Un estudio español podría mejorar la eficiencia de las placas solares

http://www.elconfidencial.com/tecnologia/2013/01/07/un-estudio-espanol-podria-mejorar-la-eficiencia-de-las-placas-solares-3948/
EFE -07/01/2013

El investigador de la Universidad Politécnica de Cartagena Javier Prior ha logrado explicar por primera vez por qué perduran ciertos efectos de la física cuántica en procesos naturales como la fotosíntesis, lo que en un futuro podrá tener aplicaciones prácticas relacionadas con la mejora de las placas solares o del almacenamiento de energía.

Su estudio se enmarca dentro de un campo muy novedoso de la Física Cuántica denominado "Efectos Cuánticos en los Sistemas Biológicos", que tiene especial relevancia desde que en 2007 un grupo de investigadores de la universidad estadounidense de Berkeley descubrieron que una de las propiedades de la física cuántica, la denominada coherencia cuántica, perduraba a lo largo de todo el proceso de la fotosíntesis.En declaraciones a EFE, Prior ha explicado que, desde entonces, numerosos grupos de investigación han trabajado para conocer por qué perdura esa coherencia cuántica, que es un fenómeno cuántico donde los patrones de las ondas de cada parte del sistema permanecen acompasados.

Hasta 2007, los físicos consideraban que los fenómenos cuánticos solo eran posibles en condiciones especiales de temperatura o vacío, pero estas nuevas teorías demostraron que esos fenómenos podían sobrevivir a las condiciones biológicas. La novedad que aporta a este campo el estudio de Prior es que explica que el entorno biológico no solo no destruye la coherencia cuántica, sino que ayuda a que perdure durante el proceso de transporte desde el punto donde se absorbe la energía hasta el lugar donde se desarrolla la reacción química que completa el proceso de la fotosíntesis.
Útil para la energía solar
El estudio, que por su relevancia dentro del mundo de la ciencia se ha publicado en el último número de la prestigiosa revista Nature Physics, es de carácter teórico y contesta a la pregunta de cómo se conservan las cualidades cuánticas a lo largo de los procesos naturales. La aplicación práctica de estas investigaciones, que se han desarrollado gracias a la financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación, el de Economía y Competitividad y la Comunidad Autónoma de la Región de Murcia a través de la Fundación Séneca, podría estar volcada en el campo de la energía solar fotovoltaica.

"Para la construcción de las placas solares, los ingenieros han copiado de la naturaleza el proceso de la fotosíntesis, por el que las plantas absorben la luz del sol y generan un electrón y un hueco para producir energía. La gran diferencia es que las plantas en ese proceso aprovechan casi al 100 por cien la luz solar que reciben, mientras que las placas fotovoltaicas apenas aprovechan el 20 por ciento", ha explicado Prior.

Comprender cómo se produce ese aprovechamiento en las plantas o en las bacterias fotosintéticas (las que se alimentan de luz) es la base para poder aplicarlo más tarde a la tecnología, ha considerado, y ha mostrado su seguridad en que "el sol proporciona suficiente energía para sostener todo el funcionamiento del planeta, pero aún no sabemos aprovecharla lo suficiente". El estudio podría aplicarse también al campo del almacenamiento de energía y las baterías, dado que en el proceso natural de la fotosíntesis las plantas son también capaces de guardar, utilizar o desechar la energía solar que reciben. En su opinión, este tipo de investigaciones demuestran que "en la naturaleza está la respuesta a los retos tecnológicos de los próximos años".

La eficiencia fotosintética de las plantas suele estar por debajo del 1%, creo recordar. No sé de dónde habrán sacado eso de "casi al 100 por cien".

Casi el 100 %, de los fotones que "capturan".

Lo que sucede es que la luz solar no es precisamente un factor escaso o limitante, más bien al contrario. Las plantas pueden llegar a perecer de insolación, y protegen mucho sus aparatos fotosintéticos.
El 99 % de la luz incidente, la dejan pasar o la dispersan de alguna manera, para no "quemarse".
Con el 1 % que capturan, transforman las energía electromagnética en energía de síntesis química casi con un 100 % de eficiencia.
Los factores limitantes para una planta son el CO2, en general, o el agua, en situaciones de aridez. El sol... van más que sobradas de fotones. Los que usan, los usan espectacularmente. El resto, los dejan pasar.

Una curiosidad, ciertas plantas del desierto se pasan todo el día sin "respirar" (sin inhalar o exhalar "aire"), ya que cuando "inspiran" (para recojer CO2), deben perder vapor de agua. Y eso en medio del desierto puede ser muy peligroso. Así que se pasan todo el día con los respiraderos cerrados.
¿Y si no capturan CO2 como hacen la fotosíntesis? "Respiran" mucho mucho por la noche, acumulan CO2, y durante el día tiran de la reserva nocturna.

Para saber más:
El ciclo del carbono en wikipedia
http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_del_carbono

Correcto, pero con esa manera de medir la eficiencia de las placas fotovoltaicas también sube... :P

Sí, claro.
Pero son dos cosas distintas:
Eficiencia en la utilización final de radiación incidente.
Eficiencia en el proceso interno de transmisión de la energía efectivamente captada.

Las plantas transmiten la energía efectivamente captada sin apenas pérdidas. Lo de la ley de Ohm no va con las antenas fotosintéticas.
Se ha investigado mucho en la transmisión eléctrica sin pérdidas por resistencia en semiconductores, pero necesitan temperaturas frías o ultrafrías. Las plantas lo hacen mediante el proceso de acople cuántico, y a temperatura ambiente.

Para lo primero, la eficiencia respecto de radiación incidente, las tecnologías desarrolladas van por módulos multicapa, silicio amorfo para captar radiación difusa, etc etc
Las plantas, para esto, cuando lo necesitan, utilizan algo similar, aumentan tamaño de estructuras captadoras (hojas), y añaden mayor densidad de antenas fotosintéticas (más verdes), como el caso de las plantas de sotobosque de pluvisilva.

Por eso mismo me chirriaba el párrafo donde comparaban ambas cifras: "La gran diferencia es que las plantas en ese proceso aprovechan casi al 100 por cien la luz solar que reciben, mientras que las placas fotovoltaicas apenas aprovechan el 20 por ciento".

En cualquier caso, la eficiencia tan "baja" de las placas solares no se debe (principalmente) a pérdidas por resistencia: http://physics.ucsd.edu/do-the-math/2011/09/dont-be-a-pv-efficiency-snob

Los artículos de base científica en la prensa generalista, habitualmente son bastante equívocos, mediocres o directamente erroneos. Y la responsabilidad no siempre es del reportero mal informado, la fuente científica también puede ser a veces bastante penosa.

Y tampoco es "tan baja" la eficiencia de conversión de las placas FV. Teniendo en cuenta que de los teóricos 120 wm-2, una parte importantísima es radiación ionizante, o infrarojo (calor residual)...

Una vía futura de optimización será poder implementar sistemas tipo co-generación.
La co-generación térmoeléctrica dobla la eficiencia de extracción y aprovechamiento energético por la simple vía de utilizar el calor residual del proceso primario para otros procesos. Eficiencia ciclo combinado normal, aprox. 40 %. Efiencia sistema co-generación (electricidad y calor de proceso), aprox. 80 %.

El calentamiento de las placas y sistemas FV es un factor que disminuye la eficiencia. Si se pudiese implementar algo que utilizara ese calor, además de disminuir el factor des-eficientizador FV, obtendríamos un mayor aprovechamiento energético global.
Cuando se logren sistemas FV que trabajen a óptimos de al menos 80-90 ºC, estaremos en disposición de obtener calor de proceso, y la eficiencia (radiación -> electricidad + calor útil) será brutal.