Integrating water and energy systems for long-term resource management

Abstract

La disponibilidad y acceso al agua y la energía son ingredientes clave para el desarrollo económico y social. Las previsiones a futuro muestran que la presión sobre los ya limitados recursos hídricos y energéticos aumentará en muchas partes delmundo como resultado del crecimiento demográfico, el rápido desarrollo de zonas urbanas cada vez más pobladas, el aumento de la contaminación y el impacto del cambio climático. Los sistemas hidráulicos y energéticos están muy interrelacionados, de modo que analizar los vínculos entre ellos supone una excelente oportunidad para garantizar la disponibilidad futura de dichos recursos, así como para prevenir la toma de decisiones ineficientes que pudieran agravar su sostenibilidad. Esta tesis explora los beneficios que aportaría un enfoque conjunto del sector del agua y del sector de la energía, y también identifica qué desventajas provoca el ignorar la existencia de los vínculos entre ambos sectores cuando se realiza su planificación a medio y largo plazo. En la tesis se realiza una revisión de las metodologías existentes para el modelado integrado agua-energía y se ponen de manifiesto las principales dificultades que dicho análisis integrado conlleva, provocadas por sus diferentes características físicas, temporales y espaciales. Esta tesis pretende superar estos obstáculos mediante el desarrollo de un modelo completamente integrado planteado como un modelo de optimización lineal en el que se tienen en cuenta las interrelaciones entre los sistemas hídricos y de energía. La tesis presenta el caso de estudio de España para ilustrar las posibles aplicaciones delmodelo desarrollado agua-energía, analizando las estrategias de adaptación al cambio climático de ambos sectores. Los resultados muestran los beneficios que aporta el realizar este enfoque integrado, incluyendo unos menores costes totales, una mayor eficiencia en el uso de los recursos, así como una mayor robustez ante una gama de posibles realizaciones de los parámetros sujetos a incertidumbre.

Availability of and access to water and energy are key ingredients for economic and social development. Predictions show that pressure on already limited water and energy resources is expected to increase in many parts of the world as a result of growing populations, rapid urbanization, increasing pollution and climate change impacts. The water and energy systems are highly interdependent and these interlinks provide important opportunities to improve resource security and prevent inefficient decisions which could exacerbate problems even further. This thesis explores the benefits to be gained from and the drawbacks of ignoring the various interlinks. A review of several existing water-energy integration modeling methodologies shows that the different physical, temporal and spatial characteristics of the water and energy systems present several hurdles in analyzing the two resources simultaneously. This thesis overcomes many of these issues by developing a fully integrated hard-linked water-energy linear optimization model. A case study from Spain is used to demonstrate the applications of themodel for simultaneous analysis of water, energy and climate change adaptation strategies. An integrated approach is shown to have several benefits including lower total costs, better resource efficiency and improved robustness for a wide range of variations in several uncertain parameters.