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¿Qué son más eficientes: las plantas o las placas fotovoltaicas?

Por: | 31 de mayo de 2011

Oblea de célula solar de alta eficiencia de Solar Junction ¿Qué es más eficiente para captar la energía del sol: la fotosíntesis natural o las placas fotovoltaicas? Este inusual ejercicio teórico fue planteado de forma reciente por un grupo de reconocidos científicos en un artículo de la revista Science.

El trabajo considera que la energía que llega en forma de radiación solar a la Tierra es de unos 120.000 teravatios (TW)(1), mucha más de la que necesita la humanidad.

Sin embargo, esta energía llega de forma muy dispersa: los investigadores estiman que de media anual inciden sobre el planeta unos 170 vatios por metro cuadrado (esto cambia mucho según la situación geográfica). El desafío es conseguir captar esta energía de forma eficiente. En la naturaleza, organismos como las plantas son capaces de cosechar una parte por medio de la fotosíntesis, pero el ingenio humano ha ideado también su propio sistema con células fotovoltaicas.

En realidad, la comparación entre fotosíntesis y fotovoltaica no deja de ser bastante forzada, pues se trata de dos procesos muy diferentes. El artículo publicado en Science (que es el resultado del trabajo de un equipo de expertos de distintas disciplinas reunido en un encuentro científico en 2009) se centra exclusivamente en la eficiencia de estos dos métodos para captar la energía del sol. Aún así, una célula fotovoltaica transforma parte de esa luz solar en electrones (electricidad), mientras que la fotosíntesis hace que quede almacenada en compuestos orgánicos.

El que se pueda acumular la energía tiene un valor añadido. Así pues, para que la comparación en eficiencia sea más justa, los científicos basan sus cálculos de la fotovoltaica en un sistema en el que la electricidad obtenida con los paneles solares es utilizada a su vez para producir hidrógeno a partir de la electrólisis del agua. Esto iguala más las cosas, pues la energía de las células solares se almacena así también en forma de hidrógeno.

“Tengo una diapositiva con la imagen de un campo de maíz y de una gran fotovoltaica, cuando doy una charla, a menudo pregunto a la audiencia qué es más eficiente”, comenta Robert Blankenship, investigador de la Universidad Washington en San Luis y uno de los autores del estudio. “El público vota abrumadoramente en favor de la fotosíntesis". Sin embargo, se equivoca.

El trabajo asegura que la eficiencia de una célula fotovoltaica de silicio como las que hay hoy en el mercado es de cerca de un 18%; es decir, que transforma en energía eléctrica un 18% de la luz solar que incide en los paneles. Ahora bien, si se tiene en cuenta la electrólisis del agua para producir hidrógeno, entonces los investigadores calculan una media anual de eficiencia del 10%. Por su parte, la eficiencia de conversión de energía de las plantas de cultivo no supera el 1%, habiéndose registrado porcentajes del 3% en el caso de microalgas cultivadas en bioreactores.

En eficiencia, ganan las placas solares. Aunque está claro que las plantas y demás organismos fotosintéticos tienen otras muchas ventajas. Los paneles solares no van a reproducirse solos, por ejemplo, como pueden hacer estos seres vivos.

¿De qué sirve comparar la fotosíntesis y la fotovoltaica? Lo que plantean los investigadores en este trabajo es que la fotosíntesis puede mejorar mucho su eficiencia y una forma sería imitando las placas solares. Las células fotovoltaicas son capaces de absorber fotones en un rango entre el infrarrojo al ultravioleta, mientras que las plantas, algas y cianobacterias que realizan la fotosíntesis captan solo unas longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetos, lo que representa sólo un 50% de la luz solar que les llega. Resulta controvertido, pero el estudio sugiere utilizar la ingeniería genética y la biología de sistemas para conseguir organismos fotosintéticos más eficientes.

“Todo esto es un simple ejercicio teórico, pues técnicamente esto presenta unas complejidades inmensas”, asegura precavido Miguel García, catedrático del Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis del CSIC (IBVF). “Las cianobacterias llevan casi 3.000 millones de años en el planeta, pero no han ido evolucionando para aumentar su eficiencia fotosintética, sino para sobrevivir y perpetuarse”, comenta este experto, que explica que el interés de este tipo de estudios viene por los biocombustibles. “Hasta ahora, las plantas se han visto como fuente de alimentos, e incluso se han seleccionado para eso, para que acumulen más proteínas o más carbohidratos en los granos, pero este enfoque cambia con las plantaciones agroenergéticas”.

¿Hasta qué punto se puede mejorar el rendimiento de los paneles fotovoltaicos? El artículo de Science se centra en las posibilidades de mejora de la fotosíntesis, pero la eficiencia de los paneles solares no deja de aumentar. Uno de los mayores especialistas en este campo es el español Antonio Luque, catedrático de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), cuyos colaboradores obtuvieron el récord mundial de eficiencia de células de dos uniones (32,6%) y que lideró un un proyecto europeo que logró el récord mundial de tres uniones (41%).

Como explica este investigador, la mayor marca actual para una célula multiunión lo tiene la empresa estadounidense Solar Junction: 43,5%. “Las células solares sólo pueden convertir con muy alta eficiencia determinados fotones”, detalla el catedrático, “lo que ocurre con las células multiunión es que hay un apilamiento interno de varias células solares -si se dice tres uniones es que hay tres células solares- y cada una aprovecha unos fotones muy bien, aumentado de forma considerable el rendimiento”.

¿Dónde está el límite? “El límite físico de una célula multiunión en el mejor de los casos sería el 86%”, responde Luque, que va a coordinar ahora la parte europea de un proyecto internacional con Japón para conseguir el 45% en célula solar de concentración y una hoja de ruta hacia el 50%. “No tengo la más mínima duda de que el fotovoltaico va a ser uno de los componentes más importantes de la electricidad para mediados de este siglo o probablemente antes”, recalca el investigador. “La biomasa tiene demasiado poco rendimiento para ser una verdadera solución masiva. Ocuparía demasiado terreno en competencia con la agricultura, lo que es inaceptable porque ya usamos el 13% de las tierras para alimentos”.


(1) 1 teravatio = 1012 vatios

Hay 42 Comentarios

No creo que haya más eficiencia en las plantas que en las placas fotovoltáicas, cada una de ellas hace su función, por lo tanto las dos son necesarias.

I could tell how great you are in your field of interest. You could relate in each detail very well. Thank you for spending a time on sharing such informative writings to us.

Yo tengo una planta fotovoltaica con 3 seguidores solares que produce actualmente 27Kw que es la energia que consumen 10 hogares aproximadamente, esta planta ocupa un espacio de unos 200mt2 de suelo, las celulas fotovoltaicas de esta planta tienen una eficiencia del 12% y si ese rendimiento mejorara con las nuevas celulas en torno al 50% estaria en paridad con el precio del kilowatio de las grandes electricas. Esto es real y no hipotesis o cuentas de la vieja, esta montado, esta funcionando, esta produciendo y esto es enemigo del negocio monopolista de las electricas. Les preocupa y mucho, si estan nerviosos es buena noticia para el consumidor, por eso no dejan de intoxicar en los medios de masas a su servicio con el cuento de que la energia renovable es la responsable del deficit de tarifa y de la subida del precio del recibo domestico de la luz. Ese recibo es lo que temen perder, ni mas ni menos, un recibo que convierte a cada ciudadano en su exclavo, un recibo que nadie puede devolver bajo la extorsionante amenaza del corte de luz, un recibo que tambien sirve para comprar politicos y voluntades en defensa de su gran chollo de toda la vida

La paridad está a puntito de ser una realidad, cosa que no le gusta nada a las empresas eléctricas que siguen con sus ideas anacrónicas para hacerse más y más ricos.

La paridad de la fotovoltaica con la red eléctrica en España ya se ha alcanzado (o está muy próxima).

Hay una empresa dedicada a instalar sistemas fotovoltaicos con implantación en varios paises que ofrece en su página web instalaciones fotovoltaicas a precios muy ajustados incluso tratándose de instalaciones de pequeña potencia.

En concreto hay una instalación con una potencia pico de 2,88 kW (tener en cuenta que en torno a 3-5 kW bastan para producir la energía eléctrica consumida por una vivienda por lo que resultaría apropiada para una instalación conectada a red en un esquema de remuneración de net-metering o balance neto que esperemos que se apruebe en España en los próximos meses) que utiliza modulos policristalinos fabricados en China con las garantías habituales (con una eficiencia del 14,78%) y un inversor de marca reconocida y cuyo coste incluyendo instalación sobre tejado inclinado asciende a 5.679 euros (¡¡¡ 1,97 euros por kilowatio pico !!!) sin incluir el IVA.

Si no hay letra pequeña ni costes ocultos en lo que ofrece esta empresa esto implica claramente que en España la paridad con la red ya es una realidad.

Voy a realizar una cuentas rápidas (en las que se va a excluir el efecto de la inflación, las previsibles subidas en las tarifas eléctricas y la tasa de actualización del dinero que se usa habitualmente en las valoraciones de inversiones).

La vida útil de las placas fotovoltaicas se estima en un rango de 25-40 y la vida útil de los inversores en 10 años.
No obstante voy a hacer los cálculos utilizando un periodo de 20 años con un cambio de inversor a los 10 años (es razonable que al cabo de 20 años podamos prolongar la vida de la instalación al menos otros 10 años con un nuevo cambio de inversor o incluso que el inversor de la primera sustitución con tecnología de dentro de una decada ya tenga una garantía del fabricante de 20-25 años).

Si tenemos en cuenta una degradación del 1% anual del rendimiento del panel (la garantía estandar establece un rendimiento del 90% a los 10 años y del 80% a los 25 años) esto supone que a lo largo de 20 años la instalación producirá 18,1 veces la energía producida durante el primer año.

Con la insolación media en España podemos suponer una producción media en España el primer año de funcionamiento de la instalación de 1.200 kWh por kilowatio pico por lo que la energía producida durante los primeros veinte años se puede estimar en 62.554 kWh.

Si actualmente tuvieramos en España legislación que permitiera el balance neto y la producción de la instalación fuese inferior al consumo de la vivienda esta electricidad habría que valorarla al precio del kWh que actualmente es de aproximadamente 15 céntimos para la tarifa de último recurso incluyendo impuesto de electricidad y excluyendo IVA por lo que podemos estimar el retorno económico a lo largo de los primeros 20 años en 9.383 euros.

Supongamos que estimamos el gasto anual de la instación en el 2% del coste de inversión (en principio debería bastar con cubrir el mantenimiento que en caso de una pequeña instalación en cubierta debería ser mínimo y un sobrecoste en el seguro de la vivienda) por lo que al cabo de 20 años supone un coste de 2.272 euros y el coste de sustituir el inversor al cabo de 10 años a 40 céntimos por kilowatio pico supone 1.152 euros.

Sumando todo nos da un coste a lo largo de los 20 primeros años de 9.102 euros. Así pues el coste de la instalación se podría recuperar antes de los 20 años de funcionamiento quedando todavía varios años de funcionamiento (salvo las eventuales reparaciones de los inversores).

Si fuese necesario recurrir a un crédito para pagar la instalación la cosa ya iría muy justita. Lo ideal sería incluirlo en la hipoteca de la vivienda para obtener un interés razonable pero si es necesario utilizar un crédito al consumo podríamos estimar un crédito a 10 años al 7% de interés anual con un 1% de comisión de estudio que añadiría 2.464 euros al coste de la instalación con lo que ascendería a 11.566 por lo que ya se iria la recuperación de la inversión a los 26 años.

Una consulta: me gustaría saber los porcentajes en los cuales las diferentes actividades humanas son responsables del calentamiento global (industria, ganadería, agricultura, etc), pero me encuentro con que las cifras divergen de una publicación a otra, de un país a otro, de año en año. ¿Hay algún consenso al respecto?

Qué rápido que EcoLab ha desaparecido de la barra de blogs de El País. Ayer salía este post, hoy no hay ni rastro. Sic transit gloria mundi.

Algunos datos:

La potencia del sol que llega a la tierra es de 170.000TW .
La fotosíntesis es capaz de absorber 95TW.
La agricultura ocupa 50 millones de km2 y es capaz de producir 0,5Tw en forma de alimentos.

El consumo de energía primaria es de 15TW. La potencia promedio que llega a la superficie de la tierra es de 168W/m2. Suponiendo un rendimiento del 1%, se necesitaría ocupar 9millones de km2 para producir el total de la energía primaria consumida por la humanidad.

Si instalamos las centrales nucleares en las zonas mas soleadas 300w/m2 y con un mayor rendimiento... se puede obtener con menos de 1millon de km2.

La fotosíntesis tiene un rendimiento muy pobre que no puede proporcionarnos nuestro consumo energético. Afortunadamente hemos descubierto forma muchisimo mas eficientes de aprovechar esta energía.

nice) thanks for everything)

Biofuture, contesto rápido porque creo que no tenemos que salirnos demasiado del tema del post y esto ya es off-topic. Yo tampoco no tengo demasiada fe en las algas porque, justamente, después de casi 20 años de experimentación con el Aquatic Species Program de los EE.UU. se identificaron una serie de escollos que hoy en día siguen ahí: contaminación de especies invasoras en piscinas abiertas, degradación del medio acuoso por exceso de toxinas en los bioreactores. En todo caso, estoy bastante de acuerdo con tu comentario.

Salu2,

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Sobre el blog

Como si mirásemos por el ocular de un microscopio, Ecolaboratorio es un blog ambiental que trata de ver más de cerca todo aquello que nos rodea. En este particular laboratorio se buscan respuestas a las cuestiones más enrevesadas que nos asaltan de forma cotidiana.

Sobre el autor

Clemente Álvarez

(Madrid, 1973) es un periodista especializado en medio ambiente y ciencia. Colaborador de El País desde 2004, le entusiasma mezclar elementos de la ecología con reactivos de la energía y la economía, aunque la fórmula pueda resultar inflamable.

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