Multi-scale modelling of the impact of photovoltaic plants on hydraulic hazard [Modellazione multi-scala dell'impatto di impianti fotovoltaici sulla pericolosità idraulica]

In the context of the ecological transition, the growing reliance on Renewable Energy Sources (RES) for power generation inevitably entails the allocation of large portions of land to the construction of such installations. In Italy, as in much of Europe, one of the most rapidly expanding technologies is solar photovoltaic (PV). Ground-mounted PV installations—commonly referred to as “solar farms”—consist of land areas typically ranging from a few hectares to even a couple of hundreds, entirely covered with PV panels. However, the siting of these installations may modify the hydraulic risk in the area. Their location often coincides with areas already classified as hydraulically hazardous by local planning instruments; in other cases, they overlap with existing watercourses without maintaining appropriate buffer distances, or they intersect them through service infrastructures, such as internal roads or underground cable ducts. Furthermore, it is currently not possible to quantitatively estimate the impact of solar farms on the generation and propagation of flood flow rates and volumes. The aim of this dissertation is to analyze these impacts through the application of modelling tools at different spatial scales. To this end, basin-scale analyses were first conducted, including the use of two-dimensional hydraulic numerical models to simulate flooding propagation for the assessment of hydraulic hazard; one- and two-dimensional models for the delineation of buffer zones along watercourses; and one-dimensional models for the design and verification of hydraulic crossing structures associated with internal roads (e.g., culverts). Finally, CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations have been carried out to perform an analysis of the influence of PV panels on the runoff formation at panel-scale. Specifically, a three-dimensional model representing a two-module wide PV structure was developed as a simplified real-world case. The response of this structure, placed above an impermeable terrain with a slope of 0.5%, was then tested under three rainfall events (frequent, rare, and extreme) combined with downdraft conditions. Hydrographs were analyzed at multiple cross-sections orthogonal to the runoff direction, and raindrop velocities were assessed before reaching the ground. The hydrograph analysis revealed that the presence of a panel does not induce significant variations in peak discharge (often with variation three orders of magnitude smaller). However, panels directly affect surface runoff by reducing arrival times at downstream sections (by up to 36%), and generally increasing water velocity compared to a no-panel condition. In addition, the presence of panels influences mid-air particle velocities by reducing them at lower values, relative to their undisturbed vertical motion, and redirecting them around the structures through turbulent air regions and direct impact.

Nel contesto della transizione ecologica, la crescente dipendenza dalle Fonti di Energia Rinnovabile (FER) per la produzione elettrica comporta inevitabilmente la destinazione di ampie porzioni di territorio alla realizzazione degli impianti. In Italia, come in gran parte dell’Europa, una delle tecnologie in più rapida espansione è il fotovoltaico (FV). Gli impianti fotovoltaici a terra – comunemente denominati “solar farm” – sono costituiti da superfici generalmente estese da pochi ettari fino a diverse centinaia, interamente occupate da pannelli FV. Tuttavia, la loro localizzazione può modificare il rischio idraulico dell’area. Spesso, infatti, tali installazioni sorgono in zone già classificate come pericolose dal punto di vista idraulico dagli strumenti di pianificazione locale; in altri casi, si sovrappongono a corsi d’acqua esistenti senza mantenere adeguate distanze di rispetto, oppure li intersecano tramite infrastrutture di servizio, quali viabilità interna o cavidotti interrati. Inoltre, allo stato attuale non è possibile stimare quantitativamente l’impatto delle solar farm sulla generazione e propagazione delle portate e dei volumi di piena. L’obiettivo di questa tesi è analizzare tali impatti attraverso l’applicazione di strumenti di modellazione a diverse scale spaziali. A tal fine, sono state preliminarmente condotte analisi a scala di bacino, comprendenti l’impiego di modelli idraulici numerici bidimensionali per simulare la propagazione delle piene ai fini della valutazione della pericolosità idraulica; modelli monodimensionali e bidimensionali per la delimitazione delle fasce di rispetto lungo i corsi d’acqua; e modelli monodimensionali per la progettazione e verifica delle opere di attraversamento idraulico associate alla viabilità interna (ad esempio, tombini). Infine, sono state effettuate simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics) per analizzare l’influenza dei pannelli FV sulla formazione del deflusso alla scala del singolo pannello. In particolare, è stato sviluppato un modello tridimensionale rappresentativo di una struttura FV composta da due moduli affiancati, quale caso semplificato di una configurazione reale. La risposta di tale struttura, collocata su un terreno impermeabile con pendenza dello 0,5%, è stata testata sotto tre eventi di pioggia (frequente, raro ed estremo), combinati con condizioni di downdraft. Sono stati analizzati gli idrogrammi in diverse sezioni ortogonali alla direzione del deflusso e sono state valutate le velocità delle gocce di pioggia prima dell’impatto al suolo. L’analisi degli idrogrammi ha mostrato che la presenza dei pannelli non induce variazioni significative nelle portate di picco (spesso con variazioni tre ordini di grandezza più piccole). Tuttavia, i pannelli influenzano direttamente il deflusso superficiale riducendo i tempi di arrivo alle sezioni a valle (fino al 36%) e incrementando generalmente la velocità dell’acqua rispetto a una condizione priva di pannelli. Inoltre, essi influenzano le velocità delle particelle in aria, riducendole rispetto alla loro traiettoria verticale indisturbata e deviandole attorno alle strutture attraverso regioni di turbolenza e impatti diretti.