• Energy Research

In the future, rivers may export more pollutants to coastal waters, driven by socio-economic development, increased material consumption, and climate change. However, existing scenarios often ignore multi-pollutant problems. Here, we aim to explore future trends in river exports of nutrients (N and P), plastics (macro and micro), and emerging contaminants (triclosan and diclofenac) at the sub-basin scale in the world by developing and applying the process-based MARINA-Multi model for diverging scenarios. In our MARINA-Multi (Model to Assess River Inputs of pollutaNts to the seAs) model, we implemented two new multi-pollutant scenarios: “Sustainability-driven Future” (SD) and “Economy-driven Future” (ED). In ED, river exports of nutrients and microplastics will double by 2100 globally. For SD, a decrease of up to 83% is projected for all pollutants by 2100. Diffuse sources such as fertilizers are largely responsible for increasing nutrient pollution in the two scenarios. Point sources namely sewage systems are largely responsible for increasing microplastic pollution in the ED scenario. In both scenarios, the Indian Ocean will receive up to 400% more pollutants from rivers by 2100 because of growing population, urbanization, and poor waste management in the African and Asian basins. The situation is different for the Mediterranean Sea and the Pacific Ocean (mainly less future pollution) and the Atlantic Ocean and Arctic Ocean (more or less future pollution depending on sub-basin and scenario). Globally, 56-78% of people are expected to live in more polluted river basins in the future, challenging sustainable development goals for clean waters.

Le secteur des transports traverse une transition rapide vers les véhicules électriques afin de minimiser notre dépendance aux combustibles fossiles et de réduire les émissions de CO2. Cela se produit également dans le secteur du transport de marchandises, avec un déploiement rapide des camions électriques. Ce document propose que le remplacement des camions diesel par des camions électriques ait lieu d'abord sur les itinéraires où la cargaison est livrée d'un endroit à une altitude plus élevée à un endroit à une altitude plus basse. De cette façon, le système de freinage à récupération du camion peut recharger complètement la batterie du camion. Cet article étudie des scénarios où les camions électriques pourraient fonctionner indéfiniment sans électricité du réseau pour charger leurs batteries. Ce concept a été nommé camion électrique à mouvement perpétuel (PMET). Les résultats montrent qu'avec une pente moyenne de 5 %, une vitesse de 60 km/h, le poids de la cargaison doit être au moins 1,32 fois le poids du camion, ce qui permet d'atteindre la PMET. Le PMET est une alternative intéressante pour réduire la demande d'électricité et accroître la durabilité du secteur des transports. El sector del transporte está pasando por una rápida transición a los vehículos eléctricos para minimizar nuestra dependencia de los combustibles fósiles y reducir las emisiones de CO2. Esto también está sucediendo en el sector del transporte de carga, con un rápido despliegue de camiones eléctricos. Este documento propone que el reemplazo de camiones diésel por camiones eléctricos debe ocurrir primero en rutas donde la carga se entrega desde un lugar con mayor altitud a un lugar con menor altitud. De esta manera, el sistema de frenado regenerativo del camión puede recargar completamente la batería del camión. Este documento investiga escenarios en los que los camiones eléctricos podrían operar indefinidamente sin electricidad de la red para cargar sus baterías. Este concepto se denominó camión eléctrico de movimiento perpetuo (PMET). Los resultados muestran que con una pendiente media de la carretera del 5%, velocidad de 60 km/h, el peso de la carga debe ser al menos 1.32 veces el peso del camión, se puede lograr PMET. El PMET es una alternativa interesante para reducir la demanda eléctrica y aumentar la sostenibilidad del sector del transporte. The transportation sector is going through a rapid transition to electric vehicles to minimize our reliance on fossil fuels and reduce CO2 emissions. This is also happening in the cargo transport sector, with a rapid deployment of electric trucks. This paper proposes that the replacement of diesel trucks with electric trucks should first happen on routes where cargo is delivered from a location with a higher altitude to a location with a lower altitude. This way, the regenerative braking system of the truck can completely recharge the truck's battery. This paper investigates scenarios where electric trucks could operate indefinitely without grid electricity to charge their batteries. This concept was named perpetual motion electric truck (PMET). Results show that with an average road slope of 5 %, 60 km/h speed, the weight of the cargo should be at least 1.32 times the weight of the truck, PMET can be achieved. PMET is an interesting alternative to reduce electricity demand and increase the sustainability of the transport sector. يمر قطاع النقل بمرحلة انتقال سريعة إلى السيارات الكهربائية لتقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. ويحدث هذا أيضًا في قطاع نقل البضائع، مع الانتشار السريع للشاحنات الكهربائية. تقترح هذه الورقة أن يتم استبدال شاحنات الديزل بالشاحنات الكهربائية أولاً على الطرق التي يتم فيها تسليم البضائع من موقع ذي ارتفاع أعلى إلى موقع ذي ارتفاع أقل. وبهذه الطريقة، يمكن لنظام الكبح المتجدد للشاحنة إعادة شحن بطارية الشاحنة بالكامل. تبحث هذه الورقة في السيناريوهات التي يمكن أن تعمل فيها الشاحنات الكهربائية إلى أجل غير مسمى بدون كهرباء الشبكة لشحن بطارياتها. أطلق على هذا المفهوم اسم الشاحنة الكهربائية ذات الحركة الدائمة (PMET). تظهر النتائج أنه مع متوسط انحدار الطريق بنسبة 5 ٪، وسرعة 60 كم/ساعة، يجب أن يكون وزن الحمولة 1.32 مرة على الأقل من وزن الشاحنة، ويمكن تحقيق PMET. تعد PMET بديلاً مثيرًا للاهتمام لتقليل الطلب على الكهرباء وزيادة استدامة قطاع النقل.

AbstractWater scarcity brings tremendous challenges to achieving sustainable development of water resources, food, and energy security, as these sectors are often in competition, especially during drought. Overcoming these challenges requires balancing trade-offs between sectors and improving resilience to drought impacts. An under-appreciated factor in managing the water-food-energy (WFE) nexus is the increased value of solar and wind energy (SWE). Here we develop a trade-off frontier framework to quantify the water sustainability value of SWE through a case study in California. We identify development pathways that optimize the economic value of water in competition for energy and food production while ensuring sustainable use of groundwater. Our results indicate that in the long term, SWE penetration creates beneficial feedback for the WFE nexus: SWE enhances drought resilience and benefits groundwater sustainability, and in turn, maintaining groundwater at a sustainable level increases the added value of SWE to energy and food production.

The Indus basin has a large hydropower untapped potential for electricity generation and to regulate the Indus river flow, which could reduce flooding events and provide water supply during drought periods. In this paper, a computational module is developed to localize potential sites for hydropower generation and seasonal pumped hydropower storage (SPHS). The levelized costs for hydropower generation in the basin with conventional dams are as low as 12 USD/MWh, the cost of energy storage is 1 USD/MWh. In case of SPHS plants, the cost of energy storage is 2 USD/MWh. It can be concluded that the conventional hydropower potential is, for the moment, less expensive than SPHS, but its potential in the Indus basin is limited to 26 GW with hydropower costs below 50 USD/MWh and its reservoirs have a short lifetime due to the high sedimentation rates of the basin. SPHS would be an interesting alternative to complement the hydropower potential adding long-term water and energy storage with fewer sediments, social and environmental impacts. Given that the region has the highest potential and lowest costs for SPHS in the world, it could become a major player on seasonal and pluri-annual energy storage in Asia and globally.

Idéalement, les résultats des modèles fonctionnant à différentes échelles devraient correspondre à la direction de la tendance et à l'ampleur des impacts sous le changement climatique. Cependant, cela implique que la sensibilité à la variabilité du climat et au changement climatique est comparable pour les modèles d'impact conçus pour l'une ou l'autre échelle. Dans cette étude, nous comparons les changements hydrologiques simulés par 9 modèles hydrologiques mondiaux et 9 modèles hydrologiques régionaux (HM) pour 11 grands bassins hydrographiques sur tous les continents dans des conditions de référence et de scénario. Les thèmes principaux sont les cycles de validation des modèles, la sensibilité de la décharge annuelle à la variabilité climatique au cours de la période de référence et la sensibilité de la dynamique saisonnière mensuelle moyenne à long terme au changement climatique. Un résultat majeur est que les modèles globaux, pour la plupart non calibrés par rapport aux observations, montrent souvent un biais considérable dans les rejets mensuels moyens, alors que les modèles régionaux montrent une meilleure reproduction des conditions de référence. Cependant, la sensibilité des deux ensembles HM à la variabilité climatique est en général similaire. Les impacts simulés du changement climatique en termes de dynamique mensuelle moyenne à long terme évaluée pour les médianes et les spreads de l'ensemble HM montrent que les médianes sont dans une certaine mesure comparables dans certains cas, mais présentent des différences distinctes dans d'autres cas, et les spreads liés aux modèles globaux sont principalement nettement plus importants. En résumé, cela implique que les MM mondiaux sont des outils utiles pour examiner les impacts à grande échelle du changement et de la variabilité climatiques. Chaque fois que les impacts pour un bassin hydrographique ou une région spécifique présentent un intérêt, par exemple pour des applications complexes de gestion de l'eau, les modèles à l'échelle régionale calibrés et validés par rapport au débit observé doivent être utilisés. Idealmente, los resultados de los modelos que operan a diferentes escalas deberían coincidir en la dirección de la tendencia y la magnitud de los impactos bajo el cambio climático. Sin embargo, esto implica que la sensibilidad a la variabilidad climática y al cambio climático es comparable para los modelos de impacto diseñados para cualquier escala. En este estudio, comparamos los cambios hidrológicos simulados por 9 modelos hidrológicos (HM) globales y 9 regionales para 11 grandes cuencas fluviales en todos los continentes bajo condiciones de referencia y escenario. Los enfoques se centran en las ejecuciones de validación de modelos, la sensibilidad de la descarga anual a la variabilidad climática en el período de referencia y la sensibilidad de la dinámica estacional mensual media a largo plazo al cambio climático. Un resultado importante es que los modelos globales, en su mayoría no calibrados contra los observados, a menudo muestran un sesgo considerable en la descarga mensual media, mientras que los modelos regionales muestran una mejor reproducción de las condiciones de referencia. Sin embargo, la sensibilidad de los dos conjuntos HM a la variabilidad climática es en general similar. Los impactos simulados del cambio climático en términos de dinámica mensual promedio a largo plazo evaluados para las medianas y los diferenciales del conjunto HM muestran que las medianas son en cierta medida comparables en algunos casos, pero tienen diferencias claras en otros casos, y los diferenciales relacionados con los modelos globales son en su mayoría notablemente mayores. En resumen, esto implica que los HM globales son herramientas útiles cuando se analizan los impactos a gran escala del cambio climático y la variabilidad. Siempre que los impactos para una cuenca o región fluvial específica sean de interés, por ejemplo, para aplicaciones complejas de gestión del agua, se deben utilizar los modelos a escala regional calibrados y validados frente a los vertidos observados. Ideally, the results from models operating at different scales should agree in trend direction and magnitude of impacts under climate change. However, this implies that the sensitivity to climate variability and climate change is comparable for impact models designed for either scale. In this study, we compare hydrological changes simulated by 9 global and 9 regional hydrological models (HM) for 11 large river basins in all continents under reference and scenario conditions. The foci are on model validation runs, sensitivity of annual discharge to climate variability in the reference period, and sensitivity of the long-term average monthly seasonal dynamics to climate change. One major result is that the global models, mostly not calibrated against observations, often show a considerable bias in mean monthly discharge, whereas regional models show a better reproduction of reference conditions. However, the sensitivity of the two HM ensembles to climate variability is in general similar. The simulated climate change impacts in terms of long-term average monthly dynamics evaluated for HM ensemble medians and spreads show that the medians are to a certain extent comparable in some cases, but have distinct differences in other cases, and the spreads related to global models are mostly notably larger. Summarizing, this implies that global HMs are useful tools when looking at large-scale impacts of climate change and variability. Whenever impacts for a specific river basin or region are of interest, e.g. for complex water management applications, the regional-scale models calibrated and validated against observed discharge should be used. من الناحية المثالية، يجب أن تتفق النتائج من النماذج التي تعمل على مستويات مختلفة في اتجاه الاتجاه وحجم التأثيرات في ظل تغير المناخ. ومع ذلك، فإن هذا يعني أن الحساسية لتقلب المناخ وتغير المناخ قابلة للمقارنة مع نماذج التأثير المصممة لأي من المقياسين. في هذه الدراسة، نقارن التغيرات الهيدرولوجية التي تمت محاكاتها بواسطة 9 نماذج هيدرولوجية عالمية و 9 نماذج هيدرولوجية إقليمية لـ 11 حوضًا نهريًا كبيرًا في جميع القارات في ظل الظروف المرجعية والسيناريوهات. تعمل البؤر على تشغيل التحقق من صحة النموذج، وحساسية التصريف السنوي لتقلب المناخ في الفترة المرجعية، وحساسية متوسط الديناميكيات الموسمية الشهرية طويلة الأجل لتغير المناخ. تتمثل إحدى النتائج الرئيسية في أن النماذج العالمية، التي لا تتم معايرتها في الغالب مقابل الملاحظات، غالبًا ما تُظهر تحيزًا كبيرًا في متوسط التصريف الشهري، في حين تُظهر النماذج الإقليمية استنساخًا أفضل للظروف المرجعية. ومع ذلك، فإن حساسية مجموعتي جلالة الملكة لتقلب المناخ متشابهة بشكل عام. تُظهر تأثيرات تغير المناخ المحاكاة من حيث متوسط الديناميكيات الشهرية طويلة الأجل التي تم تقييمها لمتوسطات مجموعة جلالة الملكة وانتشارها أن المتوسطات قابلة للمقارنة إلى حد ما في بعض الحالات، ولكن لها اختلافات واضحة في حالات أخرى، وأن فروق الأسعار المتعلقة بالنماذج العالمية هي في الغالب أكبر بشكل ملحوظ. وبإيجاز، يعني هذا أن جلطات الدم العالمية هي أدوات مفيدة عند النظر إلى الآثار واسعة النطاق لتغير المناخ وتقلباته. عندما تكون التأثيرات على حوض نهر أو منطقة معينة ذات أهمية، على سبيل المثال بالنسبة لتطبيقات إدارة المياه المعقدة، يجب استخدام نماذج النطاق الإقليمي التي تمت معايرتها والتحقق من صحتها مقابل التصريف المرصود.

Crop yields (Y) and virtual water content (VWC) of agricultural production are affected by climate variability and change, and are highly dependent on geographical location, crop type, specific planting and harvesting practice, soil property and moisture, hydro-geologic and climate conditions. This paper assesses and analyzes historical (1985-2009) and future (2040-2064) Y and VWC of three cereal crops (i.e., wheat, barley, and canola) with high spatial resolution in the highly intensive agricultural region of Alberta, Canada, using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). A calibrated and validated SWAT hydrological model is used to supplement agricultural (rainfed and irrigation) models to simulate Y and crop evapotranspiration (ET) at the sub-basin scales. The downscaled climate projections from nine General Climate Models (GCMs) for RCP 2.6 and RCP 8.5 emission scenarios are fed into the calibrated SWAT model. Results from an ensemble average of GCMs show that Y and VWC are projected to change drastically under both RCPs. The trade (export-import) of wheat grain from Alberta to more than a hundred countries around the globe led to the annual saving of ~5 billion m3 of virtual water (VW) during 1996-2005. Based on the weighted average of VWC for both rainfed and irrigated conditions, future population and consumption, our projections reveal an annual average export potential of ~138 billion m3 of VW through the flow of these cereal crops in the form of both grain and other processed foods. This amount is expected to outweigh the total historical provincial water yield of 66 billion m3 and counts for 47% of total historical precipitation and 61% of total historical actual ET. The research outcome highlights the importance of local high-resolution inputs in regional modeling and understanding the local to global water-food trade policy for sustainable agriculture.

Climate change will very likely impact future hydrological drought characteristics across the world. Here, we quantify the impact of human water use including reservoir regulation and climate change on future low flows and associated hydrological drought characteristics on a global scale. The global hydrological and water resources model PCR-GLOBWB is used to simulate daily discharge globally at 0.5° resolution for 1971-2099. The model was forced with the latest CMIP5 climate projections taken from five General Circulation Models (GCMs) and four emission scenarios (RCPs), under the framework of the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project.A natural or pristine scenario has been used to calculate the impact of the changing climate on hydrological drought and has been compared to a scenario with human influences. In the latter scenario reservoir operations and human water use are included in the simulations of discharge for the 21st century. The impact of humans on the low flow regime and hydrological drought characteristics has been studied at a catchment scale.Results show a significant impact of climate change and human water use in large parts of Asia, Middle East and the Mediterranean, where the relative contribution of humans on the changed drought severity can be close to 100%. The differences between Representative Concentration Pathways are small indicating that human water use is proportional to the changes in the climate. Reservoirs tend to reduce the impact of drought by water retention in the wet season, which in turn will lead to increased water availability in the dry season, especially for large regions in Europe and North America. The impact of climate change varies throughout the season for parts of Europe and North-America, while in other regions (e.g. North-Africa, Middle East and Mediterranean), the impact is not influenced by seasonal changes.This study illustrates that the impact of human water use and reservoirs is nontrivial and can vary substantially per region and per season. Therefore, human influences should be included in projections of future drought characteristics, considering their large impact on the changing drought conditions.