Water-energy-food nexus approach for sustainable innovation: application in agrivoltaics for desalination in a dry rural environment

Nowadays, the world is facing many issues regarding the well-being of humans and the environment. Many causes may be related to this problem, such as energy production based on fossil fuels, water scarcity in some areas of the world along with the unbalanced allocation of global fresh water, food insecurity in arid regions, etc. More specifically, agriculture fields in arid areas not only need much more water than other regions, but also the accessibility to fresh water is much more limited. Apart from this, a lot of energy in the form of renewables can be obtained in these areas, but these usually correspond to poor areas of the world where tis extraction is much more difficult. The chosen case study corresponds to an area called Chtouka-Ait Baha, Morocco, where a desalination plant was built recently to provide water to many different agricultural fields and greenhouses, apart from the water extracted from other water sources. Nowadays, this area suffers from severe food and water scarcity, with the projection of losing access to groundwater in the future due to reckless extraction. In order to tackle all of these issues at once, any sustainable solution for water use and energy security should be implemented addressing every aspect of the Water-Energy-Food nexus. The idea is to install photovoltaic panels above the crops to power the desalination plant and reduce the irrigation requirements. A framework is developed to be able to analyse the different features of the area and the nexus between them, and another software called MicroGridsPy serves as the decision taker in the implementation stage. As for the results obtained, a reduction in irrigation of around 20% is achieved, while powering with electricity all the assets of the region occupying a moderately low amount of area compared with the total area of study.

Al giorno d'oggi, il mondo sta affrontando molti problemi riguardanti il benessere umano e l'ambiente. Molte cause possono essere legate a questo problema, come la produzione di energia basata sui combustibili fossili, la scarsità d'acqua in alcune aree del mondo insieme all'allocazione sbilanciata delle risorse idriche globali, l'insicurezza alimentare nelle regioni aride, ecc. Più specificamente, i campi agricoli nelle aree aride non solo necessitano di molta più acqua rispetto ad altre regioni, ma anche l'accessibilità all'acqua dolce è molto più limitata. Oltre a questo, molta energia sotto forma di fonti rinnovabili può essere ottenuta in queste aree, ma queste di solito corrispondono a zone povere del mondo dove questa estrazione è molto più difficile. Il caso di studio scelto corrisponde a un'area chiamata Chtouka-Ait Baha, in Marocco, dove è stato recentemente costruito un impianto di desalinizzazione per fornire acqua a molti campi agricoli e serre diversi, oltre all'acqua estratta da altre fonti idriche. Al giorno d'oggi, questa area soffre di grave scarsità di cibo e acqua, con la previsione di perdere l'accesso alle falde acquifere in futuro a causa dell'estrazione sconsiderata. Per affrontare tutti questi problemi contemporaneamente, qualsiasi soluzione sostenibile per l'uso dell'acqua e la sicurezza energetica dovrebbe essere implementata affrontando ogni aspetto del nesso Acqua-Energia-Cibo. L'idea è di installare pannelli fotovoltaici sopra i campi per alimentare l'impianto di desalinizzazione e ridurre i requisiti di irrigazione. Viene sviluppato un framework per poter analizzare le diverse caratteristiche dell'area e il nesso tra di esse, e un altro software chiamato MicroGridsPy funge da decisore nella fase di implementazione. Per quanto riguarda i risultati ottenuti, si ottiene una riduzione dell'irrigazione di circa il 20%, alimentando con elettricità tutte le risorse della regione occupando una quantità moderatamente bassa di area rispetto all'area totale di studio.