Exploring the water-energy nexus in the Iberian Peninsula under climate change : a deterministic optimization approach

Energy and freshwater resources are strictly interconnected: the former is used to clean and transport freshwater needed, the latter to help produce the energy required. Their policy goals often conflict; their competition is expected to be enhanced especially by climate change-induced alterations in water resources. Climate change might also rise some concerns whether future cooling water needs can be met in thermoelectric power industry, which is responsible for about 80% of global energy generation. Due to the difficulty of the problem, a deeper knowledge of the impacts of water constraints on electricity production and of feasible methods to include water-energy security when planning future energy systems are required for planning purposes. The objective of this thesis is to find a proper method to further improve the modelling of water-energy nexus in order to analyze the effects of thermal cooling constraints on both thermal and overall energy production, as well as on the entire water-power system. In order to achieve this goal, a deterministic, single objective, resource allocation problem is implemented. The single objective consists in minimizing the net costs of the system. The model is optimized through a linear programming solver over both control (1961-1990) and future climate (2036-2065) in order to assess the effects of climate change and compare the consequences of cooling constraints in both time periods. The case study is the Iberian Peninsula. Within control scenario, thermal cooling restrictions do not have a significant impact on the water-power system of the IP. In future climate, these limitations become more binding, mainly due to higher water temperatures and lower inflows induced by climate change. The combination of climate change and thus stricter cooling constraints might have significant effects on several elements of the coupled system (e.g. reduced hydropower production, increased agriculture deficit, increased modelled and residual thermal generation).

Energia e risorse idriche sono strettamente interconnesse. La prima è impiegata nella pulizia e nel trasporto delle risorse idriche; le seconde nella produzione di energia elettrica. I loro obiettivi spesso entrano in conflitto. Si prevede che in futuro questa competizione verrà esacerbata dalle alterazioni indotte dal cambiamento climatico nell’ambito delle risorse naturali. Il cambiamento climatico potrebbe inoltre destare preoccupazioni riguardo il soddisfacimento delle future esigenze idriche per il raffreddamento delle industrie termoelettriche che producono circa l’80% dell’energia elettrica globale. A causa della complessità dell’argomento, sono necessari sia una conoscenza più approfondita degli impatti dei vincoli idrici sulla produzione elettrica che l’individuazione di possibili metodi che includano nella pianificazione la sicurezza idrica ed energetica. L’obiettivo di questa tesi è cercare un metodo idoneo all’ulteriore miglioramento della modellizzazione del nesso acqua-energia, al fine di analizzare gli effetti dei vincoli sul raffreddamento termoelettrico sulla produzione elettrica (sia termica che non), nonché sull’intero sistema acqua-energia. Per raggiungere tale obiettivo, è stato implementato un modello di allocazione di risorse di tipo deterministico e a singolo obiettivo. Il singolo obiettivo consiste nella minimizzazione dei costi netti del sistema. Il modello è stato ottimizzato attraverso la programmazione lineare sia su un periodo storico di controllo (1961-1990) che futuro (2036-2065), al fine di valutare gli impatti del cambiamento climatico e confrontare le conseguenze dei vincoli sul raffreddamento termoelettrico in entrambe le finestre temporali. Il caso di studio è la Penisola Iberica. Nello scenario di controllo, le restrizioni sul raffreddamento termoelettrico non hanno determinato impatti significativi sul sistema acqua-energia della Penisola. In quello futuro, invece, queste limitazioni sono diventate più vincolanti, principalmente a causa delle temperature più elevate delle fonti idriche e dei minori afflussi dovuti al cambiamento climatico. La combinazione “cambiamento climatico”-“vincoli più severi” sul raffreddamento hanno avuto conseguenze significative su diversi elementi del sistema accoppiato acqua-energia (e.g. produzione idroelettrica ridotta, deficit agricolo e produzione termica in aumento).