Para combatir el cambio climático y lograr un desarrollo sostenible, se están realizando grandes esfuerzos en todo el entorno para aumentar la participación de la energía solar en el suministro eléctrico [1,2]. Las últimas dos décadas han sido testigo de una rápida expansión de la energía fotovoltaica solar (PV), con una capacidad instalada mundial que ha aumentado de 805 MW en 2000 a 843 GW en 2021 [3], gracias a la reducción en el costo de desarrollo y las iniciativas impulsadas por políticas. Sin embargo, la generación de energía solar es sensible a los cambios climáticos [4,5], lo que impone una limitación definida a la estabilidad del suministro de electricidad solar [6]. Por ejemplo, los cambios en la frecuencia de días nublados y lluviosos pueden afectar sustancialmente la producción de energía de los paneles solares. Por lo tanto, cuantificar el impacto del cambio climático en la estabilidad de la energía solar es importante para los responsables de la toma de decisiones y los planificadores energéticos para lograr un suministro de electricidad estable, especialmente en el contexto de la mayor variabilidad climática [4] y la expansión acelerada de la energía solar [1].
La generación de energía solar se basa en la radiación solar recibida en la superficie terrestre, que está principalmente gobernada por ciclos diurnos y estacionales deterministas y se ve significativamente alterada por las variaciones inciertas de nubes y aerosoles. Como resultado, las salidas de energía solar fotovoltaica suelen mostrar intermitencia en una escala de tiempo que va desde horas hasta meses [7,8]. Una red eléctrica en funcionamiento normal debe mantener una frecuencia constante, lo cual es fácil de lograr para la energía controlable como el gas natural, pero extremadamente difícil para la energía solar intermitente. El amplio acceso de la energía solar a la red eléctrica inevitablemente interrumpe el enfoque convencional para la regulación de la red, obligando a los operadores de la red a ajustar sus procedimientos operativos y programaciones anticipadas [9,10], por ejemplo, para incluir suficientes generadores que puedan ajustar rápidamente su producción de energía para responder de manera rápida y eficiente al aumento y disminución en la generación solar. Además, la variabilidad causada por las nubes conduce a grandes incertidumbres en la predicción de las salidas de energía solar fotovoltaica [11,12], por lo que se vuelve muy difícil para los operadores de la red calcular cuánta generación adicional de generadores controlables se requiere para las próximas horas del día. Dado que se supone que los operadores de la red deben enviar una señal a las plantas de energía cada pocos segundos para garantizar que el suministro de la red sea igual a la demanda de energía [13], la intermitencia también afecta los balances de la red de segundo a segundo. Aunque la intermitencia se puede controlar parcialmente mediante el almacenamiento de energía [14], la agregación espacial [8], el control de carga / generación [15] y la predicción de la radiación solar [16], aún tiene un impacto significativo en la integración de la red que involucra energía solar. El origen, la magnitud y la frecuencia de la intermitencia, así como la importancia de los impactos en la red, determinarán la selección de las contramedidas adecuadas [17]. Con este fin, todavía es necesario comprender la estabilidad de la energía solar.
La estabilidad de los proyectos solares generalmente se compone de la disponibilidad de recursos solares y las características intermitentes de la generación de energía solar [17,18].
Se han realizado diversos estudios para analizar la estabilidad de las plantas solares utilizando diferentes métricas y mediciones de campo. Por ejemplo, Dobos et al. calcularon las probabilidades de excedencia que representan la cantidad de energía que se espera que produzca una planta en función de los datos climáticos históricos para cuantificar el riesgo económico de los proyectos solares [19]. Rowlands et al. revelaron que la intermitencia (medida por la desviación estándar) de la producción solar se reduce mediante la agregación espacial de plantas solares en varias ubicaciones en función de datos de observación en Ontario [20]. Utilizando el índice de cielo despejado como un indicador, Tripathy et al. investigaron el papel del suavizado espacial en la disminución de la intermitencia solar y revelaron que la agregación de la producción de paneles solares de múltiples plantas geográficamente dispersas es útil para suavizar el suministro de energía en general [21]. Estos estudios suelen centrarse en ubicaciones específicas y se basan en observaciones limitadas. Aunque las mediciones en tierra son la fuente más precisa, también presentan algunas inconveniencias. Debido a la heterogeneidad espacial de la radiación solar, suele ser cuestionable si el patrón en una ubicación es aplicable a otras ubicaciones, o qué tan representativo es el patrón a escala puntual en un territorio grande [22,23]. A nivel regional y global, los intereses de investigación se han centrado en estimar el potencial de energía solar actual y futuro desde múltiples perspectivas (potencial de recursos, técnico, económico y de mercado), pero se ha ignorado la estabilidad de la energía solar [24,25]. Hasta donde sabemos, Yin et al. caracterizaron la intermitencia de la radiación solar global como la probabilidad de pérdida de carga (LOLP) utilizando tanto datos satelitales como salidas de modelos climáticos y cuantificaron la sensibilidad de LOLP en escenarios futuros de cambio climático [5]. El riesgo potencial proviene de los errores sistemáticos en las simulaciones climáticas utilizadas [26], lo que puede llevar a conclusiones sesgadas sin calibración.
Sin embargo, pocos estudios han investigado cómo los cambios climáticos están alterando la estabilidad de la energía solar a escala global, y falta evidencia directa a escala espacial continua. Para llenar este vacío, recopilamos series de tiempo largas de observaciones de la Red de Radiación Superficial de Referencia (BSRN, por sus siglas en inglés) y las utilizamos para validar la confiabilidad del producto de reanálisis atmosférico de quinta generación de ECMWF (ERA5). Sobre esta base, calculamos patrones espaciales de estabilidad de la energía solar desde la perspectiva de la disponibilidad de recursos y la intermitencia solar en función de los datos de reanálisis ERA5 de 21 años (2000-2020). Además, comparamos las diferencias espaciales por década y analizamos las tendencias en el período de 20 años para visualizar el impacto del cambio climático en la estabilidad de la energía solar. El efecto de suavizado de la agregación espacial en la restricción de la intermitencia solar también se evidencia en Europa y América del Norte. Este estudio tiene un gran valor para la utilización de la energía solar y la respuesta adecuada de la industria de paneles solares al cambio climático.