英国可再生能源「加拿大水力发电」

今天带来英国可再生能源「加拿大水力发电」，关于英国可再生能源「加拿大水力发电」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

通往2050年清洁电力的途径

简述

在规划2050年的无碳电力系统时，美国新英格兰各州已将从魁北克进口的水电视为与风能和太阳能等一起的清洁电力来源。但是，将加拿大水电严格作为电力供应商参与可能不是最好的方法。麻省理工学院的一项分析表明，区域之间的双向交流可以产生显着的好处。根据这样的安排，魁北克省将电力向南输送到新英格兰，以满足风能和太阳能发电不足时的需求。当他们生产过剩时，新英格兰向北发送电力以满足魁北克省的需求，允许水力系统暂停，水库重新加水。因此，水电系统提供能量储存 - 数小时，数天或数月 - 两个地区都受益：双向交易降低了脱碳成本并加速了这一过程。根据他们的研究结果，研究人员认为，只要有水电资源，这种区域间合作就可以证明是有益的。

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减少碳排放的迫切需要促使越来越多的美国州承诺到2040年或2050年实现100%的清洁电力。但是，弄清楚如何履行这些承诺并仍然拥有可靠且价格合理的电力系统是一项挑战。风能和太阳能装置将成为无碳电力系统的支柱，但是当这些间歇性的可再生能源不足时，哪些技术可以满足电力需求？

一般而言，正在讨论的选项包括核电，具有碳捕获和储存（CCS）的天然气以及储能技术，例如新的和改进的电池以及氢气形式的化学品储存。但在美国东北部，还有一种可能性被提出：从邻近的加拿大魁北克省的水电站进口电力。

这个命题是有道理的。这些工厂可以产生多达40个大型核电站的电力，魁北克产生的一些电力已经来到东北部。因此，当新英格兰的间歇性可再生能源生产不足时，可能会有充足的额外供应来填补任何短缺。然而，美国风能和太阳能投资者将加拿大水电视为竞争对手，并认为依赖外国供应会阻碍美国的进一步投资。

两年前，麻省理工学院能源与环境政策研究中心（CEEPR）的三名研究人员 - Emil Dimanchev SM '18，现在是挪威科技大学的博士候选人;Joshua Hodge，CEEPR执行董事;麻省理工学院斯隆管理学院（MIT Sloan School of Management）的高级讲师约翰·帕森斯（John Parsons）开始怀疑，将加拿大水电视为另一种电力来源是否过于狭隘。“水电是一项已有一百多年历史的技术，北面已经建起了水电站，”迪曼切夫说。“我们可能不需要建造新的东西。我们可能只需要以不同的方式或更大程度地使用这些植物。

因此，研究人员决定研究魁北克水电资源在新英格兰未来低碳系统中的潜在作用和经济价值。他们的目标是帮助政策制定者，公用事业决策者和其他人了解如何最好地将加拿大水电纳入他们的计划，并确定新英格兰应该花费多少时间和金钱将更多的水电整合到其系统中。他们的发现令人惊讶，甚至对他们来说也是如此。

分析方法

为了探索加拿大水电在新英格兰电力系统中发挥的可能作用，麻省理工学院的研究人员首先需要预测2050年区域电力系统可能是什么样子 - 考虑到任何政策限制，无论是现有的资源还是它们的运营方式。为了进行这种分析，他们使用了GenX，这是一种建模工具，最初由Jesse Jenkins SM '14，PhD '18和Nestor Sepulveda SM '16，PhD '20开发，当时他们是麻省理工学院能源计划（MITEI）的研究人员。

GenX模型旨在支持与电力系统投资和实时运行相关的决策，并检查可能的政策举措对这些决策的影响。根据有关当前和未来技术（不同类型的发电厂，储能技术等）的信息，GenX计算出能够以最低成本满足定义的未来需求的设备和操作条件的组合。GenX建模工具还可以结合特定的政策约束，例如碳排放限制。

在他们的研究中，Dimanchev，Hodge和Parsons使用来自各种来源的数据和假设在GenX模型中设置参数，以构建新英格兰，纽约和魁北克互连电力系统的表示。（他们包括纽约，以解释该州对加拿大水力资源的现有需求。为了获得有关可用水电的数据，他们转向魁北克水电公司，这是一家拥有和运营魁北克省大部分水电站的公用事业公司。

在这种分析中，标准是包括对设备的实际工程限制，例如某些发电厂的上下速度。在魁北克水电公司的帮助下，研究人员还对水电资源进行了每小时的运行限制。

魁北克水电公司的大多数发电厂都是“水库水电”系统。在它们中，当不需要电力时，河流上的流量被水库下游的大坝所限制，水库就会填满。当需要电力时，大坝被打开，水库中的水流经下游管道，转动涡轮机并发电。正确管理这种系统需要遵守某些操作限制。例如，为了防止洪水泛滥，水库不得过度填充，尤其是在春季融雪之前。而且发电量不能太快增加，因为突然的洪水可能会侵蚀河边或破坏捕鱼或水质。

根据国家可再生能源实验室和其他地方的预测，研究人员指定了2050年每小时的电力需求，该模型计算了满足每小时需求的技术和系统运行制度的成本最佳组合，包括魁北克水电系统的调度。此外，该模型还确定了新英格兰，纽约和魁北克之间的电力交易方式。

脱碳限制对技术组合和电力交易的影响

为了研究新英格兰各州减排任务的影响，研究人员运行了该模型，假设与1990年的水平相比，碳排放量减少了80%至100%。这些运行的结果表明，随着排放限制变得更加严格，新英格兰使用更多的风能和太阳能，并延长了其现有核电站的使用寿命。为了平衡可再生能源的间歇性，该地区使用天然气工厂，需求侧管理，电池存储（模拟为锂离子电池）以及与魁北克水电系统进行贸易。同时，魁北克省的最佳组合主要由现有的水力发电组成。增加了一些太阳能，但只有在假设可再生成本非常高的情况下，才会建造新的水库。

最重要（也许是令人惊讶）的结果是，在所有情况下，魁北克的水电系统不仅是电力出口国，也是电力进口国，魁北克 - 新英格兰输电线路的流动方向随着时间的推移而变化。

输电基础设施变化对新英格兰和魁北克之间电力流动的影响该图显示了从北到南（正数）和从南到北（负数）的电力流动水平与每年的小时数。2018年的流量以蓝色显示，始终从魁北克省流向新英格兰，并受到2，225兆瓦（MW）的输电能力限制。2050 年的模型结果以棕色和紫色显示，并分别假设当前和扩展的输电容量。在这两种情况下，一年中许多小时内双向的流量都最大。

上图显示了向北和向南的输电流量。从历史上看，能源一直从魁北克流向新英格兰，如代表2018年的蓝色曲线所示。该曲线保持在零线上方，表明流量始终是北向南的，并且受到当前2，225兆瓦（MW）的输电能力限制的限制。

棕色曲线显示了2050年的模型结果，假设新英格兰脱碳90%，输电线路的容量保持不变。现在，这些流动是双向的。看看图的右侧，有近3，500小时的曲线低于零线，因此电力从新英格兰流向魁北克。如平坦部分所示，在超过2，200小时的时间里，向北流动的流量处于传输线可以承载的最大值。

流动的方向是由经济学驱动的。当新英格兰的可再生能源发电量充足时，价格很低，魁北克从新英格兰进口电力并节约其水库的水更便宜。相反，当新英格兰的可再生能源稀缺且价格高企时，新英格兰从魁北克进口水力发电。

因此，加拿大水电公司不是提供电力，而是提供一种存储新英格兰间歇性可再生能源发电的方法。

“我们在建模中看到了这一点，因为当我们告诉模型使用这些资源满足电力需求时，模型决定使用储层来储存能量而不是其他任何东西是成本最优的，”Dimanchev说。“我们应该来回发送能量，所以魁北克的水库本质上是一个电池，我们用它来储存间歇性可再生能源产生的一些电力，并在我们需要的时候将其排出。

鉴于这一结果，研究人员决定探索扩大新英格兰和魁北克之间输电能力的影响。建设输电线路总是有争议的，但如果可以做到这一点，会有什么影响呢？

图中的紫色线显示了将输电容量从 2 ， 225 兆瓦扩大到 6 ， 225 兆瓦的影响：两个方向的流量都更大，并且在这两种情况量都处于新的最大值超过 1 ， 000 小时。

因此，分析结果证实，对扩大输电能力的经济反应更多的是双向交易。为了继续电池类比，往返魁北克的更多传输容量有效地提高了电池的充电和放电速率。

双向交易对能源结构的影响

新英格兰（左）和魁北克（右）的能源结构，在对输电容量和运营的不同假设下该图显示了到2050年扩大输电能力并以经济上最佳方式运营输电对能源结构的影响。在每个面板中，左侧条形图显示假设当前传输容量和单向流的结果;中心条假设电流容量和双向流;右侧的条形图假定容量扩大和双向流动。在魁北克省，河道（ROR）工厂通常发生在水库的下游，因此它们的产量不会单独报告。所有案例都假设新英格兰的电力99%脱碳。

到2050年，双向贸易的出现将对新英格兰和魁北克的能源生产来源组合产生什么影响？

上图显示了两个地区的能源结构，左侧的面板代表新英格兰，右侧的面板代表魁北克。在这里，研究人员包括第二种水电站 - “河流”（ROR），其中河流上可用的任何水都只是流过涡轮机并发电。在魁北克省，ROR工厂被认为是整个储层系统的一部分，因为它们位于储层的下游，因此它们的产量部分由这些储层的决策控制。

在每个面板中，从左侧移动到中心栏显示了从传统的单向交易转向双向交易的影响。在新英格兰，这种变化增加了风能（深蓝色）和太阳能（黄色）发电量，并在较小程度上增加了核能（橙色）;它还减少了CCS（海军蓝）的天然气使用量。加拿大的水力水库可以提供长时间的储存 - 超过数周，数月甚至季节 - 因此对天然气CCS的需求较少，以弥补供应中的任何缺口。进口水平（绿色）略低，但现在也有出口（紫色）。与此同时，在魁北克，双向贸易减少了太阳能发电量，风能的使用也消失了。出口大致相同，但现在也有进口。因此，双向贸易将可再生能源从魁北克重新分配到新英格兰，在那里安装和运营太阳能和风能系统更经济。

两个面板中的右边条形图显示了新英格兰和魁北克的能源结构，假设双向交易和扩大的传输能力。比较新英格兰面板中的中间和右侧条形图表明，扩展的传输允许风能，太阳能和核能进一步扩展;带有CCS的天然气几乎消失了;进出口均大幅增加。在魁北克面板中，太阳能进一步下降，电力出口和进口都增加了。

这些结果假设新英格兰电力系统在2050年比1990年的水平脱碳99%。但在90%甚至80%的脱碳水平下，该模型得出结论，相对于当前的输电方案，天然气容量随着新输电的增加而下降。现有工厂退役，新工厂不建成，因为它们在经济上不再合理。由于天然气工厂是2050年能源系统中唯一的碳排放源，研究人员得出结论，通过扩大传输，可以更多地进入水库，这将加速电力系统的脱碳。

传输变化对成本的影响

双向贸易和扩大输电对新英格兰和魁北克省电力成本的影响左边的蓝色条显示了2050年实施双向交易和扩大输电能力所节省的成本。中间的橙色条显示了新英格兰建造和运营新增输电线路的额外成本。右边的绿色条形代表双向贸易和扩展到新英格兰 - 魁北克地区的净收益。该分析假设新英格兰的脱碳率为99%。

研究人员还探讨了扩大输电能力的双向交易将如何影响新英格兰和魁北克的成本。上图总结了他们的发现（假设新英格兰脱碳率为99%）。蓝色条显示两个区域的成本节约情况，分为固定成本（新设备投资）和可变成本（运营成本）。新英格兰在固定成本上的节省主要是由于使用CCS投资更多天然气的需求减少，而其可变成本的节省是由于运营这些工厂的需求减少。魁北克省在固定成本方面的节省来自对太阳能发电投资需求的减少。成本的增加（橙色条形图）——由新英格兰承担——反映了增加的输电能力的建设和运营。该地区的净收益（绿色条形图）是巨大的。

因此，分析表明，随着输电能力的增加，每个人都是赢家，而随着脱碳目标的收紧，收益也会增加。在99%的脱碳率下，整个新英格兰 - 魁北克地区每兆瓦时（MWh）支付约21美元的电力，目前的输电能力仅为18美元/兆瓦时，但随着输电的扩大，每兆瓦时仅为18美元。假设碳排放量减少100%，该地区在当前输电容量下支付29美元/兆瓦时，在扩大输电时仅支付22美元/兆瓦时。

消除误解

这些结果揭示了政策制定者，可再生能源支持者和其他人往往存在的一些误解。

第一个误解是，新英格兰可再生能源和加拿大水电是竞争对手。相反，建模结果显示它们是互补的。当新英格兰和魁北克的电力系统作为一个综合系统协同工作时，加拿大的水库部分时间用于储存可再生电力。随着魁北克省水电储能的更多渠道，新英格兰的可再生能源投资通常更多。

当政策制定者将加拿大水电称为“基本负荷资源”时，第二个误解就出现了，这意味着一种可靠的电力来源 - 特别是一直供电的电力来源。“我们的研究表明，通过将加拿大水电视为基本负荷的电力来源 - 或者根本就是电力来源 - 你没有充分利用这种资源可以提供的东西，”迪曼切夫说。“我们表明，魁北克的水库水电可以提供存储，特别是风能和太阳能。这是我们预见到的2050年无碳电力系统中间歇性问题的解决方案。

虽然麻省理工学院的分析主要集中在新英格兰和魁北克，但研究人员认为，他们的结果可能会产生更广泛的影响。随着许多地区的电力系统扩大可再生能源的生产，储能的价值也在增长。一些水电系统的存储容量尚未得到充分利用，可以成为可再生能源发电的良好补充。利用这种能力可以降低深度脱碳的成本，并帮助一些地区走向脱碳的电力供应。