Nhập khẩu năng lượng của Canada để giảm mạnh lượng khí thải carbon

Nguồn điện chạy qua cả hai chiều qua biên giới Canada-Hoa Kỳ mang đến một lộ trình để làm sạch điện vào năm 2050.

Nhu cầu cấp bách về việc cắt giảm lượng khí thải carbon đã thúc đẩy ngày càng nhiều bang của Mỹ cam kết đạt được 100% điện sạch vào năm 2040 hoặc 2050. Nhưng tìm ra cách đáp ứng những cam kết đó mà vẫn có một hệ thống điện đáng tin cậy và giá cả phải chăng là một thách thức. Việc lắp đặt năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ tạo thành xương sống của hệ thống điện không có carbon, nhưng công nghệ nào có thể đáp ứng nhu cầu điện khi các nguồn tái tạo không liên tục đó không đủ?

Nhìn chung, các lựa chọn đang được thảo luận bao gồm năng lượng hạt nhân, khí tự nhiên có thu giữ và lưu trữ carbon (CCS), và các công nghệ lưu trữ năng lượng như pin mới và cải tiến và lưu trữ hóa chất dưới dạng hydro. Nhưng ở vùng đông bắc Hoa Kỳ, có một khả năng nữa đang được đề xuất: điện nhập khẩu từ các nhà máy thủy điện ở tỉnh Quebec lân cận của Canada.

Mệnh đề có lý. Những nhà máy này có thể sản xuất nhiều điện tương đương với khoảng 40 nhà máy điện hạt nhân lớn, và một số nguồn điện được tạo ra ở Quebec đã đến vùng Đông Bắc. Vì vậy, có thể có nguồn cung bổ sung dồi dào để lấp đầy bất kỳ sự thiếu hụt nào khi nguồn năng lượng tái tạo không liên tục của New England sản xuất dưới mức. Tuy nhiên, các nhà đầu tư năng lượng mặt trời và gió của Hoa Kỳ coi thủy điện Canada là một đối thủ cạnh tranh và cho rằng việc phụ thuộc vào nguồn cung nước ngoài không khuyến khích đầu tư của Hoa Kỳ hơn nữa.

Hai năm trước, ba nhà nghiên cứu liên kết với Trung tâm Nghiên cứu Chính sách Môi trường và Năng lượng (CEEPR) của MIT – Emil Dimanchev SM ’18, hiện là ứng viên Tiến sĩ tại Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy; Joshua Hodge, giám đốc điều hành của CEEPR; và John Parsons, một giảng viên cao cấp của Trường Quản lý MIT Sloan – bắt đầu tự hỏi liệu việc xem thủy điện của Canada như một nguồn điện khác có thể quá hạn hẹp hay không. Dimanchev nói: “Thủy điện là một công nghệ hơn trăm năm tuổi và các nhà máy đã được xây dựng ở phía bắc. “Chúng tôi có thể không cần phải xây dựng một cái gì đó mới. Chúng ta có thể chỉ cần sử dụng những loại cây đó theo cách khác hoặc ở một mức độ lớn hơn. “

Vì vậy, các nhà nghiên cứu quyết định xem xét vai trò tiềm năng và giá trị kinh tế của nguồn thủy điện Quebec trong một hệ thống các-bon thấp trong tương lai ở New England. Mục tiêu của họ là giúp thông báo cho các nhà hoạch định chính sách, những người ra quyết định về tiện ích và những người khác về cách tốt nhất để kết hợp thủy điện của Canada vào kế hoạch của họ và xác định lượng thời gian và tiền bạc mà New England nên dành để tích hợp nhiều thủy điện hơn vào hệ thống của mình. Những gì họ phát hiện ra thật đáng ngạc nhiên, ngay cả đối với họ.

Các phương pháp phân tích

Để khám phá các vai trò có thể có của thủy điện Canada trong hệ thống điện của New England, trước tiên các nhà nghiên cứu của MIT cần phải dự đoán hệ thống điện khu vực có thể trông như thế nào vào năm 2050 – cả nguồn lực tại chỗ và cách chúng sẽ được vận hành, nếu có bất kỳ ràng buộc nào về chính sách. Để thực hiện phân tích đó, họ đã sử dụng GenX, một công cụ lập mô hình ban đầu được phát triển bởi Jesse Jenkins SM ’14, PhD ’18 và Nestor Sepulveda SM ’16, PhD ’20 khi họ là nhà nghiên cứu tại MIT Energy Initiative (MITEI).

Mô hình GenX được thiết kế để hỗ trợ việc ra quyết định liên quan đến đầu tư hệ thống điện và vận hành theo thời gian thực và xem xét tác động của các sáng kiến chính sách có thể có đối với các quyết định đó. Với thông tin về các công nghệ hiện tại và tương lai – các loại nhà máy điện, công nghệ lưu trữ năng lượng, v.v. – GenX tính toán sự kết hợp của thiết bị và điều kiện hoạt động để có thể đáp ứng nhu cầu xác định trong tương lai với chi phí thấp nhất. Công cụ mô hình hóa GenX cũng có thể kết hợp các ràng buộc chính sách cụ thể, chẳng hạn như giới hạn về lượng khí thải carbon.

Đối với nghiên cứu của họ, Dimanchev, Hodge và Parsons thiết lập các tham số trong mô hình GenX bằng cách sử dụng dữ liệu và giả định thu được từ nhiều nguồn khác nhau để xây dựng biểu diễn của các hệ thống điện được kết nối với nhau ở New England, New York và Quebec. (Họ bao gồm New York để giải thích nhu cầu hiện có của bang đó về nguồn thủy điện của Canada.) Để có dữ liệu về thủy điện sẵn có, họ chuyển sang Hydro-Québec, công ty công cộng sở hữu và vận hành hầu hết các nhà máy thủy điện ở Quebec.

Tiêu chuẩn trong các phân tích như vậy là bao gồm các ràng buộc kỹ thuật trong thế giới thực đối với thiết bị, chẳng hạn như tốc độ lên xuống của các nhà máy điện nhất định. Với sự giúp đỡ từ Hydro-Québec, các nhà nghiên cứu cũng đưa ra các hạn chế vận hành hàng giờ đối với nguồn thủy điện.

Hầu hết các nhà máy của Hydro-Québec là hệ thống “thủy điện hồ chứa”. Ở họ, khi không cần nguồn điện, dòng chảy trên sông bị hạn chế bởi một con đập ở hạ lưu của một hồ chứa, và hồ chứa sẽ đầy lên. Khi cần cấp điện, đập được mở, và nước trong hồ chứa chảy qua các đường ống hạ lưu, làm quay các tua-bin và tạo ra điện. Việc quản lý thích hợp một hệ thống như vậy đòi hỏi phải tuân thủ các ràng buộc vận hành nhất định. Ví dụ, để ngăn ngừa lũ lụt, các hồ chứa không được phép đầy quá mức – đặc biệt là trước khi tuyết tan vào mùa xuân. Và thế hệ không thể tăng quá nhanh vì nước lũ đột ngột có thể làm xói mòn các mép sông hoặc làm gián đoạn hoạt động đánh bắt cá hoặc chất lượng nước.

Dựa trên các dự báo từ Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia và các nơi khác, các nhà nghiên cứu đã xác định nhu cầu điện cho mỗi giờ trong năm 2050 và mô hình đã tính toán sự kết hợp tối ưu về chi phí của các công nghệ và chế độ vận hành hệ thống sẽ đáp ứng nhu cầu hàng giờ đó, bao gồm cả việc điều động của hệ thống thủy điện Hydro-Québec. Ngoài ra, mô hình xác định cách thức giao dịch điện giữa New England, New York và Quebec.

Ảnh hưởng của giới hạn khử cacbon đối với hỗn hợp công nghệ và kinh doanh điện

Để xem xét tác động của các nhiệm vụ giảm phát thải ở các bang New England, các nhà nghiên cứu đã chạy mô hình giả định mức giảm lượng khí thải carbon từ 80% đến 100% so với mức năm 1990. Kết quả của những cuộc chạy đua đó cho thấy rằng, khi giới hạn phát thải ngày càng nghiêm ngặt, New England sử dụng nhiều gió và năng lượng mặt trời hơn và kéo dài tuổi thọ của các nhà máy hạt nhân hiện có. Để cân bằng giữa hiệu quả giữa các năng lượng tái tạo, khu vực này sử dụng các nhà máy khí đốt tự nhiên, quản lý theo nhu cầu, lưu trữ pin (được mô hình hóa như pin lithium-ion) và kinh doanh với hệ thống dựa trên thủy điện của Quebec. Trong khi đó, hỗn hợp tối ưu ở Quebec chủ yếu bao gồm sản xuất thủy điện hiện có. Một số năng lượng mặt trời được bổ sung, nhưng các hồ chứa mới chỉ được xây dựng nếu chi phí tái tạo được cho là rất cao.

Kết quả quan trọng nhất – và có lẽ đáng ngạc nhiên – là trong tất cả các tình huống, hệ thống thủy điện của Quebec không chỉ là nhà xuất khẩu mà còn là nhà nhập khẩu điện, với hướng dòng chảy trên các đường dây tải điện Quebec-New England thay đổi thời gian.

Trong lịch sử, năng lượng luôn chảy từ Quebec đến New England. Kết quả mô hình cho năm 2018 cho thấy dòng điện chạy từ Bắc vào Nam, với lượng bị giới hạn bởi giới hạn công suất truyền tải hiện tại là 2.225 megawatt (MW).

Một phân tích cho năm 2050, giả sử rằng New England khử cacbon 90% và công suất của các đường dây tải điện không đổi, cho thấy dòng điện đi theo cả hai chiều. Các dòng chảy từ bắc vào nam vẫn chiếm ưu thế. Nhưng gần 3.500 trong số 8.760 giờ trong năm, dòng điện chạy theo hướng ngược lại – từ New England đến Quebec. Và trong hơn 2.200 giờ đó, dòng chảy đi về phía bắc là mức tối đa mà các đường dây tải điện có thể mang theo.

Hướng của dòng chảy được thúc đẩy bởi kinh tế học. Khi năng lượng tái tạo dồi dào ở New England, giá cả thấp, và Quebec sẽ rẻ hơn khi nhập khẩu điện từ New England và tiết kiệm nước trong các hồ chứa của nó. Ngược lại, khi năng lượng tái tạo của New England khan hiếm và giá cao, New England nhập khẩu điện sản xuất từ thủy điện từ Quebec.

Vì vậy, thay vì cung cấp điện, thủy điện Canada cung cấp một phương tiện lưu trữ điện năng được tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục ở New England.

Dimanchev nói: “Chúng tôi thấy điều này trong mô hình của mình vì khi chúng tôi yêu cầu mô hình đáp ứng nhu cầu điện bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên này, mô hình quyết định rằng việc sử dụng các bể chứa để lưu trữ năng lượng là tối ưu về chi phí thay vì bất cứ thứ gì khác”. “Chúng ta nên gửi năng lượng qua lại, vì vậy các hồ chứa ở Quebec về bản chất là một tấm pin mà chúng ta sử dụng để lưu trữ một phần điện năng được tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục của chúng ta và xả nó khi chúng ta cần.”

Với kết quả đó, các nhà nghiên cứu quyết định tìm hiểu tác động của việc mở rộng khả năng truyền tải giữa New England và Quebec. Việc xây dựng đường truyền luôn gây tranh cãi, nhưng nếu nó có thể được thực hiện thì sẽ có tác động gì?

Kết quả mô hình của họ cho thấy khi tăng công suất truyền tải từ 2.225 MW lên 6.225 MW, dòng chảy theo cả hai hướng đều lớn hơn và trong cả hai trường hợp, dòng chảy ở mức cực đại mới trong hơn 1.000 giờ.

Do đó, kết quả phân tích khẳng định rằng phản ứng kinh tế đối với khả năng truyền tải mở rộng là giao dịch hai chiều hơn. Để tiếp tục tương tự về pin, khả năng truyền tải nhiều hơn đến và đi từ Quebec sẽ làm tăng tốc độ sạc và xả pin một cách hiệu quả.

Ảnh hưởng của giao dịch hai chiều đối với hỗn hợp năng lượng

Sự ra đời của giao dịch hai chiều sẽ có tác động gì đến sự kết hợp của các nguồn tạo ra năng lượng ở New England và Quebec vào năm 2050?

Giả sử công suất truyền tải hiện tại, ở New England, sự thay đổi từ giao dịch một chiều sang hai chiều làm tăng cả sản xuất điện gió và năng lượng mặt trời và ở mức độ thấp hơn hạt nhân; nó cũng làm giảm việc sử dụng khí tự nhiên với CCS. Các hồ chứa thủy điện ở Canada có thể cung cấp trữ lượng trong thời gian dài – trong nhiều tuần, nhiều tháng và thậm chí theo mùa – vì vậy sẽ không cần khí tự nhiên với CCS để bù đắp bất kỳ khoảng trống nào trong nguồn cung. Mức độ nhập khẩu thấp hơn một chút, nhưng bây giờ cũng có xuất khẩu. Trong khi đó, ở Quebec, giao dịch hai chiều làm giảm sản lượng điện mặt trời, và việc sử dụng gió biến mất. Xuất khẩu gần giống nhau, nhưng bây giờ cũng có nhập khẩu. Do đó, giao dịch hai chiều phân bổ lại năng lượng tái tạo từ Quebec đến New England, nơi sẽ tiết kiệm hơn để lắp đặt và vận hành các hệ thống năng lượng mặt trời và gió.

Một phân tích khác đã xem xét tác động đến sự kết hợp năng lượng của việc giả định giao dịch hai chiều cộng với khả năng truyền tải mở rộng. Đối với New England, khả năng truyền tải lớn hơn cho phép gió, mặt trời và hạt nhân mở rộng hơn nữa; khí tự nhiên với CCS tất cả trừ biến mất; và cả nhập khẩu và xuất khẩu đều tăng đáng kể. Ở Quebec, năng lượng mặt trời vẫn tiếp tục giảm, và cả xuất khẩu và nhập khẩu điện đều tăng.

Những kết quả đó giả định rằng hệ thống điện ở New England đã khử carbon 99% vào năm 2050 so với mức của năm 1990. Nhưng ở mức khử cacbon 90% và thậm chí 80%, mô hình kết luận rằng công suất khí đốt tự nhiên giảm khi có thêm hệ thống truyền tải mới so với kịch bản truyền tải hiện tại. Các nhà máy hiện tại đã bị loại bỏ và các nhà máy mới không được xây dựng vì chúng không còn hợp lý về mặt kinh tế. Vì các nhà máy khí tự nhiên là nguồn phát thải carbon duy nhất trong hệ thống năng lượng năm 2050, các nhà nghiên cứu kết luận rằng khả năng tiếp cận nhiều hơn với các hồ chứa thủy điện bằng cách truyền tải mở rộng sẽ đẩy nhanh quá trình khử carbon của hệ thống điện.

Ảnh hưởng của sự thay đổi đường truyền đối với chi phí

Các nhà nghiên cứu cũng khám phá cách giao dịch hai chiều với khả năng truyền tải mở rộng sẽ ảnh hưởng như thế nào đến chi phí ở New England và Quebec, giả sử 99% khử cacbon ở New England. Tiết kiệm chi phí cố định (đầu tư vào thiết bị mới) của New England phần lớn là do giảm nhu cầu đầu tư vào khí tự nhiên nhiều hơn với CCS, và tiết kiệm chi phí biến đổi (chi phí vận hành) là do giảm nhu cầu vận hành các nhà máy đó. Việc tiết kiệm chi phí cố định của Quebec đến từ việc giảm nhu cầu đầu tư vào sản xuất năng lượng mặt trời. Sự gia tăng chi phí – do New England gánh chịu – phản ánh việc xây dựng và vận hành công suất truyền tải tăng lên. Lợi ích ròng cho khu vực là đáng kể.

Do đó, phân tích cho thấy rằng mọi người đều chiến thắng khi công suất truyền tải tăng lên – và lợi ích tăng lên khi mục tiêu khử cacbon được thắt chặt. Ở mức khử cacbon 99%, toàn bộ khu vực New England-Quebec trả khoảng 21 đô la cho mỗi megawatt giờ (MWh) điện với công suất truyền tải ngày nay nhưng chỉ 18 đô la / MWh với truyền tải mở rộng. Giả sử giảm 100% lượng khí thải carbon, khu vực phải trả 29 đô la / MWh với công suất truyền tải hiện tại và chỉ 22 đô la / MWh với truyền tải mở rộng.

Giải quyết những quan niệm sai lầm

Những kết quả này làm sáng tỏ một số quan niệm sai lầm mà các nhà hoạch định chính sách, những người ủng hộ năng lượng tái tạo và những người khác có xu hướng mắc phải.

Quan niệm sai lầm đầu tiên là năng lượng tái tạo ở New England và thủy điện của Canada là những đối thủ cạnh tranh. Thay vào đó, kết quả mô hình cho thấy chúng bổ sung cho nhau. Khi hệ thống điện ở New England và Quebec hoạt động cùng nhau như một hệ thống tích hợp, các hồ chứa ở Canada được sử dụng một phần thời gian để lưu trữ điện tái tạo. Và với khả năng tiếp cận nhiều hơn với kho chứa thủy điện ở Quebec, nhìn chung có nhiều đầu tư tái tạo hơn ở New England.

Quan niệm sai lầm thứ hai nảy sinh khi các nhà hoạch định chính sách gọi thủy điện của Canada là “nguồn tài nguyên cơ bản”, ngụ ý một nguồn điện đáng tin cậy – đặc biệt là nguồn cung cấp điện mọi lúc. Dimanchev nói: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng bằng cách coi thủy điện Canada là nguồn điện cơ bản – hay thực sự là một nguồn điện – bạn đang không tận dụng hết những gì mà nguồn tài nguyên đó có thể cung cấp. “Những gì chúng tôi cho thấy là hồ chứa thủy điện của Quebec có thể cung cấp trữ lượng, đặc biệt cho gió và năng lượng mặt trời. Đó là một giải pháp cho vấn đề hiệu ứng gián đoạn mà chúng tôi thấy trước trong các hệ thống điện không có carbon cho năm 2050 ”.

Trong khi phân tích của MIT tập trung vào New England và Quebec, các nhà nghiên cứu tin rằng kết quả của họ có thể có ý nghĩa rộng hơn. Khi hệ thống điện ở nhiều vùng mở rộng sản xuất năng lượng tái tạo, giá trị lưu trữ ngày càng tăng. Một số hệ thống thủy điện có dung tích lưu trữ vẫn chưa được sử dụng hết và có thể là sự bổ sung tốt cho việc phát điện tái tạo. Việc tận dụng công suất đó có thể làm giảm chi phí khử cacbon sâu và giúp chuyển một số vùng hướng tới nguồn cung cấp điện đã khử cacbon.

Người giới thiệu:

“Vai trò của các hồ chứa thủy điện trong chính sách khử cacbon sâu” của Emil G. Dimanchev, Joshua L. Hodge và John E. Parsons, ngày 5 tháng 5 năm 2021, Chính sách Năng lượng .
DOI: 10.1016 / j.enpol.2021.112369

“Thương mại hai chiều đối với điện tử xanh: Khử cacbon sâu ở Đông Bắc Hoa Kỳ và vai trò của thủy điện Canada” của Emil G. Dimanchev, Joshua L. Hodge và John E. Parsons.

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trung tâm Nghiên cứu Chính sách Môi trường và Năng lượng MIT, được hỗ trợ một phần bởi một nhóm các công ty công nghiệp và các đối tác chính phủ.
Bài báo này xuất hiện trên tạp chí Energy Futures mùa Thu năm 2021 , tạp chí của Sáng kiến Năng lượng MIT.

Theo Scitechdaily