Water-Energy-Food nexus approach for sustainable innovation: application In agrivoltaics for desalination in a dry rural environment

Abstract

[ES] Hoy en día, el mundo enfrenta muchos problemas relacionados con el bienestar de los humanos y el medio ambiente. Muchas causas estan relacionadas con este problema, como la producción de energía basada en combustibles fósiles, la escasez de agua en algunas áreas del mundo junto con la distribución desigual del agua dulce global, la inseguridad alimentaria en regiones áridas, etc. Más específicamente, los campos agrícolas en áreas áridas no solo necesitan mucha más agua que otras regiones, sino que también el acceso a agua dulce es mucho más limitado. Además de esto, se puede obtener mucha energía en forma de renovables en estas áreas, pero suelen corresponder a regiones pobres del mundo donde esta extracción es mucho más difícil de conseguir. El caso de estudio elegido corresponde a un área llamada Chtouka-Ait Baha, Marruecos, donde se construyó recientemente una planta desalinizadora para proporcionar agua a muchos campos agrícolas e invernaderos, además del agua extraída de otras fuentes. Hoy en día, esta área sufre de una grave escasez de alimentos y agua, con la proyección de perder acceso a las aguas subterráneas en el futuro debido a la extracción imprudente. Para abordar todos estos problemas a la vez, cualquier solución sostenible para el uso del agua y la seguridad energética debe implementarse abarcando todos los aspectos del nexo Agua-Energía-Alimentos. La idea es instalar paneles fotovoltaicos sobre los cultivos para alimentar la planta desalinizadora y reducir los requerimientos de riego. Se desarrolla un marco para poder analizar las diferentes características del área y el nexo entre ellas, y otro software llamado MicroGridsPy sirve como la toma de decisiones en la etapa de implementación. En cuanto a los resultados obtenidos, se logra una reducción en el riego de alrededor del 20%, mientras se proporciona electricidad a todos los activos de la región ocupando una cantidad moderadamente baja de supercicie en comparación con el área total de estudio.

[EN] 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.