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El camino hacia los combustibles solares se enfrenta a un bache
Cuando visité el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en marzo, Frances Houle, subdirectora del Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificial , mostró uno de los últimos avances del centro. Es un dispositivo que descompone el agua en hidrógeno y oxígeno a la luz del sol. Los investigadores del laboratorio habían utilizado previamente luz artificial para impulsar el proceso; esta era la primera vez que lo hacían con luz natural. Fijado a un delgado soporte de metal en el techo del edificio del centro sobre Berkeley, con una vista espectacular hacia el oeste de la Bahía de San Francisco, el pequeño dispositivo tiene una celda solar que suministra la energía necesaria para que un catalizador químico divida el agua. En la parte superior del dispositivo, burbujeaba hidrógeno puro.
Creado en 2010 bajo la dirección del Secretario de Energía Steven Chu, el centro, comúnmente llamado JCAP, tiene un objetivo audaz: crear combustibles usando solo luz solar, dióxido de carbono y agua (ver El esfuerzo de fotosíntesis artificial echa raíces). Hecho económicamente, sería un logro prometeico, que representaría un gran paso hacia la solución de los dos desafíos pendientes en el cambio de los combustibles fósiles a la energía renovable: almacenar grandes cantidades de energía para su uso posterior y alimentar formas de transporte que no pueden funcionar fácilmente con baterías.
Todos los estudios de un sistema de energía limpia que he visto identifican las mismas dos brechas tecnológicas, dice Nate Lewis , director fundador del centro. Almacenamiento masivo de energía a escala de red para compensar la intermitencia de la energía eólica y solar, y un combustible de transporte líquido neutro en carbono y denso en energía. Convertir la luz solar en combustible permitiría almacenar, transportar y utilizar la energía solar capturada durante el día cuando el sol no brilla. El mismo combustible podría reemplazar los combustibles fósiles que alimentan los aviones y barcos de hoy. No existen cosas como un avión o barco eléctrico enchufable, agrega Lewis.
Uno de los principales logros de JCAP han sido los dispositivos impulsados por energía solar que pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, un primer paso importante en el camino hacia la fotosíntesis artificial.
Alojado en Caltech y Lawrence Berkeley Lab, JCAP se financió originalmente con $ 122 millones durante cinco años, y su financiación se renovó (aunque a un nivel más bajo) el año pasado. Ahora dirigido por Harry Atwater, profesor de física aplicada de Caltech, ha logrado algunos logros impresionantes en sus seis años de existencia. En particular, los científicos de JCAP han logrado construir dispositivos como el que vi, prototipos que pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno con una eficiencia 10 veces mayor que la fotosíntesis. Ese es un primer paso importante para la fotosíntesis artificial; el siguiente paso sería combinar hidrógeno con dióxido de carbono para producir combustibles solares que podrían reemplazar a los combustibles fósiles.
Sin embargo, en el último año, JCAP ha hecho un cambio significativo de dirección. El Departamento de Energía renovó su financiación el año pasado a $15 millones al año, casi un 40 por ciento por debajo de la tasa del período anterior de cinco años. Lo que es más, los funcionarios del DOE instruyeron a los científicos a reenfocar sus esfuerzos en la fabricación de dispositivos que podrían comercializarse en los próximos años y hacia la investigación científica básica sobre los procesos complejos que subyacen a la fotosíntesis artificial. El objetivo original del JCAP, según el anuncio de 2010 de su fundación , fue desarrollar un sistema integrado de conversión de energía solar en combustible químico y pasar este sistema de la fase de descubrimiento de banco a una escala en la que pueda comercializarse. Ahora su mandato ya no va más allá de la fase de descubrimiento.
En sus primeros cinco años, JCAP se enfocó principalmente en el combustible de hidrógeno, dice Christopher Fecko, gerente de programa de JCAP en el DOE. Oficina de Ciencias . Abordar el desafío científico subyacente de la fotosíntesis artificial completa requerirá investigación y descubrimientos científicos básicos y transformadores que eventualmente habilitarán estas tecnologías, dice, y estamos logrando un excelente progreso. El despliegue de tecnología y la producción comercial están en el futuro.
En el futuro podría significar en cinco años o algunas décadas. La retirada de elaborar una solución que funcione lo más rápido posible es una admisión de que el objetivo original de la fotosíntesis artificial de JCAP es mucho más difícil y está más lejos de lo que los científicos entendieron en 2010. También es una decisión táctica de no gastar dinero federal en la creación de un dispositivo funcional para producir combustible de hidrógeno, aunque esa tecnología está mucho más cerca de la comercialización.
Mi visión original fue darles a los científicos mucha libertad de acción y permitirles elegir la dirección que consideren más prometedora para que realmente puedan armar algo, dice Chu, quien dejó el DOE en 2013 y ahora es profesor de física y molecular y fisiología celular en Stanford. Hoy, agrega, no creo que se les esté dando la libertad que imaginaba.
El primer paso en la fotosíntesis es dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, que se libera como subproducto. Luego, el hidrógeno reacciona con el dióxido de carbono para producir carbohidratos, que alimentan el crecimiento de las plantas. La fotosíntesis artificial busca utilizar los mismos insumos (energía solar, agua y dióxido de carbono) para producir combustibles líquidos densos en energía. Si esos combustibles se derivaran del dióxido de carbono capturado del aire, el proceso podría ser neutro en carbono; en otras palabras, no agregaría nuevas emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera.
Con sede en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, JCAP fue concebido como una incubadora de tecnologías similar a Bell Labs que podría comercializarse rápidamente.
Desde 2010, cuando se formó JCAP, la investigación sobre fotosíntesis artificial y combustibles solares ha ganado impulso en todo el mundo. Hay consorcios nacionales de investigación y desarrollo que atacan el problema en Japón, Suecia y otros países. El DOE apoya otros programas, como el Centro de investigación Energy Frontier para combustibles solares en la Universidad de Carolina del Norte. Startups como opus12 , fundada por un trío de estudiantes graduados de Stanford, y Luz liquida , encabezados por el profesor de química de Princeton Andrew Bocarsly, están tratando de construir negocios a partir de la fotosíntesis artificial.
La pregunta es, ¿darán frutos a tiempo para ayudar a limitar el cambio climático global? Un problema es que hacer que los combustibles solares sean neutros en carbono requerirá tecnologías e infraestructuras completamente nuevas para capturar el carbono del aire o las emisiones de las plantas de combustibles fósiles.
El otro problema es que convertir el dióxido de carbono para completar el proceso de fotosíntesis es muy, muy difícil. Se trata de seis pasos químicos separados, y no se conoce ningún catalizador que convierta el dióxido de carbono en combustible de manera eficiente y selectiva, como ocurre con la reacción de división del agua.
El desafío que JCAP está abordando en sus segundos cinco años es en realidad más fundamental y difícil en muchos aspectos que el esfuerzo del combustible de hidrógeno, pero tiene un gran potencial de recompensa, dice Fecko.
El cambio, dice Harry Atwater, el sucesor de Lewis como director de JCAP, ha llevado a toda la empresa no a la creación de prototipos y actividades de ampliación, sino a un enfoque mucho más fuerte en la investigación básica. Ese enfoque se alinea con los objetivos del DOE Programa de Ciencias Básicas de la Energía , que controla la financiación de JCAP. Pero no nos acercará más, en el corto plazo, a construir dispositivos y crear una industria en torno a los combustibles solares.
Es por eso que Nate Lewis cree que el alejamiento de la creación de prototipos y la ampliación de los dispositivos generadores de hidrógeno fue un error. El hidrógeno en sí mismo es un producto final útil, argumenta Lewis. Puede quemarse directamente en motores de combustión interna modificados. Se puede convertir en combustible sintético a través de la Proceso de Fischer-Tropsch . Se puede usar en celdas de combustible para almacenar energía y producir electricidad, dejando solo agua como producto de desecho. Los prototipos de división de agua desarrollados en JCAP aún requerirán un desarrollo extenso para convertirse en dispositivos comerciales útiles. Pero Lewis confía en que puede llegar allí, y en un tiempo relativamente corto: si tuviéramos menos de $ 5 millones al año, estoy bastante seguro de que podríamos llegar allí en cinco años, y esa es la primera vez que lo digo. , él dice.
Los científicos del JCAP Sonjia Francis (derecha) y Dan Torelli (izquierda) investigan la reducción electroquímica del dióxido de carbono en combustible líquido. JCAP ha cambiado su enfoque de la elaboración de soluciones y hacia la investigación científica básica.
Por ahora, sin embargo, ese trabajo no se llevará a cabo a través del JCAP. Lewis apoya la investigación continua de la fotosíntesis artificial a gran escala. Pero él ve la redirección de JCAP como el abandono efectivo de una prometedora tecnología de energía limpia, la división del agua para la producción de hidrógeno, que podría comercializarse mucho antes. La investigación básica sobre la conversión de dióxido de carbono tiene un alcance y un enfoque muy definidos, dice. Los combustibles solares deberían ser mucho más amplios que elegir una forma específica de llegar allí y desembolsar otras opciones.
Atwater y Fecko dicen que la invención de un dispositivo para dividir el agua fue un hito importante que otros laboratorios y otros investigadores pueden llevar a cabo. Nuestro trabajo es lograr avances en la investigación que den lugar a opciones tecnológicas, dice Atwater. Somos científicos, no podemos empujar la pelota hasta la línea de gol.
Sin embargo, llegar a la línea de gol era el objetivo original establecido por Chu cuando se fundó el centro. En cierto sentido, JCAP es un estudio de caso sobre la promesa y los peligros de la financiación federal a largo plazo para tecnologías energéticas. Chu habla con pesar del camino que no tomó el programa que creó en 2010. La ciencia básica es algo necesario y maravilloso, dice. Pero no es lo que tenía en mente.