In the present economic and technological conditions, hydropower has been the dominant source of renewable electricity generation component of the worldwide energy-mix. As one of the key sources of grid stability, flexibility and primary storage technology, hydropower needs to evolve and adapt to the challenges and opportunities dictated by the changing conditions. Evidently considering the greater reliance of hydropower on the hydrological cycle, effects of climate change dynamics cannot be neglected. Hydropower has three major uncertainties to address a) uncertainty in future hydropower generation due to climate change, b) influence on the future electricity mix due to variability in hydropower and vice-versa, and c) uncertainty of hydropower’s future revenue. Even though existing research have quantified these issues but there has been little research to examine them in a holistic manner. Future perspectives of hydropower in a changing climate have been the subject of a fairly extensive body of literature, but most research has addressed either water supply or energy demand. Also, most research has focused on storage hydropower, a rather robust technology to climate variability due to the possibility of adapting storage management to variable streamflow patterns. Future perspectives of run-of-the-river (ROR) hydropower plants, which represent an important component of the energy market that have no regulation capacity, have been much less investigated. Sedimentation is a major problem for dam and reservoir management worldwide due to the associated economic and environmental consequences. The interest of this research is also to understand varying impacts due changing scenarios on hydropower operating in different mode, one being storage type and other being run-of-the-river mode but situated in the same area. If the economic viability of hydropower projects is of concern, climate change may or may not be important. But in long term fluctuation in electricity prices must be accounted since it can have wider impact. Nevertheless, it should be remembered that, below a definite profitability level, hydropower is not sustainable and may jeopardize the energy supply security. An inventive modelling approach was used to address the interest of this research by combining engineering (hydrology, hydraulics and sedimentation) and economics (revenue maximization and electricity prices evolution) to understand from interconnecting perspectives, as shown in graphical abstract. Basically, it simulates multiple hydrological scenarios, based on simulated multiple future electricity price and its seasonality for covering the sustainable functionality of hydropower. This PhD research applied the aforementioned methodology for case studies in Italy, Switzerland and as well as at a nation-wide scale of Italian hydropower evaluating until the end of this century. Findings have identified that run-of-the-river hydropower in Italy faces a median decrease of -3% across all basins and all scenarios. Results show that in catchments where the proportion of glacier area over the total area of the catchment ratio is currently greater than 10%, run-of-the-river hydropower is particularly exposed to medium-term impacts of climate change (through 2065). Hydropower operators will need to adapt to changing climate scenarios to preserve optimum productivity. Electricity price seasonality (and by extension the energy market as a whole) has thus the potential to significantly change conclusions drawn from water-supply simulations i.e. viability and profitability are deeply interconnected. It also emerged from the study that areas with higher erosion variances (positive and negative) are probable to amplify in the future, and their patterns will be restrained by future climate and land use. The increased knowledge about future hydrological conditions, improved hydrological simulations and good assessment of modelling uncertainty can assist in focusing on the management of water resources in an altered climate scenario. This will enhance confidence in formulating the adaptation measures. This research supplements to literature pursuing to provide understandings for existing hydropower by integrating updated knowledge on hydrologic, hydraulics, and sedimentation processes to address the water management of impounded river basins through a holistic paradigm. In particular, this thesis aims to assess the representation of hydropower in a more comprehensive manner than it has carried out before within the management model, addressing the following issues: 1) re-think of design scenarios of dams taking into account modified climate conditions, and considering not only the streamflow variable, but including also electricity prices and sediment; 2) update of dam operations in order to accommodate modified behavior of climate forcing’s and hydrologic variables, and modified needs; 3) illustrate some demonstrative case studies considering post-construction assessment of dam-reservoir systems; and 4) hydropower adaptability to volatility in fossil fuel prices and non-hydro renewable deployment.

Nell’ attuale quadro economico e tecnologico globale, l’idroelettrico rappresenta la principale fonte rinnovabile di energia elettrica. In quanto elemento strategico di stabilità, di flessibilità e di accumulo primario del sistema elettrico, è fondamentale che il settore idroelettrico si evolva ed si adatti alle sfide e alle opportunita’ che scaturiscono dalla mutazione delle condizioni al contorno. Considerando la stretta connessione tra l’idroelettrico e il ciclo idrologico non e’ possibile trascurare gli effetti che i cambiamenti climatici e le loro dinamiche esercitano sull’idroelettrico. Le tre principali incognite proprie dell’idroelettrico sono: a) incertezza riguardo la capacita’ generativa futura dovuta ai cambiamenti climatici b) l’influenza sul futuro assetto di produzione energetica dovuto alla variabilita’ della capacita’ dell’idroelettrico, e c) l’incertezza riguardante i proventi futuri dell’idroelettrico. Nonostante esistano studi che analizzino e quantifichino queste istanze singolarmente, pochi di questi hanno adottato un approccio sistemico ed olistico. Le prospettive future dell’idroelettrico in scenari di cambiamento climatico sono oggetto di sostanziale e esaustiva ricerca scientifica. Tuttavia, gran parte della letteratura si concentra sulla domanda idrica o energetica. In aggiunta, gran parte della ricerca ha riguardato gli impianti idroelettrici a serbatoio, una tecnologia discretamente robusta ai cambiamenti climatici in virtu’ della possibilita’ di adattare le politiche di gestione dei bacini ai diversi regimi di flusso e deflusso. Le prospettive future degli impianti ad acqua fluente, che rappresentano una componente rilevante del mercato energetico e che hanno ridotte capacita’ di regolazione, sono state analizzate in misura sostanzialmente ridotta. La deposizione di materiale sedimentoso e’ un problema serio per la gestione globale della reta idroelettrica, con conseguenze di natura sia economica che ambientale. Il seguente studio mira anche alla comprensione dei diversi impatti che scenari variabili possono avere su sistemi idroelettrici che operano in modalita’ diversa, nello specifico impianti a serbatoio e sistemi ad acqua fluente all’interno della medesima area geografica. Nell’ambito delle analisi di fattibilita’ economica i cambiamenti climatici non sempre vengono considerati; tuttavia questi ultimi sono una variabile imprescindibile nella previsione del prezzo dell’ energia elettrica a lungo termine. Inoltre occorre ricordare che un sistema idroelettrico che opera al di sotto di una data soglia di profittabilita’ non e’ sostenibile e che in tal caso rappresenta una minaccia alla sicurazza della rete energetica. Un approccio innovatico alla modellizzazione e’ stato utilizzato per perseguire le domande scientifiche di questo lavoro. Istanze di ingegneria (idrologia, idraulica e dinamica dei sedimenti) e di economia (massimizzazione dei profitti e evoluzione dei prezzi dell'elettricità) sono state considerate al fine favorire una comprensione del problema che fosse il piu’ completa e multiprospettiva possibile. Il modello utilizzato simula molteplici scenari idrologici futuri, basati su molteplici scenari di costo dell’energia e di sua stagionalità per l’analisi di un funzionamento sostenibile dell’idroelettrico. La ricerca contestuale a questo dottorato applica questa metodologia a casi di studio a scala locale in Italia e in svizzera e, al contempo, applica la metodologia a scala nazionale considerando per la rete idroelettrica italiana. Gli scenari possibili vengono analizzati con un orizzonte temporale che copre l’intero secolo. I risultati prodotti indicano un trend negativo per tutti gli impianti italiani ad acqua fluente, quantificabile intorno al 3% (valore mediano). I dati mostrano che i sistemi ad acqua fluente situati in bacini per cui i ghiacciai coprono una porzione di territorio superiore al 10 % sono particolarmente esposti agli impatti dei cambiamenti climatici e medio termine (indicativamente 2065). I gestori della rete idroelettrica dovranno adattarsi agli scenari mutevoli per perseguire e mantenere l’efficienza generativa. La stagionalita’ del prezzo dell’energia (e il mercato dell’energia nel suo insieme) puo’ cambiare sostanzialmente le conclusioni basate sulle simulazioni a base idrologica: fattibilita’ e profittabilita’ sono infatti profondamente interconnesse. Lo studio indica anche la tendenza all’amplificazione in intensita’ dei fenomeni di erosione e deposizione nelle aree in cui tali fenomeni sono gia’ in essere: questi processi saranno particolarmente influenzati dall’evoluzione del clima e dalle variazioni di uso del suolo. L’affinamento della conoscenza delle condizioni idrologiche future, il perfezionamento delle simulazioni e la quantificazione dell’incertezza di previsione sono strumenti importanti per asssistere la gestione delle risorse idriche in un contest di cambiamenti climatici. Il presente lavoro integra la letteratura esistente cercando di avanzare il livello di comprensione dei sistemi idroelettrici esistenti tramite l’integrazione degli elementi di idrologia, idraulica e dinamica dei sedimenti al fine di analizzare la gestione delle risorse idriche nei bacini idroelettrici attravero un approccio olistico. Nello specifico, questa tesi ambisce a una rappresentazione piu’ completa e precisa dell’idroelettrico concentrandosi sulle seguenti istanze: 1) riconsiderare la progettazione delle dighe in un contesto di cambiamenti climatici considerando, in aggiunta ai parametri idrologici, il prezzo dell’energia e i processi di sedimentazione 2) aggiornare le modalità di gestione delle dighe al fine di gestire le variazioni delle forzanti meteorologiche e dei parametric idrologici 3) presentare alcuni significativi casi che considerano lo studio di impianti a serbatoio; 4) la adattabilità del settore idroelettrico alla volatilita’ del prezzo dei combustinili fossili e all’utillizzo di altre fonti di energia rinnovabile.

Climate, water, energy nexus: potential impacts on hydrology and hydropower production

PATRO, EPARI RITESH

Abstract

In the present economic and technological conditions, hydropower has been the dominant source of renewable electricity generation component of the worldwide energy-mix. As one of the key sources of grid stability, flexibility and primary storage technology, hydropower needs to evolve and adapt to the challenges and opportunities dictated by the changing conditions. Evidently considering the greater reliance of hydropower on the hydrological cycle, effects of climate change dynamics cannot be neglected. Hydropower has three major uncertainties to address a) uncertainty in future hydropower generation due to climate change, b) influence on the future electricity mix due to variability in hydropower and vice-versa, and c) uncertainty of hydropower’s future revenue. Even though existing research have quantified these issues but there has been little research to examine them in a holistic manner. Future perspectives of hydropower in a changing climate have been the subject of a fairly extensive body of literature, but most research has addressed either water supply or energy demand. Also, most research has focused on storage hydropower, a rather robust technology to climate variability due to the possibility of adapting storage management to variable streamflow patterns. Future perspectives of run-of-the-river (ROR) hydropower plants, which represent an important component of the energy market that have no regulation capacity, have been much less investigated. Sedimentation is a major problem for dam and reservoir management worldwide due to the associated economic and environmental consequences. The interest of this research is also to understand varying impacts due changing scenarios on hydropower operating in different mode, one being storage type and other being run-of-the-river mode but situated in the same area. If the economic viability of hydropower projects is of concern, climate change may or may not be important. But in long term fluctuation in electricity prices must be accounted since it can have wider impact. Nevertheless, it should be remembered that, below a definite profitability level, hydropower is not sustainable and may jeopardize the energy supply security. An inventive modelling approach was used to address the interest of this research by combining engineering (hydrology, hydraulics and sedimentation) and economics (revenue maximization and electricity prices evolution) to understand from interconnecting perspectives, as shown in graphical abstract. Basically, it simulates multiple hydrological scenarios, based on simulated multiple future electricity price and its seasonality for covering the sustainable functionality of hydropower. This PhD research applied the aforementioned methodology for case studies in Italy, Switzerland and as well as at a nation-wide scale of Italian hydropower evaluating until the end of this century. Findings have identified that run-of-the-river hydropower in Italy faces a median decrease of -3% across all basins and all scenarios. Results show that in catchments where the proportion of glacier area over the total area of the catchment ratio is currently greater than 10%, run-of-the-river hydropower is particularly exposed to medium-term impacts of climate change (through 2065). Hydropower operators will need to adapt to changing climate scenarios to preserve optimum productivity. Electricity price seasonality (and by extension the energy market as a whole) has thus the potential to significantly change conclusions drawn from water-supply simulations i.e. viability and profitability are deeply interconnected. It also emerged from the study that areas with higher erosion variances (positive and negative) are probable to amplify in the future, and their patterns will be restrained by future climate and land use. The increased knowledge about future hydrological conditions, improved hydrological simulations and good assessment of modelling uncertainty can assist in focusing on the management of water resources in an altered climate scenario. This will enhance confidence in formulating the adaptation measures. This research supplements to literature pursuing to provide understandings for existing hydropower by integrating updated knowledge on hydrologic, hydraulics, and sedimentation processes to address the water management of impounded river basins through a holistic paradigm. In particular, this thesis aims to assess the representation of hydropower in a more comprehensive manner than it has carried out before within the management model, addressing the following issues: 1) re-think of design scenarios of dams taking into account modified climate conditions, and considering not only the streamflow variable, but including also electricity prices and sediment; 2) update of dam operations in order to accommodate modified behavior of climate forcing’s and hydrologic variables, and modified needs; 3) illustrate some demonstrative case studies considering post-construction assessment of dam-reservoir systems; and 4) hydropower adaptability to volatility in fossil fuel prices and non-hydro renewable deployment.
BARZAGHI, RICCARDO
DE MICHELE, CARLO
31-mar-2020
Nell’ attuale quadro economico e tecnologico globale, l’idroelettrico rappresenta la principale fonte rinnovabile di energia elettrica. In quanto elemento strategico di stabilità, di flessibilità e di accumulo primario del sistema elettrico, è fondamentale che il settore idroelettrico si evolva ed si adatti alle sfide e alle opportunita’ che scaturiscono dalla mutazione delle condizioni al contorno. Considerando la stretta connessione tra l’idroelettrico e il ciclo idrologico non e’ possibile trascurare gli effetti che i cambiamenti climatici e le loro dinamiche esercitano sull’idroelettrico. Le tre principali incognite proprie dell’idroelettrico sono: a) incertezza riguardo la capacita’ generativa futura dovuta ai cambiamenti climatici b) l’influenza sul futuro assetto di produzione energetica dovuto alla variabilita’ della capacita’ dell’idroelettrico, e c) l’incertezza riguardante i proventi futuri dell’idroelettrico. Nonostante esistano studi che analizzino e quantifichino queste istanze singolarmente, pochi di questi hanno adottato un approccio sistemico ed olistico. Le prospettive future dell’idroelettrico in scenari di cambiamento climatico sono oggetto di sostanziale e esaustiva ricerca scientifica. Tuttavia, gran parte della letteratura si concentra sulla domanda idrica o energetica. In aggiunta, gran parte della ricerca ha riguardato gli impianti idroelettrici a serbatoio, una tecnologia discretamente robusta ai cambiamenti climatici in virtu’ della possibilita’ di adattare le politiche di gestione dei bacini ai diversi regimi di flusso e deflusso. Le prospettive future degli impianti ad acqua fluente, che rappresentano una componente rilevante del mercato energetico e che hanno ridotte capacita’ di regolazione, sono state analizzate in misura sostanzialmente ridotta. La deposizione di materiale sedimentoso e’ un problema serio per la gestione globale della reta idroelettrica, con conseguenze di natura sia economica che ambientale. Il seguente studio mira anche alla comprensione dei diversi impatti che scenari variabili possono avere su sistemi idroelettrici che operano in modalita’ diversa, nello specifico impianti a serbatoio e sistemi ad acqua fluente all’interno della medesima area geografica. Nell’ambito delle analisi di fattibilita’ economica i cambiamenti climatici non sempre vengono considerati; tuttavia questi ultimi sono una variabile imprescindibile nella previsione del prezzo dell’ energia elettrica a lungo termine. Inoltre occorre ricordare che un sistema idroelettrico che opera al di sotto di una data soglia di profittabilita’ non e’ sostenibile e che in tal caso rappresenta una minaccia alla sicurazza della rete energetica. Un approccio innovatico alla modellizzazione e’ stato utilizzato per perseguire le domande scientifiche di questo lavoro. Istanze di ingegneria (idrologia, idraulica e dinamica dei sedimenti) e di economia (massimizzazione dei profitti e evoluzione dei prezzi dell'elettricità) sono state considerate al fine favorire una comprensione del problema che fosse il piu’ completa e multiprospettiva possibile. Il modello utilizzato simula molteplici scenari idrologici futuri, basati su molteplici scenari di costo dell’energia e di sua stagionalità per l’analisi di un funzionamento sostenibile dell’idroelettrico. La ricerca contestuale a questo dottorato applica questa metodologia a casi di studio a scala locale in Italia e in svizzera e, al contempo, applica la metodologia a scala nazionale considerando per la rete idroelettrica italiana. Gli scenari possibili vengono analizzati con un orizzonte temporale che copre l’intero secolo. I risultati prodotti indicano un trend negativo per tutti gli impianti italiani ad acqua fluente, quantificabile intorno al 3% (valore mediano). I dati mostrano che i sistemi ad acqua fluente situati in bacini per cui i ghiacciai coprono una porzione di territorio superiore al 10 % sono particolarmente esposti agli impatti dei cambiamenti climatici e medio termine (indicativamente 2065). I gestori della rete idroelettrica dovranno adattarsi agli scenari mutevoli per perseguire e mantenere l’efficienza generativa. La stagionalita’ del prezzo dell’energia (e il mercato dell’energia nel suo insieme) puo’ cambiare sostanzialmente le conclusioni basate sulle simulazioni a base idrologica: fattibilita’ e profittabilita’ sono infatti profondamente interconnesse. Lo studio indica anche la tendenza all’amplificazione in intensita’ dei fenomeni di erosione e deposizione nelle aree in cui tali fenomeni sono gia’ in essere: questi processi saranno particolarmente influenzati dall’evoluzione del clima e dalle variazioni di uso del suolo. L’affinamento della conoscenza delle condizioni idrologiche future, il perfezionamento delle simulazioni e la quantificazione dell’incertezza di previsione sono strumenti importanti per asssistere la gestione delle risorse idriche in un contest di cambiamenti climatici. Il presente lavoro integra la letteratura esistente cercando di avanzare il livello di comprensione dei sistemi idroelettrici esistenti tramite l’integrazione degli elementi di idrologia, idraulica e dinamica dei sedimenti al fine di analizzare la gestione delle risorse idriche nei bacini idroelettrici attravero un approccio olistico. Nello specifico, questa tesi ambisce a una rappresentazione piu’ completa e precisa dell’idroelettrico concentrandosi sulle seguenti istanze: 1) riconsiderare la progettazione delle dighe in un contesto di cambiamenti climatici considerando, in aggiunta ai parametri idrologici, il prezzo dell’energia e i processi di sedimentazione 2) aggiornare le modalità di gestione delle dighe al fine di gestire le variazioni delle forzanti meteorologiche e dei parametric idrologici 3) presentare alcuni significativi casi che considerano lo studio di impianti a serbatoio; 4) la adattabilità del settore idroelettrico alla volatilita’ del prezzo dei combustinili fossili e all’utillizzo di altre fonti di energia rinnovabile.
Tesi di dottorato
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