Que je finisse de façon bien élégante

Me revoilà avec l’idée de faire un rapprochement théorique entre mon « Projet Aqueduc » et ma recherche sur le phénomène d’intelligence collective. Comme je passe en revue ce que j’ai écrit jusqu’à maintenant sur les deux sujets, des conclusions provisoires se forment dans ma tête. L’idée primordiale est que je ne suis pas sûr du tout si mon « Projet Aqueduc » n’est pas, par le plus grand des hasards, une connerie déguisée. Comme je fais de la recherche sur le business d’énergies renouvelables, j’ai pu constater maintes fois qu’à part l’écologie fonctionnelle et pragmatique il y a une écologie religieuse, quelque chose comme l’Église Généralisée de la Mère Nature. Moi je veux rester dans le fonctionnel. Je n’achète pas vraiment l’argument que toute solution « naturelle » est meilleure qu’une « artificielle ». Le retour à la nature que tellement de mes amis prêchent comme une confession de foi c’est aussi le retour à la tuberculose et à l’absence de canalisation.

Je pense donc que « Projet Aqueduc » est une idée intéressante pour expérimenter avec mais pas vraiment une solution complète à optimaliser. L’idée d’utiliser un algorithme génétique du type NSGA-II ou « Non-dominated Sorting Genetic Algorithm » (comparez : Chang et al. 2016[1]; Jain & Sachdeva 2017[2]; Assaf & Shabani 2018[3]; Zhou et al. 2019[4]), que j’avais formulée au début de juillet ( We keep going until we observe du 5 juillet) serait prématurée. Le « Projet Aqueduc » est une chaîne complexe des technologies dont certaines sont plutôt certaines – pardonnez le jeu de mots – pendant que d’autres sont très incertaines dans leur développement général ainsi que leur application exacte dans ce contexte spécifique.

Je pense que je vais me concentrer sur la mise au point d’une méthode de vérifier la faisabilité du concept en question dans la phase où il est actuellement, donc dans la phase d’expérimentation initiale, tôt dans le cycle de développement. Une telle méthode pourrait être appliquée à l’étude de faisabilité d’autres technologies en phase de développement expérimental. Le « Projet Aqueduc » présente un défi intellectuel intéressant de ce point de vue. L’une des dimensions importantes de ce concept est sa taille physique, surtout la quantité d’eau retenue dans les structures marécageuses qui agissent comme des pseudo-réservoirs hydrologiques (Harvey et al. 2009[5]; Phiri et al. 2021[6] ; Lu et al. 2021[7]; Stocks et al. 2021[8]). Plus nous expérimentons avec la taille physique des installations, plus grands sont les risques liés à cette expérimentation. Tester une installation de petite taille pour le « Projet Aqueduc » engendre des risques négligeables mais en même temps n’apporte pas vraiment de données empiriques sur ce qui se passe dans une installation de taille autrement plus substantielle. C’est donc un cas où – apparemment au moins – je dois expérimenter avec des risques de plus en plus élevés pour acquérir des données sur ce qui peut se passer si ces risques se consument en vie réelle. Voilà un casse-tête digne de ce nom.

En termes de défi intellectuel, j’en ai un autre, tombé un peu à l’improviste. Le journal « International Journal of Energy Sector Management » vient de me demander de donner un dernier coup de pinceau, avant la publication, à mon article intitulé « Climbing the right hill – an evolutionary approach to the European market of electricity ». Les recommandations du réviseur ainsi que celles du rédacteur responsable sont à peu près homogènes et se résument à donner plus de clarté à mon texte, de façon à le rendre plus facile à approcher pour des lecteurs non-initiés à la méthode que j’y utilise. Je relève le gant pour ainsi dire et je vais essayer de résumer le manuscrit en français, de façon aussi claire que possible. J’espère que ça va me donner un bon point de départ pour faire la révision finale de mon manuscrit en anglais.

Je commence par le résumé d’en-tête, donc ce qui s’appelle « abstract » en jargon scientifique anglais. L’article étudie changement socio-économique comme phénomène évolutif et plus précisément comme une marche adaptative en paysage rugueux, avec l’assomption d’intelligence collective et en vue d’optimiser la participation d’électricité dans la consommation totale de l’énergie ainsi que la participation des sources renouvelables dans la consommation d’électricité. Une méthode originale est présentée, où un réseau neuronal artificiel est utilisé pour produire des réalités alternatives à partir de l’ensemble originel de données empiriques. La distance Euclidienne entre ces réalités alternatives et la réalité empirique est utilisée comme base pour évaluer les objectifs collectifs. La variance de distance Euclidienne entre variables est utilisée comme base pour évaluer l’intensité d’interactions épistatiques entre les phénomènes représentés avec les variables. La méthode est testée dans un échantillon de 28 pays européens, entre 2008 et 2017, en présence d’imperfections du marché au niveau des prix de détail d’électricité. Les variables-clés, pertinentes à l’énergie, semblent être instrumentales par rapport à la poursuite d’autres valeurs collectives et ces dernières semblent se concentrer sur l’intensité de travail ainsi que sa rémunération.

Voilà un résumé bien scientifique. J’avoue : si je n’avais pas écrit cet article moi-même, je n’y comprendrais que dalle, à ce résumé. Pas étonnant que le réviseur et le rédacteur responsable me demandent gentiment de simplifier et de clarifier. Où commence-je donc ? Voilà une question qui mérite un peu de réflexion. Je pense qu’il faut que recule dans le temps et que je me souvienne le cheminement logique que j’avais pris, il y a un an et demi, lorsque j’avais écrit la première version de cet article. Oui, un an et demi. La science, ça traine parfois. Les idées-éclair, ça ralentit considérablement dans la phase de publication.

Je recule donc dans le temps. Il y avait deux trucs en concours, pour ainsi dire. D’une part, j’étais content après la publication d’un article chez « Energy », un journal bien respectable, sous le titre « Energy efficiency as manifestation of collective intelligence in human societies ». La méthode que j’y avais utilisée était largement la même que dans cet article chez « International Journal of Energy Sector Management », auquel je suis en train de donner une touche finale. Un réseau neuronal artificiel produit des simulations d’intelligence collective des sociétés humaines. Chaque simulation est une sorte de réalité alternative orientée sur l’optimisation d’une variable spécifique. Chaque réalité alternative demeure à une certaine distance mathématique de la réalité empirique. J’assume que celles qui sont les plus proches reflètent le mieux les rapports entre les variables empiriques. Puisque ce rapport est en fait une orientation – la poursuite d’optimisation d’une variable précise – j’interprète le tout comme une évolution collectivement intelligente avec un système de valeurs collectives.

Les résultats empiriques que j’avais obtenus dans cet article chez « Energy » étaient un peu surprenants, mais juste un peu. Les économies nationales que j’étudiais semblaient être orientés sur l’optimisation de rapport entre le flux d’invention scientifique et la capitalisation des entreprises (coefficient du nombre des demandes domestique de brevet par un million de dollars en actifs productifs fixes) plus que tout le reste. L’efficience énergétique, mesurée à l’échelle d’économies nationales, semblait être le cadet des soucis de lesdites économies nationales, pour ainsi dire. En général, ces 59 pays que j’avais pris sous ma loupe, démontraient bien une croissance d’efficience énergétique, mais cette amélioration semblait être un effet secondaire obtenu dans la poursuite d’équilibre local entre la science mûre (pour demander des brevets) et l’investissement.

Le catalogue des variables que j’avais pris en considération dans « Energy efficiency as manifestation of collective intelligence in human societies » était plutôt restreint. J’avais étudié 14 variables, dont la plupart étaient là en raison d’assomptions que j’avais prises à propos du contexte socio-économique de l’efficience énergétique. Alors, je m’étais posé la question suivante : qu’est-ce qui va se passer si je prends une poignée des variables pertinentes au secteur d’énergie, dans un contexte plus ou moins environnemental, et je les plonge dans un bain commun avec un catalogue vraiment large des variables macroéconomiques ? Côté méthode, c’est une approche classique dans la science. Un truc marche avec des assomptions bien serrées et le pas suivant est de tester le même truc avec des assomptions plus relax, genre pas trop d’idées préconçues.

En ce qui concerne le catalogue exhaustif des variables macroéconomiques, Penn Tables 9.1. (Feenstra et al. 2015[9]), avec 49 variables du type classique (Produit National, inflation, le marché d’emploi etc.) semblaient être une source convenable. J’avais déjà expérimenté avec cette base des données et ma méthode d’étudier l’intelligence collective en produisant des réalités alternatives avec un réseau neuronal et j’avais obtenu des résultats intéressants. Je les avais décrits dans un manuscrit plutôt technique intitulé « The Labour Oriented, Collective Intelligence of Ours : Penn Tables 9.1 Seen Through the Eyes of A Neural Network ». Il semble que les économies nationales de quelques 168 pays décrits dans Penn Tables 9.1 sont orientées sur l’optimalisation du marché de l’emploi plus que sur quoi que ce soit d’autre. Les variables dont l’optimalisation produit des réalités alternatives les plus proches de la réalité empirique sont, dans ce cas : le nombre moyen d’heures ouvrables par année par personne, la participation des salaires dans le Revenu National Brut et finalement le coefficient de capital humain, qui mesure le nombre moyen d’années d’éducation que les jeunes gens ont dans leur CV au moment d’entrer le marché d’emploi.

Encore une fois : lorsque la plupart d’économistes développent sur le sort horrible des travailleurs dans un monde dominé par des capitalistes rapaces sans pitié ni conscience, ma méthode suggérait le contraire, donc un monde orienté sur le travail et les travailleurs, beaucoup plus que sur l’optimalisation du retour interne sur l’investissement, par exemple. Ma méthode donnait donc des résultats surprenants avec des données empiriques tout à fait classiques. J’étais donc bien sûr que les résultats tout aussi surprenants que j’avais présenté dans « Energy efficiency as manifestation of collective intelligence in human societies » n’étaient pas le résultat de mon propre biais cognitif au niveau du matériel empirique de base mais bel et bien le résultat d’une méthode originale de recherche.

Ces résultats en main, je me demandais comment faire un rapprochement avec le secteur d’énergie. A l’époque, j’avais participé à un colloque public à propos des voitures électriques. Le colloque lui-même n’était pas vraiment excitant, mais après j’ai eu une discussion très intéressante avec mon fils. Le fiston avait dit : « En Europe, on n’a pas de notre pétrole bien à nous. Nous avons un système de transport routier très dense, presque entièrement dépendant d’une source d’énergie que nous devons importer, donc sur le pétrole. Comme risque stratégique, c’en est un gros ». Je me suis dit : il a raison, mon fiston. Encore une fois. C’est agaçant. Faut que je fasse quelque chose. Les voitures électriques, ça a besoin d’électricité et donc la participation d’électricité dans la consommation totale d’énergie serait un bon indicateur de notre préparation à passer vers les véhicules électriques, en Europe. Je peux prendre Penn Tables 9.1. (Feenstra et al. 2015 op. cit.), en extraire les données à propos des pays Européens, ajouter des variables pertinentes au secteur d’énergie et voilà : je peux tester l’hypothèse générale que ces variables énergétiques sont des orientations significative dans l’intelligence collective des pays Européens.

Il y avait un autre truc, en fait. Ça fait déjà un bout de temps que j’ai fait attention aux prix d’électricité en Europe, et plus précisément à la différence très marquée entre les prix pour petits consommateurs d’énergie, calibre ménages, d’une part, et les prix réservés aux usagers plus grands. Vous pouvez consulter, à ce sujet, ma mise à jour du 28 Juin 2018 : « Deux cerveaux, légèrement différents l’un de l’autre ». C’est une imperfection du marché en une forme classique. J’avais donc décidé d’ajouter les prix d’électricité en Europe à cet ensemble déjà bien hétéroclite et voilà que ça a commencé.

Bon, j’ai reconstitué à peu de choses près le raisonnement originel qui m’a poussé à écrire cet article « Climbing the right hill – an evolutionary approach to the European market of electricity ». Si je sais comment j’avais commencé, il y a des chances que je finisse de façon bien élégante.

[1] Chang, F. J., Wang, Y. C., & Tsai, W. P. (2016). Modelling intelligent water resources allocation for multi-users. Water resources management, 30(4), 1395-1413. https://doi.org/10.1007/s11269-016-1229-6

[2] Jain, V., & Sachdeva, G. (2017). Energy, exergy, economic (3E) analyses and multi-objective optimization of vapor absorption heat transformer using NSGA-II technique. Energy Conversion and Management, 148, 1096-1113. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.06.055

[3] Assaf, J., & Shabani, B. (2018). Multi-objective sizing optimisation of a solar-thermal system integrated with a solar-hydrogen combined heat and power system, using genetic algorithm. Energy Conversion and Management, 164, 518-532. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.03.026

[4] Zhou, Y., Chang, L. C., Uen, T. S., Guo, S., Xu, C. Y., & Chang, F. J. (2019). Prospect for small-hydropower installation settled upon optimal water allocation: An action to stimulate synergies of water-food-energy nexus. Applied Energy, 238, 668-682. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.01.069

[5] Harvey, J.W., Schaffranek, R.W., Noe, G.B., Larsen, L.G., Nowacki, D.J., O’Connor, B.L., 2009. Hydroecological factors governing surface water flow on a low-gradient floodplain. Water Resour. Res. 45, W03421, https://doi.org/10.1029/2008WR007129.

[6] Phiri, W. K., Vanzo, D., Banda, K., Nyirenda, E., & Nyambe, I. A. (2021). A pseudo-reservoir concept in SWAT model for the simulation of an alluvial floodplain in a complex tropical river system. Journal of Hydrology: Regional Studies, 33, 100770. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100770.

[7] Lu, B., Blakers, A., Stocks, M., & Do, T. N. (2021). Low-cost, low-emission 100% renewable electricity in Southeast Asia supported by pumped hydro storage. Energy, 121387. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121387

[8] Stocks, M., Stocks, R., Lu, B., Cheng, C., & Blakers, A. (2021). Global atlas of closed-loop pumped hydro energy storage. Joule, 5(1), 270-284. https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.015

[9] Feenstra, Robert C., Robert Inklaar and Marcel P. Timmer (2015), “The Next Generation of the Penn World Table” American Economic Review, 105(10), 3150-3182, available for download at http://www.ggdc.net/pwt 

Plusieurs bouquins à la fois, comme d’habitude

Je suis en train de finir la première version, encore un peu rudimentaire, de mon article sur la faisabilité du « Projet Aqueduc » : un concept technologique en phase de naissance que j’essaie de développer et de promouvoir. Je pense que j’ai fait tous les calculs de base et j’ai l’intention d’en donner un compte rendu sommaire dans cette mise à jour. Je vais présenter ces résultats dans une structure logique qui est en train de faire sa percée dans le monde de la science : je commence par présenter l’idée de base et je l’associe avec du matériel empirique que je juge pertinent ainsi qu’avec la méthode d’analyse de ce matériel. Seulement après la description méthodologique je fais une revue de la littérature à propos des points saillants de la méthode et de l’idée de base. Ces trois composantes de base – introduction, matériel empirique et méthode d’analyse, revue de la littérature – forment la base de ce qui suit, donc de la présentation des calculs et leurs résultats ainsi que la discussion finale du tout. C’est une forme de composition qui est en train de remplacer une structure plus traditionnelle, qui était bâtie autour d’une transition rigoureuse de la théorie vers la partie empirique.

Je commence donc par reformuler et réaffirmer mon idée de base, donc l’essence même de « Projet Aqueduc ». Le travail de recherche que je viens de faire m’a fait changer les idées à ce propos. Initialement, je voyais le « Project Aqueduc » de la façon que vous pouvez voir décrite dans une mise à jour antérieure : « Ça semble expérimenter toujours ». Maintenant, je commence à apprécier la valeur cognitive et pratique de la méthode que j’ai mise au point pour conduire l’étude de faisabilité elle-même. La méthode en question est une application créative (enfin, j’espère) du rasoir d’Ockham : je divise mon concept entier en technologies composantes spécifiques et j’utilise la revue de littérature pour évaluer le degré d’incertitude attaché à chacune de parmi elles. Je concentre l’étude de faisabilité économique sur ce que peux dire de façon à peu près fiable à propos des technologies relativement le plus certaines et j’assume que ces technologies-là doivent générer un surplus de liquidité financière suffisant pour financer le développement de celles relativement plus incertaines.

Dans le cadre du « Projet Aqueduc », ce qui semble le mieux enraciné en termes de calcul ces coûts et d’investissement c’est la technologie de hydro-génération. Celle-ci est bien documentée et bien connue. Pas vraiment beaucoup d’innovation, par ailleurs. ça semble tourner tout seul. Les technologies de, respectivement, stockage d’énergie ainsi que chargement des voitures électriques viennent juste après en termes de prévisibilité : ça bouge, mais ça bouge de façon plutôt organisée. Il y a des innovations à espérer mais je pense que je suis capable de prédire plus ou moins de quelle direction elles vont venir.

Quoi qu’il en soit, j’ai simulé des installations hypothétiques de « Projet Aqueduc » dans les embouchures de 32 rivières de mon pays, la Pologne. J’ai pris les données officielles sur le débit par seconde, en mètres cubes, et j’ai simulé trois niveaux d’adsorption à partir de ce courant, à travers les béliers hydrauliques du « Projet Aqueduc » : 5%, 10% et 20%. En parallèle, j’ai simulé trois élévations possibles des réservoirs d’égalisation : 10 mètres, 20 mètres et 30 mètres. Avec les 654 millimètres de précipitations annuelles moyennes en Pologne, donc avec un ravitaillement hydrologique des précipitations avoisinant 201,8 milliards mètres cubes, ces 32 installations hypothétiques pourraient faire re-circuler entre 2,5% et 10% de ce total. Ceci fait un impact hydrologique substantiel pendant que l’impact sur le marché d’énergie n’est pas vraiment important. Avec l’adsorption d’eau au maximum, soit 20% du débit des rivières en question, ainsi qu’avec l’élévation des réservoirs d’égalisation fixée à 30 mètres (donc le maximum rationnellement possible vu la littérature du sujet), la puissance électrique totale de ces 32 installations hypothétiques serait de quelques 128,9 mégawatts, contre les 50 gigawatts déjà installés dans le système énergétique de la Pologne.

J’écrivais, dans mes mises à jour précédentes, que le « Projet Aqueduc » combine l’impact hydrologique avec celui sur le marché d’énergies renouvelables. Faut que je corrige. La production d’hydro-énergie est tout juste un moyen d’assurer la faisabilité économique du projet et puisque j’en suis là, encore quelques résultats de calculs. Vu les données d’Eurostat sur les prix d’énergie, le « Projet Aqueduc » semble faisable financièrement plutôt avec les prix moyens enregistrés en Europe qu’avec les prix minimum. Avec les prix moyens, l’exploitation des turbines hydroélectriques ainsi que celle d’installations de stockage d’énergie peut dégager quelques 90% de marge brute qui, à son tour, peut servir à financer les autres technologies du projet (pompage avec les béliers hydrauliques, infrastructure hydrologique etc.) et à créer un surplus net de trésorerie. En revanche, lorsque je simule les prix d’énergie à leur minimum empirique, ça donne un déficit brut de -18% après le coût d’énergie et de son stockage. Du coup, le « Projet Aqueduc » n’est pas vraiment du genre « énergies renouvelables pour tous et bon marché ». Le truc a des chances de marcher sans financement publique seulement lorsqu’il touche un marché de consommateurs prêts à payer plus que le minimum pour leur électricité.

En ce qui concerne la station de chargement de véhicules électriques, comme créneau marketing pour l’hydro-énergie produite, je répète tout simplement les conclusions que j’avais déjà exprimées dans la mise à jour intitulée « I have proven myself wrong » : ça n’a pas l’air de pouvoir marcher. A moins de créer une station de chargement hyper-demandée, avec des centaines de chargements par mois, il n’y aura tout simplement pas de trafic suffisant, au moins pas avec les proportions présentes entre la flotte de véhicules électriques en Europe et le réseau des stations de chargement. En revanche, il y a cette idée alternative de stations mobiles de chargement, développé de façon rigoureuse par Elmeligy et al. (2021[1]), par exemple. C’est un changement profond d’approche. Au lieu de construire une station puissante de chargement rapide, couplée avec un magasin d’énergie performant (et cher), on construit un système de batteries mobiles à puissance un peu moins élevée (200 kW dans la solution citée) et on les déplace à travers des parkings fréquentés dans un véhicule spécialement adapté à cette fin.

Maintenant, je change de sujet, mais alors complètement. Hier, j’ai reçu un courriel de la part d’une maison d’édition américaine, Nova Science Publishers, Inc., avec l’invitation à proposer un manuscrit de livre sur le sujet général d’intelligence collective. Apparemment, ils ont lu mon article dans le journal « Energy », intitulé « Energy efficiency as manifestation of collective intelligence in human societies ». Il est aussi possible que quelqu’un chez Nova suit mon blog et ce que je publie sur le phénomène d’intelligence collective. Écrire un livre est différent d’écrire un article. Ce dernier privilégie la concision et la brévité pendant que le premier exige un flot abondant d’idées tout comme un contexte riche et structuré.

En faisant un peu de lecture, ces dernières semaines, je me suis rendu compte que mon hypothèse générale d’intelligence collective des sociétés humaines – donc l’hypothèse d’apprentissage collectif à travers l’expérimentation avec plusieurs versions alternatives de la même structure sociale de base – se marie bien avec l’hypothèse des systèmes complexes. J’ai trouvé cette intersection intéressante comme je lisais le livre intitulé « 1177 B.C. The Year Civilisation Collapsed. Revised and Updated », publié par Eric H. Cline chez Princeton University Press en 2021[2]. En étudiant les mécanismes possibles de la décomposition des grands empires de l’âge de Bronze, Eric Cline cite la théorie des systèmes complexes. Si un ensemble est composé d’entités qui différent dans leur complexité – donc si nous observons entité dans entité et tout ça dans encore une autre entité – les connections fonctionnelles entre ces entités peuvent en quelque sorte stocker l’information et donc générer l’apprentissage spontané. De façon tout à fait surprenante, j’ai trouvé une référence scientifiquement sérieuse à la théorie des systèmes complexes dans un autre bouquin que je suis en train de lire (oui, j’ai l’habitude de lire plusieurs livres à la fois), donc dans « Aware. The Science and Practice of Presence. The Groundbreaking Meditation Practice », publié par Daniel J. Siegel chez TarcherPerigee en 2018[3]. Daniel J. Siegel developpe sur l’hypothèse que la conscience humaine est un système complexe et comme tel est capable d’auto-organisation. Je me permets de traduire ad hoc un court passage du début de ce livre : « L’une des caractéristiques émergentes fondamentales des systèmes complexes dans cette réalité qui est la nôtre est désignée comme auto-organisation. C’est un concept que vous pourriez croire être crée par quelqu’un en psychologie ou même dans les affaires, mais c’est un terme mathématique. La forme ou les contours du déploiement d’un système complexe sont déterminés par cette propriété émergente d’auto-organisation. Ce déploiement peut être optimisé ou bien il peut être contraint. Lorsqu’il ne s’optimise pas, il passe vers chaos ou vers la rigidité. Lorsqu’il s’optimise, il passe vers l’harmonie, en étant flexible, adaptable, cohérent, énergétique et stable ».

Intéressant : une étude systématique du développement et de la chute d’une civilisation peut trouver la même base théorique que l’étude scientifique de la méditation et cette base et la théorie des systèmes complexes. La façon do cette théorie se présente ressemble beaucoup à mes simulations de changement social et technologique où j’utilise des réseaux neuronaux comme représentation d’intelligence collective. Je suis en train de réfléchir sur la façon la plus générale possible d’exprimer et englober mon hypothèse d’intelligence collective. Je pense que le brouillon intitulé « Behavioral absorption of Black Swans: simulation with an artificial neural network », en combinaison avec la théorie des chaînes imparfaites de Markov (Berghout & Verbitskiy 2021[4]) sont peut-être le meilleur point de départ. J’assume donc que toute réalité sociale est une collection des phénomènes que nous ne percevons que de façon partielle et imparfaite et que nous estimons comme saillants lorsque leur probabilité d’occurrence dépasse un certain niveau critique.

Mathématiquement, la réalité sociale intelligible est donc un ensemble de probabilités. Je ne fais aucune assomption à priori quant à la dépendance mutuelle formelle de ces probabilités, mais je peux assumer que nous percevons tout changement de réalité sociale comme passage d’un ensemble des probabilités à un autre, donc comme une chaîne complexe d’états. Ici et maintenant, nous sommes dans une chaîne complexe A et à partir de là, tout n’est pas possible. Bien sûr, je ne veux pas dire que tout est impossible : j’assume tout simplement que la complexité d’ici et maintenant peut se transformer en d’autres complexités sous certaines conditions et contraintes. L’assomption la plus élémentaire à ce propos est que nous envisageons de bouger notre cul collectif seulement vers des états complexes qui nous rapprochent de ce que nous poursuivons ensemble et ceci quelles que soient les contraintes exogènes à notre choix. Je dirais même qu’en présence de contraintes sévères nous devenons particulièrement attentifs à l’état complexe prochain vers lequel nous transigeons. Une société constamment menacée par la pénurie de nourriture, par exemple, va être très tatillonne et en même temps très ingénieuse dans sa propre croissance démographique, en allant même jusqu’à la régulation culturelle du cycle menstruel des femmes.

Bon, ce sera tout dans cette mise à jour. Je m’en vais réfléchir et lire (plusieurs bouquins à la fois, comme d’habitude).

[1] Elmeligy, M. M., Shaaban, M. F., Azab, A., Azzouz, M. A., & Mokhtar, M. (2021). A Mobile Energy Storage Unit Serving Multiple EV Charging Stations. Energies, 14(10), 2969. https://doi.org/10.3390/en14102969

[2] LCCN 2020024530 (print) | LCCN 2020024531 (ebook) | ISBN 9780691208015 (paperback) | ISBN 9780691208022 (ebook) ; Cline, Eric H.. 1177 B.C.: 6 (Turning Points in Ancient History, 1) . Princeton University Press. Kindle Edition.

[3] LCCN 2018016987 (print) | LCCN 2018027672 (ebook) | ISBN 9780143111788 | ISBN 9781101993040 (hardback) ; Siegel, Daniel J.. Aware (p. viii). Penguin Publishing Group. Kindle Edition.

[4] Berghout, S., & Verbitskiy, E. (2021). On regularity of functions of Markov chains. Stochastic Processes and their Applications, Volume 134, April 2021, Pages 29-54, https://doi.org/10.1016/j.spa.2020.12.006

I have proven myself wrong

I keep working on a proof-of-concept paper for the idea I baptized ‘Energy Ponds’. You can consult two previous updates, namely ‘We keep going until we observe’ and ‘Ça semble expérimenter toujours’ to keep track of the intellectual drift I am taking. This time, I am focusing on the end of the technological pipeline, namely on the battery-powered charging station for electric cars. First, I want to make myself an idea of the market for charging.

I take the case of France. In December 2020, they had a total of 119 737 electric vehicles officially registered (matriculated), which made + 135% as compared to December 2019[1]. That number pertains only to 100% electrical ones, with plug-in hybrids left aside for the moment. When plug-in hybrids enter the game, France had, in December 2020, 470 295 vehicles that need or might need the services of charging stations. According to the same source, there were 28 928 charging stations in France at the time, which makes 13 EVs per charging station. That coefficient is presented for 4 other European countries: Norway (23 EVs per charging station), UK (12), Germany (9), and Netherlands (4).

I look up into other sources. According to Reuters[2], there was 250 000 charging stations in Europe by September 2020, as compared to 34 000 in 2014. That means an average increase by 36 000 a year. I find a different estimation with Statista[3]: 2010 – 3 201; 2011 – 7 018; 2012 – 17 498; 2013 – 28 824; 2014 – 40 910; 2015 – 67 064; 2016 – 98 669; 2017 – 136 059; 2018 – 153 841; 2019 – 211 438; 2020 – 285 796.

On the other hand, the European Alternative Fuels Observatory supplies their own data at https://www.eafo.eu/electric-vehicle-charging-infrastructure, as regards European Union.

Number of EVs per charging station (source: European Alternative Fuels Observatory):

	EVs per charging station
2010	14
2011	6
2012	3
2013	4
2014	5
2015	5
2016	5
2017	5
2018	6
2019	7
2020	9

The same EAFO site gives their own estimation as regards the number of charging stations in Europe:

Number of charging stations in Europe (source: European Alternative Fuels Observatory):

	High-power recharging points (more than 22 kW) in EU	Normal charging stations in EU	Total charging stations
2012	257	10 250	10 507
2013	751	17 093	17 844
2014	1 474	24 917	26 391
2015	3 396	44 786	48 182
2016	5 190	70 012	75 202
2017	8 723	97 287	106 010
2018	11 138	107 446	118 584
2019	15 136	148 880	164 016
2020	24 987	199 250	224 237

Two conclusions jump to the eye. Firstly, there is just a very approximate count of charging stations. Numbers differ substantially from source to source. I can just guess that one of the reasons for that discrepancy is the distinction between officially issued permits to build charging points, on the one hand, and the actually active charging points, on the other hand. In Europe, building charging points for electric vehicles has become sort of a virtue, which governments at all levels like signaling. I guess there is some boasting and chest-puffing in the numbers those individual countries report.

Secondly, high-power stations, charging with direct current, with a power of at least 22 kWh, gain in importance. In 2012, that category made 2,45% of the total charging network in Europe, and in 2020 that share climbed to 11,14%. This is an important piece of information as regards the proof-of-concept which I am building up for my idea of Energy Ponds. The charging station I placed at the end of the pipeline in the concept of Energy Ponds, and which is supposed to earn a living for all the technologies and installations upstream of it, is supposed to be powered from a power storage facility. That means direct current, and most likely, high power.

On the whole, the www.eafo.eu site seems somehow more credible that Statista, with all the due respect for the latter, and thus I am reporting some data they present on the fleet of EVs in Europe. Here it comes, in a few consecutive tables below:

Passenger EVs in Europe (source: European Alternative Fuels Observatory):

	BEV (pure electric)	PHEV (plug-in-hybrid)	Total
2008	4 155	–	4 155
2009	4 841	–	4 841
2010	5 785	–	5 785
2011	13 395	163	13 558
2012	25 891	3 712	29 603
2013	45 662	32 474	78 136
2014	75 479	56 745	132 224
2015	119 618	125 770	245 388
2016	165 137	189 153	354 290
2017	245 347	254 473	499 820
2018	376 398	349 616	726 014
2019	615 878	479 706	1 095 584
2020	1 125 485	967 721	2 093 206

Light Commercial EVs in Europe (source: European Alternative Fuels Observatory):

	BEV (pure electric)	PHEV (plug-in-hybrid)	Total
2008	253	–	253
2009	254	–	254
2010	309	–	309
2011	7 669	–	7 669
2012	9 527	–	9 527
2013	13 669	–	13 669
2014	10 049	–	10 049
2015	28 610	–	28 610
2016	40 926	1	40 927
2017	52 026	1	52 027
2018	76 286	1	76 287
2019	97 363	117	97 480
2020	120 711	1 054	121 765

Bus EVs in Europe (source: European Alternative Fuels Observatory):

	BEV (pure electric)	PHEV (plug-in-hybrid)	Total
2008	27	–	27
2009	12	–	12
2010	123	–	123
2011	128	–	128
2012	286	–	286
2013	376	–	376
2014	389	40	429
2015	420	145	565
2016	686	304	990
2017	888	445	1 333
2018	1 608	486	2 094
2019	3 636	525	4 161
2020	5 311	550	5 861

Truck EVs in Europe (source: European Alternative Fuels Observatory):

	BEV (pure electric)	PHEV (plug-in-hybrid)	Total
2008	5	–	5
2009	5	–	5
2010	6	–	6
2011	7	–	7
2012	8	–	8
2013	47	–	47
2014	58	–	58
2015	71	–	71
2016	113	39	152
2017	54	40	94
2018	222	40	262
2019	595	38	633
2020	983	29	1 012

Structure of EV fleet in Europe as regards the types of vehicles (source: European Alternative Fuels Observatory):

	Passenger EV	Light commercial EV	Bus EV	Truck EV
2008	93,58%	5,70%	0,61%	0,11%
2009	94,70%	4,97%	0,23%	0,10%
2010	92,96%	4,97%	1,98%	0,10%
2011	63,47%	35,90%	0,60%	0,03%
2012	75,09%	24,17%	0,73%	0,02%
2013	84,72%	14,82%	0,41%	0,05%
2014	92,62%	7,04%	0,30%	0,04%
2015	89,35%	10,42%	0,21%	0,03%
2016	89,39%	10,33%	0,25%	0,04%
2017	90,34%	9,40%	0,24%	0,02%
2018	90,23%	9,48%	0,26%	0,03%
2019	91,46%	8,14%	0,35%	0,05%
2020	94,21%	5,48%	0,26%	0,05%

Summing it up a bit. The market of Electric Vehicles in Europe seems being durably dominated by passenger cars. There is some fleet in other categories of vehicles, and there is even some increase, but, for the moment, in all looks more like an experiment. Well, maybe electric buses turn up sort of more systemically.

The proportion between the fleet of electric vehicles and the infrastructure of charging stations still seems to be in the phase of adjustment in the latter to the abundance of the former. Generally, the number of charging stations seems to be growing slower than the fleet of EVs. Thus, for my own concept, I assume that the coefficient of 9 EVs per charging station, on average, will stand still or will slightly increase. For the moment, I take 9. I assume that my charging stations will have like 9 habitual customers, plus a fringe of incidental ones.

From there, I think in the following terms. The number of times the average customer charges their car depends on the distance they cover. Apparently, there is like a 100 km  50 kWh equivalence. I did not find detailed statistics as regards distances covered by electric vehicles as such, however I came by some Eurostat data on distances covered by all passenger vehicles taken together: https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Passenger_mobility_statistics#Distance_covered . There is a lot of discrepancy between the 11 European countries studied for that metric, but the average is 12,49 km per day. My average 9 customers would do, in total, an average of 410,27 of 50 kWh charging purchases per year. I checked the prices of fast charging with direct current: 2,3 PLN per 1 kWh in Poland[4], €0,22 per 1 kWh in France[5], $0,13 per 1 kWh in US[6], 0,25 pence per 1 kWh in UK[7]. Once converted to US$, it gives $0,59 in Poland, $0,26 in France, $0,35 in UK, and, of course, $0,13 in US. Even at the highest price, namely that in Poland, those 410,27 charging stops give barely more than $12 000 a year.

If I want to have a station able to charge 2 EVs at the same time, fast charging, and counting 350 kW per charging pile (McKinsey 2018[8]), I need 700 kW it total. Investment in batteries is like $600 ÷ $800 per 1 kW (Cole & Frazier 2019[9]; Cole, Frazier, Augustine 2021[10]), thus 700 * ($600 ÷ $800) = $420 000 ÷ $560 000. There is no way that investment pays back with $12 000 a year in revenue, and I haven’t even started talking about paying off on investment in all the remaining infrastructure of Energy Ponds: ram pumps, elevated tanks, semi-artificial wetlands, and hydroelectric turbines.

Now, I revert my thinking. Investment in the range of $420 000 ÷ $560 000, in the charging station and its batteries, gives a middle-of-the-interval value of $490 000. I found a paper by Zhang et al. (2018[11]) who claim that a charging station has chances to pay off, as a business, when it sells some 5 000 000 kWh a year. When I put it back-to-back with the [50 kWh / 100 km] coefficient, it gives 10 000 000 km. Divided by the average annual distance covered by European drivers, thus by 4 558,55 km, it gives 2 193,68 customers per year, or some 6 charging stops per day. That seems hardly feasible with 9 customers. I assume that one customer would charge their electric vehicle no more than twice a week, and 6 chargings a day make 6*7 = 42 chargings, and therefore 21 customers.

I need to stop and think. Essentially, I have proven myself wrong. I had been assuming that putting a charging station for electric vehicles at the end of the internal value chain in the overall infrastructure of Energy Ponds will solve the problem of making money on selling electricity. Turns out it makes even more problems. I need time to wrap my mind around it.

[1] http://www.avere-france.org/Uploads/Documents/161011498173a9d7b7d55aef7bdda9008a7e50cb38-barometre-des-immatriculations-decembre-2020(9).pdf

[2] https://www.reuters.com/article/us-eu-autos-electric-charging-idUSKBN2C023C

[3] https://www.statista.com/statistics/955443/number-of-electric-vehicle-charging-stations-in-europe/

[4] https://elo.city/news/ile-kosztuje-ladowanie-samochodu-elektrycznego

[5] https://particulier.edf.fr/fr/accueil/guide-energie/electricite/cout-recharge-voiture-electrique.html

[6] https://afdc.energy.gov/fuels/electricity_charging_home.html

[7] https://pod-point.com/guides/driver/cost-of-charging-electric-car

[8] McKinsey Center for Future Mobility, How Battery Storage Can Help Charge the Electric-Vehicle Market?, February 2018,

[9] Cole, Wesley, and A. Will Frazier. 2019. Cost Projections for Utility-Scale Battery Storage.

Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. NREL/TP-6A20-73222. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/73222.pdf

[10] Cole, Wesley, A. Will Frazier, and Chad Augustine. 2021. Cost Projections for UtilityScale Battery Storage: 2021 Update. Golden, CO: National Renewable Energy

Laboratory. NREL/TP-6A20-79236. https://www.nrel.gov/docs/fy21osti/79236.pdf.

[11] Zhang, J., Liu, C., Yuan, R., Li, T., Li, K., Li, B., … & Jiang, Z. (2019). Design scheme for fast charging station for electric vehicles with distributed photovoltaic power generation. Global Energy Interconnection, 2(2), 150-159. https://doi.org/10.1016/j.gloei.2019.07.003

Ça semble expérimenter toujours

Je continue avec l’idée que j’avais baptisée « Projet Aqueduc ». Je suis en train de préparer un article sur ce sujet, du type « démonstration de faisabilité ». Je le prépare en anglais et je me suis dit que c’est une bonne idée de reformuler en français ce que j’ai écrit jusqu’à maintenant, l’histoire de changer l’angle intellectuel, me dégourdir un peu et prendre de la distance.

Une démonstration de faisabilité suit une logique similaire à tout autre article scientifique, sauf qu’au lieu d’explorer et vérifier une hypothèse théorique du type « les choses marchent de façon ABCD, sous conditions RTYU », j’explore et vérifie l’hypothèse qu’un concept pratique, comme celui du « Projet Aqueduc », a des fondements scientifiques suffisamment solides pour que ça vaille la peine de travailler dessus et de le tester en vie réelle. Les fondements scientifiques viennent en deux couches, en quelque sorte. La couche de base consiste à passer en revue la littérature du sujet pour voir si quelqu’un a déjà décrit des solutions similaires et là, le truc c’est explorer des différentes perspectives de similarité. Similaire ne veut pas dire identique, n’est-ce pas ? Cette revue de littérature doit apporter une structure logique – un modèle – applicable à la recherche empirique, avec des variables et des paramètres constants. C’est alors que vient la couche supérieure de démonstration de faisabilité, qui consiste à conduire de la recherche empirique proprement dite avec ce modèle.

Moi, pour le moment, j’en suis à la couche de base. Je passe donc en revue la littérature pertinente aux solutions hydrologiques et hydroélectriques, tout en formant, progressivement, un modèle numérique du « Projet Aqueduc ». Dans cette mise à jour, je commence par une brève récapitulation du concept et j’enchaîne avec ce que j’ai réussi à trouver dans la littérature. Le concept de base du « Projet Aqueduc » consiste donc à placer dans le cours d’une rivière des pompes qui travaillent selon le principe du bélier hydraulique et qui donc utilisent l’énergie cinétique de l’eau pour pomper une partie de cette eau en dehors du lit de la rivière, vers des structures marécageuses qui ont pour fonction de retenir l’eau dans l’écosystème local. Le bélier hydraulique à la capacité de pomper à la verticale aussi bien qu’à l’horizontale et donc avant d’être retenue dans les marécages, l’eau passe par une structure similaire à un aqueduc élevé (d’où le nom du concept en français), avec des réservoirs d’égalisation de flux, et ensuite elle descend vers les marécages à travers des turbines hydroélectriques. Ces dernières produisent de l’énergie qui est ensuite emmagasinée dans une installation de stockage et de là, elle est vendue pour assurer la survie financière à la structure entière. On peut ajouter des installations éoliennes et/ou photovoltaïques pour optimiser la production de l’énergie sur le terrain occupé par la structure entière. Vous pouvez trouver une description plus élaborée du concept dans ma mise à jour intitulée « Le Catch 22 dans ce jardin d’Eden ». La faisabilité dont je veux faire une démonstration c’est la capacité de cette structure à se financer entièrement sur la base des ventes d’électricité, comme un business régulier, donc de se développer et durer sans subventions publiques. La solution pratique que je prends en compte très sérieusement en termes de créneau de vente d’électricité est une station de chargement des véhicules électriques.

L’approche de base que j’utilise dans la démonstration de faisabilité – donc mon modèle de base – consiste à représenter le concept en question comme une chaîne des technologies :

>> TC_ES – stockage d’énergie

>> TC_CS – station de chargement des véhicules électriques

>> TC_RP – pompage en bélier hydraulique

>> TC_EW – réservoirs élevés d’égalisation

>> TC_CW – acheminement et siphonage d’eau

>> TC_WS – l’équipement artificiel des structures marécageuses

>> TC_HE – les turbines hydroélectriques

>> TC_SW – installations éoliennes et photovoltaïques

Mon intuition de départ, que j’ai l’intention de vérifier dans ma recherche à travers la littérature, est que certaines de ces technologies sont plutôt prévisibles et bien calibrées, pendant qu’il y en a d’autres qui sont plus floues et sujettes au changement, donc moins prévisibles. Les technologies prévisibles sont une sorte d’ancrage pour the concept entier et celles plus floues sont l’objet d’expérimentation.

Je commence la revue de littérature par le contexte environnemental, donc avec l’hydrologie. Les variations au niveau de la nappe phréatiques, qui est un terme scientifique pour les eaux souterraines, semblent être le facteur numéro 1 des anomalies au niveau de rétention d’eau dans les réservoirs artificiels (Neves, Nunes, & Monteiro 2020[1]). D’autre part, même sans modélisation hydrologique détaillée, il y a des preuves empiriques substantielles que la taille des réservoirs naturels et artificiels dans les plaines fluviales, ainsi que la densité de placement de ces réservoirs et ma manière de les exploiter ont une influence majeure sur l’accès pratique à l’eau dans les écosystèmes locaux. Il semble que la taille et la densité des espaces boisés intervient comme un facteur d’égalisation dans l’influence environnementale des réservoirs (Chisola, Van der Laan, & Bristow 2020[2]). Par comparaison aux autres types de technologie, l’hydrologie semble être un peu en arrière en termes de rythme d’innovation et il semble aussi que des méthodes de gestion d’innovation appliquées ailleurs avec succès peuvent marcher pour l’hydrologie, par exemple des réseaux d’innovation ou des incubateurs des technologies (Wehn & Montalvo 2018[3]; Mvulirwenande & Wehn 2020[4]). L’hydrologie rurale et agriculturale semble être plus innovatrice que l’hydrologie urbaine, par ailleurs (Wong, Rogers & Brown 2020[5]).

Ce que je trouve assez surprenant est le manque apparent de consensus scientifique à propos de la quantité d’eau dont les sociétés humaines ont besoin. Toute évaluation à ce sujet commence avec « beaucoup et certainement trop » et à partir de là, le beaucoup et le trop deviennent plutôt flous. J’ai trouvé un seul calcul, pour le moment, chez Hogeboom (2020[6]), qui maintient que la personne moyenne dans les pays développés consomme 3800 litres d’eau par jour au total, mais c’est une estimation très holistique qui inclue la consommation indirecte à travers les biens et les services ainsi que le transport. Ce qui est consommé directement via le robinet et la chasse d’eau dans les toilettes, ça reste un mystère pour la science, apparemment, à moins que la science ne considère ce sujet comment trop terre-à-terre pour s’en occuper sérieusement.

Il y a un créneau de recherche intéressant, que certains de ses représentants appellent « la socio-hydrologie », qui étudie les comportements collectifs vis-à-vis de l’eau et des systèmes hydrologiques et qui est basée sur l’observation empirique que lesdits comportements collectifs s’adaptent, d’une façon profonde et pernicieuse à la fois, aux conditions hydrologiques que la société en question vit avec (Kumar et al. 2020[7]). Il semble que nous nous adaptons collectivement à la consommation accrue de l’eau par une productivité croissante dans l’exploitation de nos ressources hydrologiques et le revenu moyen par tête d’habitant semble être positivement corrélé avec cette productivité (Bagstad et al. 2020[8]). Il paraît donc que l’accumulation et superposition de nombreuses technologies, caractéristique aux pays développés, contribue à utiliser l’eau de façon de plus en plus productive. Dans ce contexte, il y a une recherche intéressante conduite par Mohamed et al. (2020[9]) qui avance la thèse qu’un environnement aride est non seulement un état hydrologique mais aussi une façon de gérer les ressources hydrologiques, sur ma base des données qui sont toujours incomplètes par rapport à une situation qui change rapidement.

Il y a une question qui vient plus ou moins naturellement : dans la foulée de l’adaptation socio-hydrologique quelqu’un a-t-il présenté un concept similaire à ce que moi je présente comme « Projet Aqueduc » ? Eh bien, je n’ai rien trouvé d’identique, néanmoins il y a des idées intéressement proches. Dans l’hydrologie descriptive il y a ce concept de pseudo-réservoir, qui veut dire une structure comme les marécages ou des nappes phréatiques peu profondes qui ne retiennent pas l’eau de façons statique, comme un lac artificiel, mais qui ralentissent la circulation de l’eau dans le bassin fluvial d’une rivière suffisamment pour modifier les conditions hydrologiques dans l’écosystème (Harvey et al. 2009[10]; Phiri et al. 2021[11]). D’autre part, il y a une équipe des chercheurs australiens qui ont inventé une structure qu’ils appellent par l’acronyme STORES et dont le nom complet est « short-term off-river energy storage » (Lu et al. 2021[12]; Stocks et al. 2021[13]). STORES est une structure semi-artificielle d’accumulation par pompage, où on bâtit un réservoir artificiel au sommet d’un monticule naturel placé à une certaine distance de la rivière la plus proche et ce réservoir reçoit l’eau pompée artificiellement de la rivière. Ces chercheurs australiens avancent et donnent des preuves scientifiques pour appuyer la thèse qu’avec un peu d’astuce on peut faire fonctionner ce réservoir naturel en boucle fermée avec la rivière qui l’alimente et donc de créer un système de rétention d’eau. STORES semble être relativement le plus près de mon concept de « Projet Aqueduc » et ce qui est épatant est que moi, j’avais inventé mon idée pour l’environnement des plaines alluviales de l’Europe tandis que STORES avait été mis au point pour l’environnement aride et quasi-désertique d’Australie. Enfin, il y a l’idée des soi-disant « jardins de pluie » qui sont une technologie de rétention d’eau de pluie dans l’environnement urbain, dans des structures horticulturales, souvent placées sur les toits d’immeubles (Bortolini & Zanin 2019[14], par exemple).

Je peux conclure provisoirement que tout ce qui touche à l’hydrologie strictement dite dans le cadre du « Projet Aqueduc » est sujet aux changements plutôt imprévisible. Ce que j’ai pu déduire de la littérature ressemble à un potage bouillant sous couvercle. Il y a du potentiel pour changement technologique, il y a de la pression environnementale et sociale, mais il n’y pas encore de mécanismes institutionnels récurrents pour connecter l’un à l’autre. Les technologies TC_EW (réservoirs élevés d’égalisation), TC_CW (acheminement et siphonage d’eau), et TC_WS (l’équipement artificiel des structures marécageuses) démontrant donc un avenir flou, je passe à la technologie TC_RP de pompage en bélier hydraulique. J’ai trouvé deux articles chinois, qui se suivent chronologiquement et qui semblent par ailleurs avoir été écrits par la même équipe de chercheurs : Guo et al. (2018[15]), and Li et al. (2021[16]). Ils montrent la technologie du bélier hydraulique sous un angle intéressant. D’une part, les Chinois semblent avoir donné du vrai élan à l’innovation dans ce domaine spécifique, tout au moins beaucoup plus d’élan que j’ai pu observer en Europe. D’autre part, les estimations de la hauteur effective à laquelle l’eau peut être pompée avec les béliers hydrauliques dernier cri sont respectivement de 50 mètres dans l’article de 2018 et 30 mètres dans celui de 2021. Vu que les deux articles semblent être le fruit du même projet, il y a eu comme une fascination suivie par une correction vers le bas. Quoi qu’il en soit, même l’estimation plus conservative de 30 mètres c’est nettement mieux que les 20 mètres que j’assumais jusqu’à maintenant.

Cette élévation relative possible à atteindre avec la technologie du bélier hydraulique est importante pour la technologie suivante de ma chaîne, donc celle des petites turbines hydroélectriques, la TC_HE. L’élévation relative de l’eau et le flux par seconde sont les deux paramètres clés qui déterminent la puissance électrique produite (Cai, Ye & Gholinia 2020[17]) et il se trouve que dans le « Projet Aqueduc », avec l’élévation et le flux largement contrôlés à travers la technologie du bélier hydraulique, les turbines deviennent un peu moins dépendantes sur les conditions naturelles.

J’ai trouvé une revue merveilleusement encyclopédique des paramètres pertinents aux petites turbines hydroélectriques chez Hatata, El-Saadawi, & Saad (2019[18]). La puissance électrique se calcule donc comme : Puissance = densité de l’eau (1000 kg/m3) * constante d’accélération gravitationnelle (9,8 m/s2) * élévation nette (mètres) * Q (flux par seconde m3/s).

L’investissement initial en de telles installations se calcule par unité de puissance, donc sur la base de 1 kilowatt et se divise en 6 catégories : la construction de la prise d’eau, la centrale électrique strictement dite, les turbines, le générateur, l’équipement auxiliaire, le transformateur et enfin le poste extérieur. Je me dis par ailleurs que – vu la structure du « Projet Aqueduc » – l’investissement en la construction de prise d’eau est en quelque sorte équivalent au système des béliers hydrauliques et réservoirs élevés. En tout cas :

>> la construction de la prise d’eau, par 1 kW de puissance  ($) 186,216 * Puissance^-0,2368 * Élévation ^-0,597

>> la centrale électrique strictement dite, par 1 kW de puissance  ($) 1389,16 * Puissance^-0,2351 * Élévation^-0,0585

>> les turbines, par 1 kW de puissance  ($)

@ la turbine Kaplan: 39398 * Puissance^-0,58338 * Élévation^-0,113901

@ la turbine Frances: 30462 * Puissance^-0,560135 * Élévation^-0,127243

@ la turbine à impulsions radiales: 10486,65 * Puissance^-0,3644725 * Élévation^-0,281735

@ la turbine Pelton: 2 * la turbine à impulsions radiales

>> le générateur, par 1 kW de puissance  ($) 1179,86 * Puissance^-0,1855* Élévation^-0,2083

>> l’équipement auxiliaire, par 1 kW de puissance  ($) 612,87 * Puissance^-0,1892* Élévation^-0,2118

>> le transformateur et le poste extérieur, par 1 kW de puissance 

($) 281 * Puissance_–^0,1803 * Élévation^-0,2075

Une fois la puissance électrique calculée avec le paramètre d’élévation relative assurée par les béliers hydrauliques, je peux calculer l’investissement initial en hydro-génération comme la somme des positions mentionnées ci-dessus. Hatata, El-Saadawi, & Saad (2019 op. cit.) recommandent aussi de multiplier une telle somme par le facteur de 1,13 (c’est donc un facteur du type « on ne sait jamais ») et d’assumer que les frais courants d’exploitation annuelle vont se situer entre 1% et 6% de l’investissement initial.

Syahputra & Soesanti (2021[19]) étudient le cas de la rivière Progo, dotée d’un flux tout à fait modeste de 6,696 mètres cubes par seconde et située dans Kulon Progo Regency (une region spéciale au sein de Yogyakarta, Indonesia). Le système des petites turbines hydroélectriques y fournit l’électricité aux 962 ménages locaux, et crée un surplus de 4 263 951 kWh par an d’énergie à revendre aux consommateurs externes. Dans un autre article, Sterl et al. (2020[20]) étudient le cas de Suriname et avancent une thèse intéressante, notamment que le développement d’installations basées sur les énergies renouvelables crée un phénomène d’appétit d’énergie qui croît à mesure de manger et qu’un tel développement en une source d’énergie – le vent, par exemple – stimule l’investissement en installations basées sur d’autres sources, donc l’hydraulique et le photovoltaïque.

Ces études relativement récentes corroborent celles d’il y a quelques années, comme celle de Vilanova & Balestieri (2014[21]) ou bien celle de Vieira et al. (2015[22]), avec une conclusion générale que les petites turbines hydroélectriques ont atteint un degré de sophistication technologique suffisante pour dégager une quantité d’énergie économiquement profitable. Par ailleurs, il semble qu’il y a beaucoup à gagner dans ce domaine à travers l’optimisation de la distribution de puissance entre les turbines différentes. De retour aux publications les plus récentes, j’ai trouvé des études de faisabilité tout à fait robustes pour les petites turbines hydroélectriques, qui indiquent que – pourvu qu’on soit prêt à accepter un retour d’environ 10 à 11 ans sur l’investissement initial – le petit hydro peut être exploité profitablement même avec une élévation relative en dessous de 20 mètres (Arthur et al. 2020[23] ; Ali et al. 2021[24]).

C’est ainsi que j’arrive donc à la portion finale dans la chaîne technologique du « Projet Aqueduc », donc au stockage d’énergie (TC_ES) ainsi que TC_CS ou la station de chargement des véhicules électriques. La puissance à installer dans une station de chargement semble se situer entre 700 et 1000 kilowatts (Zhang et al. 2018[25]; McKinsey 2018[26]). En dessous de 700 kilowatt la station peut devenir si difficile à accéder pour le consommateur moyen, due aux files d’attente, qu’elle peut perdre la confiance des clients locaux. En revanche, tout ce qui va au-dessus de 1000 kilowatts est vraiment utile seulement aux heures de pointe dans des environnements urbains denses. Il y a des études de concept pour les stations de chargement où l’unité de stockage d’énergie est alimentée à partir des sources renouvelables (Al Wahedi & Bicer 2020[27]). Zhang et al. (2019[28]) présentent un concept d’entreprise tout fait pour une station de chargement située dans le milieu urbain. Apparemment, le seuil de profitabilité se situe aux environs de 5 100 000 kilowatt heures vendues par an.

En termes de technologie de stockage strictement dite, les batteries Li-ion semblent être la solution de base pour maintenant, quoi qu’une combinaison avec les piles à combustible ou bien avec l’hydrogène semble prometteuse (Al Wahedi & Bicer 2020 op. cit. ; Sharma, Panvar & Tripati 2020[29]). En général, pour le moment, les batteries Li-Ion montrent le rythme d’innovation relativement le plus soutenu (Tomaszewska et al. 2019[30] ; de Simone & Piegari 2019[31]; Koohi-Fayegh & Rosen 2020[32]). Un article récent par Elmeligy et al. (2021[33]) présente un concept intéressant d’unité mobile de stockage qui pourrait se déplacer entre plusieurs stations de chargement. Quant à l’investissement initial requis pour une station de chargement, ça semble expérimenter toujours mais la marge de manœuvre se rétrécit pour tomber quelque part entre $600 ÷ $800 par 1 kW de puissance (Cole & Frazier 2019[34]; Cole, Frazier, Augustine 2021[35]).

[1] Neves, M. C., Nunes, L. M., & Monteiro, J. P. (2020). Evaluation of GRACE data for water resource management in Iberia: a case study of groundwater storage monitoring in the Algarve region. Journal of Hydrology: Regional Studies, 32, 100734. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100734

[2] Chisola, M. N., Van der Laan, M., & Bristow, K. L. (2020). A landscape hydrology approach to inform sustainable water resource management under a changing environment. A case study for the Kaleya River Catchment, Zambia. Journal of Hydrology: Regional Studies, 32, 100762. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100762

[3] Wehn, U., & Montalvo, C. (2018). Exploring the dynamics of water innovation: Foundations for water innovation studies. Journal of Cleaner Production, 171, S1-S19. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.10.118

[4] Mvulirwenande, S., & Wehn, U. (2020). Fostering water innovation in Africa through virtual incubation: Insights from the Dutch VIA Water programme. Environmental Science & Policy, 114, 119-127. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2020.07.025

[5] Wong, T. H., Rogers, B. C., & Brown, R. R. (2020). Transforming cities through water-sensitive principles and practices. One Earth, 3(4), 436-447. https://doi.org/10.1016/j.oneear.2020.09.012

[6] Hogeboom, R. J. (2020). The Water Footprint Concept and Water’s Grand Environmental Challenges. One earth, 2(3), 218-222. https://doi.org/10.1016/j.oneear.2020.02.010

[7] Kumar, P., Avtar, R., Dasgupta, R., Johnson, B. A., Mukherjee, A., Ahsan, M. N., … & Mishra, B. K. (2020). Socio-hydrology: A key approach for adaptation to water scarcity and achieving human well-being in large riverine islands. Progress in Disaster Science, 8, 100134. https://doi.org/10.1016/j.pdisas.2020.100134

[8] Bagstad, K. J., Ancona, Z. H., Hass, J., Glynn, P. D., Wentland, S., Vardon, M., & Fay, J. (2020). Integrating physical and economic data into experimental water accounts for the United States: Lessons and opportunities. Ecosystem Services, 45, 101182. https://doi.org/10.1016/j.ecoser.2020.101182

[9] Mohamed, M. M., El-Shorbagy, W., Kizhisseri, M. I., Chowdhury, R., & McDonald, A. (2020). Evaluation of policy scenarios for water resources planning and management in an arid region. Journal of Hydrology: Regional Studies, 32, 100758. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100758

[10] Harvey, J.W., Schaffranek, R.W., Noe, G.B., Larsen, L.G., Nowacki, D.J., O’Connor, B.L., 2009. Hydroecological factors governing surface water flow on a low-gradient floodplain. Water Resour. Res. 45, W03421, https://doi.org/10.1029/2008WR007129.

[11] Phiri, W. K., Vanzo, D., Banda, K., Nyirenda, E., & Nyambe, I. A. (2021). A pseudo-reservoir concept in SWAT model for the simulation of an alluvial floodplain in a complex tropical river system. Journal of Hydrology: Regional Studies, 33, 100770. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100770.

[12] Lu, B., Blakers, A., Stocks, M., & Do, T. N. (2021). Low-cost, low-emission 100% renewable electricity in Southeast Asia supported by pumped hydro storage. Energy, 121387. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121387

[13] Stocks, M., Stocks, R., Lu, B., Cheng, C., & Blakers, A. (2021). Global atlas of closed-loop pumped hydro energy storage. Joule, 5(1), 270-284. https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.015

[14] Bortolini, L., & Zanin, G. (2019). Reprint of: Hydrological behaviour of rain gardens and plant suitability: A study in the Veneto plain (north-eastern Italy) conditions. Urban forestry & urban greening, 37, 74-86. https://doi.org/10.1016/j.ufug.2018.07.003

[15] Guo, X., Li, J., Yang, K., Fu, H., Wang, T., Guo, Y., … & Huang, W. (2018). Optimal design and performance analysis of hydraulic ram pump system. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Puissance and Energy, 232(7), 841-855. https://doi.org/10.1177%2F0957650918756761

[16] Li, J., Yang, K., Guo, X., Huang, W., Wang, T., Guo, Y., & Fu, H. (2021). Structural design and parameter optimization on a waste valve for hydraulic ram pumps. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Puissance and Energy, 235(4), 747–765. https://doi.org/10.1177/0957650920967489

[17] Cai, X., Ye, F., & Gholinia, F. (2020). Application of artificial neural network and Soil and Water Assessment Tools in evaluating Puissance generation of small hydroPuissance stations. Energy Reports, 6, 2106-2118. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.08.010.

[18] Hatata, A. Y., El-Saadawi, M. M., & Saad, S. (2019). A feasibility study of small hydro Puissance for selected locations in Egypt. Energy Strategy Reviews, 24, 300-313. https://doi.org/10.1016/j.esr.2019.04.013

[19] Syahputra, R., & Soesanti, I. (2021). Renewable energy systems based on micro-hydro and solar photovoltaic for rural areas: A case study in Yogyakarta, Indonesia. Energy Reports, 7, 472-490. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.01.015

[20] Sterl, S., Donk, P., Willems, P., & Thiery, W. (2020). Turbines of the Caribbean: Decarbonising Suriname’s electricity mix through hydro-supported integration of wind Puissance. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 134, 110352. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110352

[21] Vilanova, M. R. N., & Balestieri, J. A. P. (2014). HydroPuissance recovery in water supply systems: Models and case study. Energy conversion and management, 84, 414-426. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.04.057

[22] Vieira, D. A. G., Guedes, L. S. M., Lisboa, A. C., & Saldanha, R. R. (2015). Formulations for hydroelectric energy production with optimality conditions. Energy Conversion and Management, 89, 781-788. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.10.048

[23] Arthur, E., Anyemedu, F. O. K., Gyamfi, C., Asantewaa-Tannor, P., Adjei, K. A., Anornu, G. K., & Odai, S. N. (2020). Potential for small hydroPuissance development in the Lower Pra River Basin, Ghana. Journal of Hydrology: Regional Studies, 32, 100757. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100757

[24] Ali, M., Wazir, R., Imran, K., Ullah, K., Janjua, A. K., Ulasyar, A., … & Guerrero, J. M. (2021). Techno-economic assessment and sustainability impact of hybrid energy systems in Gilgit-Baltistan, Pakistan. Energy Reports, 7, 2546-2562. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.04.036

[25] Zhang, Y., He, Y., Wang, X., Wang, Y., Fang, C., Xue, H., & Fang, C. (2018). Modeling of fast charging station equipped with energy storage. Global Energy Interconnection, 1(2), 145-152. DOI:10.14171/j.2096-5117.gei.2018.02.006

[26] McKinsey Center for Future Mobility, How Battery Storage Can Help Charge the Electric-Vehicle Market?, February 2018,

[27] Al Wahedi, A., & Bicer, Y. (2020). Development of an off-grid electrical vehicle charging station hybridized with renewables including battery cooling system and multiple energy storage units. Energy Reports, 6, 2006-2021. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.07.022

[28] Zhang, J., Liu, C., Yuan, R., Li, T., Li, K., Li, B., … & Jiang, Z. (2019). Design scheme for fast charging station for electric vehicles with distributed photovoltaic power generation. Global Energy Interconnection, 2(2), 150-159. https://doi.org/10.1016/j.gloei.2019.07.003

[29] Sharma, S., Panwar, A. K., & Tripathi, M. M. (2020). Storage technologies for electric vehicles. Journal of traffic and transportation engineering (english edition), 7(3), 340-361. https://doi.org/10.1016/j.jtte.2020.04.004

[30] Tomaszewska, A., Chu, Z., Feng, X., O’Kane, S., Liu, X., Chen, J., … & Wu, B. (2019). Lithium-ion battery fast charging: A review. ETransportation, 1, 100011. https://doi.org/10.1016/j.etran.2019.100011

[31] De Simone, D., & Piegari, L. (2019). Integration of stationary batteries for fast charge EV charging stations. Energies, 12(24), 4638. https://doi.org/10.3390/en12244638

[32] Koohi-Fayegh, S., & Rosen, M. A. (2020). A review of energy storage types, applications and recent developments. Journal of Energy Storage, 27, 101047. https://doi.org/10.1016/j.est.2019.101047

[33] Elmeligy, M. M., Shaaban, M. F., Azab, A., Azzouz, M. A., & Mokhtar, M. (2021). A Mobile Energy Storage Unit Serving Multiple EV Charging Stations. Energies, 14(10), 2969. https://doi.org/10.3390/en14102969

[34] Cole, Wesley, and A. Will Frazier. 2019. Cost Projections for Utility-Scale Battery Storage.

Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. NREL/TP-6A20-73222. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/73222.pdf

[35] Cole, Wesley, A. Will Frazier, and Chad Augustine. 2021. Cost Projections for UtilityScale Battery Storage: 2021 Update. Golden, CO: National Renewable Energy

Laboratory. NREL/TP-6A20-79236. https://www.nrel.gov/docs/fy21osti/79236.pdf.

Seasonal lakes

Once again, been a while since I last blogged. What do you want, I am having a busy summer. Putting order in my own chaos, and, over the top of that, putting order in other people’s chaos, this is all quite demanding in terms of time and energy. What? Without trying to put order in chaos, that chaos might take less time and energy? Well, yes, but order look tidier than chaos.

I am returning to the technological concept which I labelled ‘Energy Ponds’ (or ‘projet Aqueduc’ in French >> see: Le Catch 22 dans ce jardin d’Eden). You can find a description of that concept onder the hyperlinked titles provided. I am focusing on refining my repertoire of skills in scientific validation of technological concepts. I am passing in review some recent literature, and I am trying to find good narrative practices in that domain.

The general background of ‘Energy Ponds’ consists in natural phenomena observable in Europe as the climate change progresses, namely: a) long-term shift in the structure of precipitations, from snow to rain b) increasing occurrence of floods and droughts c) spontaneous reemergence of wetlands. All these phenomena have one common denominator: increasingly volatile flow per second in rivers. The essential idea of Energy Ponds is to ‘financialize’ that volatile flow, so to say, i.e. to capture its local surpluses, store them for later, and use the very mechanism of storage itself as a source of economic value.

When water flows downstream, in a river, its retention can be approached as the opportunity for the same water to loop many times over the same specific portion of the collecting basin (of the river). Once such a loop is created, we can extend the average time that a liter of water spends in the whereabouts. Ram pumps, connected to storage structures akin to swamps, can give such an opportunity. A ram pump uses the kinetic energy of flowing water in order to pump some of that flow up and away from its mainstream. Ram pumps allow forcing a process, which we now as otherwise natural. Rivers, especially in geological plains, where they flow relatively slowly, tend to build, with time, multiple ramifications. Those branchings can be directly observable at the surface, as meanders, floodplains or seasonal lakes, but much of them is underground, as pockets of groundwater. In this respect, it is useful to keep in mind that mechanically, rivers are the drainpipes of rainwater from their respective basins. Another basic hydrological fact, useful to remember in the context of the Energy Ponds concept, is that strictly speaking retention of rainwater – i.e. a complete halt in its circulation through the collecting basin of the river – is rarely possible, and just as rarely it is a sensible idea to implement. Retention means rather a slowdown to the flow of rainwater through the collecting basin into the river.

One of the ways that water can be slowed down consists in making it loop many times over the same section of the river. Let’s imagine a simple looping sequence: water from the river is being ram-pumped up and away into retentive structures akin to swamps, i.e. moderately deep spongy structures underground, with high capacity for retention, covered with a superficial layer of shallow-rooted vegetation. With time, as the swamp fills with water, the surplus is evacuated back into the river, by a system of canals. Water stored in the swamp will be ultimately evacuated, too, minus evaporation, it will just happen much more slowly, by the intermediary of groundwaters. In order to illustrate the concept mathematically, let’ s suppose that we have water in the river flowing at the pace of, e.g. 45 m3 per second. We make it loop once via ram pumps and retentive swamps, and, if as a result of that looping, the speed of the flow is sliced by 3. On the long run we slow down the way that the river works as the local drainpipe: we slow it from 43 m3 per second down to [43/3 = 14,33…] m3 per second. As water from the river flows slower overall, it can yield more environmental services: each cubic meter of water has more time to ‘work’ in the ecosystem.

When I think of it, any human social structure, such as settlements, industries, infrastructures etc., needs to stay in balance with natural environment. That balance is to be understood broadly, as the capacity to stay, for a satisfactorily long time, within a ‘safety zone’, where the ecosystem simply doesn’t kill us. That view has little to do with the moral concepts of environment-friendliness or sustainability. As a matter of fact, most known human social structures sooner or later fall out of balance with the ecosystem, and this is how civilizations collapse. Thus, here comes the first important assumption: any human social structure is, at some level, an environmental project. The incumbent social structures, possible to consider as relatively stable, are environmental projects which have simply hold in place long enough to grow social institutions, and those institutions allow further seeking of environmental balance.

I am starting my review of literature with an article by Phiri et al. (2021[1]), where the authors present a model for assessing the way that alluvial floodplains behave. I chose this one because my concept of Energy Ponds is supposed to work precisely in alluvial floodplains, i.e. in places where we have: a) a big river b) a lot of volatility in the amount of water in that river, and, as a consequence, we have (c) an alternation of floods and droughts. Normal stuff where I come from, i.e. in Northern Europe. Phiri et al. use the general model, acronymically called SWAT, which comes from ‘Soil and Water Assessment Tool’ (see also: Arnold et al. 1998[2]; Neitsch et al. 2005[3]), and with that general tool, they study the concept of pseudo-reservoirs in alluvial plains. In short, a pseudo-reservoir is a hydrological structure which works like a reservoir but does not necessarily look like one. In that sense, wetlands in floodplains can work as reservoirs of water, even if from the hydrological point of view they are rather extensions of the main river channel (Harvey et al. 2009[4]).

Analytically, the SWAT model defines the way a reservoir works with the following equation: V = V_stored + V_flowin − V_flowout + V_pcp − V_evap − V_seep . People can rightly argue that it is a good thing to know what symbols mean in an equation, and therefore V stands for the volume of water in reservoir at the end of the day, V_stored corresponds to the amount of water stored at the beginning of the day, V_flowin means the quantity of water entering reservoir during the day, V_flowout is the metric outflow of water during the day, V_pcp is volume of precipitation falling on the water body during the day, V_evap is volume of water removed from the water body by evaporation during the day, V_seep is volume of water lost from the water body by seepage.

This is a good thing to know, as well, once we have a nice equation, what the hell are we supposed to do with it in real life. Well, the SWAT model has even its fan page (http://www.swatusers.com ), and, as Phiri et al. phrase it out, it seems that the best practical use is to control the so-called ‘target release’, i.e. the quantity of water released at a given point in space and time, designated as V_targ. The target release is mostly used as a control metric for preventing or alleviating floods, and with that purpose in mind, two decision rules are formulated. During the non-flood season, no reservation for flood is needed, and target storage is set at emergency spillway volume. In other words, in the absence of imminent flood, we can keep the reservoir full. On the other hand, when the flood season is on, flood control reservation is a function of soil water content. This is set to maximum and 50 % of maximum for wet and dry grounds, respectively. In the context of the V = V_stored + V_flowin − V_flowout + V_pcp − V_evap − V_seep equation, V_targ is a specific value (or interval of values) in the V_flowout component.

As I am wrapping my mind around those conditions, I am thinking about the opposite application, i.e. about preventing and alleviating droughts. Drought is recognizable by exceptionally low values in the amount of water stored at the end of the given period, thus in the basic V, in the presence of low precipitation, thus low V_pcp, and high evaporation, which corresponds to high V_evap. More generally, both floods and droughts occur when – or rather after – in a given V_flowin − V_flowout balance, precipitation and evaporation take one turn or another.

I feel like moving those exogenous meteorological factors on one side of the equation, which goes like – V_pcp + V_evap = – V + V_stored + V_flowin − V_flowout − V_seep and doesn’t make much sense, as there are not really many cases of negative precipitation. I need to switch signs, and then it is more presentable, as V_pcp – V_evap = V – V_stored – V_flowin + V_flowout + V_seep . Weeell, almost makes sense. I guess that V_flowi_n is sort of exogenous, too. The inflow of water into the basin of the river comes from a melting glacier, from another river, from an upstream section of the same river etc. I reframe: V_pcp – V_evap + V_flowin = V – V_stored + V_flowout + V_seep . Now, it makes sense. Precipitations plus the inflow of water through the main channel of the river, minus evaporation, all that stuff creates a residual quantity of water. That residual quantity seeps into the groundwaters (V_seep), flows out (V_flowout), and stays in the reservoir-like structure at the end of the day (V – V_stored).

I am having a look at how Phiri et al. (2021 op. cit.) phrase out their model of pseudo-reservoir. The output value they peg the whole thing on is V_psrc, or the quantity of water retained in the pseudo-reservoir at the end of the day. The V_psrc is modelled for two alternative situations: no flood (V ≤ V_targ), or flood (V > V_targ). I interpret drought as particularly uncomfortable a case of the absence of flood.

Whatever. If V ≤ V_targ , then V_psrc = V_stored + V_flowin − V_baseflowout + V_pcp − V_evap − V_seep , where, besides the already known variables, V_baseflowoutstands for volume of water leaving PSRC during the day as base flow. When, on the other hand, we have flood, V_psrc = V_stored + V_flowin − V_baseflowout − V_overflowout + V_pcp − V_evap − V_seep .

Phiri et al. (2021 op. cit.) argue that once we incorporate the phenomenon of pseudo-reservoirs in the evaluation of possible water discharge from alluvial floodplains, the above-presented equations perform better than the standard SWAT model, or V = V_stored + V_flowin − V_flowout + V_pcp − V_evap − V_seep .

My principal takeaway from the research by Phiri et al. (2021 op. cit.) is that wetlands matter significantly for the hydrological balance of areas with characteristics of floodplains. My concept of ‘Energy Ponds’ assumes, among other things, storing water in swamp-like structures, including urban and semi-urban ones, such as rain gardens (Sharma & Malaviya 2021[5] ; Li, Liu & Li 2020[6] ; Venvik & Boogaard 2020[7],) or sponge cities (Ma, Jiang & Swallow 2020[8] ; Sun, Cheshmehzangi & Wang 2020[9]).

Now, I have a few papers which allow me to have sort of a bird’s eye view of the SWAT model as regards the actual predictability of flow and retention in fluvial basins. It turns out that identifying optimal sites for hydropower installations is a very complex task, prone to a lot of error, and only the introduction of digital data such as GIS allows acceptable precision. The problem is to estimate accurately both the flow and the head of the waterway in question at an exact location (Liu et al., 2017[10]; Gollou and Ghadimi 2017[11]; Aghajani & Ghadimi 2018[12]; Yu & Ghadimi 2019[13]; Cai, Ye & Gholinia 2020[14]). My concept of ‘Energy Ponds’ includes hydrogeneration, but makes one of those variables constant, by introducing something like Roman siphons, with a constant head, apparently possible to peg at 20 metres. The hydro-power generation seems to be pseudo-concave function (i.e. it hits quite a broad, concave peak of performance) if the hydraulic head (height differential) is constant, and the associated productivity function is strongly increasing. Analytically, it can be expressed as a polynomial, i.e. as a combination of independent factors with various powers (various impact) assigned to them (Cordova et al. 2014[15]; Vieira et al. 2015[16]). In other words, by introducing, in my technological concept, that constant head (height) makes the whole thing more prone to optimization.

Now, I take on a paper which shows how to present a proof of concept properly: Pradhan, A., Marence, M., & Franca, M. J. (2021). The adoption of Seawater Pump Storage Hydropower Systems increases the share of renewable energy production in Small Island Developing States. Renewable Energy, https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.05.151 . This paper is quite close to my concept of ‘Energy Ponds’, as it includes the technology of pumped storage, which I think about morphing and changing into something slightly different. Such as presented by Pradhan, Marence & Franca (2021, op. cit.), the proof of concept is structured in two parts: the general concept is presented, and then a specific location is studied – the island of Curaçao, in this case – as representative for a whole category. The substance of proof is articulated around the following points:

>> the basic diagnosis as for the needs of the local community in terms of energy sources, with the basic question whether Seawater Pumped Storage Hydropower System is locally suitable as technology. In this specific case, the main criterium was the possible reduction of dependency on fossils. Assumptions as for the electric power required have been made, specifically for the local community.

>> a GIS tool has been tested for choosing the optimal location. GIS stands for Geographic Information System (https://en.wikipedia.org/wiki/Geographic_information_system ). In this specific thread the proof of concept consisted in checking whether the available GIS data, and the software available for processing it are sufficient for selecting an optimal location in Curaçao.

At the bottom line, the proof of concept sums up to checking, whether the available GIS technology allows calibrating a site for installing the required electrical power in a Seawater Pumped Storage Hydropower System.

That paper by Pradhan, Marence & Franca (2021, op. cit.) presents a few other interesting traits for me. Firstly, the author’s prove that combining hydropower with windmills and solar modules is a viable solution, and this is exactly what I thought, only I wasn’t sure. Secondly, the authors consider a very practical issue: corrosion, and the materials recommended in order to bypass that problem. Their choice is fiberglass. Secondly, they introduce an important parameter, namely the L/H aka ‘Length to Head’ ratio. This is the proportion between the length of water conductors and the hydraulic head (i.e. the relative denivelation) in the actual installation. Pradhan, Marence & Franca recommend distinguishing two types of installations: those with L/H < 15, on the one hand, and those with 15 ≤ L/H ≤ 25. However accurate is that assessment of theirs, it is a paremeter to consider. In my concept of ‘Energy Ponds’, I assume an artificially created hydraulic head of 20 metres, and thus the conductors leading from elevated tanks to the collecting wetland-type structure should be classified in two types, namely [(L/H < 15)  (L < 15*20)  (L < 300 metres)], on the one hand, and [(15 ≤ L/H ≤ 25)  (300 metres ≤ L ≤ 500 metres)], on the other hand.

Still, there is bad news for me. According to a report by Botterud, Levin & Koritarov (2014[17]), which Pradhan, Marence & Franca quote as an authoritative source, hydraulic head for pumped storage should be at least 100 metres in order to make the whole thing profitable. My working assumption with ‘Energy Ponds’ is 20 metres, and, obviously, I have to work through it.

I think I have the outline of a structure for writing a decent proof-of-concept article for my ‘Energy Ponds’ concept. I think I should start with something I have already done once, two years ago, namely with compiling data as regards places in Europe, located in fluvial plains, with relatively the large volatility in water level and flow. These places will need water retention.

Out of that list, I select locations eligible for creating wetland-type structures for retaining water, either in the form of swamps, or as porous architectural structures. Once that second list prepared, I assess the local need for electrical power. From there, I reverse engineer. With a given power of X megawatts, I reverse to the storage capacity needed for delivering that power efficiently and cost-effectively. I nail down the storage capacity as such, and I pass in review the available technologies of power storage.

Next, I choose the best storage technology for that specific place, and I estimate the investment outlays necessary for installing it. I calculate the hydropower required in hydroelectric turbines, as well as in adjacent windmills and photovoltaic. I check whether the local river can supply the amount of water that fits the bill. I pass in review literature as regards optimal combinations of those three sources of energy. I calculate the investment outlays needed to install all that stuff, and I add the investment required in ram pumping, elevated tanks, and water conductors.

Then, I do a first approximation of cash flow: cash from sales of electricity, in that local installation, minus the possible maintenance costs. After I calculate that gross margin of cash, I compare it to the investment capital I had calculated before, and I try to estimate provisionally the time of return on investment. Once this done, I add maintenance costs to my sauce. I think that the best way of estimating these is to assume a given lifecycle of complete depreciation in the technology installed, and to count maintenance costs as the corresponding annual amortization.

[1] Phiri, W. K., Vanzo, D., Banda, K., Nyirenda, E., & Nyambe, I. A. (2021). A pseudo-reservoir concept in SWAT model for the simulation of an alluvial floodplain in a complex tropical river system. Journal of Hydrology: Regional Studies, 33, 100770. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100770.

[2] Arnold, J.G., Srinivasan, R., Muttiah, R.S., Williams, J.R., 1998. Large area hydrological modelling and assessment: Part I. Model development. J. Am. Water Resour. Assoc. 34, 73–89.

[3] Neitsch, S.L., Arnold, J.G., Kiniry, J.R., Williams, J.R., 2005. “Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation.” Version 2005. Blackland Research Center, Texas.

[4] Harvey, J.W., Schaffranek, R.W., Noe, G.B., Larsen, L.G., Nowacki, D.J., O’Connor, B.L., 2009. Hydroecological factors governing surface water flow on a low-gradient floodplain. Water Resour. Res. 45, W03421, https://doi.org/10.1029/2008WR007129.

[5] Sharma, R., & Malaviya, P. (2021). Management of stormwater pollution using green infrastructure: The role of rain gardens. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water, 8(2), e1507. https://doi.org/10.1002/wat2.1507

[6] Li, J., Liu, F., & Li, Y. (2020). Simulation and design optimization of rain gardens via DRAINMOD and response surface methodology. Journal of Hydrology, 585, 124788. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124788

[7] Venvik, G., & Boogaard, F. C. (2020). Infiltration capacity of rain gardens using full-scale test method: effect of infiltration system on groundwater levels in Bergen, Norway. Land, 9(12), 520. https://doi.org/10.3390/land9120520

[8] Ma, Y., Jiang, Y., & Swallow, S. (2020). China’s sponge city development for urban water resilience and sustainability: A policy discussion. Science of the Total Environment, 729, 139078. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.139078

[9] Sun, J., Cheshmehzangi, A., & Wang, S. (2020). Green infrastructure practice and a sustainability key performance indicators framework for neighbourhood-level construction of sponge city programme. Journal of Environmental Protection, 11(2), 82-109. https://doi.org/10.4236/jep.2020.112007

[10] Liu, Yan, Wang, Wei, Ghadimi, Noradin, 2017. Electricity load forecasting by an improved forecast engine for building level consumers. Energy 139, 18–30. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.07.150

[11] Gollou, Abbas Rahimi, Ghadimi, Noradin, 2017. A new feature selection and hybrid forecast engine for day-ahead price forecasting of electricity markets. J. Intell. Fuzzy Systems 32 (6), 4031–4045.

[12] Aghajani, Gholamreza, Ghadimi, Noradin, 2018. Multi-objective energy manage- ment in a micro-grid. Energy Rep. 4, 218–225.

[13] Yu, Dongmin, Ghadimi, Noradin, 2019. Reliability constraint stochastic UC by considering the correlation of random variables with Copula theory. IET Renew. Power Gener. 13 (14), 2587–2593.

[14] Cai, X., Ye, F., & Gholinia, F. (2020). Application of artificial neural network and Soil and Water Assessment Tools in evaluating power generation of small hydropower stations. Energy Reports, 6, 2106-2118. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.08.010.

[15] Cordova M, Finardi E, Ribas F, de Matos V, Scuzziato M. Performance evaluation and energy production optimization in the real-time operation of hydropower plants. Electr Pow Syst Res 2014;116:201–7. http://dx.doi.org/ 10.1016/j.epsr.2014.06.012

[16] Vieira, D. A. G., Guedes, L. S. M., Lisboa, A. C., & Saldanha, R. R. (2015). Formulations for hydroelectric energy production with optimality conditions. Energy Conversion and Management, 89, 781-788.

[17] Botterud, A., Levin, T., & Koritarov, V. (2014). Pumped storage hydropower: benefits for grid reliability and integration of variable renewable energy (No. ANL/DIS-14/10). Argonne National Lab.(ANL), Argonne, IL (United States). https://publications.anl.gov/anlpubs/2014/12/106380.pdf

Le Catch 22 dans ce jardin d’Eden

Ça fait un sacré bout de temps depuis ma dernière mise à jour en français sur ce blog, « Discover Social Sciences ». Je n’avais pas écrit en français depuis printemps 2020. Pourquoi je recommence maintenant ? Probablement parce que j’ai besoin d’arranger les idées dans ma tête. Il se passe beaucoup de choses, cette année, et j’avais découvert, déjà en 2017, qu’écrire en français m’aide à mettre de l’ordre dans le flot de mes pensées.

Je me concentre sur un sujet que j’avais déjà développé dans le passé et que je vais présenter à une conférence, ce vendredi. Il s’agit du concept que j’avais nommé « Étangs énergétiques » auparavant et que je présente maintenant comme « Projet aqueduc ». Je commence avec une description générale du concept et ensuite je vais passer en revue un peu de littérature récente sur le sujet.

Oui, bon, le sujet. Le voilà. Il s’agit d’un concept technologique qui combine la rétention contrôlée de l’eau dans les écosystèmes placés le long des fleuves et des rivières avec de la génération d’électricité avec les turbines hydrauliques, le tout sur la base des structures marécageuses. Du point de vue purement hydrologique, une rivière est une gouttière qui collecte l’eau de pluie qui tombe sur la surface de son bassin. Le lit de la rivière est une vallée inclinée qui connecte les points le moins élevés du terrain en question et de de fait l’eau de pluie converge des tous les points du bassin fluvial vers l’embouchure de la rivière.

La civilisation humaine sédentaire est largement basée sur le fait que les bassins fluviaux ont la capacité de retenir l’eau de pluie pour un certain temps avant qu’elle s’évapore ou coule dans la rivière. Ça se retient à la surface – en forme des lacs, étangs ou marécages – et ça se retient sous terre, en forme des couches et des poches aquifères diverses. La rétention souterraine dans les poches aquifères rocheuses est naturellement permanente. L’eau retenue dans une couche aquifère reste là jusqu’au moment où nous la puisons. En revanche, la rétention superficielle ainsi que celle dans les couches aquifères souterraines est essentiellement temporaire. L’eau y est ralentie dans sa circulation, aussi bien dans son mouvement physique vers les points les plus bas du bassin local (la rivière du coin) que dans son évaporation vers l’atmosphère. L’existence même des fleuves et des rivières est aussi une manifestation de circulation ralentie. Le lit de la rivière n’arrive pas à évacuer en temps réel toute l’eau qui s’y agglomère et c’est ainsi que les rivières ont de la profondeur : cette profondeur est la mesure de rétention temporaire de l’eau de pluie.

Ces mécanismes fondamentaux fonctionnent différemment en fonction des conditions géologiques. Maintenant, je me concentre sur les conditions que je connais dans mon environnement à moi, donc sur les écosystèmes des plaines et des vallées de l’Europe du Nord, soit grosso modo au nord des Alpes. Ces écosystèmes sont pour la plupart des moraines post-glaciales de fond, donc c’est de la terre littéralement labourée, sculptée et dénivelée par les glaciers. Il n’y a pas vraiment beaucoup de poches aquifères profondes dans la roche de base, en revanche nous avons beaucoup de couches aquifères relativement proches de la surface. Par conséquent, il n’y a pas beaucoup d’accumulation durable de l’eau, à la différence de l’Europe du Sud et de l’Afrique du Nord, où les poches aquifères rocheuses peuvent retenir des quantités importantes d’eau pendant des décennies, voir des siècles. La circulation de l’eau dans ces écosystèmes des plaines est relativement lente – beaucoup plus lente que dans la montagne – ce qui favorise la présence des rivières larges et pas vraiment très profondes ainsi que la formation des marécages.

Dans ces plaines post-glaciales de l’Europe du Nord, l’eau coule lentement, s’accumule peu et s’évapore vite. La forme idéale des précipitations dans ces conditions géologiques c’est de la neige abondante en hiver – qui fond lentement, goutte par goute, au printemps – ainsi que des pluies lentes en longues. La moraine post-glaciale absorbe bien de l’eau qui arrive lentement, mais n’est pas vraiment faite pour absorber des pluies torrentielles. Avec le changement climatique, les précipitations ont changé. Il y a beaucoup moins de neige en hiver en beaucoup plus des pluies violentes. Si nous voulons avoir du contrôle de notre système hydrologique, il nous faut des technologies de rétention d’eau pour compenser des variations temporaires.

Bon, ça c’est le contexte de mon idée et voilà l’idée elle-même. Elle consiste à créer des structures marécageuses semi-artificielles dans la proximité des rivières et les remplir avec de l’eau pompée desdites rivières. La technologie de pompage est celle du bélier hydraulique : une pompe qui utilise l’énergie cinétique de l’eau courante. Le principe général est un truc ancien. D’après ce que j’ai lu à ce sujet, le principe de base, sous la forme de la roue à aubes , fût déjà en usage dans la Rome ancienne, était très utilisé dans les villes Européennes jusqu’à la fin du 18^ème siècle. La technologie du bélier hydraulique – une pompe qui utilise ladite énergie cinétique de l’eau dans un mécanisme similaire au muscle cardiaque – fût victime des aléas de l’histoire. Inventée en 1792 par Joseph de Montgolfier (oui, l’un des fameux frères-ballon), cette technologie n’avait jamais eu l’occasion de montrer tous ses avantages. en 1792 (le même qui, quelques années plus tôt, fit voler, avec son frère Étienne, le premier ballon à air chaud). Au 19^ème siècle, avec la création des systèmes hydrauliques modernes avec l’eau courante dans les robinets, les technologies de pompage devaient offrir assez de puissance pour assurer une pression suffisante au niveau des robinets et c’est ainsi que les pompes électriques avaient pris la relève. Néanmoins, lorsqu’il s’agit de pomper lentement de l’eau courante des rivières vers les marécages artificiels, le bélier hydraulique est suffisant.

« Suffisant pour faire quoi exactement ? », peut-on demander. Voilà donc le reste de mon idée. Un ou plusieurs béliers hydrauliques sont plongés dans une rivière. Ils pompent l’eau de la rivière vers des structures marécageuses semi-artificielles. Ces marécages servent à retenir l’eau de pluie (qui coule déjà dans le cours de la rivière). L’eau de la rivière que je pompe vers les marécages c’est l’eau de pluie qui avait gravité, en amont, vers le lit de la rivière. Une fois dans les marécages, cette eau va de toute façon finir par graviter vers le lit de la rivière à quelque distance en amont. Pompage et rétention dans les marécages servent à ralentir la circulation de l’eau dans l’écosystème local. Circulation ralentie veut dire que plus d’eau va s’accumuler dans cet écosystème, comme une réserve flottante. Il y aura plus d’eau dans les couches aquifères souterraines, donc plus d’eau dans les puits locaux et – à la longue – plus d’eau dans la rivière elle-même, puisque l’eau dans la rivière c’est l’eau qui y avait coulé depuis et à travers les réservoirs locaux.

Jusqu’à ce point-là, l’idée se présente donc de façon suivante : rivière => bélier hydraulique => marécages => rivière. Je passe plus loin. Le pompage consiste à utiliser l’énergie cinétique de l’eau courante. L’énergie, ça se conserve par transformation. L’énergie cinétique de l’eau courante se transforme en énergie cinétique de la pompe, qui à son tour se transforme en énergie cinétique du flux vers les marécages.

La surface des marécages est placée au-dessus du lit de la rivière, à moins qu’ils ne soient un polder, auquel cas il n’y a pas besoin de pompage. Une fois l’eau est déversée dans les marécages, ceux-là absorbent donc, dans leur masse, l’énergie cinétique du flux qui se transforme en énergie potentielle de dénivellation. Et si nous amplifions ce phénomène ? Si nous utilisions l’énergie cinétique captée par le bélier hydraulique de façon à minimiser la dispersion dans la masse des marécages et de créer un maximum d’énergie potentielle ? L’énergie potentielle et proportionnelle à l’élévation relative. Plus haut je pompe l’eau de la rivière, plus d’énergie potentielle je récupère à partir de l’énergie cinétique du flux pompé. La solution la plus évidente serait une installation de pompage-turbinage, donc le réservoir de rétention devrait être placé sérieusement plus haut que la rivière. Quoi qu’apparemment la plus évidente et porteuse des principes de base intéressants, cette solution a ses défauts en ce qui concerne sa flexibilité et son coût.

Le principe de base à retenir c’est l’idée d’utiliser l’énergie potentielle de l’eau pompée à une certaine élévation comme un de facto réservoir d’énergie électrique. Il suffit de placer des turbines hydro-électriques en aval de l’eau stockée en élévation. En revanche, les installations de pompage-turbinage sont très coûteuses et très exigeantes en termes d’espace. Le réservoir supérieur dans les installations de pompage-turbinage est censé être soit un lac semi-artificiel soit un réservoir complètement artificiel en de tour, certainement pas un marécage. Il est donc temps que j’explique pourquoi je suis tant attaché à cette forme hydrologique précise. Les marécages sont relativement peu chers à créer et à maintenir, tout en étant relativement faciles à placer près de et de combiner avec les habitations humaines. Par « relativement » je veux dire en comparaison au pompage-turbinage.

Le marécage est un endroit symboliquement négatif dans notre culture. Le mal est tapi dans les marécages. Les marécages sont malsains. Ma théorie tout à fait privée à ce sujet est que dans le passé les colonies humaines, fréquemment celles qui ont finalement donné naissance à des villes, étaient localisées près des marécages. Probablement c’était parce que le niveau d’eau souterraine dans des tels endroits est favorablement haut. Il est facile d’y creuser des puits, d’épandre des fossés d’irrigation, petit gibier y abonde. Seulement voilà, lorsque les homo sapiens abondent, ils se différencient inévitablement en hominides rustiques d’une part et les citadins d’autre part. Ce partage est un mécanisme de base de la civilisation humaine. La campagne produit de la nourriture, la ville produit des nouveaux rôles sociaux, à travers interaction intense dans un espace densément peuplé. L’un des aspects fondamentaux de la ville est qu’elle sert de laboratoire expérimental permanent pour nos technologies, à travers la construction et la reconstruction d’immeubles. Oui, l’architecture, en compagnie du textile, du bâtiment naval et de la guerre, ont toujours été les activités humaines par excellence orientées sur l’innovation technologique.

La ville veut donc dire le bâtiment et le bâtiment a besoin de terre vraiment ferme. Les marécages deviennent ennemis. Il faut les assécher et les séparer durablement de la circulation hydrologique naturelle qui les eût formés pendant des millénaires. Les humains et les marécages ce fût donc un mariage naturel au début, suivie par une crise conjugale due à la nécessité d’apprendre comment faire de la technologie nouvelle et maintenant la technologie vraiment nouvelle rend possible une médiation conjugale dans ce couple. Il y a tout un courant de recherche et innovation architecturale, concentré autour des concepts tels que « les jardins de pluie » (Sharma & Malaviya 2021[1] ; Li, Liu & Li 2020[2] ; Venvik & Boogaard 2020[3]) ou « les villes éponges » (Ma, Jiang & Swallow2020[4] ; Sun, Cheshmehzangi & Wang 2020[5]). Nous sommes en train de développer des technologies qui rendent la cohabitation entre villes et marécages non seulement possible mais bénéfique pour l’environnement et pour les citadins en même temps.

Question : comment utiliser le principe de base de pompage-turbinage, donc le stockage d’énergie potentielle de l’eau placée en élévation, sans construire des structures de pompage-turbinage et en présence des structures marécageuses à la limite de la ville et de la campagne ? Réponse : à travers la construction des tours relativement petites et légères, avec des petits réservoirs d’égalisation au sommet de chaque tour. Un bélier hydraulique bien construit rend possible d’élever l’eau par 20 mètres environ. On peut imaginer donc un réseau des béliers hydrauliques installés dans le cours d’une rivière et connectés à des petites tours de 20 mètres chacune, où chaque tour est équipée d’un tuyau de descente vers les marécages et le tuyau est équipé des petites turbines hydro-électriques.

L’idée complète se présente donc comme suit : rivière => bélier hydraulique => l’eau monte => tours légères de 20 mètres avec des petits réservoirs d’égalisation au sommet => l’eau descend => petites turbines hydro-électriques => marécages => l’eau s’accumule => circulation hydrologique naturelle à travers le sol => rivière.

Bon, où est le Catch 22 dans ce jardin d’Eden ? Dans l’aspect économique. Les béliers hydrauliques de bonne qualité, tels qu’ils sont produits aujourd’hui, sont chers. Il y a très peu de fournisseurs solides de cette technologie. La plupart des béliers hydrauliques en utilisation sont des machins artisanaux à faible puissance et petit débit. L’infrastructure des tours de siphonage avec les turbines hydro-électriques de bonne qualité, ça coûte aussi. Si on veut être sérieux côté électricité, faut équiper tout ce bazar avec des magasins d’énergie. Toute l’infrastructure aurait besoin des frais de maintenance que je ne sais même pas comment calculer. Selon mes calculs, la vente d’électricité produite dans ce circuit hydrologique pourrait assurer un retour sur l’investissement pas plus court que 8 – 9 ans et encore, c’est calculé avec des prix d’électricité vraiment élevés.

Faut que j’y pense (plus).

[1] Sharma, R., & Malaviya, P. (2021). Management of stormwater pollution using green infrastructure: The role of rain gardens. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water, 8(2), e1507. https://doi.org/10.1002/wat2.1507

[2] Li, J., Liu, F., & Li, Y. (2020). Simulation and design optimization of rain gardens via DRAINMOD and response surface methodology. Journal of Hydrology, 585, 124788. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124788

[3] Venvik, G., & Boogaard, F. C. (2020). Infiltration capacity of rain gardens using full-scale test method: effect of infiltration system on groundwater levels in Bergen, Norway. Land, 9(12), 520. https://doi.org/10.3390/land9120520

[4] Ma, Y., Jiang, Y., & Swallow, S. (2020). China’s sponge city development for urban water resilience and sustainability: A policy discussion. Science of the Total Environment, 729, 139078. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.139078

[5] Sun, J., Cheshmehzangi, A., & Wang, S. (2020). Green infrastructure practice and a sustainability key performance indicators framework for neighbourhood-level construction of sponge city programme. Journal of Environmental Protection, 11(2), 82-109. https://doi.org/10.4236/jep.2020.112007

Alois in the middle

I am returning to my syllabuses for the next academic year. I am focusing more specifically on microeconomics. Next year, I am supposed to give lectures in Microeconomics at both the Undergraduate, and the Master’s level. I feel like asking fundamental questions. My fundamental question, as it comes to teaching any curriculum, is the same: what can my students do with it? What is the function and the purpose of microeconomics? Please, notice that I am not asking that frequently stated, rhetorical question ‘What are microeconomics about?’. Well, buddy, microeconomics are about the things you are going to lecture about. Stands to reason. I want to know, and communicate, what is the practical utility, in one’s life, of those things that microeconomics are about.

The basic claim I am focusing on is the following: microeconomics are the accountancy of social structures. They serve exactly the same purpose that any kind of bookkeeping has ever served: to find and exploit patterns in human behaviour, by the means of accurately applied measures. Them ancients, who built those impressive pyramids (who builds a structure without windows and so little free space inside?), very quickly gathered that in order to have one decent pyramid, you need an army of clerks who do the accounting. They used to count stone, people, food, water etc. This is microeconomics, basically.

Thus, you can do with microeconomics if you want to build an ancient pyramid. Now, I am dividing the construction of said ancient pyramid in two stages: Undergraduate, and Master’s. An Undergraduate ancient pyramid requires the understanding of what do you need to keep the accounts of if you don’t want to be thrown to crocodiles. At the Master’s level, you will want to know what are the odds that you find yourself in a social structure, where inaccurate accounting, in connection with a pyramid, will have you thrown to crocodiles.

Good, now some literature, and a little turn by my current scientific work on the EneFin concept (see « Which salesman am I? » and « Sans une once d’utopisme » for sort of a current account of that research). I have just read that sort of transitional form of science, between an article and a book, basically a report, by Bleich and Guimaraes 2016[1]. It regards investment in renewable energies, mostly from the strictly spoken view of investment logic. Return on investment, net present value – that kind of thing. As I was making my notes out of that reading, my mind made a jump, and it landed on the cover of the quite-well-known book by Joseph Schumpeter: ‘Business Cycles’.

Joseph Schumpeter is an intriguing classic, so to say. Born in 1883, he published ‘Business Cycles’ in 1939, being 56 year-old, after the hell of a ride both for him and for the world, and right at the beginning of another ride (for the world). He was studying economics in Austria, in the early 1900, when social sciences in general were sort of different from their today’s version. They were the living account of a world that used to be changing at a breath-taking pace. Young Joseph (well, Alois in the middle) Schumpeter witnessed the rise of Marxism, World War I, the dissolution of his homeland, the Austro-Hungarian Empire, the rise of the German Reich. He moved from academia to banking, and from European banking to American academia.

I deeply believe that whatever kind of story I am telling, whether I am lecturing about economics, discussing a business concept, or chatting about philosophy, at the bottom line I am telling the story of my own existence. I also deeply believe that the same is true for anyone who goes to any lengths in telling a story. We tell stories in order to rationalize that crazy, exciting, unique and deadly something called ‘life’. To me, those ‘Business Cycles’ by Joseph Schumpeter look very much like a rationalized story of quite turbulent a life.

So, here come a few insights I have out of re-reading ‘Business Cycles’ for the n-th time, in the context of research on my EneFin business concept. Any technological change takes place in a chain of value added. Innovation in one tier of the chain needs to overcome the status quo both upstream and downstream of the chain, but once this happens, the whole chain of technologies and goods changes. I wonder how it can apply specifically to EneFin, which is essentially an institutional scheme. In terms of value added, this scheme is situated somewhere between the classical financial markets, and typical social entrepreneurship. It is social to the extent that it creates that quasi-cooperative connexion between the consumers of energy, and its suppliers. Still, as my idea assumes a financial market for those complex contracts « energy + shares in the supplier’s equity », there is a strong capitalist component.

I guess that the resistance this innovation would have to overcome would consist, on one end, in distrust from the part of those hardcore activists of social entrepreneurship, like ‘Anything that has anything to do with money is bad!’, and, on the other hand, there can be resistance from the classical financial market, namely the willingness to forcibly squeeze the EneFin scheme into some kind of established structure, like the stock market.

The second insight that Joseph has just given me is the following: there is a special type of business model and business action, the entrepreneurial one, centred on innovation rather than on capitalizing on the status quo. This is deep, really. What I could notice, so far, in my research, is that in every industry there are business models which just work, and others which just don’t. However innovative you think you are, most of the times either you follow the field-tested patterns or you simply fail. The real, deep technological change starts when this established order gets a wedge stuffed up its ass, and the wedge is, precisely, that entrepreneurial business model. I wonder how entrepreneurial is the business model of EneFin. Is it really as innovative as I think it is?

In the broad theoretical picture, which comes handy as it comes to science, the incidence of that entrepreneurial business model can be measured and assessed as a probability, and that probability, in turn, is a factor of change. My favourite mathematical approach to structural change is that particular mutation that Paul Krugman [2] made out of the classical production function, as initially formulated by Prof Charles W. Cobb and Prof Paul H. Douglas, in their common work from 1928 [3]. We have some output generated by two factors, one of which changes slowly, whilst the other changes quickly. In other words, we have one quite conservative factor, and another one that takes on the crazy ride of creative destruction.

That second factor is innovation, or, if you want, the entrepreneurial business model. If it is to be powerful, then, mathematically, incremental change in that innovative factor should bring much greater a result on the side of output than numerically identical an increment in the conservative factor. The classical notation by Cobb and Douglas fits the bill. We have Y = A*F₁^a*F₂^1-a and a > 0,5. Any change in F₁ automatically brings more Y than the identical change in F₂. Now, the big claim by Paul Krugman is that if F₁ changes functionally, i.e. if its changes really increase the overall Y, resources will flow from F₂ to F₁, and a self-reinforcing spiral of change forms: F₁ induces faster a change than F₂, therefore resources are being transferred to F₁, and it induces even more incremental change in F₁, which, in turn, makes the Y jump even higher etc.

I can apply this logic to my scientific approach of the EneFin concept. I assume that introducing the institutional scheme of EneFin can improve the access to electricity in remote, rural locations, in the developing countries, and, consequently, it can contribute to creating whole new markets and social structures. Those local power systems organized in the lines of EneFin are the factor of innovation, the one with the a > 0,5 exponent in the Y = A*F₁^a*F₂^1-a function. The empirical application of this logic requires to approximate the value of ‘a’, somehow. In my research on the fundamental link between population and access to energy, I had those exponents nailed down pretty accurately for many countries in the world. I wonder to what extent I can recycle them intellectually for the purposes of my present research.

As I am thinking on this issue, I will keep talking on something else, and the something else in question is the creation of new markets. I go back to the Venerable Man of microeconomics, the Source of All Wisdom, who used to live with his mother when writing the wisdom which he is so reputed for, today. In other words, I am referring to Adam Smith. Still, just to look original, I will quote his ‘Lectures on Justice’ first, rather than going directly to his staple book, namely ‘The Inquiry Into The Nature And Causes of The Wealth of Nations’.

So, in the ‘Lectures on Justice’, Adam Smith presents his basic considerations about contracts (page 130 and on): « That obligation to performance which arises from contract is founded on the reasonable expectation produced by a promise, which considerably differs from a mere declaration of intention. Though I say I have a mind to do such thing for you, yet on account of some occurrences I do not do it, I am not guilty of breach of promise. A promise is a declaration of your desire that the person for whom you promise should depend on you for the performance of it. Of consequence the promise produces an obligation, and the breach of it is an injury. Breach of contract is naturally the slightest of all injuries, because we naturally depend more on what we possess that what is in the hands of others. A man robbed of five pounds thinks himself much more injured than if he had lost five pounds by a contract ».

People make markets, and markets are made of contracts. A contract implies that two or more people want to do some exchange of value, and they want to perform the exchange without coercion. A contract contains a value that one party engages to transfer on the other party, and, possibly, in the case of mutual contracts, another value will be transferred the other way round. There is one thing about contracts and markets, a paradox as for the role of the state. Private contracts don’t like the government to meddle, but they need the government in order to have any actual force and enforceability. This is one of the central thoughts by another classic, Jean-Jacques Rousseau, in his ‘Social Contract’: if we want enforceable contracts, which can make the intervention of the government superfluous, we need a strong government to back up the enforceability of contracts.

If I want my EneFin scheme to be a game-changer in developing countries, it can work only in countries with relatively well-functioning legal systems. I am thinking about using the metric published by the World Bank, the CPIA property rights and rule-based governance rating.

Still another insight that I have found in Joseph Schumpeter’s ‘Business Cycles’ is that when the entrepreneur, introducing a new technology, struggles against the first inertia of the market, that struggle in itself is a sequence of adaptation, and the strategy(ies) applied in the phases of growth and maturity in the new technology, later on, are the outcome of patterns developed during that early struggle. There is some sort of paradox in that struggle. When the early entrepreneur is progressively building his or her presence in the market, they operate under high uncertainty, and, almost inevitably, do a lot of trial and error, i.e. a lot of adjustments to the initially inaccurate prediction of the future. The developed, more mature version of the newly introduced technology is the outcome of that somehow unique sequence of trials, errors, and adjustments.

Scientifically, that insight means a fundamental uncertainty: once the actual implementation of an entrepreneurial business model, such as EneFin, gets inside that tunnel of learning and struggle, it can take on so many different mutations, and the response of the social environment to those mutations can be so idiosyncratic that we get into really serious economic modelling here.

I am consistently delivering good, almost new science to my readers, and love doing it, and I am working on crowdfunding this activity of mine. As we talk business plans, I remind you that you can download, from the library of my blog, the business plan I prepared for my semi-scientific project Befund (and you can access the French version as well). You can also get a free e-copy of my book ‘Capitalism and Political Power’ You can support my research by donating directly, any amount you consider appropriate, to my PayPal account. You can also consider going to my Patreon page and become my patron. If you decide so, I will be grateful for suggesting me two things that Patreon suggests me to suggest you. Firstly, what kind of reward would you expect in exchange of supporting me? Secondly, what kind of phases would you like to see in the development of my research, and of the corresponding educational tools?

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[1] Bleich, K., & Guimaraes, R. D. (2016). Renewable Infrastructure Investment Handbook: A Guide for Institutional Investors. In World Economic Forum, Geneva.

[2] Krugman, P. (1991). Increasing returns and economic geography. Journal of political economy, 99(3), 483-499.

[3] Charles W. Cobb, Paul H. Douglas, 1928, A Theory of Production, The American Economic Review, Volume 18, Issue 1, Supplement, Papers and Proceedings of the Fortieth Annual Meeting of the American Economic Association (March 1928), pp. 139 – 165

Fire and ice. A real-life business case.

I keep going along the frontier between my scientific research, my small investment business, and my teaching. In this update, I bring you two typically educational pieces of content, one sort of astride educational and practical investment decisions of my own, and finally I give slightly educational an account of a current business decision I am taking.

In the video entitled ‘My investment experience, my teaching and my science #3 BMW, Daimler and Volkswagen’ [ Invest 3 2020-08-26 14-02-22 ; https://youtu.be/Vot6QMXp7UA ], I discuss those three investment positions in my portfolio. Three German automotive companies. Same industry, same country, same macroeconomic environment, and yet three different performances in terms of return on investment. In this video, you can see me developing on the distinction between long term-trends and short-term variations, as well as trying to connect technical analysis of price trends with fundamental analysis of their half-annual reports.

I have place on You Tube two pieces of content in the stream of teaching designated as ‘Urban Economics and City Management’. ‘Urban Economics and City Management #1 Lockdowns in pandemic and the role of cities’ [ Cities 1 2020-08-27 08-57-15; https://youtu.be/fYIz_6JVVZk ] recounts and restates my starting point in this path of research. I browse through the main threads of connection between the pandemic of COVID-19 and the civilisational role of cities. The virus, which just loves densely populated places, makes us question the patterns of urban life, and makes us ask question as for the future of cities.

In ‘Urban Economics and City Management #2 Case study of REIT: Urban Edge and Atrium [Cities 2 2020-08-27 11-00-52 ; https://youtu.be/BURimdfpxcY ], I study the cases of two REITs, i.e. Real Estate Investment Trusts, namely Urban Edge (U.S.) and Atrium (Central Europe), with two assumptions. Firstly, cities can grow and evolve, when the local humans master the craft of agglomerating in one, relatively tiny place, the technologies of construction, sanitation, transportation, energy supply etc., and to parcel those technologies into marketable goods. Secondly, rental and lease of real estate are parcelled, marketable urban technologies.

In the video ‘My investment experience, my teaching and my science #4 The Copernic project’, [ Invest 4 Copernic 2020-08-30 08-57-54 ; https://youtu.be/_6klh0AwJAM ], I am developing on a topic exactly at the intersection of those three: the Copernic project. Honestly, this is complex stuff. I hesitated to choose this topic as educational material, yet I have that little intuition that good teachers teach useful skills. I want to be a good teacher, and the s**t I teach, I want it to be useful for my students. Life is complex and brutal, business is complex and brutal, and, as a matter of fact, each of us, humans, is complex and brutal. Fake simplicity is for pussies.

Thus, whoever among my students reads this update and watches the accompanying video material, is going to deal with real stuff, far beyond textbooks. This is a business which I am thinking about engaging in, and I am just starting to comprehend its patterns. This update is a living proof and test how good I am, or how I suck, at grasping business models of the digital economy.

In educational terms, I am locating the content relative to Copernic project in the path of teaching which I labelled ‘My investment experience, my teaching and my science’, as I am entertaining the idea of investing in the Copernic project. The subject cuts comprehensively across and into many aspects of economics and management. It can be considered as useful material for any educational path in these major fields.

It started when I reacted to a piece of advertising on Facebook. Yes, many interesting stories start like that, nowadays. It was an ad for the Copernic project itself. Here you have a link to Copernic’s website – https://copernic.io/ – but keep in mind that it is only Polish version, at least for the moment. I will do my best to describe the project in English.

Copernic is both the name of the project, and the name of an LLP (Limited Liability Partnership), incorporated under Polish law, in Krakow, Poland. The commonly used Polish acronym for an LLP is ‘sp. Z o.o.’, however, as I write in English, I will keep using the name ‘Copernic LLP’. I checked this company in the Judicial Register (of incorporated entities) run by the Ministry of Justice of the Republic of Poland, under the link https://ekrs.ms.gov.pl/web/wyszukiwarka-krs/strona-glowna/index.html . A business story emerges. On December 6^th, 2019, Copernic LLP is founded, under the register #817764, in Gdansk, Poland, technically by two partners: a physical person and another LLP, i.e. TTC Trade LLP (register #788023). Yet, after scratching the surface, the surface being the Judicial Register, I discovered that TTC Trade LLP is wholly owned by the same physical person who was its partner in Copernic LLP. Anyway, the physical person apported 1000 PLN and took 1 partner share, whilst her LLP paid in 4000 PLN in exchange of 4 partner shares. By the way, PLN stands for Polish zloty and it comes like PLN 1 = $0,27.

On May 6^th, 2020, the physical person who founded Copernic LLP steps out of the partnership, and her own LLP, TTC Trade, sells two of its two partner shares in Copernic LLP, to Sapiency LLP (https://sapiency.io/en/, register #789717) incorporated in Krakow, Poland, at their face value of 2000 PLN. On the same day, the partnership contract is being reformulated entirely and signed anew, including a change of headquarters, which move from Gdansk to Krakow, Poland. By the same occasion, another corporate partner steps in, namely Reset Sun Energy LLP (Konin, Poland, register #802147) and takes 2 partner shares in Copernic LLP, for a price of 2000 PLN. By the same means, the total partners’ equity in Copernic LLP moves from 5000 PLN to 6000 PLN.

On July 20^th, 2020, TTC Trade LLP and Reset Sun Energy LLP both sell their partner shares in Copernic LLP to Sapiency LLP, at face value, i.e. 6000 PLN. We have an interesting legal structure, when one Limited Liability Partnership (Copernic) is wholly owned by another Limited Liability Partnership (Sapiency), which, in turn, is 50/50 owned by two gentlemen, one of whom I had the honour to meet in person. Cool guy. Fire and ice in one. A bit like me.

Sapiency is mostly active in cryptocurrencies. They make Blockchain-based tokens for whoever asks, and I think their main technological platform is Ethereum (https://ethereum.org/en/). The marketing model is membership-based, thus oriented on long-term relations with customers. The business model of Copernic LLP is logically connected to that of Sapiency LLP. Copernic builds solar farms in Poland, and markets Blockchain-based tokens labelled Copernic1, at a face value of 4 PLN apiece. Each such token corresponds to a share in the future leasing of solar farms, and those farms, by now, are under actual or planned construction. Later on, i.e. after the solar farms become operational, those lease-connected Copernic1 tokens are supposed to give their holders a claim on secondary tokens CopernicKWH, which, in turn, correspond to claims on electricity generated in those solar farms. The first attribution of CopernicKWH tokens to the holders of Copernic1 tokens is supposed to take place within 14 days after the first photovoltaic farm becomes operational with Copernic LLP, with a standing power of at least 1 MW. That day of operational capacity can be a movable feast, and thus the official statute of those tokens stipulates that the first attribution of CopernicKWH will take place not later than January 1^st 2021. After the first attribution of CopernicKWH, subsequent attributions to the holders of Copernic1 are supposed to take place at least once a week.

The CopernicKWH tokens can be used as means of payment at the Kanga Exchange (https://kanga.exchange ), which looks cool, on the whole, with one exception. According to Kanga’s own statement, ‘Kanga Exchange is operated by Good Investments Ltd, registered in accordance with the International Business Companies Act of the Republic of Seychelles, Company Number 192185’ (https://support.kanga.exchange/company-information/ ). Just for your information: I can incorporate a business in Seychelles without getting up from my desk, 100% online, for the modest sum of 399 British Pounds (https://www.offshoreformations247.com/offshore-jurisdictions/seychelles). I am fully aware how bloody hard it is to set up any business structure connected to cryptocurrencies in the European legal environment, however… Seychelles? Seriously?

The average price of electricity in Poland, when I am writing those words, is around 0,617 PLN per 1 kWh. One Copernic1 token, with its current price of 4 PLN, corresponds to 4/0,617 = 6,48 kWh of energy. Assuming that every week, starting from the day 0 of operations at the solar farm, Copernic LLP attributes me 1 CopernicKWH token for each Copernic1 token in my possession, I break even after 7 weeks, and each consecutive week brings me a net profit.

I do my maths according to the logic of the capital balance sheet. First of all, I want to compute the book value of assets that corresponds to the planned solar farm of 1 megawatt in standing power. In a report published by the International Renewable Energy Agency (IRENA https://irena.org ), entitled ‘Renewable Power Generation Costs in 2019’ (https://irena.org/publications/2020/Jun/Renewable-Power-Costs-in-2019 ), I can read that the average investment needed for 1 watt of power in a photovoltaic installation can be cautiously estimated at $0,38, thus PLN 1,40.

Building a solar farm of 1 MW, thus of a million watts in terms of electric power, means an investment of at least PLN 1,40 * 10⁶ = PLN 1 400 000. To that, you need to add the price of acquiring land. At the end of the day, I would tentatively put a PLN 2 million capital tag on the project. Supposing that capital for the project comes from the sales of Copernic1 tokens, Copernic LLP needs to sell at least 2 000 000 PLN/ 4 PLN = 500 000 of them Copernic1.

Looks like a lot, especially for a Limited Liability Partnership with partner equity at 6000 PLN. Assets worth PLN 2 000 000 minus PLN 6000 in partner equity means PLN 1 994 000 = $ 538 919 in capital which is not clear at all where it is supposed to come from. The sole partner in Copernic LLP, namely Sapiency LLP could pay in additional equity. Happens all the time. Still, Sapiency LLP as a partner equity of PLN 5000. See what I mean? Another option is a massive loan, and, finally, the whole balance sheet could rely mostly on those Copernic1 tokens. Only those tokens are supposed to embody claims on the lease of the solar farm. Now, legally, a lease is a contract which gives to the lessee (the one who physically exploits), the right to exploit things or rights owned by the lessor (the one who graciously allows others to exploit). In exchange, the lessee pays a rent to the lessor.

There are two things about that lease of solar farms. A lease is not really divisible, as it is the right to exploit something. If you divide that something into smaller somethings, you split the initial lease into as many separate leases. If I buy one Copernic1 token and that token embodies claims derived from a lease contract, what specifically is the object of leasing? There is another thing. If I buy Copernic1 tokens, it gives me claims on the future CopernicKWH tokens. In other words, Copernic will pay me in the future. If they pay me, on the basis of a lease contract, it is as if they were paying me a rent, i.e. as if they were leasing that solar farm from me. Only I don’t have that solar farm. They will have it. Yes, indeed, WTF? This is the moment to ask that rhetorical question.

A few paragraphs ago, I wrote that I am entertaining the idea of investing in those Copernic1 tokens. I think the idea has become much less attractive, business-wise, whilst becoming much more entertaining. There is an important question, though. Isn’t it ethically advisable to invest in renewable energies, even if the legal scheme is a bit sketchy, just to push forward those renewables? I can give an answer in two parts to that question. Firstly, renewables grow like hell, both in terms of power supplied, and in terms of attractiveness in financial markets. They really don’t need any exceptional push. They walk, and even run on their own legs. Secondly, I worked through my own ideas for implementing new technologies in the field of renewable energies, and, notably, I worked a lot with a tool called ‘Project Navigator’, run by the same International Renewable Energy Agency which I quoted earlier. The link is here: https://irena.org/navigator . There is one sure takeaway I have from working with that tool: a good project needs a solid, transparent, 100% by-the-book institutional base. Wobbly contracts translate into wobbly financing, and that, in turn, means grim prospects for the project in question.

Another doubt arises in my mind, as I do flows instead of balances. A solar farm needs to earn money, i.e. to make profit, in order to assure a return on investment. The only asset which can earn value over time is land in itself. In practical terms, as long as we want that solar farm to work, it needs to generate a positive operational cash flow. Photovoltaic equipment ages inexorably, by physical wear and tear as well as by relative moral obsolescence. That aging can assure substantial amortization, yet you need some kind of revenue which you can write that amortization off from. If all or a substantial part of energy produced in the solar farm is tokenized and attributed to the holders of Copernic1, lease-based tokens, there could be hardly any energy left for sale, hence not much of a revenue. In other words, the system of initial financing with tokens can jeopardize economic payoff from the project, and that’s another thing I learnt with the Project Navigator: you need a solid economic base, and there is no way around it.

A test pitch of my ‘Energy Ponds’ business concept

I am returning to a business concept I have been working on for many months, and which I have provisionally labelled ‘Energy Ponds’. All that thinking about new economic solutions for a world haunted by insidious pathogens – no, not selfie sticks, I am talking about the other one, COVID-19 – pushed me to revisit fundamentally the concept of Energy Ponds, and you, my readers, you are my rubber duck.

The rubber duck (Latin: anas flexilis), also known as bath duck (anas balneum) is a special semi-aquatic avian species, whose valour I know from my son, IT engineer by profession. Every now and then, he says, on the phone: ‘Dad, focus, you are going to be my rubber duck’. The rubber duck is an imaginary animal. It feeds on discursive waters. You talk to it in order to get your own thoughts straight. When I am my son’s rubber duck, he explains me some programming problems and solutions, he checks if I understand what he says, and when I test positive, it means that he can get the message across to any moderately educated hominid.

I am going to proceed along the path of discursive equilibrium, in a cycle made of three steps. First, I will try to describe my idea in 1 – 2 sentences, in a simple and intelligible way. Then, I develop on that short description, with technical details. In the third step, I look for gaps and holes in the so-presented concept, and then I go again: short description, development, critical look etc. I think I will repeat the cycle until I reach the Subjective Feeling of Having Exhausted the Matter. Nelson Goodman and John Rawls proposed something slightly similar (Goodman 1955 [1]; Rawls 1999 [2]): when I talk long enough to myself, and to an imaginary audience, my concepts sharpen.

Here I go. First attempt. I synthesize. The concept of ‘Energy Ponds’ consists in ram-pumping water from rivers into retentive, semi-natural wetlands, so as to maximize the retention of water, and, in the same time, in using the elevation created through ram-pumping so as to generate hydroelectricity. At the present stage of conceptual development, ‘Energy Ponds’ require optimization at two levels, namely that of adequately choosing and using the exact geographical location, and that of making the technology of ram-pumping economically viable.

I develop. We are increasingly exposed to hydrological effects of climate change, namely to recurrent floods and droughts, and it starts being a real pain in the ass. We need to figure out new ways of water management, so as to retain a maximum of rainwater, whilst possibly alleviating occasional flood-flows. Thus, we need to figure out good ways of capturing rainwater, and of retaining it. Rivers are the drainpipes of surrounding lands, whence the concept of draining basin: this is the expanse of land, adjacent to a river, where said river collects (drains) water from. That water comes from atmospheric precipitations. When we collect water from rivers, we collect rainwater, which fell on the ground, trickled underground, and then, under the irresistible force of grandpa Newton, flew towards the lowest point in the whereabouts, that lowest point being the river.

Thus, when we collect water from the river, we collect rainwater, just drained through land. We can collect it in big artificial reservoirs, which has been done for decades. An alternative solution is to retain water in wetlands. This is something that nature has been doing for millions of years. We have sort of a ready-made recipe from. Wetlands are like sponges covered with towels. A layer of spongy ground, allowing substantial accumulation of water, is covered with a dense, yet not very thick layer of shallowly rooted vegetation. That cover layer prevents the evaporation of water.

Now, I go into somehow novel a form of expression, i.e. novel for me. The age I am, 52, I have that slightly old school attachment to writing, and for the last 4 years, I have been mostly writing on my blog. Still, as a university professor, I work with young people – students – and those young people end up, every now and then, by teaching me something. I go more visual in my expression, which this whole written passage can be considered as an introduction to. Under the two links below, you will find:

The Power Point Presentation with a regular pitch of my idea

The video on You Tube with the same pitch, just accompanied by my talking face in front of the camera

That would be all in this update. Just as with my other ideas, in the times we have, i.e. with the necessity to figure out new s**t in the presence of pathogens, you are welcome to contact me with any intellectual contribution you feel like supplying.

If you want to contact me directly, you can mail at: goodscience@discoversocialsciences.com .

[1] Goodman, N. (1955) Fact, Fiction, and Forecast, Cambridge, Mass., Harvard University Press, pp. 65–68

[2] Rawls J. (1999) A Theory of Justice. Revised Edition, President and Fellows of Harvard College, ISBN 0-674-00078-1, p. 18

The mind-blowing hydro

My editorial on You Tube

There is that thing about me: I am a strange combination of consistency and ADHD. If you have ever read one of Terry Pratchett’s novels from the ‘Discworld’ series, you probably know the imaginary character of golems: made of clay, with a logical structure – a ‘chem’ – put in their heads, they can work on something endlessly. In my head, there are chems, which just push me to do things over and over and over again. Writing and publishing on that research blog is very much in those lines. I can stop whenever I want, I just don’t want right now. Yet, when I do a lot about one chem, I start craving for another one, like nearby but not quite in the same intellectual location.

Right now, I am working on two big things. Firstly, I feel like drawing a provisional bottom line under those two years of science writing on my blog. Secondly, I want to put together an investment project that would help my city, my country and my continent, thus Krakow, Poland, and Europe, to face one of the big challenges resulting from climate change: water management. Interestingly, I started to work on the latter first, and only then I began to phrase out the former. I explain. As I work on that project of water management, which I provisionally named « Energy Ponds » (see, for example, « All hope is not lost: the countryside is still exposed »), I use the « Project Navigator », made available by the courtesy of the International Renewable Energy Agency (IRENA). The logic built into the « Project Navigator » makes me return, over and over again, to one central question: ‘You, Krzysztof Wasniewski, with your science and your personal energy, how are you aligned with that idea of yours? How can you convince other people to put their money and their personal energy into developing on your concept?’.

And so I am asking myself: ‘What’s your science, bro? What can you get people interested in, with rational grounds and intelligible evidence?’.

As I think about it, my first basic claim is that we can do it together in a smart way. We can act as a collective intelligence. This statement can be considered as a manifestation of the so-called “Bignetti model” in cognitive sciences (Bignetti 2014 [1]; Bignetti et al. 2017 [2]; Bignetti 2018 [3]): for the last two years, I have been progressively centering my work around the topic of collective intelligence, without even being quite aware of it. As I was working on another book of mine, entitled “Capitalism and Political Power”, I came by that puzzling quantitative fact: as a civilization, we have more and more money per unit of real output[4], and, as I reviewed some literature, we seem not to understand why is that happening. Some scholars complain about the allegedly excessive ‘financialization of the economy’ (Krippner 2005 [5]; Foster 2007 [6]; Stockhammer 2010 [7]), yet, besides easy generalizations about ‘greed’, or ‘unhinged race for profit’, no scientifically coherent explanation is offered regarding this phenomenon.

As I was trying to understand this phenomenon, shades of correlations came into my focus. I could see, for example, that growing an amount of money per unit of real output has been accompanied by growing an amount of energy consumed per person per year, in the global economy[8]. Do we convert energy into money, or the other way around? How can it be happening? In 2008, the proportion between the global supply of broad money, and the global real output passed the magical threshold of 100%. Intriguingly, the same year, the share of urban population in the total human population passed the threshold of 50%[9], and the share of renewable energy in the total final consumption of energy, at the global scale, took off for the first time since 1999, and keeps growing since then[10]. I started having that diffuse feeling that, as a civilization, we are really up to something, right now, and money is acting like a social hormone, facilitating change.

We change as we learn, and we learn as we experiment with the things we invent. How can I represent, in a logically coherent way, collective learning through experimentation? When an individual, or a clearly organized group learns through experimentation, the sequence is pretty straightforward: we phrase out an intelligible definition of the problem to solve, we invent various solutions, we test them, we sum up the results, we select seemingly the best solution among those tested, and we repeat the whole sequence. As I kept digging the topic of energy, technological change, and the velocity of money, I started formulating the outline of a complex hypothesis: what if we, humans, are collectively intelligent about building, purposefully, and semi – consciously, social structures supposed to serve as vessels for future collective experiments?

My second claim is that one of the smartest things we can do about climate change is, besides reducing our carbon footprint, to take proper care of our food and energy base. In Europe, climate change is mostly visible as a complex disruption to our water system, and we can observe it in our local rivers. That’s the thing about Europe: we have built our civilization, on this tiny, mountainous continent, in close connection with rivers. Right, I can call them scientifically ‘inland waterways’, but I think that when I say ‘river’, anybody who reads it understands intuitively. Anyway, what we call today ‘the European heritage’ has grown next to EVENLY FLOWING rivers. Once again: evenly flowing. It means that we, Europeans, are used to see the neighbouring river as a steady flow. Streams and creeks can overflow after heavy rains, and rivers can swell, but all that stuff had been happening, for centuries, very recurrently.

Now, with the advent of climate change, we can observe three water-related phenomena. Firstly, as the English saying goes, it never rains but it pours. The steady rhythm and predictable volume of precipitations we are used to, in Europe (mostly in the Northern part), progressively gives ground to sudden downpours, interspersed with periods of drought, hardly predictable in their length. First moral of the fairy tale: if we have less and less of the kind of water that falls from the sky slowly and predictably, we need to learn how to capture and retain the kind of water that falls abruptly, unscheduled. Secondly, just as we have adapted somehow to the new kind of sudden floods, we have a big challenge ahead: droughts are already impacting, directly and indirectly, the food market in Europe, but we don’t have enough science yet to predict accurately neither their occurrence nor their local impact. Yet, there is already one emerging pattern: whatever happens, i.e. floods or droughts, rural populations in Europe suffer more than the urban ones (see my review of literature in « All hope is not lost: the countryside is still exposed »). Second moral of the fairy tale: whatever we do about water management in these new conditions, in Europe, we need to take care of agriculture first, and thus to create new infrastructures so as to shield farms against floods and droughts, cities coming next in line.

Thirdly, the most obviously observable manifestation of floods and droughts is variation in the flow of local rivers. By the way, that variation is already impacting the energy sector: when we have too little flow in European rivers, we need to scale down the output of power plants, as they have not enough water to cool themselves. Rivers are drainpipes of the neighbouring land. Steady flow in a river is closely correlated with steady a level of water in the ground, both in the soil, and in the mineral layers underneath. Third moral of the fairy tale: if we figure out workable ways of retaining as much rainfall in the ground as possible, we can prevent all the three disasters in the same time, i.e. local floods, droughts, and economically adverse variations in the flow of local rivers.

I keep thinking about that ownership-of-the-project thing I need to cope with when using the « Project Navigator » by IRENA. How to make local communities own, as much as possible, both the resources needed for the project, and its outcomes? Here, precisely, I need to use my science, whatever it is. People at IRENA have experience in such project, which I haven’t. I need to squeeze my brain and extract thereof any useful piece of coherent understanding, to replace experience. I am advancing step by step. I intuitively associate ownership with property rights, i.e. with a set of claims on something – things or rights – together with a set of liberties of action regarding the same things or rights. Ownership from the part of a local community means that claims and liberties should be sort of pooled, and the best idea that comes to my mind is an investment fund. Here, a word of explanation is due: an investment fund is a general concept, whose actual, institutional embodiment can take the shape of a strictly speaking investment fund, for one, and yet other legal forms are possible, such as a trust, a joint stock company, a crowdfunding platform, or even a cryptocurrency operating in a controlled network. The general concept of an investment fund consists in taking a population of investors and making them pool their capital resources over a set of entrepreneurial projects, via the general legal construct of participatory titles: equity-based securities, debt-based ones, insurance, futures contracts, and combinations thereof. Mind you, governments are investment funds too, as regards their capacity to move capital around. They somehow express the interest of their respective populations in a handful of investment projects, they take those populations’ tax money and spread it among said projects. That general concept of investment fund is a good expression of collective intelligence. That thing about social structure for collective experimentation, which I mentioned a few paragraphs ago, an investment fund is an excellent example. It allows spreading resources over a number of ventures considered as local experiments.

Now, I am dicing a few ideas for a financial scheme, based on the general concept of an investment fund, as collectively intelligent as possible, in order to face the new challenges of climate change, through new infrastructures for water management. I start with reformulating the basic technological concept. Water powered water pumps are immersed in the stream of a river. They use the kinetic energy of that stream to pump water up and further away, more specifically into elevated water towers, from which that water falls back to the ground level, as it flows down it powers relatively small hydroelectric turbines, and ends up in a network of ponds, vegetal complexes and channel-like ditches, all that made with a purpose of retaining as much water as possible. Those structures can be connected to others, destined directly to capture rainwater. I was thinking about two setups, respectively for rural environments and for the urban ones. In the rural landscape, those ponds and channels can be profiled so as to collect rainwater from the surface of the ground and conduct it into its deeper layers, through some system of inverted draining. I think it would be possible, under proper geological conditions, to reverse-drain rainwater into deep aquifers, which the neighbouring artesian wells can tap into. In the urban context, I would like to know more about those Chinese technologies used in their Sponge Cities programme (see Jiang et al. 2018 [11]).

The research I have done so far suggests that relatively small, local projects work better, for implementing this type of technologies, than big, like national scale endeavours. Of course, national investment programmes will be welcome as indirect support, but at the end of the day, we need a local community owning a project, possibly through an investment-fund-like institutional arrangement. The economic value conveyed by any kind of participatory title in such a capital structure sums up to the Net Present Value of three cash flows: net proceeds from selling hydroelectricity produced in small water turbines, reduction of the aggregate flood-related risk, as well as of the drought-related risk. I separate risks connected to floods from those associated with droughts, as they are different in nature. In economic and financial terms, floods are mostly a menace to property, whilst droughts materialize as more volatile prices of food and basic agricultural products.

In order to apprehend accurately the Net Present Value of any cash flow, we need to set a horizon in time. Very tentatively, by interpreting data from 2012, presented in a report published by IRENA (the same IRENA), I assume that relatively demanding investors in Europe expect to have a full return on their investment within 6,5 years, which I make 7 years, for the sake of simplicity. Now, I go a bit off the beaten tracks, at least those I have beaten so far. I am going to take the total atmospheric precipitations falling on various European countries, which means rainfall + snowfall, and then try to simulate what amount of ‘NPV = hydroelectricity + reduction of risk from floods and droughts’(7 years) could the retention of that water represent.

Let’s walse. I take data from FAOSTAT regarding precipitations and water retention. As a matter of fact, I made a query of that data regarding a handful of European countries. You can have a look at the corresponding Excel file UNDER THIS LINK. I rearranged bit the data from this Excel file so as to have a better idea of what could happen, if those European countries I have on my list, my native Poland included, built infrastructures able to retain 2% of the annual rainfall. The coefficient of 2% is vaguely based on what Shao et al. (2018 [12]) give as the target retention coefficient for the city of Xiamen, China, and their Sponge-City-type investment. I used the formulas I had already phrased out in « Sponge Cities », and in « La marge opérationnelle de $1 539,60 par an par 1 kilowatt », to estimate the amount of electricity possible to produce out of those 2% of annual rainfall elevated, according to my idea, into 10-metres-high water towers. On the top of all that, I added, for each country, data regarding the already existing capacity to retain water. All those rearranged numbers, you can see them in the Excel file UNDER THIS OTHER LINK (a table would be too big for inserting into this update).

The first provisional conclusion I have to make is that I need to revise completely my provisional conclusion from « Sponge Cities », where I claimed that hydroelectricity would have no chance to pay for any significant investment in sponge-like structures for retaining water. The calculations I have just run show just the opposite: as soon as we consider whole countries as rain-retaining basins, the hydroelectric power, and the cash flow dormant in that water is just mind-blowing. I think I will need to get a night of sleep just to check on the accuracy of my calculations.

Deranging as they are, my calculations bear another facet. I compare the postulated 2% of retention in annual precipitations with the already existing capacity of these national basins to retain water. That capacity is measured, in that second Excel file, by the ‘Coefficient of retention’, which denominates the ‘Total internal renewable water resources (IRWR)’ over the annual precipitation, both in 10^9 m3/year. My basic observation is that European countries have a capacity to retain water very similar in disparity to the intensity of precipitations, measured in mm per year. Both coefficients vary in a similar proportion, i.e. their respective standard deviations make around 0,4 of their respective means, across the sample of 37 European countries. When I measure it with the Pearson coefficient of correlation between the intensity of rainfall and the capacity to retain it , it yields r = 0,63. In general, the more water falls from the sky per 1 m2, the greater percentage of that water is retained, as it seems. Another provisional conclusion I make is that the capacity to retain water, in a given country, is some kind of response, possibly both natural and man-engineered, to a relatively big amount of water falling from the sky. It looks as if our hydrological structures, in Europe, had been built to do something with water we have momentarily plenty of, possibly even too much of, and which we should save for later.

I am consistently delivering good, almost new science to my readers, and love doing it, and I am working on crowdfunding this activity of mine. You can communicate with me directly, via the mailbox of this blog: goodscience@discoversocialsciences.com. As we talk business plans, I remind you that you can download, from the library of my blog, the business plan I prepared for my semi-scientific project Befund (and you can access the French version as well). You can also get a free e-copy of my book ‘Capitalism and Political Power’ You can support my research by donating directly, any amount you consider appropriate, to my PayPal account. You can also consider going to my Patreon page and become my patron. If you decide so, I will be grateful for suggesting me two things that Patreon suggests me to suggest you. Firstly, what kind of reward would you expect in exchange of supporting me? Secondly, what kind of phases would you like to see in the development of my research, and of the corresponding educational tools?

[1] Bignetti, E. (2014). The functional role of free-will illusion in cognition:“The Bignetti Model”. Cognitive Systems Research, 31, 45-60.

[2] Bignetti, E., Martuzzi, F., & Tartabini, A. (2017). A Psychophysical Approach to Test:“The Bignetti Model”. Psychol Cogn Sci Open J, 3(1), 24-35.

[3] Bignetti, E. (2018). New Insights into “The Bignetti Model” from Classic and Quantum Mechanics Perspectives. Perspective, 4(1), 24.

[4] https://data.worldbank.org/indicator/FM.LBL.BMNY.GD.ZS last access July 15th, 2019

[5] Krippner, G. R. (2005). The financialization of the American economy. Socio-economic review, 3(2), 173-208.

[6] Foster, J. B. (2007). The financialization of capitalism. Monthly Review, 58(11), 1-12.

[7] Stockhammer, E. (2010). Financialization and the global economy. Political Economy Research Institute Working Paper, 242, 40.

[8] https://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.PCAP.KG.OE last access July 15th, 2019

[9] https://data.worldbank.org/indicator/SP.URB.TOTL.IN.ZS last access July 15th, 2019

[10] https://data.worldbank.org/indicator/EG.FEC.RNEW.ZS last access July 15th, 2019

[11] Jiang, Y., Zevenbergen, C., & Ma, Y. (2018). Urban pluvial flooding and stormwater management: A contemporary review of China’s challenges and “sponge cities” strategy. Environmental science & policy, 80, 132-143.

[12] Shao, W., Liu, J., Yang, Z., Yang, Z., Yu, Y., & Li, W. (2018). Carbon Reduction Effects of Sponge City Construction: A Case Study of the City of Xiamen. Energy Procedia, 152, 1145-1151.

Tag: renewable energies

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