NeoFronteras

Logro en fotosíntesis artificial

Área: Medio ambiente,Tecnología — sábado, 4 de junio de 2016

Consiguen un 10 por ciento de rendimiento en la producción de alcohol mediante la fotosíntesis artificial.

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La fuente de energía renovable que ha estado alimentado los ecosistemas terrestres en los últimos miles de millones de años es el Sol, principalmente a través de la fotosíntesis.

La fotosíntesis parece que fue inventada por las cianobacterias y su profusión sobre este planeta cambió su geología y su atmósfera. El oxígeno libre que generó permitió la aparición, más tarde, de los animales y de nosotros.

Podríamos pensar que la fotosíntesis es un proceso muy eficiente, pero no es así. Sólo una pequeña parte de la energía que recibe la planta es transformada en su equivalente de energía química en forma de carbohidratos.

Las plantas emplean dos tipos de fotosíntesis, la I y la II, que tiene rendimientos distintos. Plantas como el maíz emplean la de tipo II que es más eficiente. Por dar un número de fotosíntesis con alto rendimiento nos podemos fijar en algunas algas, que llegan al 3% de rendimiento, pero, en general, el rendimiento es inferior a eso y más cercano al 1%.

A esos niveles de rendimiento es impensable sustituir los combustibles fósiles por biocombustibles. Uno de los mayores desastres medioambientales del planeta se da en las selvas de Indonesia, que son sistemáticamente destruidas a un ritmo acelerado para la plantación de palma de aceite.

Parte de ese aceite va a la alimentación y productos cosméticos y otra gran parte va a parar al biodiesel, sobre todo en Europa, en donde una legislación desafortunada obliga a incorporar biodiesel al diesel normal procedente del petróleo. En este caso los europeos quemamos orangutanes de Borneo en nuestros automóviles todos los días por culpa de unos políticos incompetentes (o interesados).

Otro problema asociado con los biocombustibles es que pueden afectar a la producción de alimentos, al derivar terreno que estaba pensado para el cultivo de alientos o piensos hacia su uso en la producción de biocombustibles. Con una población humana creciendo a ritmo exponencial esto puede ser un gran problema.

Como transformar plantas en combustible es una mala idea, salvo que se usen desperdicios agrícolas que de todos modos se iban a tirar, se puede plantear la idea de usar placas fotovoltaicas para producir electricidad con la que hacer la electrolisis del agua y producir hidrógeno que puede ser empleado como combustible. En este caso se llega al 10% de rendimiento. La diferencia de rendimiento con respecto las plantas se debe, entre otras cosas, a la capacidad de aprovechar una mayor parte del espectro electromagnético que tiene las células fotovoltaicas frente a la clorofila, que sólo usa el rojo y el azul de la parte visible del espectro.

Una solución sería modificar las plantas para que usen otros pigmentos además de la clorofila que aprovechen el verde y el ultravioleta, puede que incluso el infrarrojo. Pero si ya nos cuesta consumir el maíz transgénico, estas plantas tendría una aceptación aún peor.

Aunque la idea de producir hidrógeno mediante energía fotovoltaica es compleja y este gas es difícil de manejar como combustible (almacenarlo sale muy caro), el margen del 10% parece que es suficiente como para intentar desarrollar un sistema de fotosíntesis artificial alternativo que sea rentable.

Desde hace años varios grupos investigan sobre esta idea. Algunos de los resultados los hemos cubierto en estas páginas de NeoFronteras de vez en cuando. La idea es usar un sistema fotovoltaico que directamente transforme la luz del sol, el agua y el dióxido de carbono en algún hidrocarburo, a ser posible líquido. De este modo, el almacenamiento de la energía es infinitamente más barato que usar baterías de litio o los grandes depósitos necesarios para almacenar el hidrógeno. Pero los resultados no parecían indicar una rentabilidad que fuera competitiva desde el punto de vista económico, hasta ahora.

Hace unos días el grupo de Daniel Nocera (Harvard University) publicó un artículo en el que afirman conseguir un rendimiento final del 10% usando fotosíntesis artificial. La energía contenida en los alcoholes que se obtienen en el proceso es un 10% de la energía solar usada para formarlos. Este resultado es muy bueno, por no decir extraordinario y, a primera vista, parece rentable.

El sistema empleado es un tanto biónico, pues es un híbrido entre un sistema fotovoltaico y unos microorganismos. La luz del sol incide sobre una célula fotovoltaica que escinde el agua en oxígeno e hidrógeno. Luego, una capa microbiana usa el hidrógeno y el dióxido de carbono para producir alcoholes.

Este mismo equipo de investigadores ya tuvo resultados al respecto en 2015 usando un catalizador de níquel, zinc y molibdeno en la electrolisis, pero estos metales tenían el efecto secundario indeseado de matar a los microorganismos mediante la creación de oxidantes. El sistema funcionaba muy bien al principio hasta que las bacterias empleadas iban muriendo.

Así que estos mismos investigadores decidieron buscar otros catalizadores que no envenenaran a las bacterias Ralstonia eutropha empleadas. Encontraron uno basado en una aleación de cobalto y fósforo. Esta aleación es una amalgama que se emplea como recubrimiento anticorrosión en muchos lugares que van desde los plásticos, pasando por los circuitos electrónicos a partes metálicas como las griferías.

Con el nuevo sistema los investigadores no han encontrado signos de degradación de la aleación y parece funcionar como catalizador de forma indefinida. Las bacterias han sobrevivido al periodo de prueba de 16 días sin que tampoco presenten problemas de envenenamiento. El proceso divide el agua en hidrógeno y oxígeno sin que este último tenga efectos oxidantes letales sobre el ADN o biomoléculas de las bacterias. Los investigadores todavía no se saben por qué es así.

El nuevo catalizador permitió usar un voltaje menor que aumentó la eficiencia. Como resultado se obtiene isopropanol o isobutanol con un rendimiento del 10%. Es decir, por cada kilovatio-hora de electricidad producida por la luz del sol y 130 gramos de dióxido de carbono atmosférico se producen 60 gramos de estos alcoholes. Este rendimiento está muy por encima del de la fotosíntesis natural. El prototipo es pequeño y no produce grande cantidades de estas sustancias, pero se puede escalar a un tamaño arbitrariamente grande.

La ventaja es que no hay razón que impida pensar que estas bacterias, previamente modificadas, no puedan producir otros hidrocarburos, precursores de plásticos o incluso fertilizantes para la agricultura que necesiten hidrógeno. El nuevo sistema parece que ya es económicamente rentable.

En teoría se podría pensar, según mantiene Nocera, que este tipo de biorreactores fotovoltaicos podrían mitigar los efectos del cambio climático al dar acceso a combustibles más limpios que no producen una emisión neta de dióxido de carbono. Se puede instalar uno de estos sistemas en el jardín de casa para proporcionar combustible a pequeña escala, en especial a las familias desfavorecidas de países en vías de desarrollo que no tiene acceso a alta tecnología. No hacen falta grandes infraestructuras.

Sin embargo, el optimismo de estos investigadores choca con la dura realidad. Cualquiera de estas tecnologías no puede competir con el petróleo, porque esta fuente es virtualmente gratuita (aunque sus poseedores nos cobren un precio por ella).

Una población en crecimiento exponencial no puede mantenerse indefinidamente sobre recursos finitos. Esa población necesita comer y eso exige superficie de cultivo que compite con la dedicada a captar energía solar de cualquier tipo. Porque la energía solar es limitada y no se pueden cubrir grandes extensiones de superficie sin esto afecte a la producción de alimentos o a los ecosistemas. Además cualquier superficie que ocupemos se la restamos a los ecosistemas terrestres, reduciendo la biodiversidad y haciendo que el planeta tenga problemas a la hora de mantener la vida sobre él.

Además, el cobalto es un metal estratégico que la Naturaleza ha diseminado por la corteza terrestre en países inestables políticamente. Metal que hay que extraer y que nadie querrá regalar para su uso masivo en biorreactores.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4952

Fuentes y referencias:
Artículo original
Ilustración: Jessica Polka/Silver Lab.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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14 Comentarios

  1. Miguel Ángel:

    Hay un dato fundamental que no aportan y es el que nos daría idea de si puede ser rentable en la práctica o no: el coste total por kilovatio producido.
    De todos modos, un aplauso para estos investigadores que han conseguido ese rendimiento tan estupendo haciendo uso de tecnología biónica. Coincido con Tomás en el deseo de que ésta última se vaya desarrollando en campos como la Neurología y se vayan desarrrolando microchips cerebrales capaces de arreglar los desaguisados de ese “artista” que es el cerebro.

    Aplauso para los investigadores y gran ovación para Neo por ese penúltimo párrafo: siempre inexhaustible, como Sísifo subiendo la roca por la montaña.
    Y otra por la frase: “los europeos quemamos oraguntanes de Borneo en nuestros automóviles por culpa de unos políticos incompetentes o interesados”.
    Al mismo tiempo, quemamos monos násicos y los pocos elefantes pigmeos que quedan en el mundo. La ironía es que no queremos darnos cuenta de que también nosotrso nos estamos quemando.

  2. Tomás:

    Una limitada corrección: No “o”, sino “e”: “incompetentes e interesados”, a lo que añado unos grandísimos hideputas y putos-putas -siguiendo, más o menos a Cervantes en el pasaje del escudero del Caballero del Bosque- aunque su mamá fuese la misma virgen María.
    Y recuerdos al de la misma condición impostor mayor de lo ibicenco en Salou -yo me entiendo, pero no sabía donde ponerlo- así que lo dicho, dicho queda, con mil perdones para esta página que no merece ser soporte de mi cabreo, sino de mi agradecimiento.
    No te enfades por mi abuso, Neo, y perdóname una vez más por salirme del tiesto. Volveré al redil, lo prometo.

  3. lluís:

    – Había leído ya este estudio.Aunque aquí, como suele ocurrir, hay algunos aportes “extra”. Se trata de la “eficiencia Neo”.Pero hay algo que me sorprende y es eso de que el petróleo es una fuente virtualmente gratuíta. ¿No tiene unos costos la extracción del petróleo? o su transporte, o su refinado, y encima cada vez se hace más difícil su extracción y hay que profundizar más para extraerlo. Quizá no he captado bien el significado de “fuente gratuíta”.

  4. NeoFronteras:

    Estimado Miguel Ángel:
    EL coste debe ser un poco superior al de una instalación fotovoltaica. Pero el coste de operación no mucho más. La energía es la del Sol.

    Lo del biodiésel es infame. Todo esto nos preocupa a los que hemos visto a los orangutanes en los centros de rehabilitación, a los monos násicos y las grandes extensiones de palma de aceite.

  5. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Cómo el sistema de filtro antipalabrotas ha dejado colar su comentario es un gran misterio (tendré que revisarlo). Parece que hasta las máquinas alojadas en EEUU que hacen de servidores a esta web también están cabreadas con los políticos.

  6. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:

    No hay nada realmente a coste exactamente cero. El precio de extracción depende del tipo de bolsa de petróleo. Cuesta bastante extraerlo del golfo de México, pero muy poco de Arabia Saudita. Hasta ahora la cosa era bastante rentable y el petróleo era virtualmente gratis.

    Pero en algunas explotaciones ya se está alcanzando el límite de rentabilidad, pues en estos yacimientos el coste de extracción puede varía entre los 20 y 50 dólares el barril. Así que con precio del petróleo por debajo de los 50 ya hay problemas. Pero la rentabilidad final depende del precio del petróleo y su demanda. Cuanto más escaso sea más caro se venderá y más rentable será extraerlo.

    Lo más seguro es que ya hayamos cruzado el pico del petróleo. Se espera que, a partir de ahora, oscile mucho su precio debido a ciclos en los que entran varios factores, como la destrucción de demanda, la dificultad de extracción, etc. Posiblemente extraeremos todo el petróleo rentable y lo quemaremos independientemente de su precio.

  7. Hugin:

    ¿Cuál es el precio de la energía? Es difícil de establecer comparaciones entre distintas fuentes de energía, ya que muchas veces no se tienen en cuenta factores que encarecen indirectamente dicha fuente o que la amortizan. Ejemplos de esto es olvidar lo caro y contaminante que suponen los sistemas de almacenamiento de energías de fuentes limpias y “baratas” como eólica o solar si se usan baterías o los sobrecostes que supondrá el desmantelar una planta nuclear. Cada fuente de información suele sesgar los datos en el sentido que le interesa.
    Una comparación que puede darnos una idea aproximada es el estudio realizado por Cambridge Energy Research Associates, IHS Herold, International Energy Agency, Wood Mackenzie and industry con datos de 2008 (no varían mucho comparando con resultados más recientes).
    Para comparar se usa el equivalente de energía producido por un bbp, es decir un barril estándar de crudo que contiene 42 galones USA (158,99 l) y que puede producir en su quema completa una energía de 6.12×10^9 Julios. Este último valor es aproximado debido a las distintas calidades del petróleo.
    El rango de precios mínimo y máximo a que las distintas fuentes son competitivas en dólares USA (de 2009) son teniendo en cuenta lo mínimo el coste mínimo estimado de obtención de dicha fuente de energía con tecnologías en funcionamiento y el máximo, que incluye subvenciones aplicadas en distintos países, es:
    – 1,5-30 para petróleo de Oriente Medio
    – 13-44 otras fuentes de petróleo tradicionales
    – 36-53 extracción profunda de petróleo
    – 60-110 para fuentes no convencionales de extracción de petróleo
    – 37-47 producción de alcohol Brasileña de caña de azúcar
    – 56-69 extracción tradicional de carbón
    – 62-75 eólica en tierra
    – 87-145 nuclear
    – 114-147 eólica offshore
    – 117-144 extracción de carbón si se añade reducción de emisiones por captura.

    A estos costes habría que añadir costes adicionales y considerar otras ventajas. Así, la eólica es relativamente cara de producir, no se puede producir a demanda y su almacenaje es complicado y contaminante (uso de baterías). La nuclear, aunque no es barata, permite producir grandes cantidades de energía rápidamente a demanda y las instalaciones tiene una larga vida operativa.

    ¿Porqué no figura a solar? por no existir un sistema o tecnología implantada de producción y ser su producción muy dependiente de factores altamente regionales. Una estimación aproximada usando distintas fuentes sería multiplicar la eólica por un factor 2. Es decir de 100-150 dólares.

    Conclusión, tal como dice Neo fuentes como el petróleo son “gratuitas” para un hombre de negocios. En los negocios, los costes que no hay que pagar no existen.

  8. NeoFronteras:

    El problema es la externalización costes. Así por ejemplo, ¿quién paga por el cáncer de pulmón en ciudades con mucha contaminación del aire? ¿Qué precio tienen los ecosistema que destruimos y que mantienen la vida en la Tierra? ¿Qué precio tendría que tener el biodiesel de Borneo o el bioalcohol de Brasil hecho a costa de destruir la selva del Amazonas?

    Cuando ya por fin hayamos destruido todos los ecosistema terrestres, ¿qué vamos a respirar? Supongo que habrá algún “emprendedor” que nos venda las botellas de oxígeno o la canalización del mismo obtenido por electrolisis a nuestras casas y lugares de trabajo. Posiblemente el mismo “emprendedor” que ya nos vendió el petróleo y el proyecto de geoingeniería para paliar el cambio climático.

  9. Miguel Ángel:

    Mi querido Maestro Neo:

    Es que podríamos seguir con las babirusas (que ya fueron vistas en el viaje de Magallanes-Elcano) y mil endemismos más. Y si hablamos ya de insectos y animales pequeños, debe de haber millares aún por clasificar.
    Se puede perder, y casi seguro, se perderá, una gran riqueza natural y científica, otra más…
    …que, además, no nos pertenece.

    Abrazos.

  10. Tomás:

    Querido y admirado Neo:
    Si he de ser sincero, me sorprendió que el filtro me admitiese las palabrotas y lo achaqué a que, con el precedente cervantino, parece difícil negar cierta autoridad. De todas formas, ya te digo que seré bueno en lo sucesivo. Venga, me perdonas y vale; no investigues demasiado.

    Respecto a lo que nos ocupa, que es lo que también me interesa, es imprescindible, no solo encontrar una fuente de energía no contaminante, sino también un límite a la utilización de la energía que sea, porque a más energía, más deterioro de los ecosistemas. Y es que hay que conformarse con menos: no es fundamental unir Barcelona y Madrid en un par de horas o menos. Y sobre todo pararle los pies al fracking y al inagotable carbón. Comprendo que los mineros se rebelen, porque es de donde sacan para mantener a la familia, pero no sería tan difícil prepararlos para otros trabajos. Este tema lo hablaba yo hace unos quince o veinte años con el que fue director general de la Basf en España, que vivió exactamente bajo mi piso unos cuantos años hasta su superior destino. Yo proponía esa solución para la construcción naval que estaba de capa caída -creo recordar- y él callaba; no creo que le pareciese bien, y nunca comprendí el porqué. Pero tampoco comprendo por qué suben o bajan los valores en bolsa. Así que…

    Un fuerte abrazo, querido Neo.

  11. apalankator:

    Una precisión, en el comentario 7 se estima el costo del Julio producido con distintas fuentes de energía, pero no olvidemos que se está hablando de energía calorífica. Dado que el rendimiento de los motores de automóvil diesel es del 40% max, y de un motor eléctrico para la misma función ronda el 90% se deduce fácilmente que las fuentes que producen electricidad directamente como la eólica, hidráulica o solar son más competitivas de lo que parece, y eso sin contar que son tecnologías que llevan desarrollándose pocas décadas y tienen mucho margen de mejora, se lleva más de un siglo perfeccionando los motores térmicos.
    Solo se necesita voluntad política para cambiar de modelo.
    Saludos.

  12. Tomás:

    Muy estimado apalank.ator:
    Si es precisa voluntad política, apaga y vámonos. Si se promovieran las energías no fósiles, ¿qué sería de las puertas giratorias? ¿Qué político tendría asegurada su mamandurria (palabra popularizada por la más aguerrida exalcaldesa que vieran los siglos)?
    Aunque por ahí prolifera el miedo a almacenar energía por medio de hidrógeno, yo soy totalmente partidario porque ya tenemos una tecnología en el transporte de gas que no debería cambiar mucho para emplearla en el hidrógeno.
    Imagino -que es barato- que entre la hidráulica, la eólica y la solar, conjuntamente gestionadas podría obtenerse un suministro muy constante si a ello le añadimos un almacenamiento que, en el caso de estas dos ultimas habría de ser en forma de hidrógeno. Y es que las baterías son muy problemáticas.
    Saludos.

  13. apalankator:

    Amigo Tomás,
    Totalmente de acuerdo con usted, a ver si con las próximas elecciones llega un vendaval que se lleve por delante las estructuras creadas que provocan el inmovilismo suicida que nos tiene atrapados.
    Saludos

  14. JavierL:

    Viendo el 7 de Hugin con los costos de la energía eólica me viene a la mente la region de la guajira venezolana con vientos tan Fuertes que son capaces de producir la mitad de la energía del país, una vez viaje para allá y me sorprendió que las palmeras no tienen ramas que caen en vertical sino crecieron con las ramas en horizontal en direccion al viento.

    Actualmente se produce la mitad en hidroeléctricas y la otra mitad con energía fósil (actualmente esa segunda mitad no funciona bien y se suma el fenómeno El Niño que seco la primera mitad y tenemos escases de luz a niveles agustiosos (en todo el país excepto en la capital) pero eso es otra historia)

    Sumando la mitad eólica y la mitad hidráulica podríamos abastecer todo el país, el problema acá radica en lo político, pues la electricidad es subsidiada y no quieren incrementar el costo de nuestras facturas y al ser más costosa la eólica que la fósil (más barata en nuestro caso) representa un costo económico (en caso de subsidio) o un costo político (en el caso de incremento de tarifas) y el gobierno no esta dispuesto a asumir ninguno.

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