Integrating hydrological constraints for hydropower in energy models. The case study of the Zambezi river basin in the Southern African power pool

Ensuring reliable supplies of energy and water are two important Sustainable Development Goals, particularly for Sub-Saharan African countries. The energy and water challenges are however not independent, and the interlinkages between them are increasingly recognized and studied using water-energy nexus approaches. In this work, we propose an integrated modelling approach that embeds an improved characterization of hydropower generation as dependent on the hydrologic variability of the Zambesi River Basin (ZRB) into an energy model of the Southern African Power Pool (SAPP). Specifically, we use the Calliope modelling tool, which allows to form internally coherent scenarios of how energy is extracted, converted, transported and used, setting arbitrary spatial and temporal resolution and time series input data. As in many state-of-the-art energy models, hydropower production is poorly described in Calliope as the model neglects water availability constraints and assumes hydropower plants produce at their nominal capacity in each timestep. Exploiting Calliope existing modeling components, we improved the hydrological description of the main reservoirs in the Zambezi River Basin as part of the overall SAPP model. Our improvements include the most relevant hydrological constraints, such as time-varying water availability and hydraulic head, evaporation losses and cascade releases. The model outcomes were then evaluated for different hydrologic scenarios. Finally, in order to validate the model, we simulated specific historical years and compared our results with observed energy data. Our results demonstrate the value of advancing the hydropower characterization in energy models by capturing reservoir dynamics and water resource variability. These improvements will be particularly valuable to support hydropower management and planning expansion in African countries that rely mostly on this technology to satisfy their growing energy demand.

Garantire l’approvvigionamento di acqua ed assicurare l’accesso all’energia costituiscono due importanti obiettivi di Sviluppo Sostenibile (SDGs, Sustainable Development Goals), specialmente per la regione africana subsahariana. Tuttavia le sfide globali legate all’energia e all’acqua non sono indipendenti l’una dall’altra, al contrario le interdipendenze tra queste sono sempre piú riconosciute e studiate grazie ad un nuovo approccio integrato, chiamato ”waterenergy nexus”. Con questo lavoro si vuole contribuire ad un approccio modellistico integrato water-energy incorporando la descrizione idrologica del bacino del fiume Zambesi (ZRB, Zambezi River Basin) nel modello energetico dell’Africa meridionale (SAPP, Southern African Power Pool). Nello specifico, é stato utilizzato lo strumento di modellazione Calliope, che permette all’utente di creare scenari energetici su come l’energia viene estratta, convertita, trasportata e utilizzata, settando arbitrariamente la risoluzione spaziale e temporale e fornendo gli input come serie temporali. Come nella maggior parte dei modelli energetici tradizionali, anche in Calliope la produzione idroelettrica é descritta superficialmente, ignorando i vincoli legati alla disponibilitá della risorsa acqua; di conseguenza si assume che gli impianti idroelettrici producano alla loro capacitá nominale in ogni istante di tempo. Sfruttando le componenti modellistiche esistenti di Calliope, in questa tesi é stata migliorata la descrizione dei principali serbatoi dello ZRB come parte integrante del modello complessivo della SAPP. Tali miglioramenti includono la modellazione dei serbatoi a cascata e i piú importanti vincoli idrologici, come la disponibilitá d’acqua, il salto idraulico e le perdite dovute all’ evaporazione in dipendenza dal tempo. I risultati del modello saranno poi valutati considerando diversi scenari idrologici. I nostri risultati dimostrano il valore aggiunto di una caratterizzazione avanzata degli impianti idroelettrici nei modelli energetici, poiché sono in grado di catturare la dipendenza della produzione energetica dalle dinamiche di bacino e dalla variabilitá della risorsa idrica. Il nostro approccio di modellazione integrata potrebbe rivelarsi fondamentale nel supportare la gestione idroelettrica esistente e la pianificazione di nuovi impianti, specialmente in quei paesi africani che dipendono maggiormente dall’acqua per soddisfare la loro sempre crescente domanda energetica.