创新背景

减少碳排放的迫切需要促使美国越来越多的州承诺在2040或2050年实现100%的清洁电力。但如何实现这些承诺，同时仍然拥有一个可靠、负担得起的电力系统，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，但当这些间歇性的可再生能源不足时，什么技术能够满足电力需求?

目前人们所探讨的，包括核能、具有碳捕获和储存(CCS)的天然气，以及能源储存技术，如新的和改进的电池和以氢的形式进行的化学储存。但在美国东北部，还有一种新的可能性：从邻近的加拿大魁北克省的水电站进口电力。

这个主张是有道理的。这些核电站的发电量相当于大约40座大型核电站的发电量，而且魁北克省生产的部分电力已经流向了东北部。因此，当新英格兰间歇性的可再生能源产量不足时，可能会有充足的额外供应来填补短缺。然而，美国风能和太阳能投资者将加拿大的水电视为竞争对手，并认为依赖外国供应阻碍了美国的进一步投资。

两年前，三名隶属于麻省理工学院能源与环境政策研究中心(CEEPR)的研究员——挪威科技大学的博士生Emil Dimanchev SM’18；CEEPR的执行董事Joshua Hodge；以及麻省理工学院斯隆管理学院的高级讲师约翰·帕森斯开始怀疑将加拿大的水电视为另一种电力来源是否过于狭隘。本项工作的研究人员迪曼切夫表示，水力发电是一项有上百年历史的技术，北方已经建了很多电厂。我们可能不需要建造新的东西。我们可能只是需要以不同的方式或更大程度地使用这些设施。

创新过程

麻省理工学院能源与环境政策研究中心(CEEPR)的研究团队研究了魁北克省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。

他们的目标是帮助决策者、公用事业决策者和其他人了解如何最好地将加拿大的水力发电纳入他们的计划，并确定新英格兰应该花费多少时间和金钱来将更多的水力发电纳入其系统。这项研究成果以 The role of hydropower reservoirs in deep decarbonization policy 为题，发表在 Elsevier 杂志上。

分析方法

为了探索加拿大水电在新英格兰电力系统中可能扮演的角色，麻省理工学院的研究人员首先需要预测2050年地区电力系统的状态——包括现有的资源以及在任何政策限制下它们将如何运行。为了进行分析，他们使用了麻省理工学院能源计划(MITEI)的研究团队开发的GenX建模工具。当给定当前和未来技术的信息——不同种类的发电厂、能源存储技术等等——GenX计算出能够以最低成本满足确定的未来需求的设备和操作条件组合。GenX建模工具还可以纳入特定的政策约束，例如对碳排放的限制。

为了获得可用水力发电的数据，他们求助于Hydro-Québec，该公共事业公司拥有并运营着魁北克大部分的水力发电厂，其中大多数电站都是“水库水力发电”系统。

根据国家可再生能源实验室和其他地方的预测，研究人员确定了2050年每小时的电力需求，该模型计算出了满足每小时需求的技术和系统运行制度的成本最优组合，包括Hydro-Québec水力发电系统的调度。此外，该模型还对新英格兰、纽约和魁北克之间的电力交易方式提出了建议。

脱碳限制对技术组合和电力交易的影响

为了检验新英格兰各州减排规定的影响，研究人员运行了一个模型，假设相对于1990年的水平，碳排放量减少了80%到100%。这些运行的结果表明，随着排放限制越来越严格，新英格兰将使用更多的风能和太阳能，并延长现有核电站的寿命。为了平衡可再生能源的间歇性，该地区将使用天然气厂、需求侧管理、电池存储(以锂离子电池为模型)，并与魁北克的水力发电系统进行交易。同时，魁北克的最佳组合主要由现有的水力发电组成。将会增加了一些太阳能，但只有在假定可再生能源成本非常高的情况下才会建造新的蓄水池。

最重要的，也最令人惊讶的结果是，在所有的情况下，魁北克以水力发电为基础的系统不仅是电力的出口国，而且也是电力的进口国，魁北克-新英格兰输电线的流向随着时间的推移而变化。

流动的方向是由经济因素驱动的。当新英格兰地区的可再生发电资源丰富时，电价就很低，魁北克省从新英格兰地区进口电力，节约水库用水，成本就会更低。相反，当新英格兰的可再生能源稀缺且价格高时，新英格兰从魁北克进口水力发电。

因此，加拿大的水力发电并没有提供电力，而是提供了一种储存新英格兰间歇性可再生能源产生的电力的方式。

考虑到这一结果，研究人员决定探索扩大新英格兰和魁北克之间的传播能力的影响。建设输电线路总是有争议的，但如果能做到，会有什么影响呢？他们的模型结果表明，当传输容量从2225mw增加到6225mw时，两方向的流量都更大，且在1000小时以上都达到新的最大流量。

分析结果由此证实，输电容量扩大的经济反应更多是双向交易。继续以电池为例，从往返魁北克的传输容量越大，电池充电和放电的速度就越快。

双向交易对能源结构的影响

到2050年，双向贸易的出现会对新英格兰和魁北克省的能源生产结构产生什么影响?

假设新英格兰目前的输电能力，从单向贸易到双向贸易的变化增加了风能和太阳能的发电，在较小程度上增加了核能;它还通过CCS减少了天然气的使用量。加拿大的水力水库可以提供长时间的储存——几周、几个月甚至几个季节——因此使用CCS来填补供应缺口对天然气的需求更少。进口水平略低，但现在也有出口。与此同时，在魁北克，双向贸易减少了太阳能发电，风能的使用消失了。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，在那里安装和运行太阳能和风能系统更划算。

另一项分析研究了假设双向交易加上扩大输电能力对能源结构的影响。对新英格兰地区来说，更大的输电能力使风能、太阳能和核能得以进一步发展;采用CCS技术的天然气几乎消失;进出口均大幅增长。在魁北克，太阳能发电量进一步下降，而电力的出口和进口都在增加。

这些结果假设，与1990年的水平相比，新英格兰电力系统2050年的脱碳率为99%。但在90%甚至80%的脱碳水平下，该模型得出的结论是，相对于当前的传输情景，随着新传输的增加，天然气容量会下降。现有的工厂都被淘汰了，新的工厂也不再建设，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来源，研究人员得出结论，扩大水库水力的传输将加速电力系统的脱碳。

输电方式变化对成本的影响

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，假设新英格兰的脱碳率为99%。新英格兰省下的固定成本(新设备投资)主要是由于CCS减少了对天然气的投资，而节省的可变成本(运营成本)则是由于运行这些工厂的需求减少。魁北克省的固定成本来自于减少对太阳能发电的投资需求。新英格兰承担的成本增加，反映了输电能力建设和运行的增加。该地区的净收益是巨大的。

因此，分析表明，随着输电能力的提高，各方都是赢家，而随着脱碳目标的收紧，收益也会增加。在99%脱碳的情况下，以目前的输电能力计算，整个新英格兰-魁北克地区每兆瓦时(MWh)的电力成本约为21美元，而扩大输电能力后，每兆瓦时仅为18美元。假设碳排放减少100%，该地区在现有输电能力下支付29美元/兆瓦时，在扩大输电能力下仅支付22美元/兆瓦时。

消除误解

这些结果揭示了政策制定者、可再生能源的支持者和其他人往往存在的几个误解。

第一个误解是，新英格兰的可再生能源和加拿大的水电是竞争对手。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一起工作时，加拿大的水库会在部分时间内储存可再生电力。随着魁北克省水电储备的增加，新英格兰地区的可再生能源投资也普遍增加。

当政策制定者把加拿大的水电称为“基本负荷资源”时，就产生了第二个误解，这意味着一种可靠的电力来源——尤其是一种随时都能供电的电力。魁北克的水库水电可以提供存储，特别是风能和太阳能，因此如果把加拿大的水力发电视为一种基本负荷的电力来源，就没有充分利用这种资源所能提供的东西。

虽然这项研究集中在新英格兰和魁北克，其结果可能有更广泛的影响。随着许多地区的电力系统扩大可再生能源的生产，存储的价值也在增长。一些水电系统的蓄能能力尚未得到充分利用，可以作为可再生能源发电的一个很好的补充。利用这一能力可以降低深度脱碳的成本，并帮助一些地区实现脱碳电力供应。

创新价值

麻省理工学院能源与环境政策研究中心(CEEPR)的研究团队研究了魁北克省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，为完成减排目标提供了建议，同时提出了关于无碳电力系统间歇性问题的解决方案。