Resumen

En la actualidad, una gran diversidad de proyectos están encaminados en la búsqueda de fuentes alternativas de energía sustentable, sin depender de las fuentes tradicionales (p.e. petróleo), ya que estas formas de producción de energía, tienen un impacto negativo sobre el medio ambiente. El presente proyecto pretende generar energía fotovoltaica aprovechando el fenómeno de la fotosíntesis, empleando extractos de clorofila provenientes de residuos orgánicos verdes. Se determinará que extracto de residuo agrícola, presenta una mayor concentración de clorofila con actividad fotosintética, a través de espectroscopia UV-Visible. Se diseñará y construirá un prototipo de fotocelda el cual contara con electrodos colectores de electrones generados durante la fotosíntesis, que conectados entre sí logren generar las variables eléctricas que se manifiesten como luz eléctrica. Se realizarán los cálculos estequiométricos que involucren el flujo másico de alimentación orgánica, procesos bioquímicos energéticos y producción de corriente eléctrica. Se evaluará el desempeño en la generación de electricidad y acción depuradora orgánica de la biocelda a través de diseños estadísticos experimentales. Con este proyecto se podrá aportar a la sociedad a largo plazo una alternativa generadora de electricidad utilizando como materia prima los diversos residuos agrícolas de nuestra región, beneficiando y promoviendo así la sustentabilidad y economía, aprovechando nuestros recursos naturales.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Hoy en día la sustentabilidad es una alternativa para saber administrar y racionar los recursos naturales. De este modo nuestro proyecto va a contribuir a la sociedad mejorando la calidad de vida y disminuyendo impactos ambientales hacia nuestro planeta. Ya que el material del proyecto no repercute en nuestro medio.

Años atrás, el desinterés de promover otras opciones para la obtención de energía provoco que solo se utilizaran los combustibles fósiles sin darse cuenta el daño que estos provocan a nuestro planeta. Debido a los daños causados por el abuso de este recurso, se han generado diferentes herramientas como los paneles solares, aunque, lamentablemente no se encuentran al alcance económico de todos los sectores poblacionales.

Por lo que estamos trabajando en la implementación de una herramienta que sea accesible y factible en todos los sentidos, para una mejor calidad de vida

Antecedentes

Celda solar fotosintética.

Una celda solar es un dispositivo que convierte la energía de la luz del sol en energía eléctrica en forma directa, sin la necesidad de piezas móviles o algún tipo de combustión. El efecto fotovoltaico, es decir, convertir la luz solar en electricidad se produce en materiales conocidos como semiconductores, las cuales son materiales cuya conductividad puede ser modificada, y además generar una corriente eléctrica con cargas negativas, positivas o ambas.

Al incidir los rayos del sol en un semiconductor, algunos de los electrones de la banda de valencia absorben energía de los fotones y pasan a la banda de conducción donde pueden ser llevados fácilmente a un circuito externo generando por tanto una corriente electrónica. Al dejar su lugar los electrones, provocan en el material “huecos”, considerados como una partícula de signo positivo, los cuales también se “mueven” como una corriente en sentido opuesto a la electrónica. Este movimiento se asemeja al desplazamiento de una burbuja en el agua. Para que los electrones y huecos generados por la luz solar no se recombinen dentro del semiconductor se debe contar con un campo eléctrico interno, en cuyo sentido se moverán los electrones. Este campo eléctrico es producido en general por una juntura similar a la del diodo semiconductor. (E. LORENZO, 1994)

En 1839 el físico experimental francés Edmund Becquerel, descubrió el efecto fotovoltaico mientras efectuaba experimentos con una pila electrolítica de dos electrodos sumergidos en una sustancia electrolítica. Esta pila aumentó su generación de electricidad al ser expuesta a la luz. A fines del siglo XIX científicos tales como W. Smith, W Adas y R. Day descubren la fotoconductividad del selenio y construyen la primera celda experimental hecha de una oblea de selenio. En 1941 se construye un dispositivo que puede ser llamado “celda solar”, fue fabricada de selenio y tenía una eficiencia del 1 %. La compañía Western Electric fue la primera en comercializar las celdas solares en 1955.

Mientras tanto científicos de diversas partes del mundo realizaban experimentos en combinaciones como el cobre y óxido cuproso, en Silicio Monocristalino, en Cadmio – Silicio, Germanio Monocristalino. En ese mismo año a la U.S. Signal Corps le fue asignada la tarea de construir fuentes de poder para satélites

espaciales. Los estudios de esta compañía comenzaron con celdas de una eficiencia de un 4,5 %, y en tres años lograron que esta eficiencia subiera hasta un 9 %. Fue entonces cuando en 1958 fue lanzado al espacio el primer satélite que utilizaba celdas fotovoltaicas, el Vanguard I. Éste tenía un sistema de poder de 0.1 W, en aproximadamente 100 cm2 y estuvo operativo por 8 años.

Desde este año las celdas solares aumentaron su utilización en naves espaciales, y el aumento de eficiencia seguía subiendo a pasos agigantados. Fue así como en 1960 Hoffman Electronics conseguía fabricar una celda con un 14 % de eficiencia. Aun cuando para la NASA fuese más importante la seguridad que el costo en sus naves espaciales, y por ende utilizaba celdas solares, en la tierra la energía fotovoltaica era 50 veces más cara que cualquier fuente convencional de generación, por lo que fue excluida para el uso terrestre. En la década de los sesenta, la potencia instalada de las celdas solares de las naves espaciales y satélites alcanzaba a 1 KW. En 1973 se comienza a investigar nuevos materiales para la construcción de las celdas, tales como el silicio policristalino, las celdas de película delgada, combinaciones CdS/Cu2 y Silicio amorfo, con el fin de abaratar los costos de éstas.

Las fuentes de energía renovables como las celdas solares, ofrecen muchas oportunidades para complementar las demandas energéticas mundiales. También pueden abordar algunas de las preocupaciones de poder a largo plazo. Las celdas solares tienen un enorme potencial para crear energía sostenible a largo plazo con una degradación ambiental mínima.

La mayoría de las celdas solares del siglo XXI utilizaban sílice muy refinada para convertir la luz solar en electricidad utilizable. Desafortunadamente, el uso y el refinamiento de sílice en celdas solares tienen potenciales riesgos ambientales y para la salud por sí solo. (ODOT Health and Safety, 2012)

Fotosíntesis.

Las plantas usan energía del sol en diminutas fábricas de energía llamadas cloroplastos, convierten la energía del sol en una forma almacenable en moléculas de azúcar ordenadas como la glucosa. De manera que el dióxido de carbono del aire y el agua del suelo en un estado más desordenado se combina para formar las moléculas de azúcar más ordenadas (Nave, R. Choroplasts).

Dentro de los cloroplastos hay pilas de discos llamados tilacoides, estos actúan para atrapar la energía de la luz solar.

Existen dos tipos de fotosíntesis, fotosíntesis 1 y fotosíntesis 2. Ambos fotosistemas se utilizan en un proceso de transporte de electrones, esto produce energía en forma de trifosfato de adenosina y coenzimas reducidas al estroma del cloroplasto para ser las propiedades fotovoltaicas deseables que utilizan las celdas solares fotosintéticas de hoy (Antohe et al, 1996: Diarra et al, 1986). La clorofila es un pigmento de recolección ligera que absorbe la luz en el espectro visible de la solar, que ayuda a la transferencia de electrones.

Explícitamente la ecuación química general para la fotosíntesis de las plantas viene dada por:

6CO2 + 6H2O + hv à C6H12O6 + 6O2

En esta doble reacción de remplazo, nuevos componentes más complejos se sintetizan a partir de los más pequeños. En esta ecuación hv representa la cantidad de energía de un fotón de luz.

Una vez que la absorción de energía luminosa ocurre y la fotosíntesis tiene lugar, se inicia un proceso conocido como transferencia de electrones. Sin la transferencia de electrones ninguna energía fluirá a través del sistema fotovoltaico. Una manera de aumentar la transferencia de electrones de clorofila es remplazar el magnesio atómico (Mg) con otro metal, como cobre (Cu) o hierro (Fe) (Hoppe et al, 2004).

Ánodo.

Los materiales con los que se deben construir los ánodos deben ser conductivos, biocompatibles y químicamente estables en la solución del reactor. El material de electrodo más versátil es el carbón. Diversos tipos de productos de carbón como son papel, fibra, entre otros han sido utilizados extensivamente como electrodos. El efecto a largo plazo del crecimiento de la biopelícula o de las partículas. El flujo hacia el ánodo ha sido también usado en reactores utilizando mediadores exógenos.

Cátodo.

Debido a su buen desempeño, el ferrocianuro es muy popular como un aceptor experimental de electrones en CCM´s. La ventaja del ferrocianuro es el bajo sobre potencial, y la desventaja de su empleo es la oxidación insuficiente por oxígeno. El oxígeno es el aceptor más adecuado de electrones para una CCM debido a su alto potencial de oxidación, disponibilidad, bajo costo, sustentabilidad, y la carencia de residuos químicos. La elección del material del cátodo afecta de manera importante el desempeño. Para incrementar la velocidad de reducción de oxígeno, los catalizadores de platino son usualmente usados para oxígeno disuelto o cátodos de difusión de gas. CCM´s (Lefebvre et al, 2011).

Las CCM´s se encuentran en un procesode investigación y desarrollo.Los reactores más grandes que se han reportado a la fecha, tienen un volumen interno del ánodo de 0.388 litros. Para aumentar la eficiencia en la generación de electricidad y eliminación de los contaminantes, se investigan las especies que son capaces de transferir electrones, el diseño y los materiales que constituyen las celdas, la adición de mediadores químicos, membranas intercambiadoras de protones. Se ha encontrado que algunos de los géneros con especies activas electro génicamente son Geobacter, Shewanella y Clostridium, (Zhang et al, 2012 Angelidaki et al, 2012.).

Objetivo

Objetivo general

• Desarrollar un prototipo de biocelda que permita convertir la materia orgánica, en energía eléctrica.
•  Recopilar datos y propiedades de la materia orgánica a trabajar.
• Plantear las ecuaciones estequiométricas del proceso de oxidación de materia orgánica, para desarrollar el modelo matemático preliminar que permita proponer el diseño del prototipo de la biocelda.
• Evaluar las condiciones del funcionamiento del prototipo de la biocelda a través de diseños estadísticos experimentales, variando el tipo de fuente de materia orgánica y agente facilitador de la oxidación.
• Evaluar el desempeño del prototipo de la biocelda en cuanto a su acción depuradora de materia orgánica y rendimiento en corriente eléctrica en relación con el tiempo.

Justificación

Consideramos que la elaboración de este proyecto es una forma de contribuir a la obtención de energías que no contaminan, ya que la materia prima utilizada en la elaboración del mismo es de fácil obtención pues no hay mayor problema en su aprovechamiento.

En la actualidad la elaboración de paneles solares son de un gran costo tanto para su elaboración así como la contaminación que provoca en su fabricación y desecho. Nuestra investigación está enfocada en todas aquellas personas que no tienen fácil acceso a los paneles solares e incluso a aquellas comunidades que no tienen oportunidad de tener un servicio eléctrico como tal. Aunque el presente proyecto aún no garantiza una gran demanda de electricidad es el primer paso para colaborar con la sociedad.

Posteriormente trabajaremos con los resultados obtenidos para la elaboración de un prototipo de celda solar.

Pero, ¿Por qué generar energía eléctrica a través de residuos orgánicos verdes?

En primera estancia, “es sustentable”, ya que ayudara a disminuir la contaminación por la liberación de gases tóxicos que generan los combustibles fósiles. No solo por los contaminantes químicos sino también la contaminación auditiva, pues las llamadas plantas de luz, al trabajar producen mucho ruido, lo que a su vez es muy molesto para las personas, en especial a los niños y personas que se encuentran en constante estrés. Cabe mencionar que nuestra materia prima será solo residuos orgánicos, con la intención de no representar un impacto ambiental significativo. Aprovechando de alguna manera los beneficios que nos brinda la naturaleza, evitando un daño irreversible.

Hipótesis

La elaboración del prototipo de la biocelda tendrá una generación de energía fotovoltaica de al menos 1.5 V (puede aumentar con arreglo en paralelo) de energía, y que conectado a un convertidor de corriente, permita amplificar la corriente eléctrica a 1 A durante un mes, siendo útil en algunos aparatos eléctricos, afirmando que la energía obtenida es sustentable.

Método (materiales y procedimiento)

Diseño y construcción del pre-prototipo de la biocelda para la generación de energía eléctrica a través de residuos orgánicos verdes.

En esta etapa se realizaran análisis estequiométricos de las reacciones involucradas en el proceso para generar energía eléctrica, balance de materia y energía, y el análisis de procesos bioquímicos como la absorbancia de luz, fotosíntesis y otros, para considerarse en el diseño del prototipo de la biocelda.

Para la construcción del prototipo de la biocelda se utilizaran recipientes de vidrio con una capacidad de 300ml, se utilizara como ánodo hierro y como cátodo cobre, se conectaran los recipientes con ayuda de caimanes en un arreglo en serie para aumentar voltaje. Con ayuda de un multímetro calcularemos el voltaje y la intensidad de corriente obtenidos.

 Análisis de las condiciones de generación eléctrica.

Con ayuda de espectrofotómetro se determinara la absorbancia de acuerdo al color de la solución y residuo orgánico a utilizar.

Se realizara un análisis estadístico Tiempo vs generación de energía, y cantidad de sustancia orgánica ideal, se verificara el tipo de material a emplear como ánodo.

Construcción de sistema piloto de Biocelda.

Con los resultados obtenidos del prototipo la biocelda a nivel laboratorio se realizara el escalamiento del proceso a nivel piloto utilizando modelos matemáticos y geométricos, se evaluara el desempeño energético y se hará la mejora con la ayuda de un amplificador de corriente hasta obtener los datos deseados

Galería Método

Resultados

Mezcla para pasto y alfaba:

Voltaje a diferentes volúmenes (un recipiente):

Ya que el voltaje a diferentes volúmenes es similar, decidimos trabajar con el volumen más bajo (50ml).
Recipientes conectados en serie (pasto).

Recipientes conectados en serie (alfalfa).

Datos para curvas de absorbancia considerando pasto, alfalfa diluida y alfalfa sin diluir.

Galería Resultados

Discusión

Los valores obtenidos a lo largo del desarrollo del proyecto confirman que es una energía renovable que a futuro aportara a la sociedad una oportunidad de contar con un servicio de energía alterna, el cual no contamina. Por otra parte, una desventaja de este tipo de energía es que tendrás que renovarlo periódicamente, la instalación del panel es muy sencilla y no necesita de mano de obra de terceras personas para su buena conservación.
Otra ventaja de este proyecto es que la fotosíntesis se realiza así el clima este nublado, y así puede obtenerse la energía no a su máxima potencia, pero si alcanza una efectividad del 75%. Consideramos que utilizando residuos orgánicos verdes de plantas, ayudamos a la sociedad a tener un aprovechamiento de estos residuos consiguiendo que esta energía sea sustentable y renovable evitando la contaminación que produce el generar electricidad de otras maneras y la que se genera al darle un mal tratamiento a los residuos orgánicos que se generan.

Conclusiones

Los resultados obtenidos de la investigación, demuestran que es posible generan un voltaje e intensidad de corriente. Cumpliendo con nuestro principal objetivo que es generar una energía alterna y sustentable.
Al realizar varias pruebas, comprobamos que esta energía es sustentable, puesto que los gases liberados en la reacción son los mismos que desprende el proceso de la fotosíntesis de las plantas. Además los residuos que usamos se obtienen de algunas plantas que se siembran y existen en nuestra región que no son necesarias arrancar de raíz permitiendo así que estas vuelvan a crecer y sigan realizando su función en el medio ambiente. En la parte económica; el costo del prototipo no es alto, ya que cuenta con materiales económicos y accesibles.
Debido a que las plantas tienen tilacoides que son las principales captadoras de luz para llevar acabo la fotosíntesis, con ayuda de las clorofilas que permiten acumular el CO2 para transformarlo en glucosa y después utilizarlo como energía, permitiendo que con solo luz (no necesariamente solar) la energía se siga generando. Observamos que mientras no haya presencia de luz, esta sigue generando energía no a su máxima efectividad pero si lo suficiente.
En cuanto a las curvas de absorbancia se demostró que la alfalfa sin diluir tiene mayor absorbancia de luz, a diferencia del pasto y la alfalfa diluida, por lo que trabajaremos más a fondo con ese residuo.
Gráficamente se demostró que la acción depuradora de materia orgánica tiene un tiempo de vida de 25 días.

Bibliografía

• Lefebvre, O., Uzabiaga, A., Chang, I.S., Kim, B.H., Ng, H.Y. 2011. Microbial fuel cells for energy self-sufficient domestic wastewater treatment- a review and discussion from energetic consideration. Appl Microbiol Biotechnol, 89(2), 259-70.
• Zhang Y., Angelidaki I. 2012. Self-stacked submersible microbial fuel cell (SSMFC) for improved remote power generation from lake sediments. Biosensors and Bioelectronics 35(1):265-270.
• Nave, R. Chloroplasts. Unpublished manuscript, Physics and Biology, Georgia State University, Atlanta, Georgia, Retrieved from http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/biology/chloroplast.html.
  Hoppe, H. and Sariciftci, N. (2004) Organic solar cells: An overview, J. Mater. Res., 19, 1924- 1945.
• Antohe, S., Tugulea, L., Gheorghe, V., Ruxandra, V., Caplanus, I.and Ion, I. (1996), Electrical and photovoltaic properties ofiTO/Chlorophyll a!fPyP/Al p-njunction cells, Phys. Stat. Sol, 153, 581-588.
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•  E. LORENZO,. (1994) Solar Electricity, Engineering of Photovoltaic Systems. Institute of Solar Energy, Polytechnic University of Madrid, Madrid España.

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography