Serbatoio del Careser, Pejo (TN), foto di Alberto Bellin, archivio Università di Trento

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LA GESTIONE OTTIMALE ED ECOSOSTENIBILE DEI SISTEMI IDROELETTRICI

La partecipazione di UniTrento al progetto europeo EoCoE - Energy oriented Centre of Excellence for computer applications [English version below]

26 gennaio 2017
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di Alberto Bellin
Professore ordinario del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica (DICAM) e del Centro Agricoltura, Alimenti, Ambiente (C3A), Università di Trento.

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Quale sarà il ruolo dell’energia idroelettrica nei prossimi decenni e ancora più avanti, verso la fine del secolo? Rispondere a questa domanda può sembrare impossibile viste le difficoltà insite nell’elaborazione di scenari sociali ed economici futuri credibili. D’altro canto, valutare la redditività futura di impianti idroelettrici risulta importante soprattutto in vista degli investimenti necessari a mantenerli in efficienza per lungo tempo. 

Con l’introduzione del mercato libero dell’energia e gli incentivi che hanno sostenuto la transizione verso l’energia verde in Europa, l’energia solare ha fatto un grande balzo in avanti contribuendo però ad accentuare la volatilità del prezzo dell’energia, che ora mostra significative variazioni stagionali e persino giornaliere. In questo contesto, i produttori di energia idroelettrica hanno interesse a produrre quando il prezzo è elevato. Tuttavia, oltre alle difficoltà insite nel definire un piano ottimale dovute all’aleatorietà dell’apporto idrico e ai vincoli imposti dai volumi d’invaso disponibili, la tendenza a seguire il prezzo può determinare un aumento delle alterazioni della portata dei corsi d’acqua, con conseguenze non ancora sufficientemente studiate sull’ecosistema fluviale. D’altra parte, le società del settore idroelettrico sono esposte a un rischio maggiore di subire una notevole riduzione di introiti a causa di un piano di produzione non ottimale rispetto alle disponibilità idriche. Mentre la quantità di energia che si può produrre da un determinato volume di acqua dipende in lieve misura dal momento della produzione, il ricavo ad essa associato può variare di molto a seconda del prezzo di mercato nel momento in cui l’energia viene prodotta. Per questo le decisioni che comportano effetti sia a breve che a lungo termine, per esempio riguardo a quando e come produrre energia nei prossimi giorni o mesi, o a quanto investire per rinnovare le centrali, sono soggette a notevoli incertezze.

Al Centro di eccellenza per lo sviluppo di applicazioni modellistiche nel settore dell’energia (EoCoE, Energy oriented Centre of Excellence for computer applications) lavoriamo per comprendere meglio l’articolata interazione tra i processi idrologici, comprese le loro alterazioni dovute al cambiamento climatico e alle utilizzazioni, e le dinamiche sociali ed economiche che influiscono sul prezzo dell’energia, le quali complicano lo sviluppo di un piano ottimale per la produzione idroelettrica. Il Centro studia anche gli effetti di una produzione di energia idroelettrica più aleatoria ed irregolare sugli ecosistemi acquatici in tutta la regione alpina. La complessità delle applicazioni richiede capacità di calcolo ad alte prestazioni (HPC) per modellare i processi idrologici con il dettaglio necessario per cogliere la complessa interazione tra i processi idrologici, le loro modificazioni dovute al cambiamento climatico e la produzione di energia idroelettrica. Il progetto tuttavia si spinge anche oltre, utilizzando il calcolo ad alte prestazioni per applicazioni energetiche e affrontando sfide in ambiti cruciali come le energie rinnovabili, la modellazione e progettazione di materiali, la modellazione molecolare e atomica, il cambiamento climatico, la Scienza dei Sistemi Globali, la ricerca biomolecolare, e gli strumenti per migliorare le prestazioni delle applicazioni HPC.

Il ruolo del gruppo di UniTrento in questo progetto consiste nel trasferire alla scala locale i deflussi ottenuti mediante modelli globali gestiti dal centro Helmholts di calcolo ad alte prestazioni di Jülich in Germania, esaminando l’interazione fra i processi naturali di generazione dei deflussi che osserviamo nei corsi d’acqua e i prelievi dovuti alle attività umane, con particolare riferimento alla produzione idroelettrica. Più precisamente, analizzando i dati disponibili sulla produzione di energia elettrica e la modellazione idrologica, cerchiamo di comprendere le interazioni che esistono fra i processi naturali di generazione della portata, comprese le sue variazioni dovute al cambiamento climatico, e l’evoluzione temporale della produzione idroelettrica. L’obiettivo finale è individuare strategie sostenibili per una gestione ottimale dei sistemi idroelettrici in condizioni di rapido mutamento dovute al sovrapporsi degli effetti dei cambiamenti climatici e delle variazioni del mercato dell’energia. 

[traduzione di Paola Bonadiman]


FOR AN EFFICIENT AND SUSTAINABLE MANAGEMENT OF HYDROPOWER PLANTS
The University of Trento participates in the EoCoE project - Energy oriented Centre of Excellence for computer applications

What will be the role of hydropower in the coming decades and later at the end of this century? This may seem an out of reach question giving the difficulties in elaborating reliable future social and economic scenarios. Evaluating the future profitability of hydropower systems is important in view of the investments needed to maintain them in good efficiency.

After the introduction of the free market of energy and the subsidies that supported the shift toward green energy in Europe, solar energy experienced a boom, which contributed to increase the volatility of energy price, which shows now large seasonal and even daily variations. In this scenario, hydropower producers have the interest to produce when the price is high. Besides the difficulty in programming an optimal schedule due to the complex coupling of market and hydrological variations, the tendency to follow the price may lead to an increase of streamflow alterations, with so far unexplored effects on the freshwater ecosystem. On the other hand, hydropower companies are exposed to a larger risk of suffering a significant revenue reduction because of a suboptimal production schedule. While the amount of energy that can be produced by a given volume of water is slightly dependent on the timing of production, the associated revenue may change a lot. Consequently, taking both short and long term decisions, such as when and how much to produce in the coming days and months or how much to invest to renew the hydropower plant, is fraught with uncertainty. 

At EoCoE (Energy oriented Centre of Excellence for computer applications) we work to better understand the complex interplay between hydrological processes, including their alterations due to climate change and water uses, and the social and economic dynamics influencing the price of the energy, which make the optimal schedule of hydropower production difficult to identify. The effects of a more dynamic and irregular hydropower production on aquatic ecosystems will be also studied at the scale of the entire Alpine region. The large scale of the application requires high performance computing to model hydrological processes to the details needed to capture the complex interplay between hydrological processes, their modifications due to climate change, and hydropower production. The project is however wider in scope embracing high performance computing for energy applications and tackling challenges in important areas like renewable energy, materials modeling and design, molecular and atomic modeling, climate change, Global Systems Science, bio-molecular research, and tools to improve HPC applications performance. 

The role of the UniTrento group within this project is transferring to the local scale streamflow (i.e., water discharge along the river network), obtained by high performance computing performed at the Helmholtz research center of Jülich (Germany), by exploring the interplay between natural processes leading to streamflow generation and water withdrawals due to human activities. More specifically, by analyzing available data on hydropower production and hydrological modeling we explore the complex interplay between streamflow generation processes, including their variations due to climate change, and timing of hydropower production. The final goal is to identify eco-friendly strategies for optimal management of hydropower systems under rapidly changing scenarios due to the combination of climate change and energy market variations.