La creciente población mundial ha generado una gran demanda en los sectores de alimentos, agua y energía (Sarkodie y Owusu, 2020; Rasul, 2016; Gulied et al., 2019). Los procesos de generación de energía enfrentan desafíos importantes como la sostenibilidad, el costo, la seguridad y las fluctuaciones en el precio del mercado (Ebhota y Jen, 2020; Almomani, 2020). Además, el aumento en la conciencia ambiental y la aplicación de regulaciones de emisiones más estrictas han llevado a la comunidad científica a trabajar en el desarrollo de fuentes de energía alternativas, sostenibles y renovables (Shah, 2020; Ahmad et al., 2020; Alizadeh et al., 2020). Con estas implicaciones, la transformación de los sistemas de energía también ha recibido mucha atención, desde un mayor enfoque en los biocombustibles hasta las células solares (Mohammed et al., 2019; Zhu et al., 2015; Alami et al., 2018). Los sistemas de energía híbridos y sostenibles, como la energía solar, eólica, geotérmica y de biomasa, se consideran las tecnologías clave en la fase de revolución renovable (Kommalapati et al., 2017; Tawalbeh et al., 2020; Almomani y Bhosale, 2020). La Figura 1 muestra que la generación mundial de electricidad en 2017 proviene del petróleo, gas natural y carbón. Los datos de la Figura 1 confirman que la contribución de las energías renovables a la demanda energética mundial es muy limitada en comparación con el carbón y el gas (https://www.worldenergydata.org/world/, n.d.; Khordehgah et al., 2020).
Entre las fuentes de energía renovable, la energía solar ofrece una fuente limpia para la generación de energía eléctrica sin emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera (Wilberforce et al., 2019; Abdelsalam et al., 2020; Ashok et al., 2017). La radiación solar contiene cantidades excesivas de energía en 1 minuto que podrían ser aprovechadas como una gran oportunidad para la generación de energía limpia (Osmani et al., 2020). La cantidad de energía proveniente de la radiación solar que llega a la Tierra es de aproximadamente 8 × 1011 MW (Saurabh et al., 2020), que se puede utilizar para producir electricidad gratuita. Avances en ciencia de materiales e ingeniería permitirían aprovechar de manera más eficiente la energía de la radiación solar y entregarla a los usuarios finales (Prochowicz et al., 2019; Bhosale et al., 2016a). La proliferación de instalaciones de energía solar combinada con una utilización eficiente promete aumentar el suministro de energía y reducir la dependencia de los combustibles fósiles. Sin embargo, la contribución de la energía solar a la demanda energética todavía está en niveles mínimos y se enfrenta a varios desafíos económicos y ambientales (Nižetić et al., 2018; Jing et al., 2020).
Impactos ambientales de la energía solar
Los impactos ambientales asociados con el uso de la energía solar incluyen el uso extensivo de tierras y el uso de materiales peligrosos en el proceso de fabricación. Además, la eficiencia limitada en la captación de energía solar, ya sea a través de células solares fotovoltaicas o mediante la concentración de energía solar térmica, sigue siendo un desafío tecnológico y económico importante (Herez et al., 2020). Estados Unidos, India y China se encuentran entre los principales países que actualmente implementan tecnologías de captación de energía solar (Jäger-Waldau, 2012; Mousa y Taylor, 2020; Ibrahim y Oum Kumari, s.f.). Ren et al. (2020) informaron una generación de energía solar fotovoltaica de hasta 96 TWh en los Estados Unidos en 201Otros países han mostrado una seria inversión en tecnologías de captación de energía solar, incluyendo Japón, India, Brasil, Australia y los Emiratos Árabes Unidos (EAU). Los EAU, por ejemplo, lograron un gran avance al construir la planta solar de concentración más grande del entorno (Shams) y el parque solar Mohammed Bin Rashed en 2018 (Al-Othman et al., 2018; Zhang et al., 2018).
La producción de energía a partir de tecnologías solares juega un papel especial donde otras tecnologías renovables no pueden cumplir. Por ejemplo, es más práctico utilizar un sistema micro-solar para una sola casa en lugar de un aerogenerador o un sistema de combustión de biomasa. El exceso de energía producido en una sola casa puede alimentarse directamente a la red de la ciudad (Masa-Bote et al., 2014). Por lo tanto, la energía solar se está convirtiendo en la opción preferida para los tomadores de decisiones y planificadores que buscan reducir la huella de carbono (Mahmoud et al., 2020). Las tendencias globales de captación de energía solar (Figura 2) muestran claramente el esfuerzo acelerado por aumentar la producción de energía solar a alrededor de 400 GW para finales de 2017, lo que representa no más del 0.006% de la demanda energética global en el mismo año. Por lo tanto, se alienta ampliamente la investigación para mejorar la eficiencia de captación de energía solar con un impacto mínimo en el medio ambiente y el ecosistema (Aman et al., 2015; Pearlmutter et al., 2020).
Impactos ambientales de la energía solar fotovoltaica
Las células fotovoltaicas (PV) son dispositivos competitivos de generación de energía que convierten la luz solar en electricidad, con precios recientes de US$ 0.01567/kWh en 2020 (Bellini, 2020). Los precios de los paneles solares han disminuido en un factor de 10 en una década. En general, la configuración de PV consta de varias partes que incluyen las células, componentes eléctricos y mecánicos, que trabajan juntos para regular y gestionar la generación de corriente eléctrica. La fabricación de diferentes componentes del sistema fotovoltaico implica el uso de diferentes productos químicos y materiales peligrosos que pueden emitir gases de efecto invernadero en diferentes etapas, lo que compensa la afirmación de cero emisiones una vez que se analiza todo el ciclo de vida (Salameh et al., 2020a; Letafat et al., 2020).
Los impactos ambientales del sistema de generación de energía solar fotovoltaica, desde la etapa de fabricación (Fthenakis et al., 2005), hasta la instalación y operación (Turney y Fthenakis, 2011), desmantelamiento y disposición o reciclaje del equipo solar PV (Fthenakis et al., 2008), se han reportado en la literatura. Al igual que cualquier sistema de generación de energía, la construcción de una instalación de PV implica el uso de maquinaria pesada que genera ruido y disturbios visuales, lo que afecta el hábitat natural y el medio ambiente (Soliño et al., 2009; Guerin, 2017a). Existen varios impactos relacionados principalmente con la salud humana (Aman et al., 2015), el clima (Alsema, 2012), la vida silvestre (Pimentel Da Silva y Branco, 2018), el uso de la tierra (Denholm y Margolis, 2008), el agua subterránea y el suelo (Tammaro et al., 2016). Turney y Fthenakis (2011) identificaron hasta 32 impactos ambientales del uso de energía solar en lugar de fuentes de energía tradicionales. Sin embargo, 22 de estos impactos se clasificaron como de bajo nivel, 4 como de impacto medio, y se requieren más investigaciones y estudios para reconocer el efecto real de los impactos restantes. Dimond y Webb (2017) han demostrado que la insolación solar, la temperatura, la humedad, la precipitación, la densidad de biomasa y la biodiversidad son las principales características de la ubicación de instalación con altos impactos ambientales. Además, se informó que las ubicaciones van desde bosques hasta desiertos, pasando por praderas y tierras de cultivo, lo que puede afectar el medio ambiente.
La revisión de literatura anterior revela que es crucial realizar una evaluación de los impactos ambientales de los sistemas de energía solar fotovoltaica. Actualmente, existe una brecha en la literatura con respecto al impacto de los diferentes componentes del sistema de PV en el medio ambiente. Además, se requiere una mayor investigación sobre el efecto de factores como los requisitos y el uso de tierras, así como los patrones de distribución adecuados en el rendimiento del sistema de PV. Existe una falta de conocimiento relacionado con el efecto de la tecnología PV en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y las mejores prácticas en diseño e implementación para reducir la huella de carbono de los sistemas de PV. El impacto de los componentes de las células solares fotovoltaicas en la generación y emisión de materiales peligrosos y los posibles enfoques de reciclaje son otros aspectos importantes que requieren una mayor investigación. Aunque se ha realizado una amplia investigación sobre el impacto ambiental de la energía solar fotovoltaica, existen muy pocos estudios que sean una revisión que abarque el efecto durante todo el ciclo de vida de PV. Por lo tanto, esta revisión aborda de manera integral todos los impactos ambientales clave asociados con la generación de energía solar fotovoltaica. Se exploraron en detalle las repercusiones de esta tecnología en el uso de la tierra, los parámetros de calidad del aire y las emisiones, el consumo de agua, la contaminación y el reuso, así como la inclusión de materiales peligrosos y la posible contaminación acústica/visual.