A system dynamics approach to understanding household energy-water urban nexus metabolism in Cape Town
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY: Energy and water are considered to be two of the most essential resources necessary to establish and maintain operations in urban cities. Patterns of energy and water consumption in urban metabolism studies have conventionally been examined independently rather than in their nexus at macro scales. Conducting the analysis in this way poses a problem, as energy and water use are interconnected in most networks of urban activities, and microscale households are an essential driver of water and energy consumption in a city. A system dynamics approach to household energy-water urban nexus metabolism is essential for understanding the dynamics and interrelationships between these two resources in order to identify high-leverage intervention points to improve sufficiency, efficiency and resource consumption. However, studies examining the energy-water urban nexus metabolism in Cape Town are lacking and of studies that have utilised system dynamics to address the nexus, none were conducted from an urban metabolism perspective at a household level. This study therefore assessed the household energy-water urban nexus metabolism of Cape Town to identify intervention points for energy and water savings. This was achieved by reviewing the literature to conceptualise the energy and water nexus flows in Cape Town households and develop a system dynamics model for the energy-water urban nexus metabolism in Cape Town households.
The literature revealed that energy and water in households are linked predominantly to water heating, which is used for household services and activities such as showering, bathing, dishwashing, cooking, laundry and swimming. The system dynamics model focused on municipal electricity and water, which captured the structure of the energy-water urban nexus of different identified households. As a part of the system dynamic modelling process, a dynamic hypothesis in the form of causal loop diagrams was created. From this, the quantitative model was developed to simulate results of electrical energy and water requirements for the different income levels identified in Cape Town. Results show that personal hygiene is a high-leverage intervention point for energy and water savings across all household income groups. For low-income and low-middle-income households, bathing specifically showed the biggest nexus of electricity and water. In contrast, for high-middle-income and high-income households, showering showed the biggest nexus. To make energy and water requirements more sustainable, decision-makers’ focus regarding minimising energy and water in their nexus could be on changing personal hygiene behaviour and reshaping energy and water consumption patterns. In combination with functional behavioural changes, the installation of solar water heaters is recommended, as this would alleviate the electricity load required to heat water.
This research presents a methodological contribution through the utilisation of system dynamics to conceptualise and model the energy-water urban nexus metabolism at a household level in the city of Cape Town. However, a key finding was that the model was unable to capture smaller behaviours of the system, such as water temperatures. Therefore, it is recommended that future studies consider approaches that can include more detailed behavioural dynamics.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Energie en water word beskou as twee van die noodsaaklikste hulpbronne wat nodig is om bedrywighede in stedelike stede te vestig en in stand te hou. Patrone van energie- en waterverbruik in studies oor stedelike metabolisme word normaalweg onafhanklik eerder as op makroskaal in hulle neksus ondersoek. Daar is ’n probleem om die ontleding op hierdie manier uit te voer, aangesien energie- en watergebruik in die meeste stedelike-aktiwiteitsnetwerke verwant is, en mikroskaalhuishoudings ’n noodsaaklike aandrywer van water- en energieverbruik in ’n stad is. 'N Stelseldinamika-benadering tot huishoudelike energie-water stedelike nexus metabolisme is noodsaaklik vir die begrip van die dinamika en onderlinge verhoudings tussen hierdie twee hulpbronne ten einde hoe-hefboom intervensiepunte te identifiseer om voldoende, doeltreffendheid en hulpbronverbruik te verbeter. Daar is egter geen studies wat ondersoek instel na die energie-water stedelike nexus metabolisme in Kaapstad nie, en studies het gebruik gemaak van stelseldinamika om die nexus aan te spreek, maar niks is vanuit 'n stedelike metabolismeperspektief op huishoudelike vlak gedoen nie. Hierdie studie het dus die huishoudelike energie-water- stedelikeneksusmetabolisme van Kaapstad ondersoek om ingrypingspunte vir energie- en waterbesparings te identifiseer. Dit is gedoen deur die literatuur na te gaan om die energie- en waterneksusstrome in Kaapstad-huishoudings te konseptualiseer en om ’n stelseldinamikamodel vir die energie-waterneksus in Kaapstad-huishoudings te ontwikkel. Die literatuur het getoon dat energie en water in huishoudings hoofsaaklik aan waterverhitting gekoppel is, wat vir huishoudelike dienste/aktiwiteite soos stort, bad, skottelgoed was, kosmaak, wasgoed was en swem gebruik word. Die stelseldinamikamodel fokus op munisipale elektrisiteit en water, wat die struktuur van die energie-water- stedelike neksus van verskillende huishoudings vasle. ’n Dinamiese hipotese in die vorm van oorsaaklike lusdiagramme is as deel van die stelseldinamika-modelleringsproses geskep. Hieruit is die kwantitatiewe model ontwikkel om resultate van elektriese energie en watervereistes vir die verskillende inkomstevlakke wat in Kaapstad geidentifiseer is, na te boots. Resultate het getoon dat persoonlike higiene ’n hoevlak-ingrypingspunt vir energie- en waterbesparings regdeur al die huishoudelike-inkomstegroepe is. Vir lae-inkomste- en lae-middelinkomstehuishoudings het bad spesifiek die grootste neksus van elektrisiteit en water getoon. In teenstelling daarmee, het stort die grootste neksus vir hoe-middel- en hoe-inkomstehuishoudings getoon. Om energie- en watervereistes meer volhoubaar te maak, kan besluitnemers se fokus rakende die beperking van energie en water in hulle neksus wees om persoonlikehigiene-gedrag te verander en energie- en waterverbruikspatrone te hervorm. Gekombineer met funksionele gedragsveranderinge, word die installering van sonverwarmers vir water aanbeveel, aangesien dit die elektrisiteitslading wat vereis word om water warm te maak, sal verlig. Die navorsing lewer ’n metodologiese bydrae deur die benutting van stelseldinamika om die energie-water- stedelikeneksusmetabolisme op huishoudelike vlak in die Stad Kaapstad te konseptualiseer. ’n Belangrike bevinding was egter dat die model nie die minder beduidende gedrag van die stelsel, soos watertemperature, kon vasvang nie. Daar word dus aanbeveel dat toekomstige studies metodes oorweeg wat meer gedetailleerde gedragsdinamika kan insluit.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Energie en water word beskou as twee van die noodsaaklikste hulpbronne wat nodig is om bedrywighede in stedelike stede te vestig en in stand te hou. Patrone van energie- en waterverbruik in studies oor stedelike metabolisme word normaalweg onafhanklik eerder as op makroskaal in hulle neksus ondersoek. Daar is ’n probleem om die ontleding op hierdie manier uit te voer, aangesien energie- en watergebruik in die meeste stedelike-aktiwiteitsnetwerke verwant is, en mikroskaalhuishoudings ’n noodsaaklike aandrywer van water- en energieverbruik in ’n stad is. 'N Stelseldinamika-benadering tot huishoudelike energie-water stedelike nexus metabolisme is noodsaaklik vir die begrip van die dinamika en onderlinge verhoudings tussen hierdie twee hulpbronne ten einde hoe-hefboom intervensiepunte te identifiseer om voldoende, doeltreffendheid en hulpbronverbruik te verbeter. Daar is egter geen studies wat ondersoek instel na die energie-water stedelike nexus metabolisme in Kaapstad nie, en studies het gebruik gemaak van stelseldinamika om die nexus aan te spreek, maar niks is vanuit 'n stedelike metabolismeperspektief op huishoudelike vlak gedoen nie. Hierdie studie het dus die huishoudelike energie-water- stedelikeneksusmetabolisme van Kaapstad ondersoek om ingrypingspunte vir energie- en waterbesparings te identifiseer. Dit is gedoen deur die literatuur na te gaan om die energie- en waterneksusstrome in Kaapstad-huishoudings te konseptualiseer en om ’n stelseldinamikamodel vir die energie-waterneksus in Kaapstad-huishoudings te ontwikkel. Die literatuur het getoon dat energie en water in huishoudings hoofsaaklik aan waterverhitting gekoppel is, wat vir huishoudelike dienste/aktiwiteite soos stort, bad, skottelgoed was, kosmaak, wasgoed was en swem gebruik word. Die stelseldinamikamodel fokus op munisipale elektrisiteit en water, wat die struktuur van die energie-water- stedelike neksus van verskillende huishoudings vasle. ’n Dinamiese hipotese in die vorm van oorsaaklike lusdiagramme is as deel van die stelseldinamika-modelleringsproses geskep. Hieruit is die kwantitatiewe model ontwikkel om resultate van elektriese energie en watervereistes vir die verskillende inkomstevlakke wat in Kaapstad geidentifiseer is, na te boots. Resultate het getoon dat persoonlike higiene ’n hoevlak-ingrypingspunt vir energie- en waterbesparings regdeur al die huishoudelike-inkomstegroepe is. Vir lae-inkomste- en lae-middelinkomstehuishoudings het bad spesifiek die grootste neksus van elektrisiteit en water getoon. In teenstelling daarmee, het stort die grootste neksus vir hoe-middel- en hoe-inkomstehuishoudings getoon. Om energie- en watervereistes meer volhoubaar te maak, kan besluitnemers se fokus rakende die beperking van energie en water in hulle neksus wees om persoonlikehigiene-gedrag te verander en energie- en waterverbruikspatrone te hervorm. Gekombineer met funksionele gedragsveranderinge, word die installering van sonverwarmers vir water aanbeveel, aangesien dit die elektrisiteitslading wat vereis word om water warm te maak, sal verlig. Die navorsing lewer ’n metodologiese bydrae deur die benutting van stelseldinamika om die energie-water- stedelikeneksusmetabolisme op huishoudelike vlak in die Stad Kaapstad te konseptualiseer. ’n Belangrike bevinding was egter dat die model nie die minder beduidende gedrag van die stelsel, soos watertemperature, kon vasvang nie. Daar word dus aanbeveel dat toekomstige studies metodes oorweeg wat meer gedetailleerde gedragsdinamika kan insluit.
Description
Thesis (MPA)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Water use -- Cape Town (South Africa), Water resources development -- Cape Town (South Africa), Energy development -- Cape Town (South Africa), Sustainable development -- Cape Town (South Africa), UCTD