L'impatto del cambiamento climatico sulla produzione idroelettrica in un bacino idrografico alpino poco glacializzato

The influence of climate change on hydropower production in alpine catchment areas with high glacier cover has already been investigated in previous studies, and has highlighted some general trends in hydroelectric plants response such as reduced hydropower output and redundant reservoir volumes. In an attempt to verify whether the same trends are also present in Alpine basins with little or no glaciation, the behaviour of the Taio-Santa Giustina hydroelectric plant, in the province of Trento, operated by Edison, is studied. The closed basin of Santa Giustina dam has an area of 1050 km2, of which only 0,12% is occupied by the Careser Glacier, and an average elevation of 1764 m above sea level. The climate is predominantly continental, with average monthly temperatures ranging from -30°  C in the winter months to 35°  C in the summer; precipitation is highest in the spring and autumn months (1200-1400 mm/year), while in winter it is mainly snowy. The plant is fed by the St. Justina artificial lake (172 million m3 of useful reservoir) created by a 147,5 m high concrete arch dam (height of the crest 531 m above sea level and at the base of the dam 380 m above sea level). The study follows the procedure adopted in the previous studies, partly using tools developed in those sites and developing others. Starting from rainfall and temperature projections for the year 2100 time horizon obtained by applying nine global circulation models to three RCP and four SSP scenarios and subjecting the series to a downscaling procedure, the input data for a semi-distributed hydrological model with cells, with a 200 m side, capable of simulating the inflow-deflows transformation with daily frequency in the catchment of interest, were obtained. For the calibration and validation of the hydrological model, daily historical series of precipitation and temperature (1990-2020) and of flow (1990-1999) were used. For each climate scenario, the hydrological model was used to generate runoff flows in the basin from 2020 to 2100, observing a decrease and loss of seasonality of the average flow in the two decades of comparison (2040-2049 and 2090-2099) compared to that of the control period (2010-2019). The hydrological regime changes from alpine continental to rainfall regime, with an increase in liquid precipitation at the expense of solid precipitation. The decrease in runoff is due to a combination of reduced precipitation or increased evapotranspiration and the absence of the glacial melt component. In order to calibrate the hydrological model, the use of satellite images has been experimented, with interesting results, to indirectly obtain, through the known reservoir area-volume curve, the reservoir volumes in the period 2017-2020. A hydraulic model based on the continuity equation simulates the behaviour of the plant and reservoir whose management aims to maximize the operator’s economic revenue. For this purpose, a special model has been developed that uses a neural network to simulate daily electricity prices up to 2100, which are used as input, together with daily flow rates, for the optimization model. The simulated average energy production for each scenario shows an average decrease of 35% in the comparison decade 2040-2049 and 38% in the one 2090-2099 compared to the control period 2010-2019, which is explained by the decrease of the input flow rates. The study also shows an average reduction of 48% in the 2040-2049 decade and 59% in the 2090-2099 decade in the use of reservoir regulation capacity compared to the 2010-2019 control period. In common with the most glaciated catchments, a reduction in inflows is confirmed, but compared to them the migration of the hydrological regime towards a pluvial regime is more pronounced. As a consequence, both the hydroelectric production and the operator’s income in terms of economic profit have been more markedly reduced, but also because of the very low glacial cover that does not allow to buffer the future decrease of the flows entering the lake, these variations are much more accentuated.

L’influenza del cambiamento climatico sulla produzione idroelettrica in bacini idrografici alpini ad elevata copertura glaciale è stata già oggetto di precedenti studi [7, 41], ed ha messo in evidenza alcune tendenze generali nella risposta degli impianti quali una riduzione della producibilità di energia idroelettrica e la ridondanza dei volumi di invaso. Nel tentativo di verificare se le medesime tendenze siano presenti anche in bacini alpini poco o per nulla glacializzati, si studia il comportamento dell’impianto idroelettrico di Taio-Santa Giustina, in provincia di Trento, gestito da Edison. Il bacino chiuso alla diga di S. Giustina ha un’area di 1050 km2, di cui solo lo 0,12% occupato dal Ghiacciaio del Careser, ed una quota media di 1764 m s.l.m. Il clima è prevalentemente continentale, le temperature possono raggiungere i -30° C nei mesi invernali di dicembre e gennaio e superare i 35° C nei mesi di luglio e agosto; le precipitazioni medie annue sono intorno ai 1000 mm, più elevate nei mesi primaverili e autunnali mentre d’inverno sono prevalentemente nevose. L’impianto è alimentato dal lago artificiale di S. Giustina (172 milioni di m3 di invaso utile) creato da una diga ad arco in calcestruzzo di 147,5 m di altezza (quota del coronamento 531 m s.l.m. e al piede interrato della diga 380 m s.l.m.). Lo studio segue il procedimento adottato negli studi precedenti usando in parte strumenti messi a punto in quelle sedi e sviluppandone altri. A partire dalle proiezioni delle precipitazioni e delle temperature con l’orizzonte temporale del 2100 ottenute mediante l’applicazione di nove modelli di circolazione globale a tre scenari RCP e quattro scenari SSP e sottoponendo le serie ad una procedura di downscaling, si sono ottenuti i dati di ingresso per un modello idrologico semi-distribuito a celle, con lato di 200 m, in grado di simulare la trasformazione afflussi-deflussi con frequenza giornaliera nel bacino idrografico di interesse. Per la calibrazione e la validazione del modello idrologico si sono utilizzate serie storiche giornaliere di precipitazione e temperatura (1990-2020) e di portata (1990-1999). Per ogni scenario climatico, mediante il modello idrologico si sono generate le portate defluenti nel bacino dal 2020 al 2100 osservando una decrescita e perdita di stagionalità della portata media nei due decenni di confronto (2040-2049 e 2090-2099) rispetto a quella del periodo di controllo (2010-2019). Il regime idrologico subisce un cambiamento passando da continentale alpino a pluviometrico, vedendo un aumento delle precipitazioni liquide a discapito di quelle solide. La diminuzione delle portate defluenti è dovuta alla combinazione della riduzione delle precipitazioni o aumento dell’evapotraspirazione e all’assenza della componente dei deflussi proveniente da fusione glaciale. Strumentalmente alla taratura del modello idrologico si è sperimentato, con risultati interessanti e degni di approfondimento, l’utilizzo di immagini satellitari per ottenere indirettamente, tramite la curva d’invaso area-volume nota del serbatoio, i volumi in esso invasati nel periodo 2017-2020. Un modello idraulico basato sull’equazione di continuità simula il comportamento dell’impianto e del serbatoio la cui gestione ha come obiettivo la massimizzazione del ricavo economico del gestore. Per questo si è sviluppato un apposito modello che attraverso una rete neurale simula i prezzi giornalieri dell’energia elettrica fino al 2100 usati come input, insieme con portate giornaliere, del modello di ottimizzazione. Le produzioni di energia medie così simulate per ogni scenario mostrano una diminuzione media del 35% nel decennio di confronto 2040-2049 e del 38% in quello 2090-2099 rispetto al periodo di controllo 2010-2019, che si spiega con la diminuzione delle portate in ingresso. Dallo studio emerge inoltre una riduzione media del 48% nel decennio 2040-2049 e del 59% nel decennio 2090-2099 dell’uso della capacità di regolazione dell’invaso rispetto al periodo di controllo 2010-2019. In comune con i bacini idrografici più glacializzati si è confermata una riduzione degli afflussi, ma rispetto a essi la migrazione del regime idrologico verso un regime pluviale è risultata più marcata. Ne è conseguita una più marcata riduzione sia della produzione idroelettrica sia del ricavo del gestore in termini di profitto economico, ma a causa anche della modestissima copertura glaciale che non permette di tamponare la futura diminuzione dei deflussi entranti nel lago tali variazioni risultano essere molto più accentuate.