Water-energy nexus: an operational tool for assessing energy input associated with drinking water supply in Africa

Abstract

Energie wird von Wasserdienstleistern (Water Services Providers; WSPs) für die Entnahme, Aufbereitung und Verteilung von Trinkwasser benötigt, am meisten (ca. 90%) wird für Pumpen und Pumpsysteme verwendet. Die Energiekosten könnten zwischen 30-50% der laufenden Kosten von WSPs liegen. Der Energieverbrauch ist jedoch der größte kontrollierbare Eingangsparameter innerhalb der Versorgungsgrenzen mit kurzen Amortisationszeiten bei Investitionen. Enorme Energiekosten für die Wasserversorgung, die hauptsächlich auf Pumpenineffizienzen, Spitzentarife und mit Wasserverlusten verbundener Energie zurückzuführen sind, beeinträchtigen die Fähigkeit der WSPs, den aktuellen und wachsenden Wasserbedarf zu decken. Im Zusammenhang mit WSPs in Afrika wurden bis zu 70% nicht einnahmenbezogene Wasserverluste in Wasserversorgungssystemen gemeldet. Dies führt zu einem äquivalenten Energieeintrag, der mit solchen Wasserverlusten verbunden ist. Dies trägt folglich zu einer schlechten Betriebsleistung der WSPs bei und verzögert den Ausbau des Zugangs zu Wasserdienstleistungen und die Verwirklichung des universellen Zugangs zu sauberem Trinkwasser bis 2030 (SDG 6).Die langfristige Wasserversorgung wird stark von zahlreichen Treibern der Wassernachfrage und -versorgung beeinflusst: z. B. Bevölkerungswachstum, Urbanisierung, Klimawandel und technologischem Wandel. Für Afrika wird wird ein beschleunigtes Bevölkerungswachstum mit der höchsten globalen städtischen Wachstumsrate prognostiziert, wobei bis 2050 etwa 60% der Gesamtbevölkerung in urbanen Siedlungen leben. Dies impliziert ein enormes Wachstum der Wassernachfrage und erfordert Investitionen in Technologien, Infrastruktur und ein besseres Verständnis der Energieoptimierung in der Wasserversorgung. Dafür ist ein datengestütztes Verständnis der betrieblichen Treiber für die Wasserversorgung und das Energiemanagement erforderlich, um eine anchhaltige Wasser-Energie-Politik zu formulieren und die Chancen des Wasser-Energie-Nexus zu nutzen.Diese Doktorarbeit untersucht daher die mögliche Anwendung des Wasser-Energie-Nexus-Konzepts als operatives Werkzeug in der Praxis der Wasserversorgung, um ein Verständnis des Energieverbrauchs für die Trinkwasserversorgung in Afrika zu vermitteln und untersucht die Treiber von Wasserangebot und -nachfrage und wie sie den Energiebedarf für die Wasserversorgung beeinflussen. Darüber hinaus untersucht und bewertet die Studie den Einfluss des prognostizierten Anstiegs des aktuellen Wasserbedarfs auf den Energieeinsatz für die Wasserversorgung in der Zukunft unter verschiedenen Entwicklungsszenarien.Eingangs wurde eine Literaturrecherche zur Anwendung des Water-Energy Nexus-Konzepts für die Wasserversorgung im afrikanischen Kontext durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass es nur begrenzte Literatur über die Operationalisierung des Konzepts in der Region gibt und der Energieverbrauch von Wasserregulierungsbehörden und WSPs nicht als wichtiger Leistungsindikator angesehen wird. Regional wurden die meisten Studien im nördlichen und südlichen Afrika durchgeführt, wo der Energiebedarf für die Entsalzung und die Nutzung des Tiefengrundwassers hoch ist. Darüber hinaus wurden Treiber der kommunalen Wasserversorgung und deren Wechselwirkung mit dem Energieeinsatz für die kommunale Wasserversorgung in Afrika untersucht. Mehrere wichtige zusammengesetzte Indikatoren wurden parametrisiert, um statistische Auswertungen für 52 Länder in Afrika durchzuführen, um die Auswirkungen von Wasserversorgungs- und Nachfragetreibern auf die kommunale Wasserversorgung und den damit verbundenen Energieeinsatz zu demonstrieren. Es wurde ein analytischer Rahmen entwickelt, um die Auswirkungen der Einflussfaktoren auf den Energieeinsatz für kommunales Wasser zu bewerten, wobei konkurrierende Nutzungsaspekte und Wasserverluste nachweislich die größten Auswirkungen zeigen. Folglich könnten die Erkenntnisse genutzt werden, um Planungsprozesse zum Aufbau einer resilienten Trinkwasserinfrastruktur in Entwicklungsländern mit schlechter Datenlage zu unterstützen.Die Doktorarbeit entwickelte drei plausible Szenarien als Basis für die betrachtungen: Current State Extends (CSE), Current State Improves (CSI) und Current State Deteriorates (CSD). Neun quantifizierbare Indikatoren wurden für Wasserbedarfsprojektionen und die damit verbundenen Auswirkungen auf den Energieeinsatz für die Wasserversorgung für fünf WSPs in Kenia angewandt, um die Machbarkeit des Ansatzes auf der Grundlage realer Daten in Subsahara-Afrika zu demonstrieren. Es wird erwartet, dass der prognostizierte Wasserbedarf um mindestens das Zwölffache des aktuellen Bedarfs steigen wird, um bis 2030 eine flächendeckende Abdeckung und einen durchschnittlichen täglichen Pro-Kopf-Verbrauch von 120 l für die Stadtbevölkerung zu erreichen. Folglich könnte sich der Energieeinsatz mit dem CSI-Szenario fast verzwölffachten oder mit dem CSE-Szenario für WSPs, bei denen eine Entsalzung oder zusätzliche Grundwasserentnahme notwendig ist, bis zu fünfzigfach erhöhen. Der verwendete Ansatz kann auf andere WSPs angewendet werden, die eine ähnliche Entwicklung ihrer Wasserversorgungs- und Nachfragetreiber in Subsahara-Afrika erleben. WSPs in der Subregion sollten aggressive Strategien untersuchen, um gemeinsam gegen anhaltende Wasserverluste und den damit verbundenen Energieeinsatz vorzugehen. Dies würde die derzeitige Lücke zwischen Wasserangebot und -nachfrage verringern und den Energieeinsatz minimieren, der mit der Erkundung zusätzlicher Wasserquellen verbunden ist, die typischerweise energieintensiv sind.Ein beschleunigter Anstieg des Energiebedarfs für die Wasserversorgung aufgrund des erhöhten Wasserbedarfs erfordert ein holistisches Energiemanagementprogramm unter den WSPs. Solche Programme erfordern systematische Energieverbrauchsbewertungen, die Bereiche der Optimierung und Bereiche mit Energieverlust identifizieren. Solche Bewertungen reichen von der Anwendung einfach zu verwendender Metrices, die keine Modelle erfordern, bis hin zu umfassenden Energiebewertungen, die eine Modellierung der Wasserversorgungssysteme erfordern. Diese Studie verwendete ausgewählte Energiemetrices, die in die routinemäßige Leistungsbewertung und das Benchmarking des Energieverbrauchs bei WSPs in Afrika einbezogen werden können. Der Ansatz wurde für 42 WSPs in Kenia (von 93 registrierten WSPs) angewendet. Die durchschnittliche Energie für die Grundwasserentnahme, -aufbereitung und -verteilung betrug 1,08 kWh/m3 (Bereich 0,94 kWh/m3-1,4 kWh/m3) gegenüber 0,15 kWh/m3 (0,005 kWh/m3–0,61 kWh/m3) für Oberflächenwasser. Der durchschnittliche spezifische Energieverbrauch pro abgerechnetem Wasservolumen betrug 1,59 kWh/m3 (0,35-2,29) bzw. 0,39 kWh/m3 (0,02-0,61) für Grundwasser bzw. Oberflächenwasser. Bei Grundwasserentnahme waren jedoch 14-53% des Energieeinsatzes mit Wasserverlusten ohne Einnahmen für WSPs verbunden, und bis zu 43% für diejenigen, die Oberflächenwasser als Rohwasser nutzen. Die durchschnittlichen Stromkosten für die Wasserversorgung betrugen 0,09 US$/m3, was auf durchschnittlich 13% der Betriebskosten geschätzt wird, aber bis zu 36% für WSPs, die Grundwasser nutzen. Der Ansatz zeigt das Potenzial der Anwendung einfacher Energiemetriken, um WSPs in Afrika dabei zu unterstützen, schnelle Energieinventare durchzuführen, Ineffizienzen zu identifizieren und den Energiebedarf zu senken.Es besteht ein klarer Bedarf für WSPs und Regulierungsbehörden, die Aufmerksamkeit auf ein Verständnis des Energieeinsatzes für die Wasserversorgung und die Auswirkungen auf das Benchmarking der Leistung von WSPs im Vergleich zur Energieeffizienz zu richten. Die Energieeffizienz könnte als Key Performance Indicator (KPI) in die Bewertung von Wasserversorgern einbezogen werden, wobei Metrices in bestehende Benchmarking-Ansätze integriert werden könnten. Zu den unmittelbaren Vorteilen gehören Verbesserungen der betrieblichen Effizienz energieverbrauchender Prozesse und die Senkung der mit dem Energieverbrauch verbundenen Kosten. Langfristig hilft eine umfassende Bewertung des Energieverbrauchs im Rahmen des Water-Energy Nexus einer Entscheidungsfindung in Politik und betrieblicher Praxis und in weiterer Folge einer Reduzierung des Energiebedarfs und der treibhausgasbedingten Emissionen im Zusammenhang mit der Wasserversorgung. Darüber hinaus ist ein adäquates Verständnis darüber, inwieweit die Treiber für den Wasserbedarf den Energiebedarf beeinflussen, entscheidend für eine langfristige Planung der Wasserversorgung.

Energy is required by Water Services Providers (WSPs) for abstraction, treatment, and distribution of drinking water - about 90% of which is used by pumps and pumping systems. Energy costs could range between 30-50% of running costs of WSPs. However, energy use is the largest controllable input within the boundaries of WSPs with short payback periods on investment. The high costs associated with water supply, which is largely due to pump inefficiencies, peak-tariff water pumping, and energy associated with water losses compromise the ability of WSPs to meet the growing water demand. For WSPs in Africa, up to 70% non-revenue water losses in water supply systems have been reported. This translates into an equivalent energy input associated with such water losses. Consequently, water losses and associated energy input contributes to poor operational performance of WSPs and delays expansion of access to water services and achievement of universal access to safe drinking water by 2030 (SDG 6). At the same time, long-term water provision is highly influenced by water demand and supply drivers, e.g., population growth, urbanization, climate change and technological change. Accelerated population growth is projected for Africa, the region with the highest global urban growth rate, where about 60% of the total population is expected to be urban by 2050. This implies huge growth in water demand that calls for investment in technology, infrastructure, and improved understanding of energy use optimization for water supply. Therefore, an adequate understanding of the extent to which the water demand drivers influence energy demand is crucial for the long-term planning of water supply systems. Consequently, a data-driven understanding of the operational drivers for water supply and energy management to inform water-energy policies and to exploit the opportunities at the nexus of water and energy is required.Therefore, this PhD thesis explores the potential application of the Water-Energy Nexus concept as an operational tool to provide an understanding of energy use for drinking water supply in Africa and examines the drivers of water supply and demand and how they influence energy input for water supply. In addition, the study evaluates the influence of projected increase in current water demand on energy input for water supply in the future under different scenarios. To set the stage, a literature review was conducted on the application of the Water-Energy Nexus concept for water supply in the African context. It emerged that there is limited literature available on the operationalization of the concept in the region, and energy use is not considered a key performance indicator by water regulators and WSPs in Africa. Most of the studies identified and evaluated have been undertaken in northern and southern Africa, where energy demand for desalination and deep groundwater exploitation is high compared to other regions of the continent.To examine the relative impact of water supply and demand drivers on energy input for water supply in Africa, several key compound indicators were parameterized to generate cluster centres for 52 countries in Africa. The cluster analysis produced impact scores with five cluster centres that grouped countries with similar key compound indicators and impact scores. Three countries (Gambia, Libya, & Mauritius) were classified as outliers. Libya presented a unique case with the highest impact score on energy input for raw water abstraction, associated with largescale pumping from deep groundwater aquifers. Multivariate analysis of the key indicators for 20 countries in sub-Saharan Africa that are either water-secure or water-stressed illustrated the relative impact of drivers on energy input for municipal water supply. An analytical framework was developed to assess the impact of drivers on energy input for municipal water, with competing users and water losses in the distribution system exhibiting the highest impact. Three plausible scenarios, namely, Current State Extends (CSE), Current State Improves (CSI) and Current State Deteriorates (CSD) were developed and nine quantifiable indicators for water demand projections were applied for five WSPs in Kenya to demonstrate the feasibility of the approach based on real data in sub-Saharan Africa. The projected water demand is expected to increase by at least twelve times the current demand to achieve universal coverage and an average daily per capita consumption of 120 l/p/d for the urban population by 2030. Consequently, the energy input could increase almost twelve-folds with the CSI scenario or up to fifty-folds with the CSE scenario for WSPs where desalination or additional groundwater abstraction is proposed. The approach used can be applied for other WSPs experiencing a similar evolution of their water supply and demand drivers in sub-Saharan Africa.An accelerated increase in energy demand for water supply calls for wholistic energy management programs that are informed by energy checks and energy analysis. Consequently, selected energy metrics with potential to be incorporated in the routine performance assessment and benchmarking WSPs were applied for 42 out of 93 registered WSPs in Kenya. The average embedded energy for groundwater abstraction, treatment and distribution was 1.08 kWh/m3 (range 0.94 kWh/m3–1.4 kWh/m3) compared to 0.15 kWh/m3 (0.005 kWh/m3–0.61 kWh/m3) for surface water. The average specific energy use per volume billed was 1.59 kWh/m3 (0.35–2.29 kWh/m3) and 0.39 kWh/m3 (0.02–0.61 kWh/m3) for groundwater and surface water, respectively. However, 14-53% of energy input was associated with non-revenue water loss for WSPs supplying groundwater and up to 43% for those supplying surface water. The average electricity cost for water supply was US$ 0.09/m3, estimated at an average 13% of the operational costs but up to 36% for WSPs supplying groundwater. The approach demonstrates the potential of applying simple energy metrics to guide WSPs to undertake rapid energy inventories, identify inefficiencies and develop comprehensive energy management programs.The findings could be used to support planning processes to build resilient drinking water infrastructure in developing countries with data challenges. There is a clear need for WSPs and the regulators to increase attention towards an understanding of energy input for water supply and the implications for benchmarking performance of WSPs against energy use efficiency. WSPs in the sub-region could explore aggressive strategies to jointly address persistent water losses and associated energy input. This would reduce the current water supply-demand gap and minimize energy input that will be associated with exploring additional water sources that are typically energy intensive. Such programs require systematic energy use assessments that identify areas of energy loss and energy efficiency optimization. The assessments could range from application of simple to use metrics that do not necessary require models and supporting tools to comprehensive energy assessments which require complex modelling of the water supply systems. Energy use could be included as a key performance indicator (KPI) with metrics incorporated into existing benchmarking exercises. The immediate benefits include improvements in operational efficiency of energy-consuming processes and reduction in cost associated with energy use. In the long-term, a comprehensive assessment of energy use could inform Water-Energy Nexus policies on reducing energy demand associated with water supply.