The Water-Energy Nexus: a bottom-up approach for basin-wide management

Abstract

[EN] First chapter uses California's drought to identify the economic threats of water scarcity on food, energy and environmental systems as a way to introduce the multiple interactions between these resources. The second part of this first chapter introduces the focus of the dissertation, the water-energy nexus, presents a literature review identifying gaps, states the main and specific research objectives and the research questions, explains the research approach, and describes the organization of the dissertation. Second chapter develops an end-use model for water use and related energy and carbon footprint using probability distributions for parameters affecting water consumption in 10 local water utilities in California. Statewide single-family water-related CO2 emissions are 2% of overall per capita emissions, and locally variability is presented. The impact of several common conservation strategies on household water and energy use are assessed simulating different scenarios. Based on the this model, Chapter 3 introduces a probabilistic two-stage optimization model considering technical and behavioral decision variables to obtain the most eco-nomical strategies to minimize household water and water-related energy bills and costs given both water and energy price shocks. Results can provide an upper bound of household savings for customers with well-behaved preferences, and show greater adoption rates to reduce energy intensive appliances when energy is accounted, result-ing in an overall 24% reduction in indoor water use that represents a 30 percent reduc-tion in water-related energy use and a 53 percent reduction in household water-related CO2 emissions. To complete the urban water cycle, Chapter 4 develops first an hourly model of urban water uses by customer category including water-related energy consumption and next I calibrate a model of the energy used in water supply, treatment, pumping and wastewater treatment by the utility, using real data from East Bay Municipal Utility District in California. Hourly costs of energy for the water and energy utilities are assessed and GHG emissions for the entire water cycle estimated. Results show that water end-uses account for almost 95% of all water-related energy use, but the 5% managed by the utility is still worth over $12 million annually. Several simulations analyze the potential benefits for water demand management actions. The total carbon footprint per capita of the urban water cycle is 405 kg CO2/year representing 4.4% of the total GHG emissions per capita in California. Accounting for the results obtained in Chapters 2 to 4, Chapter 5 describes a simple but powerful decision support system for water management that includes water-related energy use and GHG emissions not solely from the water operations, but also from final water end uses, including demands from cities, agriculture, environment and the energy sector. The DSS combines a surface water management model with a simple groundwater model, accounting for their interrelationships, and also includes explicitly economic data to optimize water use across sectors during shortages and calculate return flows from different uses. Capabilities of the DSS are demonstrated on a case study over California's intertied water system over the historic period and some simulations are run to highlight water and energy tradeoffs. Results show that urban end uses account for most GHG emissions of the entire water cycle, but large water conveyance produces significant peaks over the summer season. The carbon footprint of the entire water cycle during this period, according to the model, was 21.43 millions of tons of CO2/year, what was roughly 5% of California's total GHG emissions. The last two chapters discus and summarize the thematic and methodological contribu-tions and looks for further research presenting and discussing the research gaps and research questions that this dissertation left open.

[ES] El primer capítulo utiliza la sequía de California para identificar las amenazas económicas de la escasez de agua en los sistemas de producción de alimentos, energético y medioambiental para presentar las múltiples interacciones entre estos recursos. La segunda parte del primer capítulo centra el objetivo de la tesis, la relación entre el agua y la energía, presenta la revisión de la literatura identificando los vacíos, describe los objetivos y las cuestiones que busca responder esta investigación, explica la metodología seguida, y describe la organización de la tesis. En el segundo capítulo se desarrolla un modelo de usos finales de agua, contando con la energía y las emisiones de GEI asociados utilizando distribuciones de probabilidad para los parámetros que afectan al uso del agua en 10 ciudades en California. Como resultados principales se obtiene que las emisiones de GEI asociadas al consumo residencial de agua representan el 2% del total de emisiones per cápita, y se presenta la variabilidad debida a las condiciones locales. Los impactos de algunas prácticas comunes de ahorro de agua y energía son calculadas simulando diferente escenarios. Basado en ese modelo, el Capítulo 3 se presenta un modelo de optimización probabilísticos en dos periodos considerando variables de decisión de modificaciones técnicas y de comportamiento en relación al consumo de agua para obtener las estrategias más económicas para minimizar las facturas de agua y energía. Los resultados proporcionan un límite superior para el ahorro doméstico, y muestran mayores tasas de adopción para reducir usos de agua que son más intensivos en consumo energético cuando la energía se incluye, resultando en una reducción del 24% de uso de agua adentro de las casas, que representa un 30% en reducción de energía y un 53% de emisiones de GEI, ambos relacionados con el consumo de agua. Para completar el ciclo urbano del agua, el Capítulo 4 desarrolla primero un modelo horario de usos de agua incluyendo la energía asociada y después se calibra un modelo de agua y energía en el abastecimiento, tratamiento y bombeo de agua, y el tratamiento de agua residual, utilizando datos reales de East Bay Municipal Utility District en California. Los costes horarios de energía para las compañías de agua y energía, así como las emisiones de GEI son estimadas. Los resultados muestran que los usos finales son responsables del 95% de la energía relacionada con el uso del agua, pero que el 5% restante tiene un coste de 12 millones de dólares anualmente. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en los capítulos 2, 3 y 4, el Capítulo 5 describe un sistema de apoyo de decisión (SSD) para gestión de recursos hídricos incluyente energía y emisiones de GEI no sólo de la gestión del agua, sino también de usos finales del agua, incluyendo demandas urbanas, agrícolas, ambientales y del sector energético. El SSD combina un modelo de agua superficial con uno de agua subterráneo, incluyendo sus interacciones, y también incluye explícitamente datos económicos para optimizar el uso del agua durante periodos de sequía. Las posibilidades del SSD son demostradas en un caso de estudio aplicado a un modelo simplificado del sistema de recursos hídricos de California. Los resultados muestran que los usos finales del agua en zonas urbanas son responsables de la mayoría de las emisiones de GEH, pero que las grandes infrastructures de transporte de agua producen importante picos en verano. De acuerdo con el modelo, la huella de carbón del ciclo del agua en California es de 21.43 millones de toneladas de CO2/año, lo que significa aproximadamente el 5% del total de emisiones de GEI del estado. Los últimos dos capítulos resumen y discuten las contribuciones temáticas y metodológicas de esta tesis, presentando nuevas líneas de investigación que se derivan de este trabajo.

[CA] El primer capítol utilitza la sequera de Califòrnia per a identificar les amenaces econòmiques de l'escassesa d'aigua en els sistemes de producció d'aliments, energètic i mediambiental per a presentar les múltiples interaccions entre estos recursos. La segona part del primer capítol centra l'objectiu de la tesi, la relació entre l'aigua i l'energia, presenta la revisió de la literatura identificant els buits, descriu els objectius i les qüestions que busca respondre esta recerca, explica la metodologia seguida, i descriu la organització de la tesi. Al segon capítol es desenvolupa un model d'usos finals d'aigua, comptant amb l'energia i les emissions de GEH associats utilitzant distribucions de probabilitat per als paràmetres que afecten a l'ús de l'aigua en 10 ciutats en Califòrnia. Com a resultats principals s'obté que les emissions de GEH associades al consum residencial d'aigua representen el 2% del total d'emissions per càpita, i es presenta la variabilitat deguda a les condicions locals. Els impactes d'algunes pràctiques comunes d'estalvi d'aigua i energia són calculades simulant diferent escenaris. Basat en eixe model, al Capítol 3 es presenta un model d'optimització probabilístics en dos períodes considerant variables de decisió de modificacions tècniques i de comportament en relació al consum d'aigua per a obtindre les estratègies més econòmiques per a minimitzar les factures d'aigua i energia. Els resultats proporcionen un límit superior per a l'estalvi domèstic, i mostren majors taxes d'adopció per a reduir usos d'aigua que són més intensius en consum energètic quan l'energia es incluïda, resultant en una reducció del 24% d'ús d'aigua a dins de les cases, que representa un 30% en reducció d'energia i un 53% d'emissions de GEH, ambdós relacionats amb el consum d'aigua. Per a completar el cicle urbà de l'aigua, el Capítol 4 desenvolupa primer un model horari d'usos d'aigua incloent l'energia associada i després es calibra un model d'aigua i energia en l'abastiment, tractament i bombeig d'aigua i al tractament d'aigua residual, utilitzant dades reals de East Bay Municipal Utility District en Califòrnia. Els costs horaris d'energia per a les companyies d'aigua i energia, així com les emissions de GEH són estimades. Els resultats mostren que els usos finals són responsables del 95% de l'energia relacionada amb l'ús de l'aigua, però que el 5% restant té un cost de 12 milions de dolars anualment. Algunes simulacions analitzen els beneficis econòmics potencials de mesures de gestió de demanda d'aigua. La petjada de carbó total del cicle urbà de l'aigua s'estima en 405 kg CO2/any representant el 4.4% de les emissions per càpita en Califòrnia. Tenint en compte els resultats obtesos en els capítols 2, 3 i 4, el Capítol 5 descriu un sistema de suport de decisió (SSD) per a gestió de recursos hídrics incloent energia i emissions de GEH no sols de la gestió de l'aigua, sinó també del úsos finals de l'aigua, incloent demandes urbanes, agrícoles, ambientals i del sector energètic. El SSD combina un model d'aigua superficial amb un d'aigua subterrànea, incloent les seues interrelacions, i també inclou explícitament dades econòmiques per a optimitzar l'ús de l'aigua durant períodes de sequera. Les possibilitats del SSD són demostrades en un cas d'estudi aplicat a un model simplificat del sistema de recursos hídrics de Califòrnia. Els resultats mostren que els usos finals de l'aigua en zones urbanes són responsables de la majoria de les emissions de GEH, però que les grans infrastructures de transport d'aigua produïxen important pics a l'estiu. D'acord amb el model, la petjada de carbó del cicle de l'aigua a Califòrnia és de 21.43 milions de tones de CO2/any, el que significa aproximadament el 5% del total d'emissions de GEH a l'estat. Els últims dos capítols resumeixen i discuteixen les contribucions temàtiques i metodològiques d'esta tesi, presentan