Blue Water Footprint of Hydropower Generation under Arid and Semi-Arid Climatic Conditions

Technische Samenvatting: Blauwe Watervoetafdruk van Waterkrachtopwekking onder Aride en Semi-aride Klimatologische Omstandigheden

Probleemstelling
Zoetwatervoorraden worden steeds meer beperkt door bevolkingsgroei, economische expansie en klimaatverandering, een situatie die bijzonder acuut is in aride en semi-aride regio's zoals Iran. Hoewel waterkracht een cruciale hernieuwbare energiebron is, creëert de afhankelijkheid ervan van grote reservoirs een significante "verborgen waterkost" door oppervlakteverdamping. In warme, droge klimaten kunnen deze verdampingsverliezen de beschikbaarheid van water voor andere sectoren drastisch verminderen en de duurzaamheid van waterkracht ondermijnen. Ondanks het belang van de water-energie-nexus, is er een tekort aan uitgebreide, kwantitatieve beoordelingen van de blauwe watervoetafdruk (BWF)—specifiek het volume aan oppervlakte- en grondwater dat wordt geconsumeerd en niet wordt teruggegeven aan het stroomgebied—geassocieerd met waterkrachtopwekking in Iran. Bestaande studies missen vaak gedetailleerde regionale gegevens of houden geen rekening met het meerdoelige karakter van reservoirs en de invloed van klimatologische variabiliteit op verdampingssnelheden.

Methodologie
Deze studie hanteert een beschrijvend-analytische benadering om de BWF van 25 operationele waterkrachtcentrales in Iran over de periode 2004–2021 te kwantificeren. De onderzoekspopulatie bestond uit 73 actieve centrales, waaruit 25 doelgericht werden geselecteerd op basis van de beschikbaarheid van consistente operationele gegevens.

• Databronnen: Jaarlijkere elektriciteitsproductie (Terajoules, TJ) en volume aan reservoirverdamping (kubieke meter, m³) werden geëxtraheerd uit officiële nationale energiebalansbladen, rapporten van de Iran Water Resources Management Company, en gegevens van het Hydropower Plants Management Center.
• Berekening Watervoetafdruk: De totale watervoetafdruk ($WF_{e,Total}$) werd berekend als de som van de constructiefase ($WF_{e,c}$) en de operationele fase ($WF_{e,o}$). Vanwege een gebrek aan specifieke constructiegegevens voor elke dam, werd een proxywaarde van 0,3 m³/TJ (gebaseerd op Golabi et al., 2019) toegepast voor de constructiefase. De voetafdruk van de operationele fase werd afgeleid door het jaarlijkse verdampingsvolume ($E_o$) te delen door de jaarlijkse elektriciteitsproductie ($P$).
• Allocatie van Verdamping: In het besef dat veel reservoirs meerdere doeleinden dienen (bijv. irrigatie, overstromingsbeheersing, watervoorziening voor huishoudens), vermeed de studie het toeschrijven van 100% van de verdamping aan waterkracht. In plaats daarvan werd de allocatiemethode gebruikt die door Scherer en Pfister (2016) is voorgesteld. Een allocatiefactor ($f_A$) werd bepaald op basis van de prioriteitsrangschikking van waterkracht onder de doelstellingen van het reservoir ($n$). Als waterkracht rang $r$ had, werd de factor berekend om het verdampingsverlies proportioneel te verdelen.
• Gevoeligheidsanalyse: Om de onzekerheid in allocatieveronderstellingen aan te pakken, werd een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd waarbij drie scenario's werden vergeleken: de baseline ranking-gebaseerde allocatie van de studie, een gelijke allocatie onder alle doeleinden ($f_A = 1/n$), en een volledige allocatie aan waterkracht ($f_A = 1.0$).
• Statistische Analyse: De normaliteit van de gegevens werd getoetst met de Kolmogorov–Smirnov-test, waarbij analyses werden uitgevoerd met SPSS versie 23 en Excel.

Belangrijkste Resultaten
De studie toonde een significante heterogeniteit in de blauwe watervoetafdruk over de 25 centrales, sterk beïnvloed door de grootte van de centrale, de morfologie van het reservoir en het lokale klimaat.

• Variatie naar Centrale Grootte: In tegenstelling tot de aanname dat grotere centrales altijd efficiënter zijn, lieten de resultaten zien dat kleinschalige waterkrachtcentrales (<10 MW) de hoogste BWF per geproduceerde eenheid energie vertoonden.
  • Hoogste BWF: De Golab-centrale (kleinschalig) registreerde de hoogste voetafdruk van 283.852,15 m³/TJ.
  • Laagste BWF: De Shah Qasim-centrale in Yasuj (kleinschalig) had de laagste met 323,22 m³/TJ.
  • Grote Centrales: Onder de grote centrales (>100 MW) had Karkheh de hoogste voetafdruk (15.599,34 m³/TJ), terwijl Karoon-3 de laagste had (412,84 m³/TJ).
• Temporele Trends: De jaarlijkse BWF fluctueerde aanzienlijk tussen 2004 en 2021. De piek vond plaats in 2021 (11.136,44 m³/TJ), samenvallend met een van de droogste jaren in de recente geschiedenis van Iran, gekenmerkt door neerslag 40–50% onder het langetermijngemiddelde en hogere temperaturen. De laagste jaarlijkse voetafdruk werd geregistreerd in 2008 (3.690,31 m³/TJ).
• Klimatologische Drijvers: Centrales in hete, aride regio's vertoonden substantieel hogere waterverliespercentages. De studie bevestigde dat hoge temperaturen, droogteomstandigheden en lage luchtvochtigheid de verdamping direct intensiveerden, waardoor de BWF toenam.
• Bevindingen Gevoeligheid: Hoewel de absolute grootte van de BWF aanzienlijk varieerde onder verschillende allocatieveronderstellingen (bijv. de BWF van Golab varieerde van ~283.000 m³/TJ in de baseline tot ~1,77 miljoen m³/TJ bij volledige allocatie), bleef de relatieve rangorde van de centrales consistent. Dit suggereert dat de belangrijkste conclusies van de studie met betrekking tot de hoge waterintensiteit van specifieke centrales robuust zijn, ondanks de onzekerheden in de allocatie.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert een nieuw kader te bieden voor het koppelen van het watergebruik van waterkracht aan klimatologische variabiliteit, wat een kritisch perspectief biedt op de duurzaamheid van water-energie-interacties in aride omgevingen.

• Herwaardering van de Duurzaamheid van Waterkracht: De bevindingen dagen de conventionele perceptie uit dat waterkracht een universeel duurzame energiebron is. In waterarme regio's zoals Iran kunnen de hoge verdampingssnelheden van grote reservoirs dergelijke projecten vanuit het perspectief van waterbeheer milieutechnisch onrechtvaardig maken.
• Methodologische Bijdrage: De studie toont de noodzaak aan om allocatiefactoren en klimatologische variabiliteit te integreren in beoordelingen van de watervoetafdruk. Het benadrukt dat het negeren van het meerdoelige karakter van reservoirs of het negeren van lokale klimatologische omstandigheden leidt tot onnauwkeurige duurzaamheidsbeoordelingen.
• Beleidsimplicaties: De auteurs stellen dat toekomstige waterkrachtplanning in Iran een regionaal gedifferentieerde aanpak moet adopteren. Ze suggeren prioriteit te geven aan run-of-river systemen of kleinere reservoirs met lagere oppervlakte-volumeverhoudingen om verdamping te minimaliseren. Bovendien pleit de studie voor de integratie van watervoetafdrukanalyse in de nationale energieplanning en de adoptie van geïntegreerde water-energiebeheersstrategieën om de veerkracht tegen klimaatverandering te vergroten.
• Globale Context: De gerapporteerde BWF-waarden zijn over het algemeen hoger dan in gematigde regio's, maar komen overeen met bevindingen in andere aride zones (bijv. zuidelijk Spanje, Zuid-Afrika), wat de conclusie versterkt dat het lokale klimaat de primaire determinant is van de omvang van de watervoetafdruk in waterkrachtsytemen.

De studie concludeert dat hoewel waterkracht een belangrijke energiebron blijft, de duurzaamheid ervan in aride regio's afhankelijk is van het erkennen en verzachten van verdampingsverliezen door verbeterd reservoirbeheer, klimaatadaptief ontwerp en diversificatie van de portefeuille van hernieuwbare energie.