Participación mundial de la energía solar fotovoltaica en la generación eléctrica para 2050, derivada de una relación empírica entre las horas de carga plena y la participación fotovoltaica en 60 estudios de transición. Imagen: Leibniz University Hannover, LUT University

Mientras el mundo busca limitar el calentamiento global muy por debajo de los 2 °C, la desfósilización de los sistemas energéticos depende, por encima de todo, de dos tecnologías: la energía solar fotovoltaica y la eólica. La energía solar fotovoltaica se ha incorporado al sistema energético más rápidamente que cualquier otra fuente de electricidad en la historia de la humanidad, impulsada por el desplome de los costos, una disponibilidad casi universal y la diversificación de las aplicaciones de los sistemas. Sin embargo, una pregunta persiste en la literatura de modelización: ¿hasta qué punto llegará a dominar la energía solar fotovoltaica y por qué los estudios discrepan tanto en la respuesta?

Un nuevo estudio realizado por investigadores de Leibniz University Hannover y LUT University, Perspectivas para la energía solar fotovoltaica en escenarios de transición energética altamente renovables hacia una fuente de energía dominante en el futuro, busca resolver esa cuestión. La revisión sistemática abarca 60 estudios de transición energética revisados por pares, cada uno de los cuales incluye al menos los sectores de electricidad, calor y transporte y alcanza como mínimo un suministro de energía renovable del 95% para 2050. Además de las conclusiones extraídas por los estudios revisados, se hace especial hincapié en los supuestos que determinan sus resultados.

En un segundo estudio realizado por investigadores de LUT University, Leibniz University Hannover, el Joint Research Centre de la Comisión Europea y la Technical University of Denmark, que abarca una Revisión de la evolución del papel de la energía solar fotovoltaica en los escenarios de transición energética a lo largo de cinco décadas de investigación sobre sistemas de energía 100% renovable, los autores investigaron la cuestión central de qué grandes hitos en los estudios sobre sistemas de energía 100% renovable permitieron que la energía solar fotovoltaica pasara de ser una aplicación de nicho a convertirse en la fuente de energía dominante para la humanidad durante las cinco décadas de existencia de este campo de investigación.

Principales factores que influyen en la participación de la energía solar fotovoltaica en el suministro

El hallazgo central combina un amplio consenso con una notable variación. La mayoría de los estudios sitúan la participación combinada de la energía solar fotovoltaica y la eólica en la generación de electricidad entre el 80% y el 99% para 2050. Este hallazgo también se conoce por los estudios sobre transición energética mundial. Pero la participación de la energía solar fotovoltaica por sí sola abarca un amplio rango, del 5% al 98%. Según el estudio, esta dispersión está determinada por las horas solares de carga plena disponibles en un país, los supuestos tecnoeconómicos incorporados en cada modelo y la complejidad de la modelización.

Los supuestos de costos suelen estar desactualizados. En los estudios revisados, las cifras de gastos de capital (capex) para la energía solar fotovoltaica a gran escala en 2050 oscilan entre 151 euros (174,1 dólares) y 720 euros/kW. Alrededor del 18% de los estudios todavía supone más de 500 euros/kW, un nivel que la energía solar fotovoltaica ya ha rebajado en el mundo real actual. Debido a que los costos de la energía solar fotovoltaica han caído más rápidamente de lo que preveía casi cualquier escenario, los modelos que mantienen estas cifras heredadas subestiman sistemáticamente el papel futuro de la energía solar fotovoltaica.

La representación tecnológica importa tanto como el costo. Alrededor de un tercio de los estudios modeliza una única tecnología genérica de energía solar fotovoltaica, ignorando el creciente abanico de aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos: seguimiento de un eje, módulos bifaciales, fotovoltaica flotante, agrivoltaica y prosumidores con sistemas en techos, por mencionar algunas. Las decisiones de modelización agravan el efecto: una resolución temporal poco detallada, como el uso de franjas temporales representativas en lugar de simulación horaria, puede distorsionar significativamente los resultados para un recurso tan variable como la energía solar fotovoltaica, mientras que el 80% de todos los estudios del sector se realiza con resolución horaria. El estudio muestra que los modelos que combinan un amplio conjunto de tecnologías solares fotovoltaicas con un acoplamiento sectorial completo presentan sistemáticamente las participaciones solares fotovoltaicas más altas y, posiblemente, más realistas.

Con el acoplamiento sectorial, el alcance de la energía solar fotovoltaica se extiende mucho más allá de la red eléctrica. Las rutas de Power-to-X convierten la electricidad solar barata en hidrógeno, combustibles sintéticos, productos químicos sintéticos, materiales sintéticos, alimentos sintéticos, agua limpia y bosques sintéticos, atendiendo a los segmentos de difícil electrificación del transporte y la industria, que de otro modo dependerían de biocombustibles o importaciones de combustibles fósiles. La eliminación de dióxido de carbono, normalmente dominada por la bioenergía, encuentra oportunidades sin precedentes para la restauración climática. Algo más de la mitad de los estudios revisados incluye al menos una ruta de combustibles sintéticos, y siempre que aparecen estas rutas aumenta el valor de la energía solar fotovoltaica para el sistema. El efecto es lo suficientemente pronunciado como para que los sistemas energéticos puedan describirse como una emergente economía Power-to-X, en esencia, a menudo una economía Solar-to-X.

Participación de la energía solar fotovoltaica en 2050 representada frente a las horas de carga plena en los estudios revisados; el ajuste empírico sustenta la proyección mundial.

Participación de la energía solar fotovoltaica en el suministro energético mundial

El estudio deriva una relación empírica entre las horas solares de carga plena de un país y su participación esperada de energía solar fotovoltaica. Aplicada en todo el mundo y ponderada por población, esa relación produce una estimación transversal entre estudios según la cual la energía solar fotovoltaica suministrará aproximadamente el 61% de la electricidad mundial para 2050. Fundamentalmente, esta cifra no es el resultado de un único modelo, sino una síntesis de decenas de equipos y metodologías independientes. Algunos estudios individuales pueden alcanzar el 70% a escala mundial o incluso más, algo que la comunidad fotovoltaica mundial ha adoptado para un objetivo de 75 TW a mediados de siglo.

El resultado refleja un cambio más amplio. Proyecciones económicas independientes han sugerido que un “punto de inflexión solar” mundial puede haberse superado ya, con la energía solar pasando gradualmente a dominar los mercados eléctricos incluso en ausencia de políticas climáticas adicionales. Con alrededor de 3 TW de fotovoltaica instalada en todo el mundo para 2025 y cerca de 700 GW añadidos solo ese año, la trayectoria ya está claramente en marcha. En 2025, alrededor del 70% de toda la nueva capacidad eléctrica instalada a escala mundial correspondió a energía solar fotovoltaica, marcando finalmente el amanecer de la era solar.

El papel futuro de la energía solar fotovoltaica se subestima habitualmente, por ejemplo en la Agencia Internacional de la Energía y en los estudios utilizados por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, y la corrección de costos desactualizados y de una modelización excesivamente simplificada revela a la energía solar fotovoltaica como la fuente de energía dominante de las próximas décadas. Para quienes elaboran modelos, el mensaje es abandonar las curvas de costos pesimistas y representar toda la amplitud de tecnologías fotovoltaicas disponibles. Para los responsables de las políticas públicas, es un recordatorio de que planificar sobre la base de los supuestos de ayer implica el riesgo de construir el sistema energético del pasado, en lugar del que ya está llegando.

Hitos en la investigación sobre sistemas de energía 100% renovable que revelan el papel de la energía solar fotovoltaica

Desde mediados de la década de 1970 se investigan los sistemas de energía 100% renovable, con una participación solar fotovoltaica normalmente insignificante en las primeras investigaciones, mientras que en estudios recientes puede encontrarse un rango del 60% al 80% en el suministro solar fotovoltaico mundial. A partir de una base de datos de más de 1.000 artículos sobre análisis de sistemas de energía 100% renovable, un nuevo estudio investigó qué hitos principales condujeron a la evolución desde una tecnología de nicho hasta dominar los mercados eléctricos mundiales.

Dentro de la base de datos se identificaron 29 artículos considerados hitos que introdujeron un nuevo elemento relacionado con el papel de la energía solar fotovoltaica dentro de este campo de investigación. Estos hitos se alcanzaron en todas las décadas, y los cuatro grupos más importantes son: (i) planteamientos visionarios sobre el papel de la fotovoltaica, (ii) avances en las aplicaciones de sistemas fotovoltaicos, (iii) ampliación de los conocimientos económicos y (iv) avances metodológicos que permitieron descripciones más realistas de la fotovoltaica en los sistemas energético-industriales. En los análisis más avanzados de sistemas de energía 100% renovable, la energía solar fotovoltaica puede describirse mediante hasta ocho aplicaciones de sistemas fotovoltaicos, con resolución horaria y diseños de estudio multinodo interconectados. Además, estos análisis pueden abarcar todos los sectores, incluidos electricidad, calor, transporte, industria, desalinización y eliminación de dióxido de carbono, con rutas integrales de Power-to-X y amplias carteras de flexibilidad, como redes, almacenamiento y respuesta de la demanda, con un acoplamiento sectorial diversificado y rutas de conversión energética. Sin embargo, incluso una diferenciación básica de los sistemas fotovoltaicos entre instalaciones montadas en suelo, a gran escala y en techos dista mucho de ser estándar, ya que solo el 16% de todos los estudios incluye esta diferenciación. A escala mundial, los estudios encuentran cada vez más una participación fotovoltaica del 60% al 80% en el suministro total de energía hacia mediados de siglo o posteriormente, con un promedio proyectado del 61% entre los estudios de transición.

Los 29 hitos se componen de 13 relacionados con planteamientos visionarios, 16 con avances en aplicaciones de sistemas fotovoltaicos, 15 con la ampliación de conocimientos económicos, 13 con avances metodológicos y 4 con otras contribuciones particulares, aunque un mismo artículo puede pertenecer a más de una categoría. En la década de 1970 predominaron los planteamientos visionarios. Entre las décadas de 1980 y 2000 hubo una actividad investigadora limitada en este ámbito, mientras que en la década de 2010 una amplia diversidad de avances metodológicos sentó las bases de los modernos análisis de sistemas de energía 100% renovable. En la década de 2020, casi todos los hitos ampliaron los métodos, los conocimientos económicos y la diversidad de los sistemas fotovoltaicos.

Importantes artículos considerados hitos ampliaron la perspectiva hacia participaciones muy elevadas de energía solar fotovoltaica, a finales de la década de 1970 sobre una base conceptual y a mediados de la década de 1990 mediante un análisis cuantitativo. El avance hacia la resolución horaria marcó la posibilidad de realizar análisis detallados de viabilidad técnica. El valor de la fotovoltaica distribuida en techos fue identificado tempranamente y finalmente pudo cuantificarse como parte de una solución de sistema energético de mínimo costo, pese a que los sistemas fotovoltaicos a gran escala alcanzan menores costos de generación eléctrica. La incorporación de una amplia diversidad de rutas de Power-to-X y opciones de flexibilidad, combinadas con modelos de optimización orientados a minimizar costos para determinadas restricciones técnicas y sociales, reveló un potencial de contribución de la energía solar fotovoltaica de entre el 60% y el 80% para satisfacer toda la demanda energética de la humanidad.

Las cinco décadas recientes de investigación sobre sistemas de energía 100% renovable sentaron las bases de los hitos necesarios para realizar análisis integrales con una participación fotovoltaica proyectada del 61% o más, y para investigar el papel de la energía solar fotovoltaica en el establecimiento de una civilización sostenible: el surgimiento de la era solar.

Autores: Dennis Bredemeier, Dominik Keiner y Christian Breyer

Este artículo forma parte de una columna mensual de LUT University.

La investigación en LUT University abarca diversos análisis relacionados con opciones para electricidad, calor, transporte, industria, desalinización y eliminación de dióxido de carbono. La investigación sobre Power-to-X es un tema central de la universidad, integrado en las áreas prioritarias de Recursos Planetarios, Negocios y Sociedad, Revolución Digital y Transición Energética. La energía solar desempeña un papel clave en todos los ámbitos de investigación.