Improved energy-water modelling for hydropower capacity expansion planning under climate change : a case study in the Zambezi river basin

Rapid economic and population growth in Africa is expected to increase energy consumption of rural, urban and industrial sectors. These factors are triggering investment for further expansion of hydropower capacity on major African rivers, since many of the Sub-Saharan Africa countries rely on this technology to satisfy their energy demand. The full exploitation of this potential in turn, will depend on future water availability and spatio-temporal variability, both potentially affected by climate change. In this context, up-to-date modelling tools holistically describing the water-energy nexus are required to provide a comprehensive prospective to support planning processes. Indeed, existing energy system models generally include overly simplified characterisation of the water component. Building on the OSeMOSYS framework, this work contributes a new improved energy-water modelling scheme, i.e. the OSeMOSYS Hydro model, which includes the main components of the hydrological cycle and their dynamics into the energy system optimization. Focusing on the Zambezi River Basin, alternative hydropower dam portfolios are explored under the effects of different climate scenarios. Downscaling of hydroclimatic variables from RCP 2.6, 4.5 and 8.5 simulations, combined with HBV hydrological models, is used to generate three future inflow projections. The optimal configuration and operating strategy of this complex system is computed by combining a rolling horizon and a fix-and-relax approach. Finally, the system is further examined under the introduction of a carbon tax to study the effects of climate change mitigation policies. Results show the enhanced adequacy provided by the improved version of the model in planning future energy systems under altered hydrological conditions. The construction of new energy infrastructures and its timing has proven to be dependent on future climate and emission regulation policies scenarios as well as on the assumed evolution trend of costs for each technology. Finally, the inverse correlation between CO2 emissions and water availability highlight once again the importance of hydroelectric generation in addressing future global challenges.

L’attuale crescita economica e demografica dell’Africa sta progressivamente aumentando la domanda di energia nei settori urbano, rurale ed industriale. A questo proposito, considerando che la maggior parte dei paesi dell’Africa subsahariana soddisfa la propria domanda di energia grazie ad impianti idroelettrici, si stanno discutendo nuovi investimenti per progetti di ampliamento dei serbatoi e della potenza installata nelle centrali. Lo sfruttamento completo ed ottimale di questa tecnologia, tuttavia, dipenderà dalla futura disponibilità di acqua e dalla sua variabilità spazio-temporale, che saranno potenzialmente influenzate dagli effetti del cambiamento climatico. In tale contesto si devono sviluppare innovativi strumenti di modellazione che tengano in considerazione le interazioni tra acqua ed energia, per poter fornire una prospettiva ampia ed esaustiva in supporto ai processi di pianificazione e gestione delle risorse naturali. Infatti, la maggior parte dei modelli energetici tradizionali, non rappresenta adeguamente la componente idrica e la relativa dinamica non lineare. Basandosi sulla struttura di OSeMOSYS, questo lavoro implementa un nuovo schema, definito OSeMOSYS Hydro poichè include all’interno dell’ottimizzazione del sistema energetico anche le principali componenti del ciclo idrologico e le dinamiche associate. Concentrandosi sul bacino de fiume Zambezi, si vogliono valutare configurazioni alternative per le dighe preposte alla produzione idroelettrica, sotto l’influenza di diversi scenari di cambiamento climatico, nello specifico gli RCP 2.6, 4.5 e 8.5. La configurazione ottima e la migliore strategia operativa per questo complesso sistema idrologico-energetico sono state ottenute mediante l’impiego congiunto di un approccio rolling horizon con un metodo fix-and-relax, periodicamente aggiornando i dati di input ad ogni simulazione. Per ultimo, il sistema è stato ulteriormente analizzato con l’introduzione di una carbon tax, al fine di studiare gli effetti delle politiche di mitigazione dei cambiamenti climatici sul sistema energetico.