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Energía Solar: Fotosintesis V/S Fotovoltaica Comparado con Energía Hidraulica

Patricio Cavieres Korn (*)
Ingeniero Agrónomo

Como se sabe la fotosíntesis es el proceso mediante el cual se convierte la energía luminosa del sol en energía química.

Este proceso lo realizan las plantas en el medio terrestre y las algas en el medio acuático.

De la materia orgánica producida por la fotosíntesis, los azúcares, el almidón y en menor cantidad los lípidos, son los productos más abundantes e importantes alimentos energéticos del hombre y de los animales.

Como consecuencia de la crisis del petróleo ocurrida en 1973, se desarrollaron comercialmente los cultivos energéticos para elaborar biocombustibles de primera generación, especialmente etanol, a partir de maíz en Estados Unidos y de caña de azúcar en Brasil.

Posteriormente el biodiesel de aceite de raps y soya, – que después de etanol- ha pasado a ser el segundo biocombustible más importante para uso automotriz en el planeta.

En la actualidad, aunque hay mas de 50 países que producen y utilizan biocombustibles en el parque automotriz, su participación en la matriz energética mundial es inferior al 5%.

La producción mundial de etanol y biodiesel en 2011 alcanzó aproximadamente a 105 billones de litros, siendo etanol el mas importante con una participación del 80% y .

Chile tiene una excelente productividad de maíz (1) – comparado con Estados Unidos y Argentina – pero hasta la fecha casi todo el grano se destina a la alimentación de aves y ganado, no existiendo interés gubernamental ni privado, para la producción de etanol para uso como aditivo oxigenado de la gasolina y como combustible.

Aún cuando el efecto fotovoltaico fue descubierto en 1839, el desarrollo industrial de la energía solar se inició a principios de los 70, cuando en EEUU se logró fabricar una celda a partir de silicio mucho mas económica.

A partir de 1975, comenzó a desarrollarse el mercado de la energía solar, con la creación de las primeras fábricas de celdas fotovoltaicas en Estados Unidos y Alemania.

En diciembre de 2011 la capacidad instalada de energía solar FV en el mundo estaba en torno de 40.000 MW, destacándose en primer lugar Alemania con 17.200 MW.

Chile, tiene una enorme potencial para la energía solar, pero hasta la fecha no ha tenido el desarrollo esperado, debido mas que nada a una falta de voluntad política, aún cuando hay que reconocer que sus mayores limitaciones son, su elevado costo y la intermitencia, que exige contar con un sistema de almacenamiento y respaldo.

Desde el año 1990 se ha estado produciendo un debate mundial, con respecto al balance energético de los biocombustibles; a la competencia de éstos con la producción de alimentos; a su capacidad para disminuir las emisiones de CO2 y mas recientemente sobre la eficiencia de los biocombustibles – como resultantes de la fotosíntesis- comparado con la eficiencia de las celdas fotovoltaicas.

El etanol es un biocombustible que se ha impuesto para uso automotriz en motores de combustión interna, fundamentablemente por su compatibilidad con la gasolina.

No obstante, para generar energía eléctrica, el etanol no tiene condiciones de competir, por ejemplo, con el diesel de petróleo, que tiene un rendimiento bastante superior.

Si bien, la pirolisis, gasificación y BT, son tecnologías que permiten mejorar el rendimiento energético de la biomasa para producir biocombustibles, su elevado costo, hace inviable en la actualidad la producción en escala comercial.

Por estas razones, el propósito de este artículo es exclusivamente para dar a conocer la eficiencia de la fotosíntesis comparado con la energía solar y la energía hidráulica en Chile, así como la diferencia entre estas dos últimas.

(1)La productividad media del maíz en Chile es de 12 ton/ha , en Estados Unidos 10 ton/ha y Argentina 7-8 ton/ha.

Eficiencia de la conversión de la energía solar ¿Cuales son mas eficientes: los vegetales o las celdas fotovoltaicas?

Según una publicación reciente de Harmut Michel, Director del Instituto Max Planck de Biofísica en Frankfurt, la producción de biocombustibles es una forma ineficiente para convertir mediante fotosíntesis la energía solar en biomasa, ya que en general menos del 1% de la radiación solar se puede convertir en biocombustibles.

En cambio, con celdas fotovoltaicas, se puede convertir en la actualidad entre un 15 a 20% de la radiación solar en energía eléctrica (2).

Si bien este índice todavía es bajo, experimentalmente se ha logrado aumentar la eficiencia de conversión de las celdas fotovoltaicas a un valor cercano al 50%.

También se esta experimentando con la fotosíntesis artificial, pero lamentablemente hasta la fecha la investigación está en etapa de desarrollo y no se han logrado grandes avances.

Hay que considerar que la fotosíntesis solo ocurre en un rango del espectro de la luz solar.

Los vegetales, algas y cianobacterias mediante la fotosíntesis solo capturan longitudes de onda entre 400 y 700 manómetros (3), lo que representa apenas un 50% de la luz solar que les llega.

Si se pudiese aumentar dicho espectro, para usar la luz ultravioleta (menos de 400 nm) y el infrarrojo (mas de 700 nm) es probable que se pudiese mejorar su eficiencia.

En cambio, las celdas fotovoltaicas son capaces de absorver fotones en un rango mayor en los extremos del espectro electromagnético, como son el infrarrojo y el ultravioleta.

Como se sabe, en la naturaleza se encuentran tres tipos de plantas, según el mecanismo fotosintético: las plantas C3, las plantas C4 y las plantas CAM.

Dentro de las plantas C3, se encuentran las cianobacterias, las algas verdes y la mayoría de plantas que existen en la tierra.

A este grupo pertenecen los cereales de mayor producción y consumo alimenticio en el mundo, tales como el trigo y arroz.

Dentro de las plantas C4, se encuentran los cultivos agrícolas más eficientes para convertir la luz solar en energía química, destacándose el maíz, y la caña de azúcar, a partir de los cuales se obtiene etanol.

Las plantas CAM, son un grupo con un mecanismo fotosintético diferente, que les permite adaptarse mejor a regiones áridas (4).

(2)Valor correspondiente a las celdas fotovoltaicas con silicio monocristalino que son las más eficientes.
(3) Luz visible del espectro: violeta, azul, verde, amarillo naranja y rojo.
(4) El mecanismo metabólico de las plantas CAM, les permite adaptarse a condiciones desérticas o sub-desérticas: intensa iluminación, altas temperaturas y déficit hídrico. Entre las especies de este grupo se encuentran el cacto y la piña.

Rendimiento energético de la fotosíntesis a partir del etanol de maíz.

Para determinar la eficiencia de la fotosíntesis, hemos seleccionado el maíz, que es el cultivo de mayor rendimiento energético por tonelada y superficie en nuestro país y el etanol de este cereal, por ser el biocombustible mas usado mundialmente.

Para los cálculos, utilizaremos como referencia los parámetros de la producción agrícola de Chile y del procesamiento industrial de Estados Unidos, que es el mayor productor y consumidor mundial de este biocombustible.

Es importante considerar, que el etanol es el único biocombustible compatible con la gasolina, que se puede usar en motores de combustión interna ciclo Otto.

Lamentablemente debido a su menor poder energético, tiene un rendimiento equivalente cercano al 70% de la gasolina (5).
– Etanol de primera generación.

Según el rendimiento industrial de la mayor parte de las refinerías de etanol en EEUU, de una tonelada de grano de maíz se obtienen 2,8 gal/bu. (mediante el sistema de molienda seca o “dry mill) , lo que equivale a 417 litros de etanol/tonelada.

En este caso se aprovecha solo el almidón del grano de maíz para obtener etanol, el resto va formar parte del co-producto y subproducto.

– Etanol de segunda generación (6). Corresponde a aquel etanol que se obtiene de la parte lignocelulósica de la planta de maíz, que se encuentra en los residuos y rastrojos (caña y hojas).

El proceso de conversión es complejo y más costoso que etanol de primera generación. Si bien desde 2004, Iogen de Canadá y Sekab de Suecia producen etanol de segunda generación a partir de residuos de trigo, madera y otras materias primas, hasta ahora la producción en escala comercial no es viable sin subsidios.

Al convertir la porción lignocelulósica de los rastrojos de maíz en etanol, hemos considerado un rendimiento medio de 300 litros/tonelada (7) solo para dimensionar el potencial energético del maiz.

(5) Contenido energético del etanol: 20.106 BTU/litro y Gasolina:29.590 BTU/litro (LHV)
(6) La tecnología de 2ª generación para obtener etanol de materiales lignocelulósicos, esta prácticamente desarrollada, pero el mayor costo de producción ha retrazado su producción en escala comercial.
(7) Es conveniente señalar que no es recomendable destinar la totalidad del rastrojo del cultivo a la producción de etanol, ya que es conveniente dejar una parte de este rastrojo e incorporarlo al suelo,

– Co-producto del etanol de maíz. Mediante el método de molienda seca se obtiene 304 kilos de un co-producto denominado “granos secos de destilería con solubles” o DDGS (siglas en inglés), que debido a su mayor valor nutritivo en proteínas, minerales y vitaminas, se destina a la alimentación del ganado. Aunque este co-producto tiene un valor energético de aproximadamente 4.000 BTU/litro, como se utiliza exclusivamente como alimento, no será considerado en este análisis

– Productividad del etanol. Para determinar el rendimiento eléctrico del etanol de maíz, tomaremos como base una productividad de este cereal sobre el promedio nacional en San Fernando (VIª región). A base de 15 ton. de grano de maíz/hectárea/año y tomando como referencia el rendimiento de la industria de etanol de EEUU (2,8 gal/bu), se obtienen 6.255 litros de etanol/hectárea/año.

Si a esto le agregamos, lo que se puede obtener de etanol de segunda generación, a partir del rastrojo celulósico, la producción adicional es de 4.500 litros de etanol/hectárea/año.

– Rendimiento eléctrico. Contabilizando la producción de etanol de primera y de segunda generación, se obtienen 10.755 litros/ha/año. Con este volumen, el rendimiento eléctrico del etanol de una hectárea de maíz – producto de la fotosíntesis – es de 63 MWh/hectárea/año.

Si bien, este rendimiento se expresa por año, en realidad corresponde al ciclo vegetativo del cultivo de maíz que, dependiendo de la variedad, generalmente es inferior a un año (6 a 8 meses) Por lo tanto, hay un periodo de 4 a 6 meses en que el suelo queda descubierto, sin ningún aprovechamiento agrícola.

En este análisis no hemos considerado la superficie de la infraestructura que se requiere para el procesamiento industrial.

Eficiencia de la Energía Solar Fotovoltaica y Termosolar.

Como se sabe, la producción de electricidad a partir de la luz del sol, depende de la intensidad de la radiación solar, de la eficiencia de las celdas FV para convertir la luz solar en electricidad y del factor de planta.

Los valores que se presentan a continuación corresponden al rendimiento de la energía solar fotovoltaica y de un sistema termosolar, en El Salvador, IIIª región. En ambos casos, las cifras que se presentan se han deducido de los estudios realizados por el Ingeniero José Vergara ( 8).

El rendimiento eléctrico de la energía solar fotovoltaica en la IIIª región alcanzaría aproximadamente a 408 MWh/hectárea/año y del sistema termosolar alcanzaría a un valor cercano a 614 MWh/hectárea/año.

Para fines de comparación, en la misma área de producción de maíz, hemos estimado el rendimiento eléctrico de la energía solar FV, en aproximadamente 208 MWh/hectárea/ año.

(8) Documentos: a) “¿Cuanto cuesta reemplazar una parte importante de la matriz energética chilena con Energía Solar Fotovoltaica?” .José Vergara, Ing. Civil, Ph.D.
b) “Apuntes para entender mejor la polémica entre energía hidráulica versus solar y eólica”. José Vergara, Ing. Civil, Ph.D.

Rendimiento de la energía hidráulica (Proyecto Hidroaysen)

Conforme la capacidad de generación anual y la superficie contemplada en el Proyecto Hidroaysen, el rendimiento eléctrico en pleno funcionamiento alcanzaría a 3.118,0 MWh/hectárea/año.

CUADRO RESUMEN
Rendimiento eléctrico por superficie, que se puede generar con etanol mediante la fotosíntesis, comparado con energía solar FV convencional y energía termosolar con la generación hidráulica.

Fuente o                                             Generación electricidad
Tecnología              Región               MWh/Hectárea/año
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Fotosintesis                 VI                                    63 (1)
E.Solar FV                    VI                                  208 (2)
E. Solar FV                   III                                 408 (3)
Termosolar                  III                                 614 (4)
E. Hidráulica               XI                                 3.118 (5)
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(1)Rendimiento eléctrico del etanol 100% a base de 5,88 kWh/litro o 20.106 BTU/litro (LHV).
(2)Estimación aproximada del autor, considerando la radiación y el factor de planta en San Fernando.
(3)Valor deducido del estudio del Ingeniero José Vergara
(4)Valor deducido del estudio del Ingeniero José Vergara
(5)Valor deducido del Proyecto Hidroaysen

Conclusiones.-

– Como se puede observar, la energía solar FV convencional para generar electricidad, es entre 3 a 7 veces mas eficiente en la VIª y IIIª región respectivamente, comparado con etanol a partir de maíz en la VIª región, producto de la fotosíntesis.

– Particularmente la energía termosolar es entre 9 a 10 veces mas eficiente en la IIIª región, comparado con etanol de maíz, en la VIª región.

– La generación con energía hidráulica es entre 49 a 50 veces mas eficiente en la XIª región, comparado con etanol de maíz en la VIª región.

Asimismo, esta misma fuente, es entre 5 a 8 veces mas eficiente para generar electricidad en la XIª región, comparado con un sistema termosolar y solar FV respectivamente en la IIIª región,

Finalmente, es conveniente señalar que la menor eficiencia del etanol para generar electricidad, no lo invalida para uso automotriz, ya que es el único biocombustible liquido a partir de la biomasa, que a corto plazo puede reemplazar a la gasolina en motores de combustión interna ciclo Otto.

A nuestro parecer, mientras se disponga de suficiente petróleo en el planeta a precios razonables y el costo de los vehículos eléctricos sea elevado, los combustibles líquidos y el motor de combustión interna, continuarán dominando el mercado automotriz en las próximas décadas.

Santiago, Octubre de 2012

(*) Consultor en Energías Renovables y Biocombustibles
Presidente de la Comisión de Agroenergía del Colegio de Ingenieros Agrónomos de Chile
Miembro de la Comisión de Energías Renovables de la Cámara Chileno Alemana de Comercio e Industria-CAMCHAL
Miembro de la Asociación de Ingenieros en Energía de EEUU-AEE


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