 estanques de agua de mar de 50.000 litros que
abastecen el total de la operación y tiene autonomía de 10 horas. 2 estanques
menores de agua potable para operarios de 1000 5.000 litros, con autonomía de 10
1,5 días.
Otro input relevante es el gas natural utilizado para el bombeo de agua de mar y
dulce. Este combustible es comprado a empresas distribuidoras de gas de
Valparaíso. El consumo mensual es de aproximadamente 150 900 kilogramos.
Por otro lado, están los outputs del sistema marcados en color azul. Se tienen los
residuos líquidos, estos antes de ser dispuestos en el mar, pasan por una serie de
acuarios demostrativos (Fig 10), que tienen por objetivo vincular la empresa con la
sociedad escolar. Posteriormente, las aguas residuales pasan por un sistema de
filtrado mecánico y biológico para ser dispuestos finalmente en el mar. Los residuos
sólidos orgánicos son dispuestos en un sistema de biodigestión, , el cual produce 10
kilos de biogás mensual utilizado para la cocina de los operarios y 35 kilos de
compost mensual, utilizado como abono -en un suelo de pobres características-,
para los cultivos de vegetales (Fig 10).
Figura 10: En la figura, Biodigestor anaeróbico, turbinas eólicas, paneles solares y
acuarios Marine Farms
Asimismo, se realiza una filtración para extraer las fecas de los abalones las cuales
son vendidas para la elaboración de productos cosméticos, considerando su alto
contenido de yodo y sales orgánicas. Finalmente, el output objetivo del sistema es la
producción de semillas de abalón para abastecer el mercado de engorda de
abalones en el Sur de Chile.
CONSIDERACIONES FINALES
El suministro de energía representa un factor clave en la factibilidad técnica y
económica de los proyectos acuícolas. Constituye, además, uno de los costos
variables de mayor importancia en la operación de la acuicultura (Pfeiffer, 2005) y es
el principal precursor de emisiones de gases de efecto invernadero.
Marine Farms S.A, empresa con una unidad de negocio dedicada al cultivo del
abalón, considerando tales motivos, decide desarrollar un sistema energético, que
permita generar resiliencia y estabilidad a su operación y disminuya sus emisiones
de carbono, en una localidad donde no existe conexión eléctrica y se permanece
aislado durante parte del invierno.
Para el logro de estos objetivos, Aquí debe hacer una discusión respecto el estudio
de caso en laguna verde.La producción de energía es uno de los costos variables de
mayor importancia en las instalaciones acuícolas. (Pfeiffer, 2005) y uno de los
principales responsables de la emisión de gases de efecto invernadero,
consecuencia del cambio climático.
Eel entendimiento sistémico de las relaciones, y flujos de energía entre los
componentes del sistema productivo acuícola y su entorno ambiental y su entorno,
generalmente aislado de las urbes, ha demostrado facilitar el uso de los recursos
energéticos disponibles y, por consiguiente, heterogeneizar la matriz de suministro
energético, otorgando robustez y flexibilidad al sistema frente a fallas y frente a
usuales aumentos de precios de combustibles fósiles. Asimismo, ha permite permite
la adaptación e incorporación de tecnologías en formas de componentes nuevos en
el entendido de complementación de un sistema ya integrado, con claros objetivos
sistémicos.
De esta manera general, entonces, para disminuir incertidumbres de abastecimiento
y favorecer la estabilidad de la producción, los sistemas energéticos acuícolas
deberían basarse, primeramente, en recursos del paisaje ecológico. En la medida
que este abastecimiento provenga de fuentes diversas y heterogéneas las
incertidumbres se verán deben ver considerablemente cada vez más disminuidas.
Adicionalmente, esta distribución de suministro permitirá corregir fallas e incorporar
tecnologías por el simple con cambios de componentes, preservando los objetivos
del sistema. Por otro lado, lLa sincronización energética, por su parte, como gestión
de consumo, permite una notable disminución en costos en electricidad y
participación de los operarios en el modelo de desarrollo energético. El reciclaje de
desechos orgánicos de la producción facilita la gestión de residuos y reduce costos
de traslado de basuras hacia vertederos.
Por estas razones, es posible señalar que el enfoque sistémico, es apropiado para
desarrollar soluciones integrales orientadas hacia la resiliencia de los sistemas
energéticos, la reducción de emisiones, la eficiencia del sistema productivo en su
totalidad y la generación de nuevas unidades de negocio rentabilizando la operación.
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