Assessing climate change impact on alpine hydropower : a case study on the Italian Alps

Climate change is severely altering the Alpine environment. Temperature rising and extreme precipitation events are deeply affecting the hydrological regime, reducing water availability and altering inflow seasonality. Moreover, reduced snowfall and warmer climate are accelerating glaciers retreat, causing the permanent loss of the main freshwater source in the Alps. Alpine hydropower systems are operated based upon hydrologic and socio-economic conditions and are thus vulnerable to climate changes. The central role of hydropower as key flexible and renewable source in the energy market is urging the scientific community to search for mitigation measures. The need for adaptation of hydropower operations to future changing conditions requires the generation of realistic information that hydropower decision maker may include in policy design, regarding the future hydrological regimes and long-term impact on catchment components. In this thesis, we assess climate change impact on the Alpine hydropower, focusing on a case study in the Italian Alps. We carry out the assessment on the real case study of Cancano- San Giacomo hydropower system, located in Adda river basin. We apply the traditional, top-down climate change impact study approach, known in the literature as “scenario- based” approach. Local climate change projections are derived from high-resolution EURO-CORDEX scenarios using statistical downscaling technique. Local climate projections are then employed to feed Topkapi-ETH model, a distributed physically based hydrological model that is used to reproduce the Adda river basin response to climate change. This model allows monitoring multiple outputs, both distributed maps and point specific time series, concerning different hydrology aspects. Topkapi-ETH simulations provide us inflow projections and ice pack maps and runoff. Inflow time series are used to assess the historical and future impact of climate change on the hydropower. More precisely, we first evaluate the vulnerability of historical operating policy to new inflow conditions. We then assess the adaptive capacity of the operating policy including inflow projections in policy design. The advantages are estimated by evaluating the enhancement in reservoir operation comparing adaptive policies performances to historical operating policy.

Il cambiamento climatico sta gravemente alterando l’ambiente alpino. Il regime idrologico risente dell’aumento delle temperature e dell’intensificazione degli eventi piovosi estremi, che influiscono sulla disponibilità d’acqua e sulla stagionalità degli afflussi. La riduzione delle precipitazioni nevose e un clima generalmente più caldo accelerano inoltre il ritiro dei ghiacciai, causando la perdita permanente di una delle principali riserve di acqua dolce delle Alpi. I sistemi idroelettrici situati nelle Alpi operano seguendo driver idrologici e socio-economici e sono quindi vulnerabili al cambiamento climatico. L’idroelettrico costituisce una delle principali fonti di energia rinnovabile e la sua flessibilità gli conferisce un ruolo centrale nel mercato energetico: queste considerazioni stimolano la ricerca di misure di mitigazione del cambiamento climatico. La necessità di adattare le politiche di gestione a questi cambiamenti richiede la generazione di informazioni realistiche riguardo il regime idrologico futuro e gli impatti a lungo termine sulle componenti del bacino idrografico. Queste informazioni possono essere interessanti per il gestore idroelettrico e possono essere incluse nel processo di ottimizzazione delle politiche. In questa tesi si valuta l’impatto del cambiamento climatico sull’ambiente alpino e sui sistemi idroelettrici, ponendo l’attenzione agli effetti sulle riserve idriche naturali permanenti presenti nel bacino e alla capacità di adattamento al cambiamento climatico dell’idroelettrico. Analizziamo il caso di studio reale del sistema idroelettrico di A2A, situato nel bacino del Lago di Como nelle Alpi italiane, impiegando l’approccio classico per gli studi d’impatto noto come “scenario-based”. Le proiezioni climatiche a scala locale sono generate partendo dagli scenari EURO-CORDEX ad alta risoluzione applicando un downscaling statistico. Le proiezioni climatiche locali sono utilizzate nelle simulazioni di Topkapi-ETH, un modello distribuito fisicamente basato che riproduce la risposta del bacino del lago di Como al cambiamento climatico. Questo modello consente di ottenere diversi output riguardo svariati aspetti dell’idrologia, sia in forma di mappe che di serie temporali. Le simulazioni di Topkapi-ETH forniscono le proiezioni dell’afflusso al serbatoio nel futuro oltre che le mappe di spessore e le serie di deflusso dei ghiacciai. Le serie di afflusso sono utilizzate per modellizzare le operazioni del serbatoio nel contesto storico e nella valutazione degli impatti futuri del cambiamento climatico. Più precisamente, in primo luogo si valuta la vulnerabilità della politica storica alle nuove condizioni di afflusso. In un secondo momento, si valuta la capacità di adattamento della politica del sistema idroelettrico, includendo le proiezioni future di afflusso nell’ottimizzazione della politica. Il vantaggio dovuto all’informazione d’afflusso futuro viene quantificato valutando il miglioramento delle prestazioni del sistema gestito con le politiche adattative rispetto alle prestazioni della politica storica.