Effects of climate change and glaciers retreat on storage hydropower

This research thesis observes the long term impact of climate change on hydropower production in Switzerland, analysing a representative sample of 24 Alpine lakes under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios. The purpose of this research is to assess how the catchments supplying Alpine reservoirs respond to climate change, and to investigate the potential of suitable candidates for enhancing seasonal storage. The adopted methodology is redacted under the supervision of VAW - ETH Zurich. Glacier runoff and total natural discharge projections were analyzed separately and subsequently combined to estimate future seasonal and annual production until 2099. Hydropower production associated to the runoff volumes was calculated using the energy coefficient K [kWh/m³] for each reservoir and its associated downstream hydropower facilities. The systems were subsequently classified based on the mean elevation of their contributing catchments (threshold: 2400 m a.s.l.), glacier coverage (threshold: 33%), and climatic region (High and Southern Alpine reservoirs). To ensure comparability, energy estimates are based on natural runoff, without considering reservoir regulation. Catchments were delineated using GIS tools, and energy coefficient K was calculated using a fixed reference head derived from the Kühne method. Under RCP8.5, winter hydropower potential is expected to increase by up to +33% in high altitude catchments, while summer potential declines, reaching -27% in the Southern Alps. Despite this seasonal imbalance, several reservoir types maintain or improve their annual output. High altitude, and low ice cover systems show the best candidates, with annual gains up to +4.7% by 2085, driven by enhanced winter inflows. In contrast, highly glacier covered and Southern Alpine systems face annual losses up to –2.5% and –2.3%, respectively, due to reduced meltwater and earlier snowmelt. Indeed, high altitude and low glacier basins benefit from increased liquid precipitation in winter, while glacier fed systems are increasingly limited by long term ice loss. As explained in dedicated literature, the feasibility of volume-enhancing operations is evaluated according several environmental, political and geotechnical parameters, thus some of these samples might not cover all the prerequisites. Every category proposes a ranking of the most suitable basins as result of the analysis.

Questa tesi osserva l’impatto a lungo termine del cambiamento climatico sul potenziale idroelettrico in Svizzera, analizzando un campione rappresentativo di 24 laghi alpini secondo gli scenari RCP4.5 e RCP8.5. Lo scopo di questa ricerca è valutare come i bacini che alimentano gli invasi alpini rispondano al cambiamento climatico, e indagare il potenziale dei laghi più idonei per ottimizzare l’accumulo stagionale. La metodologia adottata è stata redatta sotto la supervisione del VAW - ETH Zurich. Le proiezioni del deflusso glaciale e del deflusso totale sono state analizzate separatamente, e successivamente combinate per stimare la produzione stagionale e annuale futura fino al 2099. La produzione idroelettrica associata ai volumi è stata calcolata utilizzando il coefficiente energetico K [kWh/m³] tra ciascun serbatoio e gli impianti idroelettrici associati. I sistemi sono stati successivamente classificati in base alla quota media dei loro bacini idrografici contribuenti (soglia: 2400 m s.l.m.), alla copertura glaciale (soglia: 33%) e alla regione climatica (serbatoi delle Alpi Centrali e Meridionali). Per garantire la confrontabilità, le stime energetiche si basano sul deflusso naturale, senza considerare le oscillazioni d'esercizio degli invasi. I bacini afferenti sono stati delimitati utilizzando il GIS, e il coefficiente energetico K è stato calcolato utilizzando una prevalenza idraulica identificata col metodo Kühne. Sotto RCP8.5, la produzione idroelettrica invernale è prevista in aumento fino al 33% nei bacini di alta quota, mentre la produzione estiva diminuisce, raggiungendo una riduzione del -27% percento nelle Alpi del Sud. Diversi casi studio mantengono o migliorano la propria produzione annuale potenziale, nonostante la ridistribuzione di deflusso. I sistemi ad alta quota e quelli a basso apporto glaciale rappresentano i candidati migliori, con incrementi annuali fino al 4.7% entro il 2085, sostenuti da maggiori afflussi invernali. Inversamente, i sistemi ad alto contributo glaciale e quelli delle Alpi Meridionali subiscono perdite annuali fino al -2.5% e al -2.3% rispettivamente, a causa della ridotta disponibilità di massa glaciale e dell’anticipo dello scioglimento nevoso. I bacini ad alta quota e quelli con bassa copertura glaciale beneficiano maggiormente di un aumento delle precipitazioni liquide invernali, mentre i sistemi alimentati da ghiacciai risultano progressivamente più limitati dalla perdita di massa glaciale a lungo termine. Come indicato nella letteratura, la fattibilità degli interventi di potenziamento delle dighe è valutata secondo diversi parametri ambientali, politici e geotecnici, pertanto alcuni di questi campioni potrebbero non rispettare tutti i criteri di idoenità. Ogni categoria propone una graduatoria dei bacini più adatti come risultato dell’analisi.