Valutazione dei potenziali impatti dei parchi fotovoltaici sull'idrologia: evapotraspirazione ed effetti a scala locale sul deflusso

The thesis aims to investigate three crucial aspects related to water resources and the newly emerging impact of solar parks on the local hydrology: evapotranspiration trends, evapotranspiration estimation model performance, and the impact of solar parks on local climatology, runoff, evapotranspiration, and soil moisture. Firstly, it analyzes the historical evapotranspiration trend over a specific period, examining the performance of evapotranspiration estimation models useful the analysis solar park's impact. By analyzing historical data and climatic factors, the research aims to identify any significant trends or patterns in evapotranspiration rates, providing valuable insights into potential impacts on water availability and regional climate conditions, and providing baseline information about the possibility of impacts of solar parks on the future local hydroclimate. Characterizing hydroclimatic parameters changes and trends has a paramount importance for a better understanding of climate change related phenomena and for developing mitigation measures. Evapotranspiration is one of the most essential components of the hydrological cycle, having impacts on water resource management issues, agricultural practices, irrigation scheduling, and climate change adaptation measures. Accurate estimation of evapotranspiration from indirect methods based on temperature and other meteorological variables is beneficial in terms of spatial coverage, time, filed experiment cost savings. Moreover, analyzing the spatiotemporal trend of evapotranspiration and identifying the most influential climatological factors for its sensitivity plays a vital role for water resource management and the understanding the newly emerging large scale solar energy infrastructure impact on hydroclimatology. Large-scale solar farms are experiencing significant growth in different parts of the world, including Sicily, due to their potential for reducing greenhouse gas emissions for climate change mititgation. However, these infrastructures will have synergies and dilemmas concerning the hydroclimate of the ecosystem. Considering the potential impacts of solar parks on evapotranspiration, the study aims to evaluate the performance of reference evapotranspiration (ETo) estimation methods properly applied for monitoring future large-scale solar farms. It will examine the trend of evapotranspiration in different areas of Sicily, which is valuable as a baseline for future monitoring of the potential impacts of large-scale solar parks. Given the aforementioned challenges, this study aims to evaluate the performance of different evapotranspiration estimation methods, examine the trend of reference evapotranspiration (ETo), identify the most influential climatological elements, analyze the spatio-temporal trend of potential evapotranspiration (PET) from multiple meteorological stations, and finally address the response of photovoltaic panels in terms of runoff using EPA SWMM simulation software.The meteorological data obtained from the Agrometeorological Information Service of Sicily (SIAS, http://www.sias.regione.sicilia.it/) were used to compute the reference evapotranspiration (ETo) and potential evapotranspiration (PET) using the FAO Penman-Monteith method (FAO PM method). This method is considered the best standard for evapotranspiration estimation by the Food and Agricultural Organization (FAO) and the American Society of Civil Engineers (ASCE). The performance of temperature-based and radiation-based evapotranspiration estimation methods was evaluated using different performance metrics to monitor the impacts of solar parks on hydrology. The Hargreaves and Samani (HS), Baier and Robertson (BR), Priestley and Taylor (PT), Makkink (MKK), Turc (TUR), Thornthwaite (THN), Blaney and Criddle (BG), Ritchie (RT), and Jensen and Haise (JH) methods were evaluated using several performance metrics. The results showed that the PT method had the best performance with a Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) of 0.91. The HS method performed the second best estimation method (NSE = 0.51) but significantly worse than PT. To analyze the spatio-temporal trend of different climatological elements, ETo and PET were analyzed using the Mann-Kendall test with serial autocorrelation removal by Trend-free pre-whitening (TFPW). The Sen's slope was also used to examine the magnitude of the trend of monthly, seasonal, and annual meteorological variables, ETo, and PET. The sensitivity of ETo was analyzed using the sensitivity coefficient and contribution rate algorithms. The results showed that climatological elements exhibited different trends seasonally and monthly, whereas ETo showed a monthly increasing trend only in November in Piazza Armerina. Specific humidity and wind speed were identified as the most climatological elements highly sensitive to and contributing to ETo in Piazza Armerina. At multiple spatiotemporal scales, PET exhibited different trends in different meteorological stations across Sicily. August was the most detected month for an increasing trend of PET in multiple meteorological stations in Sicily. Moreover, five meteorological stations consistently detected an annual increasing trend, which could be essential for climate change mitigation and adaptation measures in the region. The assessment of potential impacts on surface runoff of renewable energy related installation is crucial for a safe development of such projects. In the final part of the work, the response of ground-mounted photovoltaic panels in terms of runoff generation was analyzed using EPA SWMM software. The study simulated the EPA SWMM considering different factors that influenced runoff formation. These factors included different sizes of installation, soil types, input hyetographs, and varying surface roughness to compare the runoff peak flow and runoff volume between a reference catchment and a solar park. The results showed that there were no practical changes in runoff in the short term after installation. However, in the long term, modifications in soil cover may lead to a potential increase in runoff. For instance, peak flow increments from the solar park of up to 21% and 35% were obtained for roughness coefficient reductions of 10% and 20%, respectively. This information is crucial for future solar park infrastructure planning by Ambiens S.r.l. (the PhD funding source) and other solar energy companies in the region. Further experimental research is needed to understand the impact of solar parks on local hydroclimate under different scenarios. Long-term analysis of spatio-temporal trend of evapotranspiration would also be helpful in considering climate mitigation measures and solar energy projects.

La tesi si propone di indagare tre aspetti cruciali legati alle risorse idriche e all'impatto emergente dei parchi solari sull'idrologia locale: tendenze dell'evapotraspirazione, prestazioni del modello di stima dell'evapotraspirazione e impatto dei parchi solari sulla climatologia locale, deflusso, evapotraspirazione e umidità del suolo. . In primo luogo, viene analizzato l'andamento storico dell'evapotraspirazione in un determinato periodo, esaminando le prestazioni di modelli di stima dell'evapotraspirazione utili all'analisi dell'impatto del parco solare. Analizzando i dati storici e i fattori climatici, la ricerca mira a identificare eventuali tendenze o modelli significativi nei tassi di evapotraspirazione, fornendo preziose informazioni sui potenziali impatti sulla disponibilità di acqua e sulle condizioni climatiche regionali e fornendo informazioni di base sulla possibilità di impatti dei parchi solari sul futuro idroclima locale. Caratterizzare i cambiamenti e le tendenze dei parametri idroclimatici è di fondamentale importanza per una migliore comprensione dei fenomeni legati al cambiamento climatico e per lo sviluppo di misure di mitigazione. L’evapotraspirazione è una delle componenti più essenziali del ciclo idrologico, con impatti sulle questioni di gestione delle risorse idriche, sulle pratiche agricole, sulla programmazione dell’irrigazione e sulle misure di adattamento ai cambiamenti climatici. La stima accurata dell'evapotraspirazione mediante metodi indiretti basati sulla temperatura e su altre variabili meteorologiche è vantaggiosa in termini di copertura spaziale, tempo e risparmio sui costi degli esperimenti archiviati. Inoltre, analizzare l’andamento spaziotemporale dell’evapotraspirazione e identificare i fattori climatologici più influenti per la sua sensibilità gioca un ruolo vitale per la gestione delle risorse idriche e la comprensione dell’impatto emergente delle infrastrutture di energia solare su larga scala sull’idroclimatologia. I parchi solari su larga scala stanno registrando una crescita significativa in diverse parti del mondo, inclusa la Sicilia, grazie al loro potenziale di riduzione delle emissioni di gas serra per la mitigazione dei cambiamenti climatici. Tuttavia, queste infrastrutture presenteranno sinergie e dilemmi riguardanti l’idroclima dell’ecosistema. Considerando i potenziali impatti dei parchi solari sull’evapotraspirazione, lo studio si propone di valutare le prestazioni dei metodi di stima dell’evapotraspirazione di riferimento (ETo) opportunamente applicati per il monitoraggio dei futuri parchi solari su larga scala. Verrà esaminato l'andamento dell'evapotraspirazione in diverse zone della Sicilia, utile come base per il futuro monitoraggio dei potenziali impatti dei parchi solari su larga scala. Date le sfide sopra menzionate, questo studio si propone di valutare le prestazioni di diversi metodi di stima dell’evapotraspirazione, esaminare l’andamento dell’evapotraspirazione di riferimento (ETo), identificare gli elementi climatologici più influenti, analizzare l’andamento spazio-temporale dell’evapotraspirazione potenziale (PET) da molteplici fenomeni meteorologici stazioni, ed infine affrontare la risposta dei pannelli fotovoltaici in termini di deflusso utilizzando il software di simulazione EPA SWMM. I dati meteorologici ottenuti dal Servizio Informativo Agrometeorologico della Sicilia (SIAS, http://www.sias.regione.sicilia.it/) sono stati utilizzato per calcolare l'evapotraspirazione di riferimento (ETo) e l'evapotraspirazione potenziale (PET) utilizzando il metodo FAO Penman-Monteith (metodo FAO PM). Questo metodo è considerato il miglior standard per la stima dell’evapotraspirazione dalla Food and Agricultural Organization (FAO) e dall’American Society of Civil Engineers (ASCE). Le prestazioni dei metodi di stima dell’evapotraspirazione basati sulla temperatura e sulla radiazione sono state valutate utilizzando diversi parametri di prestazione per monitorare gli impatti dei parchi solari sull’idrologia. Gli Hargreaves e Samani (HS), Baier e Robertson (BR), Priestley e Taylor (PT), Makkink (MKK), Turc (TUR), Thornthwaite (THN), Blaney e Criddle (BG), Ritchie (RT) e I metodi Jensen e Haise (JH) sono stati valutati utilizzando diversi parametri di prestazione. I risultati hanno mostrato che il metodo PT ha ottenuto le migliori prestazioni con un’efficienza di Nash-Sutcliffe (NSE) di 0,91. Il metodo HS ha ottenuto il secondo miglior metodo di stima (NSE = 0,51), ma significativamente peggiore del PT. Per analizzare l'andamento spazio-temporale di diversi elementi climatologici, ETo e PET sono stati analizzati utilizzando il test Mann-Kendall con rimozione seriale dell'autocorrelazione mediante pre-sbiancamento Trend-free (TFPW). La pendenza di Sen è stata utilizzata anche per esaminare l'entità del trend delle variabili meteorologiche mensili, stagionali e annuali, ETo e PET. La sensibilità di ETo è stata analizzata utilizzando gli algoritmi del coefficiente di sensibilità e del tasso di contribuzione. I risultati hanno mostrato che gli elementi climatologici hanno mostrato andamenti diversi stagionalmente e mensilmente, mentre ETo ha mostrato un andamento mensile crescente solo nel mese di novembre a Piazza Armerina. L'umidità specifica e la velocità del vento sono stati identificati come gli elementi climatologici più sensibili e che contribuiscono all'ETo a Piazza Armerina. A più scale spaziotemporali, la PET ha mostrato tendenze diverse in diverse stazioni meteorologiche in tutta la Sicilia. Agosto è stato il mese più rilevato per un trend in aumento di PET in più stazioni meteorologiche in Sicilia. Inoltre, cinque stazioni meteorologiche hanno rilevato costantemente una tendenza annuale in aumento, che potrebbe essere essenziale per le misure di mitigazione e adattamento al cambiamento climatico nella regione. La valutazione dei potenziali impatti sul deflusso superficiale degli impianti legati alle energie rinnovabili è fondamentale per uno sviluppo sicuro di tali progetti. Nella parte finale del lavoro, è stata analizzata la risposta dei pannelli fotovoltaici montati a terra in termini di generazione di deflusso utilizzando il software EPA SWMM. Lo studio ha simulato l'EPA SWMM considerando diversi fattori che hanno influenzato la formazione del deflusso. Questi fattori includevano diverse dimensioni di installazione, tipi di terreno, ietogrammi di input e rugosità superficiale variabile per confrontare il flusso di picco di deflusso e il volume di deflusso tra un bacino di riferimento e un parco solare. I risultati hanno mostrato che non vi sono stati cambiamenti pratici nel deflusso a breve termine dopo l’installazione. Tuttavia, a lungo termine, le modifiche nella copertura del suolo possono portare ad un potenziale aumento del deflusso. Ad esempio, sono stati ottenuti incrementi del flusso di picco dal parco solare fino al 21% e al 35% per riduzioni del coefficiente di rugosità rispettivamente del 10% e del 20%. Queste informazioni sono cruciali per la futura pianificazione delle infrastrutture dei parchi solari da parte di Ambiens S.r.l. (la fonte di finanziamento del dottorato) e altre società di energia solare nella regione. Sono necessarie ulteriori ricerche sperimentali per comprendere l’impatto dei parchi solari sull’idroclima locale in diversi scenari. L’analisi a lungo termine dell’andamento spazio-temporale dell’evapotraspirazione sarebbe utile anche per considerare misure di mitigazione climatica e progetti di energia solare.