DESARROLLO DE UN PROGRAMA DE CÁLCULO ESTRUCTURAL PARA JAULAS
ACUÍCOLAS CIRCULARES
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA NAVAL Y OCEÁNICA Máster en Ingeniería Naval y Oceánica
Trabajo Fin de Máster
Autor:
Guillem Larred Plaza Director:
Dr. José Enrique Gutiérrez Romero
Cartagena, Septiembre 2021
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Quisiera agradecer a todas aquellas personas que, de una manera u otra, han contribuido a que este trabajo saliera adelante, ya fuera a través de tutorías a distancia ofreciendo apoyo técnico, como en casa dando apoyo emocional y facilitando increíblemente el arduo camino a la meta. Es por ello que, con especial mención, quiero agradecer a mi tutor José Enrique las horas invertidas en hacerme de Virgilio en este viaje lleno de obstáculos, los cuales me impedían avanzar con seguridad hacía los objetivos de este proyecto.
Mi experiencia en hacer trabajos que requieren tanta dedicación, como el Trabajo Fin de Máster, me ha enseñado que, aunque se empiecen con mucha ilusión, siempre hay momentos en los que uno siente estos como losas de hormigón, bien porque se está encallado en un punto del trabajo o bien porque, el trabajo, se ha dilatado tanto que el interés se va desvaneciendo. Pero al final es tu creación y, esa ilusión depositada al inicio te hace ser perfeccionista y cuidar de que salga lo mejor posible. Para esos momentos tediosos del trabajo, quiero agradecer a mi Madre el apoyo de primer nivel que me ha dado, que no es otro distinto al que siempre he recibido. Gràcies.
El TFM es más que 12 créditos y el desarrollo de un proyecto, significa el cierre de una etapa, y no una cualquiera. Significa el cierre de dos años viviendo en una ciudad distinta a 632 km. del hogar, una situación donde la fuerza de interacción humana, como la gravedad, te empuja a conocer gente nueva, a salir de tu burbuja de confort y adentrarte en la cultura del lugar ¡y qué gente más buena! ¡y que cultura más rica! he disfrutado, así que quiero agradecer a la ciudad de Cartagena y a sus gentes, tanto a los que son autóctonos como los que no, aquellos con los que me he cruzado en este viaje, que me hayan abierto sus puertas, Gracias. Y, especialmente, quiero agradecer a un grupo de chiquillos del sur que me hayan dejado compartir esta experiencia con ellos a pesar de no haber nacido en el Atlántico, pues sin ellos, todo esto no habría tenido color.
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Agradecimientos ... iii
Índice de figuras ... ix
Índice de tablas ... xix
Resumen ... xx
Abstract ... xxi
Introducción ... 23
1.1 Objetivos y alcance del proyecto ... 23
1.2 Motivaciones socioeconómicas ... 25
1.2.1 Estado de la acuicultura a nivel internacional ... 25
1.2.2 Estado de la acuicultura a nivel nacional... 31
Clasificación de los sistemas utilizados para el cultivo acuícola ... 39
2.1 Sistemas de recirculación ras ... 39
2.2 Sistemas abiertos ... 43
2.3 Cultivos verticales ... 45
2.3.1 cultivos en estacas “bouchots” ... 45
2.3.2 cultivo en long-lines ... 46
2.3.3 cultivo en bateas ... 48
2.4 Cultivos en jaulas flotantes ... 52
2.4.1 jaulas flexibles de pead ... 52
2.4.2 jaulas semi cerradas ... 54
2.4.3 jaulas articuladas metálicas ... 55
2.4.4 buques de cultivo ... 56
2.4.5 plataformas oceánicas ... 57
2.4.6 jaulas sumergibles ... 58
Jaulas circulares de PEAD... 65
3.3 Bracket ... 69
3.4 Plomado ... 72
La red pesquera ... 75
4.1 Material ... 75
4.2 El hilo ... 77
4.3 Características de la red... 79
4.4 Diseño de la red ... 83
Método de los elementos finitos aplicado a redes de pesca ... 85
5.1 Estado del arte ... 85
5.1.1 modelo estructural ... 85
5.1.2 modelo hidrodinámico ... 86
5.2 Método de elementos finitos con elementos triangulares (d. priour, 2013) . 87 5.2.1 objetivos ... 87
5.2.2 introducción ... 88
5.2.3 discretización de una estructura de red ... 89
5.2.4 teoría del modelo estructural ... 90
5.2.5 análisis del modelo estructural ... 103
5.2.6 resolución por el método de newton-rapshon ... 111
5.2.7 teoría del modelo hidrodinámico ... 115
Desarrollo del código en Matlab ... 119
6.1 Estructura del código y elementos principales ... 119
6.1.1 preprocesador... 120
6.1.2 procesador ... 121
6.1.3 post procesador ... 124
6.2 Diagrama de flujo : programa de cálculo para paños de red ... 125
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6.3.2 singularidad de la matriz global de rigidez ... 131
6.3.3 estructuración de la malla ... 133
6.3.4 inestabilidades del método debido a errores tipográficos de la fuente bibliográfica ... 134
6.3.5 efecto borde ... 138
Testando la herramienta ... 141
7.1 Características del paño ... 142
7.2 Cargas gravitatorias ... 142
7.3 Cargas normales al plano ... 143
Verificación del MEF ante cargas gravitatorias ... 148
8.1 Cálculo analítico: problema de dos hilos ... 149
8.2 Verificación con paño triangular ... 151
8.2.1 paño menor ... 152
8.2.2 paño mayor ... 155
8.3 Verificación con paño rectangular ... 157
8.3.1 resultados ... 159
Validación del MEF ... 162
9.1 Validación de la referencia bibliográfica d. priour (2013) ... 163
9.2 Validación de elaboración propia ... 164
9.2.1 preparación de la simulación ... 167
9.2.2 resultados ... 170
Red cerrada de 4 paños ... 176
10.1 Creación de la geometría ... 177
10.2 Ensamblaje de la matriz de rigidez global ... 179
10.3 Construyendo el modelo... 179
10.6 Efecto de la reducción de flujo aguas abajo ... 183
Conclusiones ... 185
Bibliografía ... 187
Anexo I: verificación MEF triangular: no lineal ... 190
10.7 Resultados MEF barra: no lineal (referencia) ... 191
10.8 Resultados MEF triangular: no lineal (m=150) ... 192
10.9 Resultados MEF triangular: no lineal (m=25) ... 193
10.10 Resultados MEF triangular: no lineal (m=6,25) ... 194
10.11 Resultados MEF triangular: no lineal (m=1,56) ... 195
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Figura 1. Evolución de la producción de pescado de 1950 a 2018. Nota: excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente:
FAO. ... 26 Figura 2. Utilización y consumo aparente de pescado en todo el mundo. Nota: excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente:
FAO. ... 27 Figura 3. Contribución regional a la producción mundial de la pesca y la agricultura.
Nota: excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente: FAO... 27 Figura 4. Tasa de crecimiento anual de la cantidad de producción de pescado de la acuicultura en el nuevo milenio. Fuente: FAO. ... 29 Figura 5. Producción acuícola mundial de animales acuáticos y algas. Fuente: FAO. . 29 Figura 6. Evolución de la producción total de la acuicultura y la pesca de los 28 estados miembros de la Unión Europea entre 1950 y 2018. Nota: excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente: FAO. ... 33 Figura 7. Distribución de la producción de acuicultura en los Estados miembros de la Unión Europea por su cantidad (toneladas) y valor (millones de euros) en 2018. Nota:
Excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente: FAO... 34 Figura 8. Principales especies producidas en la Unión Europea por toneladas. Fuente:
FAO. ... 34 Figura 9. Evolución de la producción acuática total (acuicultura + pesca) en España (toneladas) en el periodo 1950-2018. Nota: excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente: FAO. ... 35
Figura 11. Evolución de la cosecha (toneladas) de pescados marinos de acuicultura en las diferentes Comunidades Autónomas de España en el periodo 1999-2020. Fuente:
APROMAR. ... 37
Figura 12. Distribución de la cosecha de trucha arco iris entre las comunidades autónomas en 2018. Fuente: MAPA. ... 38
Figura 13. Elementos de un sistema RAS completo. Fuente: AKVA GROUP. ... 40
Figura 14. Piscifactoría asturiana con estanques de hormigón en paralelo. Fuente: SERIDA, organismo público del Gobierno del Principado de Asturias... 44
Figura 15. Moluscos cultivados en estacas. Fuente: anónima. ... 46
Figura 16. sistema discreto (izquierdo), sistema continuo (derecha). Fuente: W. Mckendsey, C. et all, 2006. Effects of Shellfish Aquaculture on Fish Habitat. Canada. 47 Figura 17. Sistema Smartfarm. Fuente: Vigo Marine Solutions ... 48
Figura 18. Elementos de una batea. Fuente: Beaz, J.D., 2017. ... 48
Figura 19. Batea de proa (derecha) y Batea de través (izquierda). Fuente: Beaz, J.D., 2017. ... 49
Figura 20. Maqueta de la batea Medusa. Fuente: IMAS S.L. ... 51
Figura 21. Batea EXTRUMAR. Fuente: EXTRUMAR. ... 51
Figura 22. Modelo Triton ante oleaje extremo. Fuente: Gael Force. ... 53
Figura 23. Producción acuícola con cubos PEAD. Fuente: Qingdao Qihang Fishing Cage Co. ... 54
Figura 24. Jaula de cemento (izquierda), Jaula Ecocage (derecha). Fuente: IntraFish (izquierda), Ecomerden (derecha). ... 55
Figura 25. Jaula metálica articulada, Wavemaster. Fuente: AKVA GROUP. ... 56
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Figura 27. “Ocean Farm 1” siendo transportada a Noruega. Fuente: SalMar. ... 58 Figura 28. “Aquapod” carácter modular. Fuente: (Page, 2006) ... 60 Figura 29. “Aquapod” con elementos flotantes fijos (amarillo). Fuente: WIRED UK magazine. ... 61 Figura 30. Sistema de fondeo, ejemplo 1. Fuente: (Clifford A., 2015). ... 62 Figura 31. Sistema de fondeo, ejemplo 2. Fuente: (Frediksson, David et al., 2005). ... 62 Figura 32. Jaulas SeaStation. Fuente: Innovasea... 62 Figura 33. Sumergimiento de la Jaula “Atlantis”. Fuente: AKVA GROUP AS. ... 64 Figura 34. Configuración del grid de cultivo en su cota operativa habitual. Fuente:
AKVA GROUP AS. ... 64 Figura 35. Esquema seccional de una jaula circular de PEAD. Fuente: AKVA GROUP.
... 66 Figura 36. Flotador anular abierto, después de deslizar los brackets por los dos tubos de flotación, introducir el poliestireno expandido e introducir el tubo pasamanos por el asiento del candelero; previo al cierre de la jaula. Fuente: FAO. ... 70 Figura 37. Bracket artesanal, hecho con tubos de distinto tamaño y planchas mecanizadas de PEAD. Fuente: F. CARDIA. ... 70 Figura 38. Bracket fabricado por rotomoldeo (izquierda). Bracket de aluminio (derecha).
Fuente: F. CIATTAGLIA. ... 71 Figura 39. Bracket fabricado por inyección. a) asiento del grillete que sujeta un tirante del plomado. b) agujero por dónde pasa el amarre de la red pesquera. c) tubo que se desliza por las fijaciones del plato pasarela. d) plato pasarela. Fuente: AKVA GROUP. ... 71 Figura 40. Soldadura de tope con pistola extrusora. Fuente: Fusion Marine. ... 72
concentrado en un único punto. Fuente: A. CIATTAGLIA. ... 73 Figura 42. Plomado, bloques de hormigón (izquierda). Plomado, tramos de cadena (derecha). Fuente: F. CARDIA... 74 Figura 43. a) hilo retorcido. b) hilo trenzado. Fuente: FAO, 2015... 77 Figura 44. Hebra de dos hilos, cada uno formado por 3 fibras de 20 tex. Fuente:
Wikipedia. ... 78 Figura 45. Dificultad para extender una red de malla en diamante o romboidal (derecha), versus una red de malla cuadrada (izquierda). Fuente: YouTube. ... 81 Figura 46. Dimensiones características de una celda de red. Fuente: FAO, 2015. ... 82 Figura 47. Estructura y componentes de la red. Fuente: FAO, 2015. ... 83 Figura 48. Costura paño con paño, sin cabo estructural (a). Costura paño-cabo-paño (b).
Fuente: FAO, 2015. ... 84 Figura 49. Red de pesca arrastre en su condición de servicio. Fuente: Internet. ... 89 Figura 50. Red de pesca descompuesta en paños. Fuente: Internet... 90 Figura 51. Direcciones características de una red con trama romboidal. Estos vectores sirven como base de coordenadas nodales en el MEF. Fuente: elaboración propia. ... 91 Figura 52. Coordenadas en base canónica vs Coordenadas en base u,v. Fuente:
elaboración propia. ... 94 Figura 53. Aplicación de condiciones de contorno a nodo 1 y nodo 2: Fuente: elaboración propia. ... 103 Figura 54. Comportamiento del Módulo de F1 según posición del nodo 3. Escala de colores en newtons. Fuente: elaboración propia. ... 104 Figura 55. Comportamiento del Módulo de F2 según posición del nodo 3. Fuente:
elaboración propia. ... 104
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Figura 57. Fuerza del nodo 1 (Reacción) para x3 = -2, y3= 13; F1=128,2 N. Fuente:
elaboración propia. ... 106 Figura 58. Fuerza del nodo 2 (Reacción) para x3 = -2, y3= 13; F1=266,2 N. Fuente:
elaboración propia. ... 106 Figura 59. Fuerza del nodo 3 (Fuerza externa) para x3 = -2, y3= 13; F1=337,3 N. Fuente:
elaboración propia. ... 107 Figura 60. Situación de las cargas y condiciones de contorno aplicadas. Fuente:
elaboración propia. ... 108 Figura 61. Conjunto de posibles soluciones en z=200 N; círculos rojo/amarillo. Fuente:
elaboración propia. ... 109 Figura 62. Solución del sistema de ecuaciones. Fuente: elaboración propia. ... 110 Figura 63. Solución del sistema de ecuación mediante Newton-Rapshon. Fuente:
elaboración propia. ... 110 Figura 64. Ejemplo de solución a ecuación no lineal por el método de Newton-Rapshon, primera iteración. Fuente: Geogebra.org. ... 113 Figura 65. Doble producto vectorial de 𝑼 y 𝒄. Fuente: elaboración propia. ... 116 Figura 66. Ángulos alfa y beta. Fuente: elaboración propia. ... 117 Figura 67. Ejemplo estructura de elementos truss 2D. “e” es elemento. Fuente: A.J.M.
Ferreira, 2019. ... 120 Figura 68. Estado de la estructura antes y después de aplicar la carga en el nodo 1. Fuente:
elaboración propia. ... 125 Figura 69. Ángulo alfa = 15º. Celda de malla. Fuente: elaboración propia. ... 127
elaboración propia. ... 133 Figura 71. Malla sin dirección aparente de los elementos. ... 134 Figura 72. Gráfico Fuerza residual del método vs iteraciones. Cada serie representa una longitud de hilo. Fuente: elaboración propia. ... 135 Figura 73. Gráfico Fuerza residual del método vs iteraciones. Serie de 0,1 longitud de hilo. Fuente: elaboración propia. ... 136 Figura 74. Gráfico Número de condición vs M, donde M es el ratio superficie elemento/superficie celda de red o, visto de otra manera, el número de celdas de red por elemento. Las series son longitudes de hilo. Fuente: elaboración propia... 137 Figura 75. Paño cuadrado con cargas gravitatorias en los nodos inferiores y, también, cargas normales al plano de red en los mismos nodos (5N por nodo en dirección Z). Los nodos superiores están fijos. Estado inicial red (negro); Estado final red (rojo). Fuente:
elaboración propia. ... 138 Figura 76. Equivalencia entre hilo y superficie. Fuente: elaboración propia. ... 139 Figura 77. Efecto borde en paño triangular. Hilos del paño de red (negro). Área no contabilizada en el cálculo (rojo), información perdida. Elemento finito (azul). Área contabilizada en el cálculo (verde). Fuente: elaboración propia. ... 140 Figura 78. Distintas densidades de malla para el mismo elemento. Fuente: elaboración propia. ... 141 Figura 79. Respuestas de paños de red, con distinta apertura de malla, ante una carga vertical (plomado) de 30N repartida entre los nodos del faldón. Fuente: elaboración propia. ... 142 Figura 80. Paños iguales, pero con distinto plomado, sometidos a una fuerza constante en la dirección normal al plano. Fuente: elaboración propia. ... 144
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Figura 82. Alineación de las reacciones laterales con los hilos. Izquierda, celda con ángulo alfa pequeño (inferior a 45º), mejor alineación con las reacciones. Derecha, celda con ángulo alfa grande (superior a 45º), peor alineación con las reacciones. Fuente:
elaboración propia. ... 146 Figura 83. Vista en perspectiva del paño para un cierto valor de alfa. Rojo, red en estado deformado. Negro, red en estado sin deformar. Fuente: elaboración propia. ... 147 Figura 84. Problema de dos hilos en las direcciones u y v. Fuente: elaboración propia.
... 149 Figura 85. Gráfico. Resultados Problema de dos hilos. Resueltos mediante: Cálculo Analítico; MEF Barra: lineal; MEF Barra: no lineal y MEF Triangulo: no lineal. ... 150 Figura 86. Representación de los 4 tipos de refinamientos de malla, en este caso, sobre el paño de menor dimensión. M, representa la cantidad de celdas por elemento. Fuente:
elaboración propia. ... 152 Figura 87. Paño menor constituido por 78 celdas. F, carga externa variable. Fuente:
elaboración propia. ... 152 Figura 88. Gráfico: Desplazamiento vertical del vértice vs carga externa. M, indica el número de celdas por elemento, acorde al refinamiento de malla que se halla hecho.
Referencia=Resultados obtenidos con MEF Barra: no lineal. Paño menor. Fuente:
elaboración propia. ... 153 Figura 89. Gráfico: Error relativo vs carga externa variable. Paño menor. Fuente:
elaboración propia. ... 154 Figura 90. Resultados gráficos de la deformación del Paño menor. Izquierda, MEF Barra:
no lineal. Derecha, MEF Triangular: no lineal. M=8, carga: 55 N y error Relativo:2%.
Fuente: elaboración propia. ... 154 Figura 91. Paño mayor constituido por 648 celdas. F, carga externa variable. Fuente:
elaboración propia. ... 155
Referencia=Resultados obtenidos con MEF Barra: no lineal. Paño mayor. Fuente:
elaboración propia. ... 156 Figura 93. Gráfico: Error relativo vs carga externa variable. Paño mayor. Fuente:
elaboración propia. ... 156 Figura 94. Resultados gráficos de la deformación del Paño mayor. Izquierda, MEF Barra:
no lineal. Derecha, MEF Triangular: no lineal. M=18, carga: 144 N y error Relativo:8%.
Fuente: elaboración propia. ... 157 Figura 95. 4 tipos de malla: a) M=150, b) M=25, c) M=6,25 y d) M=1,56. Siendo M el número de celdas por elemento. Fuente: elaboración propia. ... 158 Figura 96. Gráfico: Desplazamiento vertical del nodo central del borde inferior vs carga externa. M, indica el número de celdas por elemento, acorde al refinamiento de malla que se halla hecho. Paño rectangular. Referencia=Resultados obtenidos con MEF Barra: no lineal. Fuente: elaboración propia. ... 159 Figura 97. Gráfico: Error relativo vs carga externa variable. Paño rectangular. Fuente:
elaboración propia. ... 160 Figura 98. Los dos distintos modos de trabajo del paño de red. Carga de 5N (izquierda).
Carga de 21N (derecha). MEF Barra: no lineal. Fuente: de elaboración propia. ... 161 Figura 99. Comparación entre datos experimentales (cruces rojas) (Anon, 1999) y valores simulados (malla azul). Fuente: D. Priour (2013). ... 163 Figura 100. Ensayo llevado a cabo en Bologne sur Mer (Repecaud M., 1993), izquierda.
Resultado de la simulación, derecha. Fuente: D. Priour (2013) ... 164 Figura 101. Estructura que soporta las muestras rectangulares de los distintos paños de red testeados. Se observa en su margen superior una galga extensiométrica cuya función es medir las fuerzas en los 3 ejes X, Y, Z. Fuente: Zhan, et al. (2006). ... 165 Figura 102. Se muestran las distintas maneras en las que uno puede hallar la definición de los coeficientes de arrastre, dependiendo de la referencia bibliográfica a la que acuda.
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propia. ... 167 Figura 103. Discretización del paño de red. Fuente: elaboración propia. ... 168 Figura 104. Reacción total [Newtons] ante velocidad de flujo de 25, 50, 75 y 100 [cm/s].
Ángulo de ataque: 0º. Ratio de solidez: 0.128. Fuente: elaboración propia. ... 170 Figura 105. Reacción total [Newtons] ante velocidad de flujo de 25, 50, 75 y 100 [cm/s].
Ángulo de ataque: 30º. Ratio de solidez: 0.128. Fuente: elaboración propia. ... 170 Figura 106. Reacción total [Newtons] ante velocidad de flujo de 25, 50, 75 y 100 [cm/s].
Ángulo de ataque: 60º. Ratio de solidez: 0.128. Fuente: elaboración propia. ... 171 Figura 107. Reacción total [Newtons] ante velocidad de flujo de 25, 50, 75 y 100 [cm/s].
Ángulo de ataque: 0º. Ratio de solidez: 0.215. Fuente: elaboración propia. ... 171 Figura 108. Reacción total [Newtons] ante velocidad de flujo de 25, 50, 75 y 100 [cm/s].
Ángulo de ataque: 30º. Ratio de solidez: 0.215. Fuente: elaboración propia. ... 172 Figura 109. Reacción total [Newtons] ante velocidad de flujo de 25, 50, 75 y 100 [cm/s].
Ángulo de ataque: 60º. Ratio de solidez: 0.215. Fuente: elaboración propia. ... 172 Figura 110. Reacción total [Newtons] ante velocidad de flujo de 25, 50, 75 y 100 [cm/s].
Ángulo de ataque: 0º. Ratio de solidez: 0.223. Fuente: elaboración propia. ... 173 Figura 111. Reacción total [Newtons] ante velocidad de flujo de 25, 50, 75 y 100 [cm/s].
Ángulo de ataque: 30º. Ratio de solidez: 0.223. Fuente: elaboración propia. ... 173 Figura 112. Reacción total [Newtons] ante velocidad de flujo de 25, 50, 75 y 100 [cm/s].
Ángulo de ataque: 60º. Ratio de solidez: 0.223. Fuente: elaboración propia. ... 174 Figura 113. Promedio del error relativo. Fuente: elaboración propia. ... 175 Figura 114. Deformación de la red para 25, 50, 75 y 100 cm/s de velocidad deflujo. Vista de perfil. Ratio de solidez: 0.215. Ángulo de incidencia del flujo: 0º. Fuente: elaboración propia. ... 175
Figura 116. Generación del Paño 2. Aplicación lineal de rotación y translación. Fuente:
elaboración propia. ... 177 Figura 117. Generación de los paños 3 y 4. Aplicación lineal de translación. Fuente:
elaboración propia. ... 178 Figura 118. Desarrollo de las caras del prisma (red). Secuencia de los vectores base u y v. Relativo a malla romboidal y rectangular (cuadrada). Fuente: elaboración propia. . 179 Figura 119. Cargas gravitatorias aplicadas sobre estructuras de red de 2, 3 y 4 paños.
Fuente: elaboración propia. ... 180 Figura 120. Deformación de la red de 4 paños ante cargas gravitatorias. Apertura de mallas de alfa igual a: 30º, 46º, 60º y 70º. Fuente: elaboración propia. ... 181 Figura 121. Respuesta de red de 4 paños ante corrientes de 25, 50, 75 y 100 cm/s. Malla cuadrada. Plomado 10 Kg. Fuente: elaboración propia. ... 182 Figura 122. Comparativa entre una jaula a la que se le aplica un coeficiente de reducción de flujo (fr=0.2) y otra a la que no se le aplica (fr=1). Fuente: elaboración propia. .... 184
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Tabla 1. Series de tubo. Fuente: RIVAL, tubos. ... 68 Tabla 2. Características físicas y químicas de los polímeros. Fuente: FAO, 2015. ... 76 Tabla 3. Marcas de Poliamidas y Poliésteres expuestas a radiación UV; degradación de la capacidad de carga en %. Fuente: FAO, 2015. ... 76 Tabla 4. Ventajas e inconvenientes. Redes con y sin nudos. Fuente: Elaboración propia.
... 80 Tabla 5. Número de iteración de la ecuación ejemplo. Fuente: Geogebra.org. ... 112
La necesidad de satisfacer una demanda creciente de pescado ha llevado a los productores a una expansión de los cultivos. La vía Offshore parece la opción más rentable para el engorde y, en muchos casos, el pre-engorde de juveniles frente al gasto energético continuo que suponen las instalaciones de cultivo terrestres. El hándicap de las estructuras marinas radica en las situaciones ambientales adversas a las que estas están sometidas, además de la notable demora que sufren los proyectos en ser aprobados por parte de la administración.
Las estrategias expansivas de los productores piscícolas están a expensas del cambio en las tendencias del mercado, subvenciones europeas y la introducción de nuevas especies, entre otros factores, por lo que la toma de decisiones suele ser bastante súbita, con un presupuesto y plazos de siembra muy ajustados.
Es menester de este trabajo desarrollar una herramienta ágil y barata para el análisis estructural que, condicionando el coste de la futura instalación, ayudará a agilizar la ejecución del proyecto. Además, podrá prestar servicio durante el ciclo de vida de la instalación, evaluando sobre un gemelo digital las repercusiones de los posibles escenarios ambientales que se podrían dar en la concesión de cultivo.
Para el propósito de este trabajo, se pretende desarrollar un programa basado en la resolución de problemas de modelos tridimensionales por el método de los elementos finitos. El régimen que se aplicará al análisis será de carácter estacionario, sin tener en cuenta las fuerzas de inercia. En aras de una agilización del proceso de análisis, el modelo debe estar parametrizado para adaptarse a las dimensiones y características de las nuevas solicitaciones entrantes.
El elemento estructural objeto de este trabajo será la red de pesca, ya que es el elemento que induce las fuerzas más relevantes en una granja marina, además de condicionar el espacio útil del cultivo.
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The need to meet a growing demand for fish has led producers an expansion of crops.
The Offshore route seems to be the most profitable option for feeding of juveniles compared to the continuous energy expenditure of terrestrial cultivation facilities. The handicap of marine structures lies in the adverse environmental situations to which they are subjected, in addition to the considerable delay suffered by projects in being approved by the public administration.
The expansive strategies of fish farmers are at the expense of changing market trends, European subsidies and the introduction of new species, among other factors, so that decision-making is usually quite sudden, with a budget and very tight planting times.
It is necessary for this work to develop an agile and cheap tool for structural analysis that, determining the cost of the future installation, will help speed up the execution of the project. In addition, it will be able to provide service during the life cycle of the installation, evaluating on a digital twin the repercussions of the possible environmental scenarios that could occur in the cultivation concession.
For the purpose of this work, it is intended to develop a program based on solving problems of three-dimensional models by the method of finite elements. The regime that will be applied to the analysis will be of a stationary nature, without taking into account the forces of inertia. In order to speed up the analysis process, the model must be parameterized to adapt to the dimensions and characteristics of new incoming requests.
The structural element object of this work will be the fishing net, since it is the element that induces the most relevant forces in a marine farm. Besides, the fishing net determines the useful volume of cultivation.
I NTRODUCCIÓN
1.1 OBJETIVOS Y ALCANCE DEL PROYECTO
Son varios los objetivos marcados para este proyecto, cada uno perteneciente a una categoría determinada, dependiendo del ámbito de actuación, a saber: Académico, Personal y Profesional.
Como académico, uno tiene que ser consciente que, en todo reto, en todo proyecto, existe un proceso de aprendizaje; se realizan estudios e investigaciones sobre uno o varios temas para, después, aplicar el conocimiento adquirido en dar respuesta al problema predefinido. Los objetivos de esta rama tienen que estar centrados, no tanto en la plusvalía que aporte el trabajo al entorno académico o industrial, sino en el conocimiento adquirido durante su elaboración.
Como profesional, ya sea del entorno académico o del industrial, uno pretende dar solución a un problema real, aportar algo útil que haga frente a los problemas de hoy en día y que sea valorado por la sociedad. Por ello, los objetivos marcados al respecto deben hacer alusión a la necesidad que se quiere cubrir y, de esta manera, definir el valor añadido que supone para el sector al que va dirigido.
Los objetivos personales mueven el mundo, aunque complejos y muchas veces absurdos, justifican por qué hacemos lo que hacemos; por qué decidimos hacer un máster, por qué abordar cierta temática para la elaboración del trabajo fin de estudios, qué pretendo conseguir si decido leer este libro o ver esa película, etc. Básicamente, definen quienes somos en cada instante. Para exponer unos objetivos personales, genuinos y auténticos, uno tendría que ser muy honesto y aceptar el ser juzgado como persona. En esta ocasión, me remito exclusivamente al juicio de mi trabajo, pero he creído necesario esta mención a los objetivos personales debido a su inmensurable peso en este proyecto y, en general, en el progreso de la humanidad.
A continuación, se listan los objetivos académicos y profesionales que me llevaron a desarrollar el presente trabajo.
Objetivos académicos
a) Conocer el estado actual de la acuicultura y las distintas metodologías de cultivo.
b) Conocer los modelos numéricos empleados en el análisis estructural de redes de pesca.
c) Conocer las propiedades mecánicas y las características principales de las redes de pesca.
d) Aprender un lenguaje de programación para desarrollar herramientas de cálculo basado en el método de los elementos finitos.
e) Aprender a crear algoritmos que integren métodos numéricos para la resolución de ecuaciones no lineales y lineales, así como también, implementar en el código las transformaciones lineales pertinentes.
f) Saber aplicar el método científico para la verificación y validación de un modelo.
Objetivos profesionales
a) Crear una herramienta que permita obtener las deformaciones y tensiones de una red de pesca ante cargas hidrodinámicas. La herramienta debe estar proyectada para su integración en una herramienta mayor que comprenda todos los elementos estructurales de una granja acuícola marina. Las jaulas involucradas son circulares y hechas con tubos de polietileno de alta densidad. La herramienta debe poder efectuar un análisis paramétrico para evaluar cómo influyen los distintos parámetros del modelo numérico en los resultados. Esta herramienta pretende apoyar al ingeniero proyectista durante la fase de diseño de la granja, conocer las tensiones de servicio y de estado último, además de conocer el volumen útil del cultivo cuando las fuerzas externas intervengan. También, puede ser parte de un posible gemelo digital de la granja, de esta manera, se podrían correr simulaciones
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diarias para evaluar el estado estructural de los componentes, tales como ciclos de carga, y optimizar el mantenimiento de la instalación o, incluso, simular situaciones muy adversas pronosticadas para la toma de decisiones.
b) Aportar el Know-How adquirido durante la fase de desarrollo del proyecto.
1.2 MOTIVACIONES SOCIOECONÓMICAS
1.2.1 ESTADO DE LA ACUICULTURA A NIVEL INTERNACIONAL
La mayor parte de los datos recogidos en este apartado están extraídos de un informe que elabora anualmente la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (de ahora en adelante FAO), El Estado Mundial de la Pesca y la Acuicultura 2020 [1]. Esta agencia de las Naciones Unidas tiene como objetivo “lograr la seguridad alimentaria para todos, y al mismo tiempo garantizar el acceso regular a alimentos suficientes y de buena calidad para llevar una vida activa y sana” (FAO, https://www.fao.org). Además, a raíz de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) marcados para 2030, la FAO custodia 21 indicadores de los siguientes ODS: 2. Hambre Cero, 5. Igualdad de Género, 6. Agua Limpia y Saneamiento, 12. Producción y Consumo Responsables, 14. Vida Submarina, y 15. Vida de Ecosistemas Terrestres.
Producción pesquera total
El crecimiento de la producción de pescado, entiéndase por “pescado” al conglomerado, principalmente, de peces, crustáceos y moluscos, ha ido ligado al crecimiento de la población mundial. Hasta la década de los 80 y principios de los 90, el pescado venía en casi su totalidad de la pesca extractiva. Es a mediados de los 90 cuando la acuicultura despega y hace que la pesca extractiva congele su tasa de crecimiento, delegando la creciente demanda de comestibles acuáticos a la producción acuícola. A pesar del
estancamiento de la pesca de captura, con ligeros rizos de crecimiento, esta modalidad sigue siendo líder en la producción de pescado; en 2018 registró 96,4 millones de toneladas de peso vivo, frente a los 82,1 procedentes de la acuicultura, representando el 54% del total producido a nivel mundial, véase Figura 1. En cuanto a valor monetario, las exportaciones de pescado en 2018 representaron el 37,6% de la producción total y generaron 164,1 mil millones de dólares americanos.
La producción acuícola en aguas continentales supera en un 25%, del total cultivado, a la producción acuícola en aguas marinas. Lo opuesto sucede en la pesca de captura, donde la producción es mucho mayor en aguas marinas que en continentales, liderando el mercado de captura con el 87,5% del volumen total extraído de los mares.
No todo el pescado es destinado para el consumo humano. En 2018, fecha más reciente de la que se tienen datos, el 12,4% del pescado fue destinado a usos no alimentarios, esto es en esencia, harina y aceite de pescado, materia prima empleada para la fabricación de piensos animales, incluidos los utilizados en el pre-engorde y engorde de los especímenes cultivados en instalaciones acuícolas.
Figura 1. Evolución de la producción de pescado de 1950 a 2018. Nota: excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente: FAO.
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El aumento de la producción de pescado debido al crecimiento demográfico mundial se ve potenciado por el hecho de que la gente consume cada vez más pescado. De 1996 a 2018, el consumo aparente per cápita ha pasado de 15,9 a 20,5 kg, véase Figura 2.
Figura 2. Utilización y consumo aparente de pescado en todo el mundo. Nota: excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente: FAO.
Figura 3. Contribución regional a la producción mundial de la pesca y la agricultura. Nota: excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente: FAO.
Existen tres variables fundamentales que definen el nivel de producción de pescado regional. Una es relativa a los niveles de población de la zona, otra, es el valor que se asigne a los comestibles procedentes del agua dentro de la cultura gastronómica y, sin duda, no puede faltar un acceso fácil a dichos recursos acuáticos. China es un claro de ejemplo del importante papel que juegan estas tres variables, pues con el 18% (2018) de la población mundial viviendo dentro de sus fronteras, siendo el pescado uno de los pilares principales en su dieta y, con un litoral marítimo que representa el 39,6% del perímetro del país, además de estar dotada con abundantes lagos y ríos representando estos el 2,8% de la superficie de la nación, China, actualmente (2010-2018), lidera la producción mundial de pescado con el 35,7% del total producido. Sus fuentes se desglosan en: 26,9% acuicultura marina, 45,9% acuicultura continental, 23,7% pesca de captura en aguas marinas y 3,5% pesca de captura en aguas continentales.
Si se compara China con otras zonas económicas, se aprecia la notoriedad de su peso en la industria pesquera global. Por ejemplo, el continente asiático, sin considerar a China, representa el 33%; Las Américas el 13,4%; Europa el 10,5%; África el 6,5%; y Oceanía el 0,9%. Otra singularidad por la que destaca China con respecto a las demás zonas es que, su mayor fuente de aprovisionamiento viene de la acuicultura continental, mientras la pesca de captura en aguas marinas y continentales queda relegada a un tercer y cuarto puesto respectivamente, por detrás de la acuicultura marítima. El resto de zonas mantienen la pesca de captura en aguas marinas como fuente principal de peso vivo.
Véase Figura 3.
Producción acuícola
La producción mundial de animales cultivados en medios acuáticos ha ido en alza a lo largo de los años, aunque durante la última década, su tasa de crecimiento ha ido menguando. Ello es debido, principalmente, por el peso que posee China dentro de esta industria y la tendencia bajista que está experimentando su tasa de crecimiento. Véase Figura 4.
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Los principales grupos en los que se clasifican las distintas especies procedentes de la acuicultura, ordenados según su peso, en términos de peso vivo producido, son: Peces de aleta (AC, Agua Continental) – 41%; Algas (AM, Agua Marina) – 28,3%; Moluscos
Figura 4. Tasa de crecimiento anual de la cantidad de producción de pescado de la acuicultura en el nuevo milenio. Fuente: FAO.
Figura 5. Producción acuícola mundial de animales acuáticos y algas. Fuente: FAO.
(AM) – 15,2%; Peces de aleta (AM) – 6,4%; Crustáceos (AM) – 5%; Crustáceos (AC) – 3,1%; Otros animales acuáticos (AC & AM) – 0,8%; y Moluscos (AC) – 0,2%. Datos del 2018.
Una variable que aquí se introduce y no considerada en los análisis anteriores, las algas, tiene un peso notorio dentro de la acuicultura, pues si antes se decía que la producción de pescado rondaba los 82,1 millones de toneladas, con la adición de las algas, la cifra sube a 114,5 millones de toneladas. Un producto muy apreciado en la cultura asiática, cuyos principales productores son China (57%) e Indonesia (28,7%), pero que por sus componentes nutritivos está llamando el interés, cada vez más, de la cocina occidental.
Datos del 2018.
Desde 1990 a 2018, la producción por grupo de especies ha ido en aumento, aunque los crecimientos más significativos han recaído sobre peces de aleta (acuicultura continental), algas (principalmente, acuicultura marina) y, en menor medida, moluscos (principalmente, acuicultura marina), véase Figura 5.
Actualmente, las especies con mayor producción de cada grupo son: Carpa herbívora (Ctenopharyngodon idellus) – Peces aleta (10,5%); Laminaria del Japón (Laminaria japónica) – Algas (35,3%); Ostiones (Crassostrea spp.) – Moluscos (29,5%); Camarón Patiblanco (Penaeus vannamei) – Crustáceos (52,9%); Tortuga de caparazón blando (Trionyx sinensis) – Otros animales (34,9%). Los porcentajes presentados hacen referencia a la proporción producida de la especie dentro de su grupo. Datos del 2018.
Los principales productores por grupo de especies son: China – Peces Aleta (AC); China – Peces Aleta (AM) con 1,5 millones de toneladas, justo detrás estaría Noruega con 1,4;
China – Crustáceos (AM); China – Moluscos (AM).
Previsión de la acuicultura para los años 2019-2030
Debido a los estragos causados por la pandemia de la enfermedad por coronavirus (COVID-19), la FAO prevé repercusiones de la producción, el comercio y el consumo a corto plazo, con una recuperación a finales de 2020 o principios de 2021. No obstante, la previsión para 2030 es que el sector acuícola alcance los 109 millones de toneladas, algas
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exclusive, lo que significaría un aumento del 32% (26 millones de toneladas) con respecto a 2018.
Se espera que China continúe por la vía trazada en su 13º Plan Quinquenal (2016-2020) hacia una pesca y una acuicultura más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, en lugar de centrarse en el aumento de la producción como sucedía anteriormente. Se estima una reducción de la capacidad de producción debido a dichas políticas, pero que dará la oportunidad a otros países a suplir esa carencia, aun así, debido a la desaceleración del sector pesquero y la subida de precio del pescado, la tasa media de crecimiento anual en la producción debería disminuir del 4,6% en 2007-2018 al 2,3% en 2019-2030.
La harina de pescado, ligada a la subida de precio del pescado, es el principal hándicap de los cultivos alimentados. Por ello, la producción de especies provenientes de estos cultivos, como el salmón, experimentaría un crecimiento más lento. Este evento induciría a apostar por especies con menor ratio FIFO (Fish in : Fish out), o sea, que requieran menor aporte de harina y aceite de pescado en su alimentación.
1.2.2 ESTADO DE LA ACUICULTURA A NIVEL NACIONAL
APROMAR es la Asociación Empresarial de Acuicultura de España, “una organización de carácter profesional, voluntaria, sin ánimo de lucro y de ámbito nacional (España).
Están asimismo reconocidos por Orden Ministerial de 30 de diciembre de 1986 como Organización de Productores (OP-30) a efectos nacionales y de la Unión Europea”
(APROMAR, http://www.apromar.es). APROMAR elabora anualmente un informe del estado de la acuicultura en España a partir de información recopilada por sus propios asociados, siendo estos empresas nacionales del sector de la acuicultura, además de nutrirse de datos procedentes de la Comisión Europea, del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación español (MAPA), de la Federación Europea de Productores de Acuicultura (FEAP) y de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), aunque una de sus fuentes más relevantes es, sin duda, la Junta Nacional Asesora de Acuicultura (JACUMAR-JACUCON). Para la realización de este apartado, se acude principalmente al informe anual de 2020 de APROMAR, La
Acuicultura en España 2020 [2], como fuente de información, dicho informe abarca datos hasta el ejercicio de 2019.
Marco europeo
En 2018, la Eurozona produjo 6.854.420 toneladas de productos acuáticos. La acuicultura representó el 19,9% del total, mientras la pesca de captura el 80,1%. Se observa el contraste existente entre China y la Unión Europea, no solo por el volumen de producción, 35% frente al 3,8% del volumen mundial producido, sino también, en la modalidad principal empleada para la obtención de los recursos pesqueros; China y la acuicultura, La Unión Europea y la pesca extractiva.
La producción acuícola supuso un aumento del 0,4% con respecto a 2017, alcanzando un valor en el mercado de primera venta de 4.357 millones de euros (2018), representando una crecida en términos de valor monetario del 3,2%, indicador de un aumento en el valor añadido de los productos.
La evolución de la producción pesquera, en los 28 estados miembros de la comunidad europea, ha ido en declive desde su récord histórico en 1988 con 10.612.520 de toneladas.
Por un lado, la actividad de la pesca de captura ha ido en descenso, debido a la escasez de recursos en los principales caladeros y las nuevas políticas de pesca sostenible, y, por el otro lado, la acuicultura europea no se ha visto capacitada para cubrir el vacío dejado por la pesca extractiva, de ahí el interés de Europa para impulsar una acuicultura sostenible, aunque a día de hoy, el principal obstáculo para su desarrollo sea, precisamente, su carácter sostenible, comprometido con el entorno cultural, social y ambiental, pues desencadena una burocracia muy lenta para una inversión en especies de medio y poco valor añadido, como podrían ser moluscos, crustáceos y algas, y también, para especies de mayor valor añadido, principalmente peces, ya que suponen un coste de producción alto debido a su alimentación, tanto para el cultivo en tierra con sistemas de recirculación, como para el cultivo en la mar que, aunque se traduzca en un ahorro energético durante la producción, surge el riesgo climatológico y epidemiológico a los que está sujeto este tipo de cultivo. Véase Figura 6.
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En cuestión de peso vivo, España se posiciona en cabeza como primer productor de la Unión Europea, con el 25,5% de la producción acuícola, en su mayoría mejillón, le sigue el Reino Unido con el 14,5% y Francia con el 13,6%. En materia de valor económico, el Reino Unido ocupa la primera posición con el 24,67%, pues su mayor activo es el preciado salmón del atlántico, le sigue Francia con el 15,6%, país que cuenta con la ostra japonesa que, a pesar de una producción 5,2 veces inferior a la del mejillón, su valor es 5,8 veces superior, y, en tercera posición, se halla Grecia con el 11,7%, su ventaja con respecto a España, la cual se halla justo detrás, es una producción de pescado mediterráneo (Dorada, Lubina, Corvina) superior a la española, situándose en la cabeza de la producción de estos tipos de peces dentro de la Eurozona. Véase Figura 7.
Figura 6. Evolución de la producción total de la acuicultura y la pesca de los 28 estados miembros de la Unión Europea entre 1950 y 2018. Nota: excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente: FAO.
Figura 7. Distribución de la producción de acuicultura en los Estados miembros de la Unión Europea por su cantidad (toneladas) y valor (millones de euros) en 2018. Nota: Excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente: FAO.
Figura 8. Principales especies producidas en la Unión Europea por toneladas. Fuente: FAO.
35 Marco español
La obtención de materia prima procedente de la acuicultura y la pesca de captura en 2018 fue de 1.276.616 toneladas; 73,1 % correspondiente a la pesca extractiva y el 26,9% a la acuicultura.
La tendencia de la pesca de captura desde la década de los 70 hasta 2018 es ligeramente bajista, por otro lado, la tendencia de la acuicultura desde la década de los 60 hasta 2018 es ligeramente alcista, según Figura 9. El panorama para la acuicultura pinta un poco mejor para España que para la Eurozona en su conjunto, aunque aún dista mucho de los niveles de China y sus vecinos asiáticos. No obstante, España, así como el resto de la Unión Europea sigue necesitando de la importación de pescado para cubrir la demanda interna; los principales proveedores de pescado para la Unión son, Noruega (25% de las importaciones), básicamente salmón del atlántico, y China, proporcionando bacalao y abadejo procesados. Turquía y Grecia completan las carencias de lubina, dorada y corvina en España, así como los Países Bajos, en menor medida, exportan rodaballo.
Figura 9. Evolución de la producción acuática total (acuicultura + pesca) en España (toneladas) en el periodo 1950-2018. Nota: excluidos los mamíferos acuáticos, lagartos y caimanes, las algas y otras plantas acuáticas. Fuente: FAO.
La cosecha de acuicultura en España 2018-2019 se estima en 342.867 toneladas y valorada en 501 millones de euros de primera venta, mientras en 2017-2018 llegó a 348.891 toneladas y con un valor de 452,9 millones de euros. Estas cifras se explican de la siguiente manera: la bajada de la producción fue en esencia del mejillón, alrededor de las 12.000 toneladas, mientras otras especies de mayor valor económico la incrementaron, véase Figura 10. Además, el valor de la cosecha del atún también aumentó.
La previsión hecha para 2020 fue una bajada general de la producción debido, principalmente, a los estragos causados por la Borrasca Gloria durante 2019-2020. Se añade a este clima de catástrofes el factor pandemia por la enfermedad del COVID-19, obligando al sector de la restauración y del turismo a un cierre muy prolongado de sus servicios.
Uno de los productos estrella del país, el mejillón, supone la mayor parte de peso vivo cultivado. Su producción en 2019 se estima en 256.590 toneladas (124,9 millones de euros de primera venta), es decir, el 74,9% del total producido en el sector acuícola español, el resto, en su mayoría, corresponde al cultivo de peces en aguas marinas y continentales, con un valor de 376,1 millones de euros. La comunidad productora por excelencia es Galicia (97% de la producción total), el resto, por mencionar algunas, Andalucía, Asturias y Cataluña.
Figura 10. Evolución de la cosecha (toneladas) de pescados marinos de acuicultura en España en el periodo 1990-2020. Fuente: APROMAR.
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En materia de peces marinos, las producciones se centran en Valencia, Murcia, Andalucía, Canarias, Galicia y Catalunya, véase Figura 11. El abanico de peces cultivados en dichas zonas abarca la lubina, la dorada, la corvina y, en menor medida, la seriola en el levante y el sur de la península, así como también en el archipiélago canario, por otra parte, el rodaballo, el lenguado y, de forma pionera el salmón del atlántico y el pulpo, se hallan en el norte de la península.
Figura 11. Evolución de la cosecha (toneladas) de pescados marinos de acuicultura en las diferentes Comunidades Autónomas de España en el periodo 1999-2020. Fuente: APROMAR.
El cultivo de algas es un mercado emergente en occidente, tanto para la alimentación como para la producción de biocombustible y fármacos. En España se puede ubicar dos núcleos importantes en el desarrollo de este nuevo producto, en primer lugar, Canarias, debido a sus aguas del atlántico y su clima, tiene potencial para una industria centrada en el cultivo de macroalgas, del mismo modo, Galicia está haciendo una apuesta por el cultivo de macroalgas autóctonas.
El cultivo continental en el territorio nacional está centrado en la producción de la trucha arco iris, una de las especies más antiguas que se empezaron a cultivar en Europa, y, en mucha menor medida, del esturión, de la tenca y el langostino. 18.955 toneladas de trucha de arco iris se han estimado que fueron producidas en el periodo 2018-2019, representando el 5,5% de la actividad acuícola española. La principal zona productora es Castilla y León con el 29,9% producido (2018), Véase Figura 12.
Figura 12. Distribución de la cosecha de trucha arco iris entre las comunidades autónomas en 2018.
Fuente: MAPA.
C LASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS UTILIZADOS PARA EL CULTIVO ACUÍCOLA
A fin de clasificar los distintos sistemas de cultivo de pescado, y entiéndase por pescado a los peces, crustáceos y moluscos, existen varias formas de proceder. Se pueden agrupar según la química del medio de cultivo (acuicultura en aguas continentales y en aguas marinas), según la ubicación del cultivo (en tierra, en la costa y en el mar), según la densidad de biomasa en el medio de cultivo (acuicultura intensiva o extensiva), según el organismo de cultivo (piscicultura – peces, carcinocultura – crustáceos, malacocultura – moluscos, etc.) y según las fases del ciclo biológico (acuicultura integral y parcial);
(Castelló, 1993). No obstante, este trabajo está centrado, desde un punto de vista de diseño ingenieril, en cierto tipo de instalación de cultivo, por ello, la clasificación se hace acorde a los tipos de instalaciones acuícolas que se pueden hallar en la industria.
2.1 SISTEMAS DE RECIRCULACIÓN RAS
Son instalaciones equipadas con un sistema de almacenamiento o contención que alberga el cardumen de pescado, un sistema de alimentación, un sistema de climatización y un sistema de tratamiento de aguas que permite una reutilización del agua del 95 al 99%, de ahí su nombre RAS (Recirculating Aquiculture System). El funcionamiento de los distintos sistemas y de sus sinergias es gestionado por un sistema de control y monitorización.
Lo más habitual es que este tipo de instalaciones se hallen bajo cubierto, pues se intenta crear un entorno controlado con unas condiciones óptimas para el desarrollo de la especie, estas enfocadas hacia las distintas fases de su ciclo biológico. Debido a la vulnerabilidad a la que se ven sometidos los organismos en sus fases iniciales de cría, se acude a la tecnología RAS para establecer un ecosistema más seguro durante estos periodos
biológicos tan críticos, por este motivo, se suele encontrar esta clase de sistema de cultivo en los criaderos o Hatcheries. Sin embargo, existen muchos casos viables en los que se pueden encontrar sistemas de recirculación utilizados para el engorde de la especie, a pesar del gasto energético extra que representa frente al engorde establecido en ambientes naturales como ríos, lagos, salinas o mares.
A continuación, se describen los sistemas que componen el RAS y sus equipos principales. La principal fuente de información es de la compañía AKVA GROUP.
Sistema de alimentación
El sistema de alimentación permite distribuir el pienso en dosis y calidad óptimas hacia los tanques del cultivo. El soplador o blower (4), genera aire comprimido que sirve para propulsar el alimento por la red de distribución; el refrigerador o air cooler (3), enfría el
Figura 13. Elementos de un sistema RAS completo. Fuente: AKVA GROUP.
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aire comprimido para salvaguardar la calidad del pienso; la tolva silo permite almacenar y canalizar el pienso desde la bolsa del proveedor de pienso hacia el dosificador o feed doser, cuya función es medir la cantidad de alimento que se destina al pescado (2). El selector de alimentación o feed selector, selecciona la línea de tanque a cebar (1).
Sistema de contención del cultivo
El sistema de contención del cultivo proporciona un espacio fijo en el que se lleva a cabo el desarrollo biológico del espécimen, mediante tanques o piscinas (5), manteniendo unas condiciones propicias para el crecimiento óptimo de la especie. En las inmediaciones del tanque se halla un depósito de oxígeno (6) el cual proporciona siempre un porcentaje correcto de O2 disuelto en agua; las entradas provenientes del sistema de alimentación y del sistema de tratamiento de aguas; y una salida hacia el sistema de tratamiento de aguas que, antes de abandonar el tanque, posee un recolector de mortalidad (7), cuya misión es retener y almacenar las bajas sufridas durante la producción.
Sistema de tratamiento de aguas
Los organismos cultivados, como todos, producen desechos, en consecuencia, tienen una o varias entradas para la materia y una o varias salidas, y en el camino producen la energía vital que necesitan.
El pescado produce mucha materia nitrogenada, básicamente amonio, una sustancia que puede llegar a ser letal en dosis bajas, por ello es crucial llevar un control minucioso de su concentración en el medio y garantizar un flujo de agua limpia y suficiente. El equipo que se encarga de neutralizar el efecto tóxico del amonio y lo transforma en nitrato (no tóxico) es el biofiltro (11), este artefacto, básicamente, es un criadero de bacterias nitrificantes. El amonio es igualmente neutralizable si el medio es ligeramente ácido, por este motivo y a fin de aumentar la productividad, muchas granjas emplean un desgasificador (10), un equipo que extrae el gas carbónico, CO2, producido por el
cardumen; este gas propicia un medio menos ácido y, por tanto, más perjudicial (Breton, B., 2007). Los organismos microbiológicos que podrían ser una amenaza para el cultivo si proliferasen, son erradicados mediante radiación UV (9).
La materia sólida en suspensión, desechos de pienso y excrementos, es decantada en un tanque o filtrada por un tambor en rotación (8). La amenaza de las partículas sólidas radica en una mayor turbidez del agua y en la obstrucción de los sistemas respiratorios y digestivos de los especímenes, además de crear focos bacterianos indeseables.
Sistema de monitorización y control
Está compuesto por los diversos sensores, de tipología distinta, repartidos por toda la instalación; caudalímetros, medidores de oxígeno disuelto, luxómetros, pH- metros, etc.
Esto permite una recogida de datos en continuo que, un sistema de control analiza y responde en consecuencia, alertando al técnico de turno y/o ejecutando, de forma automática, procedimientos rutinarios y preestablecidos. Por ejemplo, inyectar oxígeno desde el depósito de O2 al tanque X cuando el nivel sea inferior a cierta cifra. En adición, El sistema de monitorización y control se complementa con las diversas pruebas manuales llevadas a cabo por el personal técnico del complejo.
Sistema de climatización
Toda especie tiene un rango de temperaturas en el que habita. Si la especie así lo requiere y la temperatura ambiente no lo permite, puede ser necesario la introducción de una resistencia eléctrica en el algún punto del ciclo del agua y/o, de una bomba de calor, tanto para el calor como para el frío. Existen varios precedentes en los que se aprovechan los recursos energéticos del subsuelo, tales como manantiales de agua caliente que alimentan un intercambiador de calor, o, simplemente, hacer pasar un circuito de agua por una zona caliente del subsuelo; en ambos casos la energía es geotérmica. Otras fuentes de energía
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pueden ser contempladas, pero, ante todo, se debe garantizar la disponibilidad de la energía a cualquier hora del día y en cualquier época del año.
Un total de 22 países reportaron usar energía geotérmica para la acuicultura en 2010. Los principales actores fueron China, Estados Unidos, Italia, Islandia e Israel. La tilapia, el salmón y la trucha fueron las especies más comunes en el uso de esta energía renovable (Ragnarsson, A., 2014).
2.2 SISTEMAS ABIERTOS
La diferencia más notable con respecto a los RAS estriba en el porcentaje de agua reutilizada, alrededor de un 10% o, directamente, la recirculación es inexistente. El sistema de contención consiste, habitualmente, en extensos estanques rectangulares hechos de hormigón y puestos en paralelo, uno al lado del otro, o en serie. La instalación se construye sobre un curso de agua a fin de, mediante un sistema de canalizaciones y compuertas, desviar parte del flujo natural hacia la granja acuícola, para luego, una vez aprovechado el potencial químico del agua, devolverlo al río. En el caso de que el circuito se realimente parcialmente, ese porcentaje de agua reutilizada es mezclada con el nuevo caudal de entrada. En ambos casos, la legislación obliga a devolver el agua a su curso natural bajo ciertas restricciones de concentración residual. Esto se logra, principalmente, haciendo un dimensionamiento de la instalación certero, en función de la capacidad de producción proyectada.
En caso de querer intensificar el cultivo pueden hacerse uso, en la medida deseada, de las tecnologías mencionadas en el RAS o, en su defecto, otras más primitivas. Por ejemplo, varias ruedas de paletas sobre la superficie del estanque que actúen como aireadores, de forma que el oxígeno del aire se integre en el medio de cultivo, o, también, llevar a cabo la desgasificación generando espuma y/o haciendo pasar el agua a través de un tubo de gran diámetro con mallado de plástico en su interior.
La inversión inicial de la infraestructura es inferior a la del RAS, debido a su más escasa y rudimentaria tecnología de recirculación, como mucho, un biofiltro y un sistema de decantación en la entrada que garantice la eliminación del material limoso sería suficiente,
pues las cascadas del estanque ya bastan para oxigenar y desgasificar el agua. Aunque, es habitual hallar lámparas UV que esterilicen el flujo entrante. El gasto energético es mucho menor en el sistema abierto, ya que se hace uso de los saltos de agua del curso fluvial para generar el flujo, en cuanto al gasto de agua, se podría decir que es nulo, pues se aprovecha el propio curso del río.
En contraposición, el entorno está más expuesto a las condiciones climatológicas, a los agentes epidemiológicos externos, a las posibles toxinas que acarree el río desde aguas arriba, etc. en definitiva, se obtiene un entorno mucho menos controlado.
Otras zonas como lagos y zonas costeras pueden contemplarse para establecer este tipo de sistemas, siempre y cuando el 90% del agua de entrada no sea reciclada. El hándicap aquí sería la inclusión de un sistema de bombas que extraigan el recurso de la fuente natural y generen el flujo de agua óptimo. Para el caso referente a lagos, es de esperar que las restricciones medioambientales sean muy estrictas, pues se trata de un recurso hídrico con tasas de renovación de agua muy lentas, lo que podría incurrir en una catástrofe medioambiental sobre el ecosistema local si las gestiones de la granja no fueran las correctas.
Figura 14. Piscifactoría asturiana con estanques de hormigón en paralelo. Fuente: SERIDA, organismo público del Gobierno del Principado de Asturias.
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2.3 CULTIVOS VERTICALES
Los cultivos verticales son aquellos cuyos especímenes pueden tener una configuración en el espacio vertical durante su ciclo biológico, es decir, no precisan de superficies extensas para su desarrollo, como ocurre con los peces, ya que pueden ser dispuestos para su producción en el eje Z (profundidad). Básicamente son moluscos y macroalgas.
Los moluscos se nutren de fitoplancton, cuya fuente de energía es la luz solar, como sucede con las macroalgas. Este hecho limita la profundidad de cultivo, pues a medida que la profundidad aumenta, la luz se hace más tenue.
2.3.1 CULTIVOS EN ESTACAS “BOUCHOTS”
Es una práctica extendida en aquellas zonas donde el molusco ocupa una posición respetable en la gastronomía y, además, se dan unos desniveles mareales notables;
Francia, por ejemplo.
La técnica consiste en clavar unas estacas de madera que cubran el desnivel causado por las mareas, de manera que el cultivo esté integrado en el medio acuático cuando se produzca la subida del nivel de agua. El molusco es fijado a lo largo de la madera en espiral, de forma que los espacios dejados entre espiras sirvan para permitir el crecimiento del organismo. Una malla resistente cubre los moluscos y la estaca, con ello se confina a la población evitando así los escapes.
Para su recolección, una cuchara guiada con grúa, esta cuchara de forma tubular, se inserta en el conjunto estaca-moluscos. Cuando la cuchara llega a la base de la estaca, esta se cierra por su zona inferior, ajustándose al diámetro de la estaca desnuda. Al tirar hacia arriba, la cuchara arranca de la madera y acopia dentro del tubo todo el producto.
Figura 15. Moluscos cultivados en estacas. Fuente: anónima.
2.3.2 CULTIVO EN LONG-LINES
Para la elaboración de este apartado se ha establecido (Beaz, J.D., 2017) como fuente principal de información.
Este sistema de cultivo consta de un cabo de gran longitud, denominado “cabo madre”, del que cuelgan las piñas mejilloneras (conglomeración de mejillones alrededor de un cabo). El cabo madre resta a cierta cota, cerca de la superficie, gracias a un juego de boyas y cabos que contrarrestan el peso gravitatorio. La instalación permanece fija, dentro de los límites de la concesión, mediante un sistema de fondeo, este constituido por anclas y/o muertos (bloques de hormigón) conectados a los flotadores de amarre por líneas mixtas de cadenas y cabos.
Existen varias modalidades de instalaciones long-lines. En primer lugar, su clasificación puede hacer alusión a si se tratan de estructuras sumergibles o de superficie. El efecto del oleaje se ve disminuido en las sumergibles, incidiendo en la probabilidad de desprendimiento de los moluscos y en la integridad de la estructura de manera positiva.
Mientras las de superficie son más sensibles a las condiciones meteorológicas, su cercanía al interfase entre los dos medios (aire-agua) posibilita un entorno más rico en fitoplancton, a parte, son más fáciles de faenar, aunque se ven más expuestas al abordaje de embarcaciones y los daños que pueden acarrear.
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Figura 16. sistema discreto (izquierdo), sistema continuo (derecha). Fuente: W. Mckendsey, C. et all, 2006.
Effects of Shellfish Aquaculture on Fish Habitat. Canada.
Acudiendo a la configuración de las piñas de mejillones, se diferencian dos sistemas, el sistema tradicional, que en el presente trabajo nombraremos “sistema discreto”, ya que consta de un set de líneas de cultivo verticales e individuales, estas de 3 a 4 metros de longitud, y sistema continuo, donde los moluscos del cultivo se disponen en una sola línea. En este último caso, el cabo de cultivo está sujeto al cabo madre, de tal forma que, las piñas forman uves a lo largo del tren de boyas. El sistema continuo posee la ventaja que, debido a la maquinaría que emplea para la gestión y la cosecha del molusco, puede usarse una embarcación de menor tamaño. Véase Figura 16.
Otro sistema más innovador, es el sistema “Smartfarm”, bautizado así en nombre de la empresa noruega que lo diseñó, Smartfarm AS. Su sistema de flotación emplea tubos de polietileno en lugar de boyas. De los tubos, cuelgan redes en lugar de cuerdas. Emplea una máquina de cepillos rotadores que limpia, maneja y cosecha los mejillones; el tubo de polietileno sirve de rail guía para el avance de la máquina de cepillos. Véase Figura 17.
Figura 17. Sistema Smartfarm. Fuente: Vigo Marine Solutions
2.3.3 CULTIVO EN BATEAS
Para la elaboración de este apartado se ha establecido Beaz, J.D., 2017 como fuente principal de información.
La batea es un conjunto formado por: el entramado de vigas o emparrillado, el sistema de flotación, el sistema de fondeo y el sistema de cultivo. Esta estructura es la más empleada en el territorio español para la producción del mejillón, principalmente en las aguas de las rias de Galicia, un entorno con unas condiciones meteorologicas menos adversas que en mar abierto, lo que permite la cabida de estas plataformas más rígidas. Véase Figura 18.
Figura 18. Elementos de una batea. Fuente: Beaz, J.D., 2017.
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Las vigas son los elementos estructurales del emparrillado que proporcionan la rigidez necesaria a la batea. Existen cuatro tipos de vigas en la batea: maestras, de través, de amarre y látigos. Dependiendo de la configuración de las vigas maestras con respecto a la línea de fondeo, se distinguen dos tipos de batea; la batea de través, cuyas maestras están en paralelo con la línea de fondeo y, la batea de proa, cuyas maestras son perpendiculares a la línea de fondeo.
Figura 19. Batea de proa (derecha) y Batea de través (izquierda). Fuente: Beaz, J.D., 2017.
Las vigas maestras son los pilares del emparrillado, sobre ellas se ensamblan el resto de vigas y, también, donde se fijan los flotadores mediante puentes atornillados y pernos. Se visualizan en la Figura 19 en color verde, para la batea de proa, y en azul celeste para la batea de través.
Las vigas de través se disponen perpendicularmente sobre las maestras. Poseen menor sección que las vigas maestras, pero son más numerosas a fin de servir de base y colocar encima los pontones. Se visualizan en la Figura 19 en color morado.