Coupling energy systems planning and water quality models to quantify the impacts of african hydropower expansion on freshwater fish biodiversity

Despite the environmental, social and financial risks associated with hydropower development, Africa’s growing energy demands and climate neutrality targets are expected to drive a significant hydropower capacity expansion in the near future, with 300 new projects planned, for a total of 100 GW. At the same time, African watersheds are among the most biodiverse ecosystems on the planet, already threatened by climate change. This underscores the urgent need to assess hydropower’s potential impacts on freshwater biodiversity. This thesis develops an integrated modelling framework to explore synergies and trade-offs between hydropower development and environmental impacts from 2020 to 2050. Specifically, we combine a water quality model (i.e. DyQual) with an energy system planning model (i.e. OSeMOSYS-TEMBA). The first simulates river discharge and water temperatures at a 5-arcminutes resolution across the African continent, while the latter identifies cost-optimal energy mixes including hydropower plants selected among 588 existing and future projects whose expected power production is conditioned to the water availability simulated by DynQual at each power plant site. DynQual simulations are further integrated with a biodiversity species modeling tool (i.e. Fishsuit) to evaluate the exposure of riverine species to alternative hydropower development pathways and different SSP-RCP scenarios. Results suggest a declining role of hydropower by mid-century as solar photovoltaics become more cost-effective. Hydropower expansion is shaped by future energy demand projections and the interannual variability of discharge across thee different SSP-RCPs. Nearly a quarter of existing reservoirs are found to be non-cost optimal. Removing these reservoirs from the hydrological network leads to reduced biodiversity impacts only in the low-warming scenario. Under high-warming scenarios, the effects of hydropower appear overshadowed by climate change, suggesting that while hydropower’s impacts may be underestimated under extreme climate conditions, it still has the potential to significantly alter riverine ecosystems.

Nonostante i rischi ambientali, sociali ed economici associati allo sviluppo dell’energia idroelettrica, la crescente domanda energetica nel continente Africano e gli obiettivi di neutralità climatica prospettano una significativa espansione della capacità installata nel breve periodo, con 300 nuovi progetti pianificati, per un totale di 100 GW. Allo stesso tempo, i bacini africani ospitano alcuni degli ecosistemi tra i più ricchi di biodiversità del pianeta, già vulnerabili ai cambiamenti climatici. Ciò rende ancora più urgente valutare i potenziali impatti dell’idroelettrico sulle specie dei corpi idrici africani. Questa tesi integra tre strumenti modellistici per analizzare le sinergie e i compromessi tra lo sviluppo idroelettrico e la biodiversità in Africa nel periodo 2020-2050. In particolare, vengono utilizzati un modello di qualità dell’acqua (DynQual) e un modello di pianificazione del sistema energetico (OSeMOSYS-TEMBA). DynQual simula le portate e le temperature dei corpi idrici ad una risoluzione di 5 arcmin, sull'intero continente, mentre OSeMOSYS identifica le combinazioni energetiche ottimali in termini di costi, selezionando impianti idroelettrici tra 588 progetti esistenti e futuri, la cui produzione attesa dipende dalla disponibilità idrica simulata presso ciascun impianto. DyQual viene poi integrato con uno strumento di modellizzazione delle specie (Fishsuit), per valutare l’esposizione della fauna fluviale a diversi percorsi di sviluppo idroelettrico, in termini di estremi di temperatura dell'acqua e portata, sotto tre scenari SSP-RCP. I risultati indicano una progressiva riduzione del ruolo dell’idroelettrico entro il 2050, sostituito in larga parte dal fotovoltaico, più conveniente dal punto di vista economico. L’espansione della capacità idroelettrica è influenzata dalle proiezioni di domanda di energia e dalla variabilità delle portate sotto i diversi scenari SSP-RCP. Inoltre, quasi un quarto dei serbatoi esistenti risulta economicamente non vantaggioso. La loro rimozione dal reticolo idrologico potrebbe ridurre gli impatti sulla biodiversità, ma solo nello scenario di riscaldamento contenuto. Negli scenari di forte riscaldamento invece, gli effetti dell’idroelettrico sembrano essere oscurati dal cambiamento climatico. Questo suggerisce che, sebbene l’idroelettrico possa contribuire in modo significativo all’alterazione degli ecosistemi fluviali, i suoi effetti potrebbero essere sottovalutati in condizioni climatiche estreme.