DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41357-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41741590
تاريخ النشر: 2026-02-25
المؤلف: Muhammad Amir Raza وآخرون
الموضوع الرئيسي: الإشعاع الشمسي والطاقة الشمسية
نظرة عامة
تسلط ورقة البحث الضوء على الحاجة الملحة لمعالجة تغير المناخ، الذي تفاقم، حيث تم تسجيل عام 2024 كأكثر الأعوام حرارة حتى الآن، متجاوزًا معايير درجة الحرارة لاتفاقية باريس. تؤكد الدراسة على إمكانيات الطاقة الشمسية كحل مستدام للتخفيف من آثار تغير المناخ، مثل الأحداث الجوية المتطرفة والتهديدات البيئية. باستخدام نماذج المتوسط المتحرك المتكامل الذاتي الموسمي مع العوامل الخارجية (SARIMAX) وشبكة الالتفاف الزمنية (TCN)، قام المؤلفون بتحليل الإمكانيات العالمية للطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) من 2000 إلى 2022 وتوقعوا القدرات المستقبلية من 2023 إلى 2050.
تشير النتائج إلى زيادة كبيرة في قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، من 1.23 جيجاوات في 2000 إلى 1053.12 جيجاوات في 2022، مع تقديرات تشير إلى قدرات تبلغ 11641.41 جيجاوات و11577.24 جيجاوات بحلول 2050 باستخدام نماذج SARIMAX وTCN، على التوالي. وبالمثل، ارتفعت إنتاجية الطاقة الشمسية من 1.03 تيراوات ساعة في 2000 إلى 1323.32 تيراوات ساعة في 2022، مع توقعات تشير إلى زيادات تصل إلى 14967.15 تيراوات ساعة و15928.52 تيراوات ساعة بحلول 2050. ومن الجدير بالذكر أن نموذج SARIMAX أظهر دقة أعلى مقارنة بنموذج TCN. بشكل عام، تؤكد الدراسة على الدور الحاسم للطاقة الشمسية في تقليل انبعاثات غازات الدفيئة وتعزيز ممارسات الطاقة المستدامة في مواجهة تغير المناخ.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث الحاجة الملحة للانتقال العالمي للطاقة من مصادر الكربون العالي إلى مصادر صفرية الكربون، خاصة في ضوء جائحة COVID-19، التي دفعت إلى إعادة تقييم أنماط استهلاك الطاقة. اعتبارًا من عام 2023، بلغ استهلاك الوقود الأحفوري مستوى قياسيًا تجاوز 505 إكسا جول، مما يشكل حوالي 81.5% من إمدادات الطاقة الأولية في العالم، مع الاعتماد المتزايد على هذه الموارد في الدول النامية بسبب النمو الاقتصادي. وهذا يبرز ضرورة توافق أنظمة الطاقة مع الموارد المتجددة لتحقيق دمج يزيد عن 90% من الطاقة المتجددة والحد من الاحترار العالمي إلى أقل من درجتين مئويتين، كما هو منصوص عليه في اتفاقية باريس.
تؤكد الورقة على العواقب الوخيمة لعدم معالجة تغير المناخ، بما في ذلك السيناريوهات الكارثية المحتملة مثل انهيار الصفائح الجليدية والفشل الزراعي الواسع النطاق إذا ارتفعت درجات الحرارة العالمية بمقدار 4 درجات مئوية أو أكثر. وتبرز الالتزامات التي قدمتها دول مختلفة بموجب المساهمات المحددة وطنياً (INDCs) لتقليل انبعاثات الكربون، مع تحديد أهداف محددة من قبل دول مجموعة العشرين، بما في ذلك اقتراح بتقليل بنسبة 40% بحلول عام 2030. الإطار الذي أنشأته المساهمات المحددة وطنياً يهدف إلى تسهيل تنفيذ التعهدات المناخية وتعزيز الشفافية في الجغرافيا السياسية للموارد الطبيعية، مما يعزز الثقة بين الدول في جهودها الجماعية لمكافحة تغير المناخ.
الطرق
في هذا البحث، يستكشف المؤلفون مسارات الانتقال العالمي للطاقة على المدى الطويل مع التركيز على الاستخدام الأمثل للطاقة الشمسية، وخاصة من خلال تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV). تؤكد الدراسة على دمج وتحسين قطاعين حيويين من نظام الطاقة: الطلب على الطاقة وإنتاج الطاقة. من خلال استخدام مخطط تدفق العملية، تهدف الدراسة إلى تحديد متطلبات الطلب والعرض للطاقة على نطاق عالمي.
تشمل المنهجية استخدام نماذج TCN (شبكة الالتفاف الزمنية) وSARIMAX (المتوسط المتحرك المتكامل الذاتي الموسمي مع المتغيرات الخارجية)، المنفذة في بايثون، لتوقع قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية العالمية، وتوليد الطاقة، والمزيج العام للطاقة، الذي يشمل حصص الوقود الأحفوري، والطاقة النووية، والمصادر المتجددة. يتم إجراء محاكاة نموذج الانتقال العالمي للطاقة على فترات زمنية مدتها 5 سنوات، مع الالتزام بقيود معينة لضمان توقعات واقعية لاستخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية في تلبية الطلبات العالمية على الطاقة.
النتائج
تركز الدراسة على تحسين الاستغلال والاستخدام العالمي للطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV). باستخدام بيانات تاريخية من 2000 إلى 2022، تتوقع الدراسة قدرة الطاقة الشمسية من 2023 إلى 2050 من خلال تنفيذ نماذج الشبكات الالتفافية الزمنية (TCN) ونماذج المتوسط المتحرك المتكامل الذاتي الموسمي مع المتغيرات الخارجية (SARIMAX) في بايثون. تشير النتائج إلى أن قدرة الطاقة الشمسية كانت 1.23 جيجاوات في 2000، مع توقعات تشير إلى نمو كبير في العقود القادمة.
اعتبارًا من البيانات الأخيرة، تهيمن الوقود الأحفوري على إنتاج الطاقة العالمي، حيث تمثل أكثر من 81%، مع كون النفط والفحم والغاز الطبيعي هي المصادر الرئيسية. ومع ذلك، تساهم مصادر الطاقة منخفضة الكربون، بما في ذلك الطاقة المتجددة والطاقة النووية، بشكل متزايد في مزيج الطاقة، حيث تمثل الطاقة المتجددة حوالي 27% من إنتاج الكهرباء العالمي في 2019. تسلط الدراسة الضوء على أن حصة المصادر منخفضة الكربون في توليد الكهرباء أكبر من تلك في إجمالي إنتاج الطاقة، مع توقعات تشير إلى أنه بحلول عام 2050، يمكن أن تمثل الطاقة المتجددة، وخاصة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، أكثر من ثلث مزيج الطاقة في ظل سيناريوهات مناخية طموحة. بالإضافة إلى ذلك، ارتفع استهلاك الطاقة العالمي بنسبة 2.2% في 2023، مدفوعًا بشكل أساسي بالنمو في دول البريكس، مما يبرز الحاجة الملحة للانتقال إلى مصادر الطاقة المستدامة.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الدور الكبير للطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) في الانتقال العالمي نحو أنظمة الطاقة المستدامة، خاصة في سياق التعهدات المناخية لاتفاقية باريس. من خلال اعتماد نهج من القاعدة إلى القمة، يمكن للدول تخصيص مساهماتها المحددة وطنياً (INDCs) وفقًا لظروفها الخاصة، مما يعزز المشاركة الأوسع في المفاوضات المناخية. أكدت الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) على أهمية الطاقة المتجددة، حيث تبرز الطاقة الشمسية كتقنية منخفضة الكربون رائدة بسبب تنافسيتها من حيث التكلفة – حيث انخفضت أسعار الطاقة الشمسية بنسبة 90% هذا القرن، مما يجعلها أرخص من جميع مصادر توليد الكهرباء الأخرى. تشير التوقعات إلى أن قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية قد تنمو من 2.4 تيراوات (TW) في 2024 إلى أكثر من 7.5 تيراوات بحلول 2035، مدفوعة بانخفاض تكاليف التكنولوجيا، والسياسات الداعمة، وزيادة الطلب على الطاقة النظيفة.
تستخدم الدراسة نماذج SARIMAX وشبكة الالتفاف الزمنية (TCN) لتوقع الإمكانيات العالمية للطاقة الشمسية الكهروضوئية من 2023 إلى 2050، باستخدام بيانات تاريخية عن الإشعاع الشمسي، ودرجة الحرارة، وسرعة الرياح من 2000 إلى 2022. يتم تقييم النماذج باستخدام مقاييس مثل متوسط الخطأ المطلق (MAE)، ومتوسط الخطأ التربيعي (MSE)، وR²، حيث تظهر TCN أداءً متفوقًا في التقاط الاعتماديات طويلة الأجل والتغيرات الموسمية مقارنةً بـ SARIMAX. ومع ذلك، يظهر SARIMAX دقة أعلى في دمج المتغيرات الخارجية، مما يدل على فعاليته في نمذجة ديناميات الطاقة الشمسية. تشير النتائج إلى أن الطاقة الشمسية الكهروضوئية ستلعب دورًا حاسمًا في تلبية الطلبات المستقبلية على الطاقة مع تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، مع آثار كبيرة على سياسة الطاقة والعمل المناخي. تؤكد الدراسة على ضرورة الاستمرار في الاستثمار في تكنولوجيا الطاقة الشمسية والبنية التحتية لتحقيق مستقبل طاقة مستدام.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41357-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41741590
Publication Date: 2026-02-25
Author(s): Muhammad Amir Raza et al.
Primary Topic: Solar Radiation and Photovoltaics
Overview
The research paper highlights the urgent need to address climate change, which has intensified, with 2024 recorded as the hottest year to date, exceeding the Paris Agreement’s temperature benchmarks. The study emphasizes the potential of solar energy as a sustainable solution to mitigate climate change impacts, such as extreme weather events and ecological threats. Utilizing Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average with Exogenous Factors (SARIMAX) and Temporal Convolutional Network (TCN) models, the authors analyzed global solar photovoltaic (PV) energy potential from 2000 to 2022 and projected future capacities from 2023 to 2050.
The findings indicate a substantial increase in solar PV capacity, from 1.23 GW in 2000 to 1053.12 GW in 2022, with projections estimating capacities of 11641.41 GW and 11577.24 GW by 2050 using SARIMAX and TCN models, respectively. Similarly, solar energy production rose from 1.03 TWh in 2000 to 1323.32 TWh in 2022, with forecasts suggesting increases to 14967.15 TWh and 15928.52 TWh by 2050. Notably, the SARIMAX model demonstrated superior accuracy compared to the TCN model. Overall, the study underscores the critical role of solar energy in reducing greenhouse gas emissions and fostering sustainable energy practices in the face of climate change.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the critical need for a global energy transition from high carbon to zero-carbon sources, particularly in light of the COVID-19 pandemic, which has prompted a reevaluation of energy consumption patterns. As of 2023, fossil fuel consumption reached a record high of over 505 exajoules, constituting approximately 81.5% of the world’s primary energy supply, with increasing reliance on these resources in developing nations due to economic growth. This underscores the urgency of aligning energy systems with renewable resources to achieve over 90% renewable energy integration and limit global warming to below 2 degrees Celsius, as stipulated by the Paris Agreement.
The paper emphasizes the dire consequences of failing to address climate change, including potential catastrophic scenarios such as the collapse of ice sheets and widespread agricultural failure if global temperatures rise by 4 degrees Celsius or more. It highlights the commitments made by various countries under the Intended Nationally Determined Contributions (INDCs) to reduce carbon emissions, with specific targets set by G20 nations, including a proposed 40% reduction by 2030. The framework established by the INDCs aims to facilitate the implementation of climate pledges and enhance transparency in the geopolitics of natural resources, fostering trust among nations in their collective efforts to combat climate change.
Methods
In this research, the authors investigate long-term global energy transition pathways focused on the optimal utilization of solar energy, specifically through solar photovoltaic (PV) technology. The study emphasizes the integration and optimization of two critical sectors of the energy system: energy demand and energy production. By employing a process flow diagram, the research aims to identify the demand-supply requirements for energy on a global scale.
The methodology involves the use of the TCN (Temporal Convolutional Network) and SARIMAX (Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average with eXogenous variables) models, implemented in Python, to forecast global solar PV capacity, energy generation, and the overall energy mix, which includes the shares of fossil fuels, nuclear, and renewable sources. The simulation of the global energy transition model is conducted in 5-year intervals, adhering to specific constraints to ensure realistic projections of solar PV utilization in meeting global energy demands.
Results
The research focuses on optimizing the global exploitation and utilization of solar photovoltaic (PV) energy. Utilizing historical data from 2000 to 2022, the study forecasts solar power capacity from 2023 to 2050 through the implementation of Temporal Convolutional Networks (TCN) and Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average with Exogenous Variables (SARIMAX) models in Python. The findings indicate that solar power capacity was 1.23 GW in 2000, with projections suggesting significant growth in the coming decades.
As of recent data, fossil fuels dominate global energy production, accounting for over 81%, with oil, coal, and natural gas being the primary sources. However, low-carbon energy sources, including renewables and nuclear power, are increasingly contributing to the energy mix, with renewables representing nearly 27% of global electricity production in 2019. The study highlights that the share of low-carbon sources in electricity generation is greater than in total energy production, with projections indicating that by 2050, renewables, particularly solar and wind, could constitute over a third of the energy mix under ambitious climate scenarios. Additionally, global energy consumption rose by 2.2% in 2023, primarily driven by growth in BRICS nations, underscoring the urgent need for a transition to sustainable energy sources.
Discussion
The discussion highlights the significant role of solar photovoltaic (PV) energy in the global transition towards sustainable energy systems, particularly in the context of the Paris Agreement’s climate pledges. By adopting a bottom-up approach, countries can tailor their Intended Nationally Determined Contributions (INDCs) to their specific circumstances, fostering broader participation in climate negotiations. The International Renewable Energy Agency (IRENA) has emphasized the importance of renewable energy, with solar energy emerging as a leading low-carbon technology due to its cost competitiveness—solar prices have decreased by 90% this century, making it cheaper than all other electricity generation sources. Projections indicate that solar PV capacity could grow from 2.4 terawatts (TW) in 2024 to over 7.5 TW by 2035, driven by declining technology costs, supportive policies, and increasing demand for clean energy.
The study employs SARIMAX and Temporal Convolutional Network (TCN) models to forecast global solar PV energy potential from 2023 to 2050, utilizing historical data on solar irradiance, temperature, and wind speed from 2000 to 2022. The models are evaluated using metrics such as Mean Absolute Error (MAE), Mean Square Error (MSE), and R², with TCN demonstrating superior performance in capturing long-term dependencies and seasonal variations compared to SARIMAX. However, SARIMAX shows higher accuracy in incorporating exogenous variables, indicating its effectiveness in modeling solar energy dynamics. The findings suggest that solar PV will play a crucial role in meeting future energy demands while reducing reliance on fossil fuels, with significant implications for energy policy and climate action. The study underscores the necessity for continued investment in solar technology and infrastructure to achieve a sustainable energy future.