When it comes to water and energy, it is hard to obtain one without the other. Water is required to produce energy and energy is necessary in water production and management. As demands for water are escalating due to rapid population growth and urbanization, understanding and quantification of the interdependency between water and energy, along with analyzing nexus interactions, trade-offs and risks are a pre-requisite for effective and integrated planning and management of these two key sectors.

This paper performs an assessment of the water-energy nexus in the municipal sector of the Eastern Province of Saudi Arabia, where the electric energy footprint in the water value chain (groundwater, desalination and wastewater treatment) and the water footprint in electric energy generation (thermal power plants) are quantified using data for the year 2013.

The results confirmed the high and strong dependency on energy for the municipal water cycle in the Eastern Province and revealed that energy generation dependency on freshwater resources is also major and evident, especially at farther distances from the coastal areas. Thermal desalination is by far the most energy intensive stage among the entire Eastern Province water cycle. In 2013, it was estimated 13% of the Eastern Province energy generation capacity goes for desalination, that’s a 5% of the Kingdom capacity. Substantial energy input for desalination in the Eastern Province is attributed to the production and conveyance of water to the Capital Riyadh (48.9 kWh/m³ and 4.2 kWh/m³ respectively). As for groundwater pumping, it was estimated that 206.2 GWH was used for pumping 268 MCM in 2013 (0.764 kWh/m³). Energy requirement for primary, secondary and tertiary wastewater treatment was found to be the least (2 - 108 GWH) and was equivalent to an average of 0.4 kWh/m³. The water footprint in electricity generation was estimated to be about 739,308 m³ in 2013 (0.125 m³/kWh), a relatively higher value compared to the norm of gas combustion turbine cooling water requirement around the world, and is especially significant for water scarce Kingdom. Anthropogenic Greenhouse Gases (GHG) emission was computed to be around 17 Million Ton of carbon dioxide equivalent (CO_2e) for the entire water supply chain, with desalination having the highest carbon footprint in the whole water cycle (16.9 MT of CO_2e). Carbon emissions from electric energy generation through power plants had significantly exceeded the entire water supply chain’s carbon footprint. Alternative mitigation options of management and technology fixes are suggested to reduce energy consumption in the water cycle, minimize the water footprint in electric generation, and mitigate associated GHG emission.

الملخص العربي

حينما يتعلق الأمر بالمياه والطاقة نجد صعوبة في الحصول على أحدهما دون الآخر لأننا نحتاج إلى المياه لإنتاج الطاقة وإلى الطاقة لإنتاج المياه وإدارتها. مع المتطلبات المتزايدة للمياه نتيجة للنمو الديموغرافي السريع والتمدن فقد أصبح فهم وتقدير الترابط بين المياه والطاقة إلى جانب تحليل التفاعلات والمقايضات والمخاطر المصاحبة للترابط شرطا مسبقا لتخطيط وإدارة هذين القطاعين الأساسيين بطريقة فاعلة ومتكاملة.

يقوم هذا البحث بتقييم ترابط المياه والطاقة في قطاع المياه البلدية في المنطقة الشرقية من المملكة العربية السعودية، حيث يتم تحديد حجم استهلاك الطاقة الكهربائية في سلسلة قيمة المياه (المياه الجوفية وتحلية المياه ومعالجة مياه الصرف الصحي) وحجم استهلاك المياه في توليد الطاقة الكهربائية (المحطات الحرارية) باستخدام بيانات عام ٢٠١٣.

ولقد أكدت النتائج الاعتماد الشديد والعالي على الطاقة لسلسلة المياه البلدية في المنطقة الشرقية، كما كشفت بوضوح عن مدى اعتماد توليد الطاقة على موارد المياه العذبة وخصوصا في المسافات الأبعد عن المناطق الساحلية. تعد تقنية التحلية الحرارية أكثر مراحل الطاقة كثافة في دورة المياه في المنطقة الشرقية ككل. وفي عام 2013، مثلت عملية تحلية المياه 13% من توليد الطاقة الكلية بالمنطقة الشرقية و 5% من طاقة المملكة. وتعزى مدخلات الطاقة الضخمة في تحلية المياه في المنطقة الشرقية إلى توفير ونقل المياه إلى العاصمة الرياض (تحلية ونقل المياه). أما بالنسبة للطاقة المستخدمة في ضخ المياه الجوفية، فقد تم تقدير حوالي 206.2 جيجاوات ساعة قد تم استخدامها في الضخ (268 مليون متر مكعب) في عام 2013. وتبين أن متطلبات الطاقة لمعالجة مياه الصرف الصحي بمراحلها الأولية والثانوية والثلاثية هي الأقل (2-108 جيجا واط / ساعة). ومن ناحية أخرى، قدرت البصمة المائية في توليد الكهرباء بمعدل 740 ألف متر مكعب في عام 2013 (0.125 متر مكعب/كيلوات ساعة)، وتعتبر مرتفعة نسبياً مقارنة بمتطلبات مياه تبريد التوربينات الغازية في أنحاء العالم. ولقد تم حساب انبعاثات غازات الدفيئة البشرية المنشأ بشكل رئيسي في صورة ثاني أكسيد الكربون بحوالي 17 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون المكافئ لكامل سلسلة إمدادات المياه. ومرة أخرى، مثلت عملية تحلية المياه أعلى نسبة كربونية طوال دورة المياه (16.9 طن متري من ثاني أكسيد الكربون المكافئ). ومع ذلك، فإن انبعاثات الغازية الناتجة عن توليد الطاقة الكهربائية من خلال محطات توليد الطاقة قد تجاوزت بشكل كبير الحجم الكربوني الكامل لسلسلة إمدادات المياه. ولقد تم استعراض عدد من خيارات التخفيف البديلة المقترحة في الجوانب الإدارية والتقنية لتقليل استهلاك الطاقة في دورة المياه، وتقليل البصمة المائية في توليد الكهرباء، والتخفيف من انبعاثات غازات الدفيئة المرتبطة بها.

Download

Scientific Research website (open access)

Published

January 2018

In

Computational Water, Energy, and Environmental Engineering (CWEEE), Vol.7 No.1, January 2018