Climate changes and new energy policies may blur future perspectives of hydroelectric. In this work a multidisciplinary analysis has been lead, aiming at considering changes in streamflow, supply and demand, due to climatic forcings and new pathways in European energy mix. Two reservoir power plants were chosen in Italy and Switzerland, exploiting water from glacier dominated and snow dominated catchments respectively. Changes in streamflows, volumes and hydropower revenues in the mid-term horizon have been evaluated, considering the period from 2017 to 2046. The workflow adopted considers a semi-lumped hydrological model for the definition of future runoff and a management model for the definition of future operational strategies of the power plant. Two sets of future scenarios were used, representing changes in climatic conditions and in electricity prices. Research findings confirm the relevance of climate changes impacts on streamflows, even at mid-term. A reduction in the available volumes was found in the worst scenarios for the two power plants analyzed. In addition, a temporal shift was observed, with an increase of runoff in late spring and a decrease in late summer. However, the effect of revenue’s losses mitigation introduced by adequate management strategies was proved, even facing changes in prices seasonality. Furthermore, future evolutions of energy market are expected to increase revenues in most of the scenarios considered, unless higher share of renewable energies will be implemented and kept current prices of carbon and fuel.
Il presente lavoro di tesi si inserisce nel filone di studi presente in letteratura riguardo a quello che viene definito “water-energy nexus”. Obiettivo di questo lavoro è quello di studiarne una delle sue declinazioni. Tale nesso verrà infatti analizzato in termini di “water for energy”, considerando come riferimento il settore idroelettrico. Acqua ed energia sono legate intimamente l’una all’altra. La produzione energetica ed in particolare quella elettrica sfrutta la risorsa idrica, influenzandone pertanto la disponibilità per altri scopi. Indipendentemente dalla risorsa considerata, sia essa di carattere idroelettrico oppure legata a gas naturale o combustibili fossili, viene sfruttata acqua per i processi di estrazione dell’energia. In maniera complementare, processi quali estrazione, trattamenti applicati e trasporto di acqua sfruttano grandi quantità di energia. I cambiamenti climatici in atto e le nuove politiche energetiche potrebbero aumentare l’incertezza sul futuro dell’idroelettrico. Le modifiche delle condizioni climatiche attuali impatteranno sul ciclo idrologico, quindi sui futuri deflussi in termini di volumi disponibili e di stagionalità. Inoltre, le variazioni delle principali variabili climatiche cambieranno anche la stagionalità di domanda e offerta di energia. Contemporaneamente, le nuove politiche energetiche adottate o in fase di adozione volte ad un contenimento delle emissioni di gas serra, ad una maggiore diffusione di sorgenti energetiche rinnovabili e, in alcune nazioni, la dismissione delle centrali nucleari esistenti, modificheranno il panorama energetico mondiale, impattando i prezzi di vendita dell’elettricità. Tutti questi fattori avranno una ricaduta sulla futura rendita del settore idroelettrico, dal momento che questa risulta dipendere in maniera indissolubile proprio dalla presenza di deflussi e dal prezzo di vendita dell’energia prodotta. In questa tesi, è stata portata avanti un’analisi multidisciplinare considerando tutti i fattori precedentemente discussi. In particolare, sono stati inclusi i futuri cambiamenti nei deflussi, nella domanda e nell’offerta di energia a causa di modifiche nelle principali forzanti climatiche e futuri trend del mix energetico europeo. Sono stati scelti come caso di studio due impianti a serbatoio situati in Italia e in Svizzera, i quali sfruttano per la produzione idroelettrica acque provenienti rispettivamente da un bacino con presenza di ghiacciaio e da un altro con sola presenza di neve stagionale. Nell’analisi sono stati valutati cambiamenti nei deflussi, nei volumi e nei ricavi nel medio periodo, considerando come periodo di riferimento il trentennio dal 2017 al 2046. Per questo studio sono stati utilizzati due modelli. Un modello idrologico semi distribuito con suddivisione del bacino in fasce di quota è stato adottato per la definizione dei futuri deflussi. Un modello di gestione è stato invece utilizzato per la definizione di future strategie di gestione dell’impianto. Per descrivere i futuri cambiamenti sono stati considerati due set di scenari, il primo relativo a cambiamenti nelle condizioni climatiche e il secondo a modifiche dei prezzi dell’elettricità. Per gli scenari di tipo climatico sono stati implementati tre trend crescenti di temperatura e una variazione del regime pluviometrico. Per gli scenari di tipo economico sono stati invece utilizzati due approcci differenti per ciascuno dei casi di studio. Per l’impianto italiano è stato adottato un approccio qualitativo basato su una variazione della stagionalità dei prezzi dell’elettricità. Questo ha permesso di studiare variazioni nella stagionalità del “water-energy nexus” e di capire quale dei due principali fattori, se i deflussi o i prezzi, avesse un maggiore impatto nelle rendite. Per il caso svizzero, invece, sono state sfruttate delle proiezioni circa i prezzi dell’energia al 2030 presenti in letteratura basate su possibili modifiche del mix energetico elvetico ed europeo. Data la complessità e la stratificazione del mercato elettrico, in entrambi i casi è stato adottato un approccio semplificato, considerando come riferimento solamente quello che viene definito “mercato del giorno prima”. Al fine di mettere in evidenza la rilevanza dei cambiamenti introdotti, tutti gli scenari sono stati considerati in riferimento ad uno scenario base, rappresentante la perpetuazione nel futuro delle presenti condizioni in termini di deflusso e di prezzi rispettivamente. I risultati ottenuti confermano quanto i cambiamenti climatici influiscano sui deflussi, anche nel medio termine. In particolare, è stata riscontrata una riduzione nei volumi disponibili in entrambi gli impianti considerati. Inoltre, si è osservata un’anticipazione temporale del picco degli idrogrammi, con un conseguente aumento del deflusso nella tarda primavera e una riduzione nella tarda estate. Lo studio della regressione dell’apparato glaciale per il caso di studio italiano, ha permesso di mettere in evidenza come le implicazioni di questo processo risultino essere rilevanti anche nel breve periodo, con un dimezzamento dell’attuale volume, alla fine dell’orizzonte temporale di studio, indipendentemente dallo scenario. Tuttavia, l’analisi dei risultati ottenuti dal modello di gestione in termini di modifica delle rendite, ha permesso di mettere in evidenza l’effetto di mitigazione sulle perdite di volume garantito da una corretta strategia di gestione degli invasi. Infatti, le riduzioni economiche ottenute, comunque presenti, sono minori rispetto alle corrispondenti diminuzioni dei volumi entranti. Tale effetto permette anche di far fronte a cambiamenti nella stagionalità di deflussi e di prezzi, confermando la maggiore robustezza di questo tipo di impianti a variazioni delle condizioni di lavoro. Infine, l’analisi delle future evoluzioni del mercato elettrico ha permesso di mettere in evidenza come nella maggior parte degli scenari considerati venga riscontrato un aumento delle rendite, eccezion fatta per quelli nei quali viene simulato un maggiore incremento nell’utilizzo delle fonti rinnovabili a mantenendo costante il prezzo di carbone e combustibili.
Water-energy nexus : hydrological and economic issues in hydropower systems with regulation
BONATO, MATTIA;RANZANI, ALESSANDRO
2016/2017
Abstract
Climate changes and new energy policies may blur future perspectives of hydroelectric. In this work a multidisciplinary analysis has been lead, aiming at considering changes in streamflow, supply and demand, due to climatic forcings and new pathways in European energy mix. Two reservoir power plants were chosen in Italy and Switzerland, exploiting water from glacier dominated and snow dominated catchments respectively. Changes in streamflows, volumes and hydropower revenues in the mid-term horizon have been evaluated, considering the period from 2017 to 2046. The workflow adopted considers a semi-lumped hydrological model for the definition of future runoff and a management model for the definition of future operational strategies of the power plant. Two sets of future scenarios were used, representing changes in climatic conditions and in electricity prices. Research findings confirm the relevance of climate changes impacts on streamflows, even at mid-term. A reduction in the available volumes was found in the worst scenarios for the two power plants analyzed. In addition, a temporal shift was observed, with an increase of runoff in late spring and a decrease in late summer. However, the effect of revenue’s losses mitigation introduced by adequate management strategies was proved, even facing changes in prices seasonality. Furthermore, future evolutions of energy market are expected to increase revenues in most of the scenarios considered, unless higher share of renewable energies will be implemented and kept current prices of carbon and fuel.File | Dimensione | Formato | |
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