فهم نكسوس الماء المناخ النظم

المياه لأغراض الطاقة

ويستهلك إنتاج الطاقة المياه بطرق عدة:

• Thermoelectric power generation (coal, natural gas, nuclear, concentrating solar) uses water primarily for cooling. In once-through cooling systems, large volumes of water are withdrawn from rivers or oceans and returned at a higher temperature. In recirculating systems, water is evaporated in cooling towers, resulting in net consumption.
• Hydropower] relies on water flow to generate electricity. Although no water is consumed in the generation process, evaporation from reservoirs can be significant, and water management decisions for power must often compete with other uses such as irrigation and flood control.
• Fossil fuel extraction and processing] require water for hydraulic fracturing, enhanced oil recovery, and refining. The ] International Energy Agency (IEA)] estimates that water use for energy production will increase by 20% through 2035 under current policies.
• Biofuels] and hydrogen production also have substantial water footprints. Corn ethanol, for example, can consume hundreds of liters of water per liter of fuel.

الطاقة من أجل المياه

وتكثيف استخدام الطاقة في كل مرحلة:

• Extraction and conveyance:] Pumping groundwater or moving surface water across long distances requires electricity. In California, nearly 20% of the state’s electricity is used for water-related activities, according to the ]Public Policy Institute of California.
• ]Treatment:] Both water purification (e.g., filtration, disinfection) and wastewater treatment (e.g., aeration, sludge processing) consume significant energy. Advanced treatments like reverse osmosis desalination are among the most energy- intensivewater technologies, often requiring 3b.5 kWh per cualwater.
• ]Distribution and end-use:] Maintaining pressure in municipal water pipes, heating water for homes and industry, and operating irrigation pumps all add to the energy demand.

ويعني هذا التبعية المزدوجة الاتجاه أن أي ضغط على أحد الموارد يخلق آثاراً ملتهبة على الآخر، ويمكن أن يؤدي الجفاف المطول إلى الحد من إنتاج الطاقة الكهرمائية، وزيادة تكلفة الطاقة لضخ المياه الجوفية، وتجبر المرافق على التحول إلى دورة مائية كثيفة الوقود الأحفوري - وهي دورة مفرغة تزيد من مخاطر المياه وأمن الطاقة.

Importance of the Water-Energy Nexus in Climate Systems

إن فهم الصلة بين المياه والطاقة أمر أساسي لتحقيق عدة أهداف من أهداف التنمية المستدامة، ولا سيما الأهداف الإنمائية للألفية 6 (المياه النظيفة والمرافق الصحية) والوثيقة SDG 7 (الطاقة الصالحة للشرب والنظيفة) وفيما عدا الاستدامة، فإن الصلة ترتبط ارتباطا مباشرا بالتكيف مع المناخ والتخفيف من آثاره:

• Climate resilience:] Climate change alters precipitation patterns, increases evaporation rates, and intensifies extreme events such as floods and droughts. These changes affect the availability of cooling water for thermal power plants, the reliable of hydropower, and the energy required for water treatment during droughts. Integrated planning helps avoid system failures during heatwave.
• Emission reduction:] Energy used for water systems contributes an estimated 2 -3% of global greenhouse gas emissions.
• Resource optimization:] recognizing the interdependencies allows utilities, industries, and governments to identify trade-offs and synergies. For example, using wastewater for cooling in power plants can reduce freshwater withdrawals while lowering the energy needed for effluent treatment.
• Economic stability:] Water and energy are fundamental inputs to nearly every economic activity. Price spikes or supply disruptionions in either resource can ripple through food production, manufacturing, and services. The World Bank estimates that water scarcity could cost some regions up to 6% of their GDP by 2050.

العناصر الرئيسية لنكسات المياه والطاقة

ويمكن تحليل الصلة من خلال عدة عناصر مترابطة تكشف عن حجم تدفقات الموارد وأوجه الاعتماد:

استهلاك المياه العذبة لأغراض الطاقة

ومن المتوقع أن يرتفع الاستهلاك العالمي للمياه العذبة لإنتاج الطاقة من حوالي 66 بليون متر مكعب في عام 2015 إلى أكثر من 100 بليون متر مكعب بحلول عام 2040 في إطار السياسات الحالية، ويقوده إلى حد كبير محطات الطاقة الحرارية والوقود الأحيائي، ويحتاج نوع تكنولوجيا الطاقة إلى حد كبير: تستخدم محطات الغاز الطبيعي المدمج مياها أقل بكثير من محطات الفحم، بينما تتطلب الأربينات الشمسية ذات الطمث الضوئي والريحية مياها مزدوجة.

كثافة الطاقة في البنية التحتية للمياه

وتشكل مرافق المياه من أكبر المستهلكين في مجال الكهرباء العامة، ففي الدول المتقدمة، تبلغ تكاليف الطاقة ٢٥-٤٠ في المائة من تكاليف تشغيل مرافق المياه، وتنتج عن الأنابيب القديمة التي تستخدم فيها الهياكل الأساسية، والمضخات غير الفعالة - نفايات الطاقة، وفي الولايات المتحدة، تُنتج الطاقة الكهربائية المستخدمة في شبكات المياه والمياه المستعملة حوالي ٤٥ مليون طن متري من ثاني أكسيد الكربون سنويا، مقارنة بانبعاثات ٩ ملايين سيارة.

Climate Feedbacks

ويزيد ارتفاع درجات الحرارة من التبخر بالمياه والطلب على الطاقة (لا سيما بالنسبة للتكييف الجوي) وتزيد هذه الحلقة من الضغط على الموارد المائية المستخدمة في التبريد في محطات توليد الطاقة، وخلال الموجة الحرارية الأوروبية لعام 2018، تعين على عدة مفاعلات نووية في فرنسا أن تقلل من الناتج لأن درجات حرارة مياه الأنهار تتجاوز العتبات البيئية - وهو مثال صارخ على الضعف الناجم عن المناخ في نظام الطاقة المائية.

Global Challenges in Managing the Water-Energy Nexus

ورغم تزايد الوعي، فإن العديد من التحديات تحول دون فعالية الإدارة المتكاملة:

• ]Resource scarcity in water-stressed regions:] Many countries with fast-growing energy demand are also water-scarce - for instance, India, China, and parts of the Middle East. Competition between agricultural water use, urban water supply, and energy production is intensifying.
• ]Infra structure limitations:] Much of the world’s water and energy infrastructure was built decades ago and was not designed to handle climate variability, population growth, or shifting energy mixes. Retrofitting is expensive and politically difficult.
• ]Policy and institutional silos:] Water and energy are typically governed by separate ministries, agencies, and regulatory frameworks. This fragmentation leads to conflicting policies - for example, subsidizing energy for agriculture encourages groundwater overpumping while energy conservation goals go unmet.
• Data and modeling gaps:] Effective nexus management requires high-resolution, cross-sector data on water use, energy consumption, and system performance. Many regions lack the monitoring infrastructure and analysis tools to identify hotspots and optimize trade-offs.
• Economic and financial barriers:] Integrated projects (such as co-locating desalination plants with renewable energy) often require higher up up up up front capital and novel financing mechanisms. without clear valuation of water and energy co-benefits, investors may shy away.

استراتيجيات الإدارة المتكاملة

وللتغلب على هذه التحديات، يمكن تطبيق مجموعة من الاستراتيجيات المتكاملة على المستويات المحلية والوطنية والعالمية:

التعاون والإدارة عبر القطاعات

ويمكن أن يؤدي إنشاء لجان مشتركة للتخطيط في مجال الطاقة المائية، وتبادل البيانات، ووضع أهداف شاملة لعدة قطاعات إلى كسر القيود المؤسسية، فعلى سبيل المثال، يشجع النهج الذي تتبعه الأمم المتحدة في مجال الطاقة المتجددة - الغازات الجديدة على تحديد أوجه التآزر - مثل استخدام الطاقة المتجددة في مضخات المياه بالطاقة الكهربائية، مع الحد من الانبعاثات.

التكنولوجيات الابتكارية

• Smart grids and digital water systems:] Advanced sensors, real-time controls, and AI-based optimization can reduce energy consumption in water distribution by 15 -30% and improve leak detection.
• Energy-efficient desalination:] New membrane technologies and energy recovery devices have cut desalination energy use by 50% over the past two decades. When coupleed with solar or wind power, desalination can be both low-carbon and water-secure.
• Wastewater energy recovery:] Anaerobic digestion of sewage sludge produces biogas that can be used to generate electricity, offting treatment plant energy demand. Some plants now achieve net-zero energy operation.
• Dry and hybrid cooling:] For power plants in water-scarce areas, dry cooling systems eliminate water consumption but increase energy losses. Hybrid systems offer a flexible compromise.

جيم - تكامل السياسات

ويمكن للحكومات أن تعتمد تخطيطا متكاملا للموارد يُسدِّد المياه والطاقة معا، وتشمل الأمثلة على ذلك معايير كفاءة المياه بالنسبة للأجهزة (التي تقلل من استخدام المياه والطاقة)، وتسعير المياه الذي يعكس تكاليف الطاقة، ومعايير الحافظة المتجددة التي تستبعد التكنولوجيات الكثيفة للمياه.() ويؤكد تقرير التقييم السادس للجنة البلدان النامية المعنية بتغير المناخ() () أن التنمية المراعية للبيئة تتطلب سياسات مشتركة بين القطاعات تعالج مسألة التآزر بين المياه.

دراسات حالة في إدارة المياه والطاقة

وتظهر الأمثلة على العالم الحقيقي كيف يمكن للنهج المتكاملة أن تحقق نتائج ملموسة:

كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية

وخلال فترة الجفاف للفترة 2012-2016، واجهت كاليفورنيا نقصا حادا في المياه أثر على توليد الطاقة الكهرمائية وزيادة الاعتماد على الغاز الطبيعي وواردات الفحم، وفي مواجهة ذلك، نفذت الدولة " خطة عمل شاملة للمياه في كالفورنيا " شملت حفظ المياه وإدارة المياه الجوفية وحوافز لتكنولوجيات المياه بكفاءة الطاقة، وبحلول عام 2020، انخفض استخدام الفرد في المياه بنسبة 15 في المائة بينما انخفضت الطاقة المستهلكة للمياه بسبب المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة.

إسرائيل

إن إسرائيل كانت منذ زمن طويل رائدة في إزالة الملح وإعادة تدوير المياه، إذ تنتج الآن نحو 80 في المائة من مياه الشرب من تحلية المياه، التي يغلب عليها الغاز الطبيعي، ولكنها توسع بقوة قدرة الطاقة الشمسية على إزالة الكربون من هذا الطلب على الطاقة، وفي الوقت نفسه، أدى الري المتنقي والزراعة الدقيقة إلى خفض استخدام المياه في الزراعة مع الحفاظ على غلات المحاصيل، وقد انخفضت آثار الطاقة في إسرائيل بنسبة 30 في المائة منذ عام 2010.

ألمانيا

وقد أعطت الطاقة الكهربائية الألمانية الأولوية للطاقة الشمسية والريحية التي لا تُذكر، مقارنة بمصانع الفحم والنباتات النووية التي حلت محلها، ونتيجة لذلك انخفض استهلاك المياه لكل وحدة من الكهرباء التي تولدت في ألمانيا بنسبة 25 في المائة بين عامي 2010 و 2020، وبالإضافة إلى ذلك، استثمر البلد في نظم حرارة وكهرباء مشتركة تستخدم المياه بكفاءة أكبر وفي محطات معالجة متقدمة للمياه المستعملة تستعيد الطاقة.

سنغافورة

وتستخدم سنغافورة، بموارد محدودة من المياه العذبة، مزيجاً من المياه المستوردة، والحلوى، وإعادة تدوير المياه (نيواتر) - كما أن محطات معالجة المياه فيها ذات كفاءة عالية من حيث الطاقة، وقد نشرت الأمة مزارع شمسية عائمة على خزانات المياه في مرافق المياه الكهربائية، وقد أتاح نهج الربط بين المياه والطاقة لسنغافورة تحقيق الاكتفاء الذاتي للمياه مع الحفاظ على مثال ثابت لاستخدام الطاقة في المناطق الحضرية الأخرى التي ترتدى مياهها.

الاتجاهات الناشئة والتوقعات المستقبلية

وفي المستقبل، ستشكل عدة اتجاهات الصلة بين المياه والطاقة في نظم المناخ:

• Green hydrogen:] Produced via electrolysis using renewable electricity, green hydrogen offers a way to decarbonize industry and transport. However, electrolysis consumes 9 - 10 liters of water per kilogram of hydrogen, raising potential competition with other water uses. Siting hydrogen projects in water-abundant regions or using seawater critical.
• Hydropower flexibility:] As more changing renewables come online, hydropower is being used more flexibly to balance grids. This changes reservoir operation patterns, with implications for downstream water availability and ecosystems.
• ) الاقتصاد الدائر في المياه: ] Treating wastewater as a resource for energy, nutrients, and water will become mainstream. Energy-neutral or energy-positive wastewater treatment plants are already operational in several countries.
• Climate risk disclosure:] Investors and insurers are increasingly demanding that companies disclose their exposure to water-energy risks. The Task Force on Climate-related Financial Disclosures (TCFD) now includes water metrics in its recommendations.

خاتمة

فالعلاقة بين المياه والطاقة ليست مفهوما أكاديميا متطورا؛ فهي عدسة عملية عاجلة يمكن من خلالها النظر إلى القدرة على مواجهة المناخ والتنمية المستدامة، وتقترن المياه والطاقة بشدة، وتديرها في عزلة تؤدي إلى عدم الكفاءة، والصراعات، وزيادة قابلية التأثر بالصدمات المناخية الاختيارية، كما أن الاستراتيجيات المتكاملة التي تشمل الإدارة الشاملة للقطاعات، والابتكار التكنولوجي، وتوحيد السياسات العامة، وهي طريق للحد من استهلاك الموارد، وانخفاض الانبعاثات.