The Roadmap to Energy Security in Egypt Dissertation zur Erlangung des Doktorgr ades der Naturwissenschaften im Fachbereich Geowissenschaften der Universität Hamburg vorgelegt von Mostafa Ahmed Elsayed Ahmed Shaaban aus Kairo, Ägypten Hamburg 201 7 Als Dissertation angenommen vom Fachbereich Geowissenschaften der Universität Hamburg auf Grund der Gutachten von Professor Dr. Jürgen Scheffran und Professor Dr. Jürgen Böhner Hamburg, Die Abgabe der Dissertation: den 02. August 2017 Die Disputation: den 19. Oktober 2017 I Eidesstattliche Versicherung Declaration on oath Hiermit erkläre ich an Eides statt, dass ich die vorliegende Dissertationsschrift selbst verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. I hereby declare, on oath, that I have written the present dissertation by my own and have not used other than the acknowledged resources and aids. Mostafa Shaaban, Hamburg, den 02. August 2017 II Acknowledgements All perfect praise and thanks be to Allah The Almighty, the Lord of the worlds. I testify that there is none worthy of worship except Allah and that Prophet Muhammad, sallallahu ‘alayhi wa sallam (Peace be upon him), is His slave and Messenger. To Allah I devote all my good deeds and success. Then, special thanks to my parents and daughters who alleviated the stresses of life during my research. This dissertation was implemented with the guidance and the help of several individuals who in one way or another contributed and extended their valuable assistance in the preparation and completion of this study. My utmost gratitude to my advisor Prof. Jürgen Scheffran, whose sincerity and encouragement I will never forget and to my co-advisors Prof. Jürgen Böhner and Prof. Mohammed S. Elsobki. Throughout my research, they provided me encouragement, sound advice, and lots of good ideas. I would like to thank the committee of Doctoral scholarships awarded in accordance with the Hamburg Act to Promote Young Academics and Artists (HmbNFG) for the financial support of this study. This work was supported in part by the German Science Foundation (DFG) through the Cluster of Excellence ‘‘CliSAP” (EXC177). Special thanks to the coordinators of the School of Integrated Climate System Sciences (SICSS) for their continuous technical and financial support and the very helpful and open staff and to Jun. Prof. Janpeter Schilling, the chair of the advisory panel of SICSS. Last but not least, I would like to thank all my colleagues in the research group Climate Change and Security (CLISEC). III نِ ﺑْ ِﷲﱠ دِ ﺑْﻋَ نْ ﻋَ دٌ ھِ ﺎﺟَ ﻣُ ﻲِﻧﺛَدﱠﺣَ َ لﺎﻗَ شِ ﻣَ ﻋْ َﻷْا نَ ﺎﻣَ ﯾَْﻠﺳُ نْ ﻋَ يﱡ وِ ﺎﻔَ طﱡ ﻟا رِ ذِ ﻧْﻣُ ﻟا وﺑَُأ نِ ﻣَ ﺣْ رﱠ ﻟا دِ ﺑْﻋَ نُ ﺑْ دُ ﻣﱠ ﺣَ ﻣُ ﺎﻧَﺛَدﱠﺣَ ِﷲﱠ دِ ﺑْﻋَ نُ ﺑْ ﻲﱡ ِﻠﻋَ ﺎﻧَﺛَدﱠﺣَ نُ ﺑْا نَ ﺎﻛَ وَ لٍ ﯾﺑِ ﺳَ رُ ِﺑﺎﻋَ وَْأ بٌ ﯾرِ ﻏَ كَ ﻧﱠَﺄﻛَ ﺎﯾَﻧْدﱡ ﻟا ﻲِﻓ نْ ﻛُ َ لﺎﻘَ ﻓَ ﻲِﺑﻛِ ﻧْﻣَ ﺑِ مَ ﱠﻠﺳَ وَ ﮫِ ﯾَْﻠﻋَ ُ ﷲﱠ ﻰﱠﻠﺻَ ِﷲﱠ ُ لوﺳُ رَ ذَﺧَ َأ َ لﺎﻗَ ﺎﻣَ ﮭُ ﻧْﻋَ ُ ﷲﱠ ﻲَ ﺿِ رَ رَ ﻣَ ﻋُ هاور . كَ ﺗِ وْﻣَ ِﻟ كَ ِﺗﺎﯾَﺣَ نْ ﻣِ وَ كَ ﺿِ رَ ﻣَ ِﻟ كَ ِﺗﺣﱠ ﺻِ نْ ﻣِ ذْﺧُ وَ ءَ ﺎﺳَ ﻣَ ﻟْا رْ ظِ ﺗَﻧْﺗَ ﻼَﻓَ تَ ﺣْ ﺑَﺻْ َأ اذَِإوَ حَ ﺎﺑَﺻﱠ ﻟا رْ ظِ ﺗَﻧْﺗَ ﻼَﻓَ تَ ﯾْﺳَ ﻣْ َأ اذَِإ ُ لوُﻘﯾَ رَ ﻣَ ﻋُ يرﺎﺧﺑﻟا Abdullah the son of Umar reported: The Messenger of Allah, peace and blessings be upon him, took hold of my shoulder and said, “Be in this world as if you were a stranger or a traveler.” Mujahid added: the son of Umar said, “If you survive till the evening, do not expect to be alive in the morning, and if you survive till the morning, do not expect to be alive in the evening, and take from your health for your sickness, and take from your life for your death.” Source: Sahih Bukhari 6053 IV Abstract Energy plays an important role in our life being one of the major vital needs of human beings and affecting all aspects of the development of our life. Until recently, electricity, the most widely used form of energy, represents an attractive field of research and development by many researchers in order to compromise between the efficiency and the economy of the electricity supply technologies. However, nowadays, the climate change phenomenon and its impacts broaden the vision towards these technologies by including other social and environmental aspects and the concept of sustainable development into their evaluation. In response to the increasing demand of electricity in Egypt, actors have to compare reasonably between all potential technologies and make decisions on the suitable energy-mix that could secure a sustainable future energy in Egypt. By exploring the literature, previous studies are concerned with the sustainability assessment of the installed power plants projects regading the surrounding community in their case studies whereas some of these studies assess the technologies in a static evaluation and with an emphasis on renewable energy technologies. No attention has been given to the role of the interaction of the decisions by multiple actors in the planning process of future energy. Moreover, previous studies of electricity planning in Egypt are pursued by assessing the technical and economic aspects only with a little attention to the social and environmental aspects. This study introduces a new approach of spatial and temporal dynamic sustainability assessment of technologies for electricity planning and the analysis of the decision making process of multiple actors in the energy sector. I investigate scenarios and strategies for future planning of energy security in Egypt, with a focus on alternative energy pathways and a sustainable electricity supply mix as part of an energy roadmap till the year 2100. The selection process is based on the assessment of the technologies according to the preferences of actors in multi- criteria evaluation that represents relevant dimensions of sustainability. In this assessment process I use a novel approach of integrating three methodologies: the multi- criteria decision analysis (MCDA), the spatial Geographic Information System (GIS) data analysis and the agent-based modelling (ABM). Furthermore, I investigate the emissions of Greenhouse Gases from the different energy-mix scenarios. The scope of the study includes 13 assessment indicators covering the four main dimensions of the sustainable development, 13 spatial factors representing the local surrounding conditions, 11 actor-based scenarios (4 actors from the energy sector in Egypt, 4 virtual actors where each represents one dimension of sustainability, a mixed sustainable scenario and 2 game scenarios that represent the interaction between the actors) and 7 electricity supply technologies (coal, natural gas, wind, concentrated solar power, photovoltaics, biomass and nuclear). By comparing the results of the different scenarios, I found that the actors from the energy sector show comparable future energy-mix scenarios due to the close preferences of their assessment of the technologies. However, the four virtual actors with a preference to only one dimension of the sustainability generate a big difference in future energy-mix scenarios which proves a correlation between some technologies to certain sustainability dimensions. The game scenario explains the interaction between the decisions of different actors and how these interactions could change their behavior in the assessment of the technologies in order to increase their benefits. Generally, there is an energy landscape transition towards renewable technologies in order to meet the increasing demand in a secure and sustainable manner with the possibility of including coal and nuclear in a limited extent as a diversification tool of energy resources ensuring more security. The study clarifies the complexity of V the decision making process in the planning of future energy supply which necessitates the involvement of a multi-dimensional dynamic assessment of energy systems and the involvement of the preferences of all stakeholders, who are affected by the decision process, in the evaluation of these systems from their perspectives. In this study a novel prototype model that has wide applications in different fields and with different case studies is designed. Finally, it is recommended to perform the analysis at a higher resolution and with more input data to increase the accuracy of the results. It is recommended also to include investigations about the interactions with actors from other sectors like water and food sectors and actors who are concerned with the climate change issue and to assess the cooperation- conflict responses and consequences of these kinds of interactions. VI Zusammenfassung Energie spielt eine wichtige Rolle in unserem Leben, weil sie sowohl ein lebensnotwendiges Bedürfnis der Menschen ist, als auch in alle Aspekte der Entwicklung unseres Lebens eingreift. Dabei stellt der elektrische Strom die am weitesten verbreitete Energieform dar und ist zugleich ein attraktives Gebiet von Forschung und Entwicklung, um zwischen der Effizienz und der Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugungstechnologien einen Kompromiss zu finden. Heutzutage jedoch erweitert das Phänomen des Klimawandels mit seinen Auswirkungen den Blick auf diese Technologien. Dadurch werden weitere Sozial- und Umweltaspekte und besonders der Begriff der nachhaltigen Entwicklung in die Bewertung aufgenommen. Als Antwort auf den zunehmenden Strombedarf in Ägypten müssen die Akteure im Energiesektor zwischen allen potentiellen Technologien abwägen und Entscheidungen über eine passende Energiemischung treffen, die eine nachhaltige zukünftige Energieversorgung in Ägypten sichern kann. Eine sorgfältige Literaturrecherche zeigt, dass bisherige Studien sich mit der nachhaltigkeitsorientierten Beurteilung der installierten Kraftwerk-Projekte hinsichtlich der anliegenden Gemeinden in ihren Fallstudien beschäftigen, wobei einige dieser Studien auf eine statische Untersuchung der Technologien und erneuerbaren Energietechnologien beschränkt sind. Keine Aufmerksamkeit ist jedoch der Rolle der Wechselwirkung der Entscheidungen von mehreren Akteuren im Planungsprozess der zukünftigen Energie gewidmet worden. Außerdem wurden bisherige Studien zur Stromversorgung Ägyptens vor allem mit Blick auf die technischen und ökonomischen Aspekte und mit geringer Berücksichtigung der sozialen und Umwelt-Aspekte durchgeführt. Diese Studie verfolgt einen neuen Ansatz der räumlich und zeitlich dynamischen nachhaltigen Beurteilung der Technologien für die Stromplanung und die Analyse des Entscheidungsprozesses von mehreren Akteuren im Energiesektor. Ich untersuche die Szenarien und die Strategien für die Zukunftsplanung der Energiesicherheit in Ägypten, mit Fokus auf alternative Energiewege und auf eine nachhaltige Mischung der Stromerzeugung als Teil eines Energie-Fahrplans bis zum Jahr 2100. Der Auswahlprozess beruht auf der Beurteilung der Technologien entsprechend der Präferenzen der Akteure in Multikriterien-Bewertungen, die relevante Dimensionen der Nachhaltigkeit berücksichtigen. In diesem Beurteilungsprozess verwende ich einen neuen Ansatz, der drei Methoden integriert: die Multikriterien-Entscheidungsanalyse (MCDA), das räumliche Geographische Informationssystem (GIS) für die Datenanalyse und die Agentenbasierte Modellierung (ABM). Darüber hinaus untersuche ich den Ausstoß von Treibhausgasen in den verschiedenen Szenarien der Energiemischung. Die Studie umfasst 13 Bewertungs-Indikatoren, welche die vier Hauptdimensionen der nachhaltigen Entwicklung vertreten, 13 räumliche Faktoren, welche die lokalen Umgebungsbedingungen repräsentieren, 11 akteursbasierte Szenarien (4 Akteure des Energiesektors in Ägypten, 4 virtuelle Akteure, von denen jeder eine Dimension der Nachhaltigkeit vertritt, ein gemischtes Nachhaltigkeits-Szenario und 2 Spielszenarien, die die Wechselwirkung zwischen den Akteuren darstellen) und 7 Stromerzeugungstechnologien (Kohle, Erdgas, Wind, konzentrierte Sonnenkraft, Photovoltaik, Biomasse und Kernkraft). Durch den Vergleich der Resultate der verschiedenen Szenarien komme ich zu dem Ergebnis, dass die Akteure des Energiesektors vergleichbare zukünftige Szenarien der Energiemischung aufgrund ähnlicher Präferenzen ihrer Beurteilung der Technologien zeigen. Allerdings zeigen die vier virtuellen Akteure, die jeweils nur einer Dimension der Nachhaltigkeit bevorzugen, große Unterschiede in zukünftigen Szenarien der Energie-Mischung, was auf einen Zusammenhang zwischen einigen VII Technologien und bestimmten Nachhaltigkeitsdimensionen hinweist. Das Spielszenario erklärt die Wechselwirkung zwischen den Entscheidungen von verschiedenen Akteuren, und wie diese Interaktionen ihr Verhalten bei der Beurteilung der Technologien ändern können, um ihre Vorteile zu vergrößern. Generell gibt es eine Wende in der Energie-Landschaft zu erneuerbaren Technologien, um die zunehmende Nachfrage in einer sicheren und nachhaltigen Weise bereitzustellen, mit der Möglichkeit Kohle und Kernkraft in beschränktem Maße als Mittel der Diversifizierung und Sicherung der Energieversorgung einzubeziehen. Die Studie verdeutlicht die Komplexität des Entscheidungsprozesses in der Planung der zukünftigen Energiebereitstellung, die eine multidimensionale dynamische Beurteilung von Energie-Systemen und die Berücksichtigung der Präferenzen aller vom Entscheidungsprozess betroffenen Stakeholder in der Auswertung dieser Systeme erforderlich macht. Die Studie entwirft ein neues Prototyp-Modell, das breite Anwendungen in verschiedenen Feldern und mit verschiedenen Fallstudien hat. Schließlich wird empfohlen, die Analyse mit einer höheren Genauigkeit und mit mehr Eingangsdaten durchzuführen, um die Sicherheit der Resultate zu verbessern. Es wird auch empfohlen, Wechselwirkungen mit Akteuren aus anderen Sektoren wie Wasser- und Nahrungsmittelversorgung, mit Akteuren im Kontext des Klimawandels oder Reaktionen und Konsequenzen von Kooperation und Konflikten zu untersuchen. VIII Table of Contents Acknowledgements ............................................................................................................................... III Abstract .................................................................................................................................................. V Zusammenfassung ................................................................................................................................ VII List of Tables ......................................................................................................................................... XII List of Figures ....................................................................................................................................... XIII Abbreviations ..................................................................................................................................... XVII 1. Introduction .................................................................................................................................. 1 1.1. Decision making .................................................................................................................... 1 1.1.1. Decision theory ................................................................................................................. 1 1.1.2. Game theory ..................................................................................................................... 2 1.1.3. System dynamics ............................................................................................................... 2 1.2. Sustainable Development (SD) ............................................................................................. 2 1.3. Literature review ................................................................................................................... 5 1.4. Physical geography and demography of Egypt ..................................................................... 6 1.5. Electricity status in Egypt ...................................................................................................... 9 1.6. Problem statement ............................................................................................................. 13 1.7. Aim and scope of the study ................................................................................................ 14 1.8. Study approach ................................................................................................................... 14 2. Sustainability Assessment Indicators .......................................................................................... 17 2.1. Subjective data collection ................................................................................................... 17 2.2. Indicators in the literature .................................................................................................. 18 2.3. Selection of indicators ......................................................................................................... 19 2.4. Life Cycle Assessment and Risk Assessment ....................................................................... 24 2.5. The values of the indicators ................................................................................................ 27 2.5.1. Technical Indicators ........................................................................................................ 27 2.5.2. Economic Indicators ........................................................................................................ 31 2.5.3. Environmental Indicators ................................................................................................ 36 2.5.4. Social Indicators .............................................................................................................. 39 2.6. Normalization of values ...................................................................................................... 42 2.7. Electricity supply technologies selected ............................................................................. 45 2.7.1. Coal-fired power plants ................................................................................................... 45 IX