Algavoltaica: un proyecto innovador con algas para producir electricidad, alimentos y reverdecer las ciudades

A nivel mundial, el uso de energía renovable en edificios, como paneles solares y turbinas eólicas, ha crecido fuertemente, permitiendo así que la implementación de edificios de energía cero –que producen el 100% de la energía que consumen–, sea una opción cada vez más popular. El proyecto innovador ALGAVOLTAICA acompaña esta transición energética planteando un desafío mayor: emplear un sistema biofotovoltaico que convierta la luz en electricidad, a través de la fotosíntesis de organismos vivos como algas y musgos, así como que purifique el aire y produzca alimentos, además de enverdecer los edificios y las ciudades y luchar contra las islas de calor.

Aunque los dispositivos biofotovoltaicos tengan actualmente una eficiencia inferior a la de los paneles solares convencionales, se espera que, en un futuro no muy lejano, la energía biofotovoltaica se convierta en una alternativa rentable. Pero de momento, para conseguir esta meta, se necesita más investigación para mejorar la eficiencia y la estabilidad de estos sistemas.

Para responder a este reto, el proyecto innovador colaborativo ALGAVOLTAICA nace de la voluntad de investigar y proponer soluciones innovadoras basándose en el reino vegetal y llevar más allá los resultados del proyecto FLORAVOLTAICA, centrado en desarrollar un sistema de fachada con plantas para la producción de energía. Partiendo de los resultados de FLORAVOLTAICA y después de varias pruebas de laboratorio comparando la eficiencia energética de diferentes configuraciones de sistemas biofotovoltaicos con plantas y algas, los resultados demostraron que los sistemas con algas son mejores candidatas. ¿Sus ventajas? En comparación con las plantas, las algas son más aptas para la producción de electricidad en el espacio limitado de los paneles, son más resistentes, necesitan menos cuidados, soportan temperaturas más altas, además de ser más versátiles. Asimismo, además de la producción de energía, las algas también se pueden utilizar para aislamiento, sombreado y para regular la temperatura y humedad en los edificios, además de producir localmente, comida.

Finalizado el pasado mes de abril, Algavoltaica es un proyecto innovador coordinado por SOLARTYS, clúster de la energía solar y que cuenta con la participación del Barcelona Centre de Disseny, Institute for Advanced Architecture of Catalonia, Ketter Batteries y Noumena. Para su ejecución, el proyecto ha sido dotado con un presupuesto de 215.409,00€, financiado por la convocatoria de Agrupaciones Empresariales Innovadoras (AEI) del Ministerio de Industria, Comercio y Turismo (MINCOTUR), bajo la referencia AEI-010500-2022b-71.

Después de realizar diversas pruebas de laboratorio que compararon la eficiencia energética de sistemas biofotovoltaicos aplicados a plantas y algas, los resultados indicaron que los sistemas con algas son tres veces más eficientes que los que se realizaron con plantas. Basándose en estos resultados, el consorcio tomó la decisión de continuar la investigación para lograr una opción rentable y eficiente de sistemas biofotovoltaicos con algas. Concretamente, las algas elegidas para el proyecto son algas espirulina, unas algas con un crecimiento rápido, que requieren pocos recursos y tienen una baja huella de carbono. Además de las ventajas descritas más arriba, son consideradas 'superalimentos', dado que ofrecen propiedades nutricionales excepcionales y pueden ser cultivadas localmente como suplemento proteico.

Para poder llevar a cabo la creación de las macetas que permitan el correcto desarrollo y vida de las algas y la producción de electricidad, se realizaron diversos modelos digitales de las macetas y se diseñó su integración en las fachadas, mientras se probaban diversos materiales para el sistema biofotovoltaico. Para ello, se seleccionó el sistema biofotovoltaico más eficiente y se optimizó el diseño para la monitorización, producción y conversión de energía, así como para facilitar el intercambio de agua entre las macetas.

Tras varias iteraciones y la construcción del primer prototipo, se finalizó el diseño y se desarrolló un plan de integración para todos los sistemas. El prototipo consistió en diez macetas diferentes con el mismo sistema ánodo-cátodo, empleando tres tipos de macetas impresas en 3D. Posteriormente, con la instalación en un entorno real, se siguió investigando y probando diversas mejoras. La conclusión evaluó rendimiento, funcionalidad, confiabilidad, eficiencia, compatibilidad con la infraestructura existente, relación costo-efectividad, impacto ambiental y sostenibilidad. La información resultante determinó la factibilidad y viabilidad de una producción a gran escala y proporcionó conocimientos para futuras mejoras. Asimismo, gracias a la complementariedad de los socios implicados en el proyecto, se realizaron diferentes mejoras significativas en el diseño, como, por ejemplo, mediante una impresión más eficiente de las macetas, una mejor recolección de agua y sombreado, y un sistema de batería más eficiente, complementado con una plataforma para recopilar y analizar datos de rendimiento y monitoreo de las macetas.

Complementariamente, para poder personalizar el diseño y ajustarlo a las necesidades de cada instalación, se desarrolló un algoritmo paramétrico basado en:

• Tamaño: para establecer las proporciones en lo largo para que los módulos se adapten a varias dimensiones.
• Frecuencia rugosidad por el largo y el ancho: este input permite definir la textura de la maceta entre una lisa y una más rugosa, con efecto en las prestaciones térmicas, la rapidez de crecimiento de las algas y la necesidad de sombreado de la pared detrás del sistema.
• Offset: para controlar el espesor de la cámara de aire entre la maceta interna con las algas y las macetas externas impresas en 3D. Esta cámara de aire permite crear un microclima más favorable en términos de humedad y temperatura para las algas en caso de climas más fríos.

Para las macetas externas, se decidió imprimirlas con polietileno tereftalato glicol (PETG) y que incluyeran tres paneles de rugosidad diferente. Asimismo, se integraron sistemas de conversión de energía, monitoreo, anclaje a la pared e intercambio de agua. Para ello, se imprimieron diez módulos completos compuestos de dos partes cada uno. Las pruebas previas permitieron evitar trabajos de post proceso después de la impresión, y así garantizar una producción limpia y sostenible, desde la concepción de un diseño hasta su realización. Con un peso de 1,5 kg por cada pieza y una impresión en 3D en dos horas, se realizaron a una temperatura de 215 grados centígrados para la fundición del polímero y 75 grados para la cama caliente, permitiendo que la pieza quede enganchada perfectamente durante todo el proceso. Uno de los retos más importantes a los cuales se ha enfrentado el consorcio ha sido, bajo la perspectiva de la impresión 3D, garantizar los enganches entre las partes de arriba y de abajo. Para ello, las piezas han sido optimizadas para ser impresas con mínima tolerancia y permitir un montaje y desmontaje fáciles.

Asimismo, durante el proceso, se conectaron los cables a las macetas interiores para medir el voltaje producido por el ánodo y el cátodo, y se insertó el cable para el intercambio de agua. Luego, se montó la maceta exterior impresa en 3D junto con las barras de metal para su unión a un panel de madera que simula el muro de instalación del sistema.

Asimismo, para poder monitorear el sistema y saber el estado en el cual se encuentran las algas para poder obtener el consumo óptimo para la generación de energía, se desarrolló un dispositivo capaz de recolectar datos sensoriales clave como el pH del agua, la temperatura y el voltaje producido por las algas. En este sentido, hay que tener en cuenta que los sensores implementados de temperatura y de pH son parámetros cruciales para determinar la salud y el rendimiento óptimo en el cual se encuentran las algas. Además, el sensor de voltaje permite monitorear cuál es la energía producida por las algas y tener una visión completa del rendimiento actual, así como realizar ajustes precisos según las necesidades energéticas. Finalmente, el mismo dispositivo está capacitado para enviar los datos recopilados a una plataforma de gestión para poder hacer un seguimiento de las macetas, teniendo en cuenta todos estos parámetros.

Para concluir, es importante destacar que el producto nacido del proyecto ALGAVOLTAICA, basado en un sistema biofotovoltaico como fuente de generación alternativa de energía, ha permitido crear y testear un muro verde con características únicas e innovadoras, que combina diferentes ventajas e innovaciones. En este sentido, los paneles creados permiten implementar soluciones basadas en la naturaleza, utilizando algas para proporcionar servicios ecosistémicos como la producción de oxígeno, alimentos y sombreado contra el efecto isla de calor creado por los edificios. Además, la inclusión de pintura Pure.Tech en los módulos, permite completar la función purificadora inherentes a la fotosíntesis de las algas, con las propiedades de este revestimiento. En efecto, este revestimiento catalítico innovador, ayuda a limpiar el aire mediante reacciones químicas, absorbiendo el CO₂, los COV y los NOx, convirtiéndolos en minerales inertes.

Desde el inicio de su concepción, el consorcio ha trabajado para que el producto ALGAVOLTAICA sea autosuficiente y limite el uso de recursos para su fabricación. Para ello, la complementación del sistema biofotovoltaico con un dispositivo de conversión y almacenamiento de la energía producida, basado en baterías altamente eficientes que almacenan la energía producida por el sistema biofotovoltaico a bajo voltaje, permite que la electricidad producida pueda ser utilizada para alimentar los sensores y el sistema de intercambio de agua entre los paneles. Asimismo, la incorporación de sensores que detectan las condiciones internas del sistema, como el pH, la temperatura y la conductividad eléctrica, recopilados por la plataforma de visualización de datos, permite hacer un seguimiento del funcionamiento del muro y de su estado. Finalmente, el hecho de que los módulos de algas se impriman mediante tecnología de impresión 3D, permite producir las macetas de forma más eficiente al adaptar su forma según el espacio disponible, el clima y la orientación en cada ubicación, y, por ende, limitar el uso de recursos.

Para que los muros verdes sean una solución viable y cada vez más presente en las ciudades, uno de los principales desafíos a los cuales se tienen que enfrentar los paneles biofotovoltaicos son dos: su mantenimiento y su coste de producción.

Desde el inicio del proyecto ALGAVOLTAICA, se ha tenido en cuenta crear un sistema de generación de energía fácil de mantener. Para ello, se ha concebido el producto pensando en la posibilidad de poder reemplazar fácilmente los componentes, así como la incorporación de la plataforma de monitoreo fiable y fácil de entender, que facilite su gestión en todo momento. De forma complementaria, para abaratar su coste de producción y acercar el producto al mercado, se ha considerado la producción de un sistema de diez módulos integrados.

Para seguir mejorando en estos aspectos, el siguiente paso es, más allá del período del proyecto en sí ya concluido, seguir probando durante un año más los paneles, para evaluar la producción de energía y el mantenimiento del sistema. Durante este período, se verificará el rendimiento estacional y la estabilidad del material utilizado para el cátodo y el ánodo, la salud de las algas, así como la eficiencia de los sensores, el sistema de conversión de energía y la batería.

En conclusión, a pesar de los desafíos existentes, tanto en términos de descarbonización de áreas urbanas como en la comercialización de productos, como el desarrollado por el consorcio bajo este proyecto, se están tomando medidas importantes, disruptivas e innovadoras para que la energía biofotovoltaica se convierta en una alternativa rentable y cada vez más visible en nuestro día a día.