Den skjulte kostnaden ved mangelfull degassing

Forfattere: Eldar Lien (Searas), Helene Bjørnevik Bjelland (Searas), Morten Aga (Searas), Sara Queralt (Searas), Alexandr Bylinkin og Eivind Farestveit Larsen (Searas)

Forståelse av karbon i lukkede anlegg

I et lukket oppdrettsanlegg tilføres det karbon i form av fôr som omdannes til proteiner i fisken og avføring. En konsekvens av dette er at fisken forbruker oksygen i prosessen og ender opp med CO₂ som et biprodukt som må håndteres. Dette biproduktet er i form av uorganisk karbon (TIC), der CO₂ kun er en del av en større likevekt som er styrt av blant annet pH (Figur 1).

I en fisketank er TIC fordelt på tre kjemiske former: løst karbondioksid (CO₂*), bikarbonat-ioner (HCO₃⁻) og karbonat-ioner (CO₃²⁻). Disse artene eksisterer i en dynamisk pH-avhengig likevekt beskrevet av følgende reaksjonskjede:

CO₂(aq) + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ HCO₃⁻ + H⁺ ⇌ CO₃²⁻ + 2H⁺

Under typiske driftsforhold er bikarbonat og karbondioksid dominerende og utgjør majoriteten av det uorganiske karboninnholdet. Svært forenklet kan man si at det alltid er en pH-styrt likevekt der:

CO₂ ⇌ HCO₃⁻

Fordeling av bikarbonat og karbondioksid er gitt av blant annet pH, salinitet og temperatur. Fordelingen kan illustreres som i figur 2 ved gitt TIC-verdi og ulik pH, for ferskvann og saltvann.

Et system vil alltid gå mot denne likevekten gitt av pH. Hvis systemet er i ubalanse, vil HCO₃⁻ omdannes til CO₂ og vice versa. Under de aktuelle vannkjemiske betingelsene er den karakteristiske halveringstiden for gjenoppretting av karbonatlikevekten anslått til om lag 22 sekunder. Det innebærer at en vesentlig del av likevekten først er gjenopprettet etter omtrent ett minutt.

Les også:

Betydningen av TIC i lukkede oppdrettsanlegg

Betydningen av TIC og karbonbalansen

Gjennom utskifting av vann og vannbehandling søker man å balansere karbonregnskapet. Mekanisk filtrering og proteinskimming fjerner organisk karbon, og degassing fjerner uorganisk karbon. For å holde stabile nivåer av CO₂ i systemet, er det essensielt å ha kontroll på TIC-balansen i form av;

TIC fra fôr [kg] ≈ TIC ut [kg]

I den operative vannbehandlingen fjernes TIC hovedsakelig gjennom utskifting av vann og overføring av uorganisk karbon til CO₂ som deretter degasses. Ved degassing av vann er det kun fritt CO₂ som kan fjernes under degassingsprosessen. Hvor mye av TIC som er tilgjengelig i form av CO₂ er avhengig av pH og salinitet, se figur 2. Ved bruk av degassingstårn eller kolonnedegassere fjernes tilgjengelig CO₂ i en tilnærmet umiddelbar prosess. Etter stripping av CO₂, er systemet i ubalanse og systemet korrigerer for dette gjennom å omdanne HCO₃⁻ til CO₂. Etter om lag ett minutt er en stor del av det karbondioksidet som er fjernet gjennom degassing, gjenopprettet ved omdannelse av bikarbonat til karbondioksid. Tid er en viktig faktor for effektiv degassing.

Når vann degasses over lengre tid, som i Searas’ AquaDUCT, kan man snu systemets driv mot likevekt til sin fordel. Ved oppholdstid 30 – 60 sekunder vil CO₂ som er omdannet fra bikarbonat bli strippet fra vannet, og man får en betydelig økt effektivitet når det gjelder fjerning av TIC (figur 3). Tid som degassing tar er helt essensielt for CO₂-nivået som fisken opplever i tanken.

 For å få et riktig tall på hvor mye CO₂ man tar ut av systemet gjennom degassing, må man måle faktisk CO₂-fjerning i kg per time fra eksosen til degasseren siden karbonsystemets driv mot likevekt gjør at måling før og etter degassing bare gir en del av bildet. Måling av degasserens massefjerningsrate i kg CO₂/time, kombinert med data om fôring, TIC, vannstrømmer og CO₂ i vannet gir dette et vesentlig bedre grunnlag for å etablere en komplett karbonbalanse.

Figurene nedenfor viser målinger fra et innsett i et RAS-anlegg med fôring fra 600 kg/døgn til 1200 kg/døgn, og pH 7,3. Målinger av CO₂ og TIC er sanntidsmåling i fisketanken, måling av CO₂ i eksosen er sanntidsmåling av CO₂-mengden målt i kg per time, i ventilasjonskanalen fra AquaDUCT.

 Figur 4 viser at CO₂-nivået øker kontrollert i starten av perioden og deretter holder seg innenfor et relativt stabilt intervall, samtidig som man ser at CO₂ man henter ut av systemet fra degassing er økende etter hvert som biomassen og fôring øker (figur 5).  Stabile CO₂-verdier indikerer en likevekt mellom TIC inn og TIC ut (figur 6). Målingene indikerer at degassingen i dette tidsintervallet holder tritt med den økende karbonbelastningen, uten tegn til en vedvarende oppbygging som begrenser fôringen.

Klikk på figurene for større

Degassing og produksjonskapasitet

Som en illustrativ tommelfingerregel kan fiskens respiratoriske CO₂-produksjon anslås til om lag 0,4–0,5 kg CO₂ per kg fôr. Med 0,5 kg som forenklet utgangspunkt blir forholdet mellom CO₂-produksjon og fôring omtrent 1:2. Over et produksjonsår kan selv en moderat begrensning i avgassingskapasiteten gi betydelig lavere produksjon og svakere utnyttelse av anleggets biomassekapasitet.

Dersom degassingskapasiteten er den begrensende faktoren, kan én ekstra kg CO₂-fjerning per tidsenhet derfor frigjøre kapasitet til omtrent to kg mer fôr i samme tidsenhet. Den faktiske produksjonseffekten vil avhenge av blant annet fiskestørrelse, temperatur, salinitet, systemdesign og øvrige flaskehalser.

I stresshendelser øker fiskens respirasjon og CO₂-produksjonen. Målinger med AquaSENSE under observerte stresshendelser har vist kortvarig CO₂-produksjon på opptil fem ganger normalnivået.

Økte produksjonskostnader ved økt degassing

Ved en begrenset degassingskapasitet har oppdretter ulike strategier avhengig om det er RAS-anlegg eller gjennomstrømning med gjenbruk.

I et RAS-anlegg kan manglende degassingskapasitet håndteres ved å;

i) Øke mengde vann inn og ut av tanken, samt erstatte tapt alkalitet med buffer

ii) Øke pH for å «skjule» CO₂ ved å manipulere pH ved å tilsette baser for å konvertere CO₂ til bikarbonat

iii) Redusere fôring

Felles for de ulike alternativene er at de er kostbare og medfører betydelig økning i produksjonskostnader.

I et gjennomstrømingsanlegg med gjenbruk, kan manglende kapasitet på degassing håndteres ved å;

i) Øke mengden vann inn i karet

ii) Redusere fôring

Dette er tiltak som har en betydelig påvirkning på produksjonskostnad gjennom;

• Økte energikostnader ved pumping av mer vann,

• Redusert tilvekst og fiskevelferd i kar grunnet lavere temperaturer som følge av økt inntak av kaldt vann

• Økte kostnader ved å varme opp mer vann, hvis anlegget driftes med energianlegg

• Redusert tilvekst som følge av redusert fôring

Økt fiskevelferd ved økt degassing

Høye CO₂-nivåer påvirker fiskevelferd og kan resultere i redusert tilvekst og økt dødelighet. Langvarig eksponering kan føre til at fisken bruker mer energi på å opprettholde fysiologisk balanse, noe som reduserer fiskens kapasitet til å håndtere andre belastninger og stresshendelser. Over tid blir belastningen større enn fiskens evne til å kompensere, noe som svekker dens helse og robusthet. Høye og varierende CO₂-nivåer kan være en av flere risikofaktorer knyttet til utvikling av nefrokalsinose. Sammenhengen er imidlertid multifaktoriell og påvirkes blant annet av salinitet, mineralbalanse, smoltifisering, osmoregulering og øvrige forhold i produksjonsmiljøet. HSS observeres ofte i de samme produksjonsmiljøene og antas å dele flere av de samme underliggende risikofaktorene. Begge tilstandene kan påvirke postsmoltens prestasjon etter sjøutsett. Utfordringer med høye CO₂-nivåer inntreffer når biomassen vokser og etter hvert nærmer seg begrensning i degassingskapasitet.

Økt forståelse av TIC og reelle målinger av økt CO₂-produksjon ved stress, gjør at risikobildet er mer alvorlig enn først antatt. Dette er illustrert ved reelle data fra et tre måneder langt innsett med økende TIC-verdier og en stabil pH på 7,4 (se figur 7), hvor TIC-verdiene mot slutten av perioden ligger mellom 130 – 180 mg/l. Den vedvarende økningen i TIC indikerer at karbon tilføres raskere enn det fjernes, og at den operative degassingskapasiteten ikke holder tritt med belastningen. Det akkumuleres uorganisk karbon i vannet etter hvert som biomassen vokser.

Ved en stressituasjon fremprovosert av eksempelvis en trengeoperasjon over en tidsperiode på 1-2 timer, kan CO₂-produksjonen øke med inntil 3-5 ganger normal produksjon som følge av økt respirasjon. Dette vil føre til økende TIC-verdier og synkende pH. Synkende pH vil forskyve karbonatlikevekten slik at en større andel av TIC foreligger som fritt CO₂.

Tabell 1 illustrerer et kritisk risikoscenario der fisken raskt kan bli eksponert for svært høye CO₂-nivåer. I scenarioanalysen nedenfor illustreres konsekvensene av en kortvarig økning til henholdsvis tre og fem ganger normal CO₂-produksjon. Resultatet av denne stressituasjonen kan bli en rask og kraftig økning i CO₂-eksponeringen, selv uten ytterligere oppbygging av karbon i systemet.

Anlegg som styres etter CO₂-verdier alene vil kunne undervurdere risikoen, fordi slik scenarioene viser, vil høye TIC-verdier gi en brå økning i CO₂ selv ved et moderat pH-fall. Tiltak for å håndtere en slik risiko vil være: 

i) Å styre anlegget etter TIC-verdier og ikke etter CO₂

ii) Tilstrekkelig kapasitet til å fjerne TIC for å unngå oppbygging av karbonreserver

Konklusjon

I et lukket oppdrettsanlegg forsvinner ikke karbonet fordi CO₂-målingen ser tilfredsstillende ut. Karbonet kan fortsatt være i vannet som bikarbonat og karbonat, klart til å frigjøres som CO₂ når belastningen øker eller pH synker. Derfor er styring etter CO₂ alene ikke tilstrekkelig.

Når degassing ikke holder tritt med karbonproduksjonen, må oppdretteren betale på én eller flere måter: gjennom redusert fôring og tilvekst, økt vannforbruk og energibruk, eller høyere biologisk risiko. Mangelfull degassing er dermed ikke bare et vannkvalitetsproblem. Det er en direkte begrensning på anleggets produksjonskapasitet og lønnsomhet.

Lukkede oppdrettsanlegg bør derfor styres etter en dokumentert karbonbalanse:

• hvor mye karbon som tilføres gjennom fôring

• hvor mye TIC som finnes i vannet

• hvor mye CO₂ som faktisk fjernes fra systemet

• hvilken reservekapasitet anlegget har når biomassen øker eller fisken utsettes for stress

Den viktigste konklusjonen er enkel: Et anlegg som ikke kjenner karbonbalansen, kjenner heller ikke sin reelle produksjonskapasitet.

Ved å kombinere kontinuerlige TIC- og CO₂-målinger med tilstrekkelig degassingskapasitet kan oppdretteren gå fra reaktiv håndtering av høye CO₂-verdier til proaktiv styring av fôring, biomasse, risiko og kostnader. Det gir mulighet for høyere og mer stabil produksjon, lavere driftskostnader og bedre beskyttelse av fisken.

Spørsmålet er derfor ikke om god karbonkontroll koster. Spørsmålet er hvor mye manglende karbonkontroll allerede koster anlegget.

For ytterligere informasjon om FHF TIC-prosjektet, AquaSENSE™, AquaDUCT™ og AquaWARE™, vennligst kontakt prosjektteamet.

Les også:

Betydningen av TIC i lukkede oppdrettsanlegg