¿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

Me ha gustado el comenario de Antonio Turiel, sabe de lo que habla, yo sigo también el tema del peak oil y es para estar preocupado. Soy también escéptico respecto a a energía solar, no tanto la eólica puesto que está demostrando que es capaz de cubrir porcetajes elevados del consumo en países como España o Dinamarca. La energía de las mareas hará también su contribución, hidroeléctricas, etc. Es decir, yo creo que el suministro de ELECTRCIDAD mal que bien se podrá cubrir, aunque haya que ahorrar, que tampoco no vendría mal.

El GRAN PROBLEMA es qué demonios hacemos con los millones de coches, camiones, barcos y aviones que hoy se mueven con combustibles fósiles, ahí tiene nuestra civilización un potencial Armaggedon, o casi. Yo como solución (al menos parcial) no veo más remedio que:

1) Seguir buscando petróleo hasta el último rincón del planeta (lo siento, suena feo, pero es imprescindible retrasar lo máximo posible la curva de decaimiento de crudo)

2) Fabricar coches y otros medios de transporte de tecnologia híbrida y bajo consumo, y fomentar el ahorro (aunque cuando tengamos que pagar la gasolina a 5 euros/litro ya ahorraremos a la fuerza)

3) Desarrollar sustitutos drop-in que deben cumplir ciertas condiciones, como tener un balance neto de emisiones de CO2 lo más bajo posible y no afectar a la produccón de alimentos mundial. Aquí es donde entran en juego las MICROALGAS: usan CO2 atmosférico para fabricar el combustible, no ocuparían espacio agrícola, les tenemos que aportar muy poca energía (usan luz solar, aunque requieren fosfatos que les tendremos que suministrar) por lo que la TRE es elevada. Ya existen especies que son auténticas fábricas de aceite, fácilmente convertible en diesel de atomoción. Mediante la Biotecología el proceso se puede mejorar mucho. No esperen milagros a corto plazo, pero las Microalgas pueden ser una de nuestras Arcas de Noé en el negro futuro de restricciones energéticas que no espera.

Ojalá Antonio Turiel pueda leer este comentario y nos de su opinión sobre el tema.

Hola, Daniel:

Por supuesto que se puede vivir, y dignamente, y muy bien, consumiendo mucha menos energía. El problema es que tenemos un sistema económico que se basa en el crecimiento continuo, y que cuando éste ya no es posible general paro, exclusión, malestar social, revueltas, destrucción, etc. Mientras sigamos centrándonos en el problema técnico seguiremos buscando la manera de gastar tanta energía como hasta ahora o más, seguir creciendo en un planeta finito, y eso nos aboca, sin duda, al desastre.

Yo soy pesimista respecto al futuro pero no por las cuestiones técnicas o científicas, sino por las económicas y organizativas, que van a hacer que todo lo que se discute aquí sea papel mojado. ¿Que tenemos que investigar en renovables? Por supuesto, pero como si no lleváramos décadas haciéndolo. Pero no, ahora se supone que haremos un sobreesfuerzo y "resolveremos el problema" (sobre "el problema" yo echaría un vistazo a crashoil.blogspot.com/2010/06/replantear-el-problema.html). Y eso lo vamos a hacer mientras nos recortan a pasos agigantados los recursos en I+D, y no sólo en España; ¿saben lo que ha pasado con la Agencia de Información de la Energía de los EE.UU.? oilcrash.net/2011/04/30/a-ciegas/

Sean optimistas si quieren, pero aduzcan razones objetivas para ello. Si se mira el cuadro global, con todas sus implicaciones, la perspectiva que se vislumbra, apuntalada por ese tecno-optimismo dominante en la sociedad que nos adormece y hace delegar nuestra responsabilidad (crashoil.blogspot.com/2011/04/nuestra-relacion-con-la-tecnologia.html) es que vamos hacia el colapso.

Salu2.

Sr. Antonio Teruel me parece que ud es una de las pocas personas que ha opinado con conocimiento del tema. En realidad me ha gustado más su comentario que el artículo. El punto en el que no coincidimos es sobre su visión del problema, la cual es demasiado negativa, en estos tiempos los cambios se suceden muy rápidamente y no habría que hacer pronósticos muy arriesgados a futuro (digamos 20 años).

Otro punto que me interesaría comentar es que claramente el problema es que NOSOTROS no queremos dejar de consumir el nivel de energía al que estamos acostumbrados. Esto genera las necesidades energéticas. Un mal ejemplo es Tokyo, donde luego de los terremotos y tsunamis se ha restringido el uso de la energía y como todos han visto o leído la ciudad sigue "funcionando". Moraleja, se puede vivir dignamente consumiendo mucho menos energía. Lo cual nos lleva a la conclusión del primer párrafo, no se deben hacer predicciones apocalípticas por el placer de hacerlas.

En estos momentos se están llevando a cabo gran cantidad de desarrollos en diversas áreas de materiales y biología, siendo el ahorro de energía el gran motor de muchas investigaciones en estos campos.

Un saludo.

Un investigador

@Antonio Turiel
" Y mientras nos ensoñamos en futuras fuentes de energía no nos damos cuenta de que tenemos mucho menos tiempo de lo que nadie se cree. Esta es la cruda y dura realidad. Asúmanla si pueden."

En el resto del comentario podemos estar o no de acuerdo y según matices ... pero esta ultima parte me deja un poco pallá.

Interesante artículo e interesantes comentarios. Me gustaría emplear un tono igual de contundente que el empleado en ellos (buen comentario el de Antonio Turiel) pero mi visión retrospectiva (tengo 50 años) y lo que leo me lleva a pensar que, en determinados campos como el de la producción y comercialización de la energía, estamos asistiendo y vamos a asistir a cambios tan importantes como lo fueron hace treinta años respecto de la configuración del mapa energético de muchos países occidentales. Las políticas, las economías, los lobbies y, sobre todo, los avances tecnológicos están propiciando contínuos cambios que nos llevan a un futuro impredecible en cuanto a la configuración energética, aunque apuntando siempre en una misma dirección: la eficiencia. Todos los caminos conducen a Roma pero lo único importante para las generaciones posteriores es lo rápido que demos con las soluciones en cuanto a la sustitución de las energías sucias (cuidado con los biocarburantes) por energías casi limpias.
Por otro lado, no debemos olvidar que tanto o más importante que producir energía limpia es conseguir devolver, sobre todo a la atmósfera y capas superiores de la Tierra, el estado en el que se encontraba hace treinta o cuarenta años y ahí es donde va a jugar un papel radicalmente importante la investigación en biotecnologías que permitan procesar grandes dósis de C02 y otros gases contaminantes.

Enhorabuena por el blog.

Lo único que se extrae de este artículo es que los humanos nos seguimos creyendo los reyes de la creación, como me contaban los curas en el cole. Como si todos los recursos del universo fueran eso: recursos. Como bien se plantea en MATRIX, somos un puto virus. Ahora no sólo queremos desequilibrar la biosfera. Si podemos, desequilibraremos todo el sistema solar... Y toda la galaxia... y......
Eso : que el tono de este artículo es el los que no asumimos que somos parte (ínfima) del universo sino que nos creemos dioses...

Muy acertado el comentario de Enrique Pérez.

Daniel Nocera, del MIT, está experimentando con avances esta tecnología. Podeis ver más de su trabajo aquí:

http://mauriciobertero.espacioblog.com/post/2011/04/11/hoja-artificial-cientificos-del-mit-logran-nueva-tecnologia

Cuando se dice que es más eficiente la célula fotovoltaica que la fotosíntesis, ¿se considera en el cómputo la cantidad de energía necesaria para que crezca la planta por un lado, y para fabricar la célula fotovoltaica por otro?

Bonito artículo, y con el rigor acostumbrado, aunque arroja una imagen falseada de nuestro futuro energético y eso alimenta las teorías de la conspiración a las que se abonan algunos comentaristas y no pocos lectores. Desafortunadamente nuestro futuro no es ni mucho menos tan brillante.

Algunas precisiones:

- Las placas fotovoltaicas instaladas en el mundo real tienen eficiencias más cercanas al 10% que al 18% que se menciona en el artículo.

- Las placas de alta eficiencia mencionadas son prototipos de laboratorio testeados en condiciones controladas. Se tiene que estudiar el ciclo de vida real, contando con las condiciones reales de instalación y de mantenimiento (degradación del metacrilato, degeneración de las conexiones electrónicas, etc) para ver cuál es el rendimiento medio que dan.

- Esos prototipos de laboratorio que se mencionan usan tierras raras como el telurio. Las tierras raras son materiales tan dispersos que no pueden ser explotados de manera económica a no ser que esclavices a un montón de gente; eso explica por qué China ha llegado a controlar más del 95% de la producción mundial. Desde hace años China ha impuesto unas cuotas al comercio de las tierras raras que controla (el futuro es renovable y China quiere los materiales para ella) que desmbocó en la situación de prácticamente embargo en la que estamos desde el año pasado (más información en crashoil.blogspot.com/2010/06/la-guerra-de-las-tierras-raras.html ). Por tanto, incluso si los prototipos funcionasen bien en condiciones de explotación realistas sería muy difícil (en realidad, imposible) producirlos a gran escala.

- Asumiendo una insolación media de unos 160 w/m^2 como la que tiene España y un rendimiento del 10% uno esperaría que un parque solar pudiera tener una densidad energética de unos 16 w/m^2 (que no es demasiado grande, pero bueno). El problema es que si uno tiene en cuenta el espacio que ocupan las instalaciones auxiliares, la necesidad de evitar las sombras y orientar los paneles perpendicularment al haz de sol incidente, etc en la práctica se consiguen 5w/m^2 o menos. Una miseria. Incluso con paneles super eficientes sería difícil pasar de los 15 w/m^2. Para que se hagan una idea, para suministrar unos 3.000 w, que es la potencia punta de un hogar típico, se necesitarían 600 m^2 de instalación con paneles convencionales y 200 m^2 con los mejores paneles con lo que podemos soñar. En una casa de 8 pisos con dos manos eso implica, en el segundo y muy idealizado caso, una superficie 3.200 m^2.

- Debido a los excrementos de pájaros, lluvia, polvo, rayaduras por el viento, etc el metacrilato exterior se va degradando y volviendo más opaco, con lo que el rendimiento cae con el tiempo.

- El punto más crítico, sin embargo, y que nunca se analiza, es cuál es la Tasa de Retorno Energético (TRE) de estos dispositivos. La TRE nos dice cuántas unidades de energía podremos producir con nuestra fuente de energía por cada unidad de energía consumida en el proceso de construcción, operación y desmantelamiento. En un reciente congreso sobre el pico del petróleo en Barbastro Pedro Prieto mostró un estudio en el que se demuestra que la TRE de las placas actuales puede estar por debajo de 2. Con las placas de fantasía de las que se habla aquí se podría llegar, quizá, a 6 (si es que tuviéramos tiempo para acabar de desarrollarlas, capital para financiar su despliegue y materiales con qué construirlas). Se estima que para que una sociedad sea viable la TRE de sus fuentes de energía tiene que ser de 10 por lo menos.

Quede claro que yo no digo esto para intentar fomentar otra fuente de energía: no desde luego el petróleo, cuyo cenit por fin reconocido por la Agencia Internacional de la Energía fue en 2006 (crashoil.blogspot.com/2010/11/la-agencia-internacional-de-la-energia.html) ni por el carbón cuyo cenit será este año (crashoil.blogspot.com/2010/06/el-crash-del-carbon.html) ni por el gas cuyo cenit será, para el contexto de Europa, en 2015 (crashoil.blogspot.com/2010/07/el-pico-del-gas.html) ni por la energía nuclear, toda vez que el pico del uranio podría ser tan pronto como 2015 y de hecho ya hay escasez por el agotamiento de las reservas secundarias (crashoil.blogspot.com/2010/07/el-pico-del-uranio.html). Ni siquiera apuesto por la eólica: un reciente artículo de Carlos de Castro, de la Universidad de Valladolid, muestra que el potencial eólico del mundo no sobrepasa 1 Tw de potencia equivalente media, cuando en el mundo actual, con todas sus desigualdades, se consumen 12 Tw hoy en día. Y mientras nos ensoñamos en futuras fuentes de energía no nos damos cuenta de que tenemos mucho menos tiempo de lo que nadie se cree.

Esta es la cruda y dura realidad. Asúmanla si pueden.

Si el tiempo y la autoridad lo permiten, mañana estaré a las 6 de la tarde en la Plaça de Catalunya y estaré gustoso de responder sus preguntas.

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Ecolaboratorio

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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