Estudio de prefactibilidad técnica y financiera para la implementación de un sistema integrado de fertirriego, abonado por biochar, con uso de energía solar y control automático, para productores de regiones rurales de Costa Rica en una zona de estudio

Abstract

Esta práctica tuvo como objetivo diseñar y realizar un análisis financiero a un sistema de fertirriego abonado con biochar, con control automático e impulsado por energía solar para sostener la producción de cultivos, específicamente culantro, en un invernadero de un productor pequeño en la zona de Santiago, San Ramón. El proyecto conlleva varias etapas de diseño, por lo que se inició determinando las características generales del volumen de control. Para esto se buscaron las condiciones ambientales de la zona (como radiación, pluviometría, temperaturas, etc.), se realizó un estudio de suelos, tanto químico como físico, se buscó de forma teórica los aspectos generales del culantro, la legislación respectiva y el acomodo preliminar de los cultivos en el terreno. Posterior a esto se realizó la investigación para caracterizar de forma teórica el biochar que se obtendría en el proceso y así analizar su impacto en el suelo y cultivo. Conociendo los aspectos generales de trabajo para el carbonizador, como es el uso de leña y la elección de un proceso de carbonización, se dimensionó el carbonizador, teniendo un altura y un diámetro de 0.97 m y 75.5 cm. Este se planteó construir a partir de acero y hierro. Y para la obtención de la totalidad de biochar se deben realizar tres tandas de producción, obteniendo una totalidad de aproximadamente de 65 kg de biochar. A partir de las necesidades hídricas y nutricionales del cultivo, las características del biochar y las condiciones del suelo se realizó un modelado del volumen de control en MATLAB. Con esto se obtuvo una curva de concentración de cada nutriente (N, K, Mg, S y Ca) y un comportamiento de la humedad en el suelo. En el primero se observó un incremento de los nutrientes en el suelo, lo que confirma, de forma teórica, que se nutre sin deficiencia al cultivo. Pero se realizó un análisis químico al biol, y con las concentraciones nutricionales experimentales, el modelado presentó de la misma forma un incremento de los nutrientes, a diferencia del nitrógeno, que se debe suplir al volumen de control. Y en el segundo se obtiene los requerimientos hídricos diarios para los ciclos del cultivo a lo largo del año, identificando la mayor necesidad, de 0.44 m3/d, el valor con el que se diseña el sistema hidráulico. Para el diseño del sistema hidráulico se determinaron todos los equipos y dimensiones de tubería. El sistema involucra el tanque de almacenamiento, la bomba, dos filtros (uno de arena y otro de discos), una etapa de inyección de fertilizantes y demás accesorios. Conociendo los datos generales de cada equipo se calcularon las pérdidas de carga totales, siendo de 7.36 m, y con esto se calculó la potencia necesaria para impulsar el sistema, de 9.43 W. Para el sistema de control automático se generó un algoritmo que se adapta a las necesidades del cultivo y del productor. Se diseñó un sistema con sensores de humedad en cada sección de riego y un sensor de nivel en el tanque de almacenamiento, que mediante un controlador acciona la bomba y las electroválvulas, tanto de las secciones de riego como del tanque. Esto se diseñó para ≈ 2 h de riego al día, siendo previsto para la tarde. A partir de los equipos del sistema de control automático y la bomba se detalla el requerimiento energético del sistema, de 18.2 Wh/d, con un voltaje de 24 V. Con este valor y la irradiancia de la zona se diseñó un módulo de un panel solar de 115 W, con un regulador de carga y dos baterías en serie. Finalmente, conociendo los detalles de todo el sistema se realizó el análisis financiero. Para este caso, se desarrolló un estudio clase II, con un horizonte de tiempo de cinco años. Primero se cotizaron todos los equipos, después se realizó el desglose de costos indirectos y directos y finalmente se construyó el flujo de caja. Para este sistema se decidió plantear tres escenarios de estudio: el sistema completo, el sistema impulsado por energía eléctrica (cableado) y el sistema sin carbonizador. En los tres casos se obtuvo una rentabilidad mayor al escenario base, siendo el escenario más rentable el segundo, seguido del primer y el tercero, con un VAN de (2 108 107, 1 877 875 y 1 813 346) CRC respectivamente. Asimismo se realizó un análisis de sensibilidad para el primer caso, donde se obtuvo un gran impacto al variar el rendimiento y el precio del culantro, y el costo de la mano de obra. Se concluye que cualquiera de los tres escenarios planteados son favorecedores contra el escenario base (cultivo actual). El escenario más rentable es el sistema completo impulsado por energía eléctrica mediante la extensión de la instalación, obteniendo un VAN mayor. Asimismo se resalta el beneficio del uso del carbonizador, resultando un VAN un poco mayor en el caso en el que se aplica biochar, y es posible aumentar su rendimiento si se obtiene un precio de construcción menor. Se recomienda recopilar información sobre absorción de nutrientes y requerimiento hídrico de otros cultivos para evaluar el modelo en el programa MATLAB, e identificar posibles variaciones del diseño. Asimismo, se recomienda realizar una caracterización adecuada al biochar para determinar diferencias con los valores teóricos y comportamiento real en el sistema. Y finalmente se recomienda realizar un análisis foliar el culantro en distintas etapas del desarrollo, esto para determinar deficiencias o exceso de nutrientes en su producción