Security and efficiency: The case for connecting Europe and North America

Este artigo examina como a interconexão transatlântica pode ajudar a América do Norte e a Europa a obter uma transição mais segura e eficiente para a eletricidade renovável. 

Ember tem sido consistentemente um forte Advocate Para interconectores como uma ferramenta -chave para ajudar a facilitar uma mudança mais rápida para a eletricidade renovável. Complementaridade climática entre as duas grades e conclui que há um valor substancial na interconexão, o que pode ajudar a fornecer segurança e eficiência entre os sistemas de energia desses dois continentes. Dias mais ventos - Uma possível correlação negativa à medida que os sistemas climáticos variam o Atlântico. Apesar do alto custo de capital, pode ser mais barato do que outras ferramentas consideradas pelos formuladores de políticas, como nuclear e hidrogênio. Grades

The future electricity grids of North America and Europe will be increasingly impacted by weather as they seek to decarbonise their energy systems.

This paper explores the weather complementarity between the two grids and concludes there is substantial value in interconnection, which can help provide security and efficiency between the energy systems of these two continents.

Specifically:

• The enduring impact of the six-hour time zone difference on electricity demand and solar production.
• The offset from uncorrelated wind conditions, and – for the windiest days – a possible negative correlation as weather systems sweep across the Atlantic.
• The offset from uncorrelated hot and cold days and of yearly rain systems.

In their quest for cheaper energy prices, security of supply and decarbonisation, transatlantic interconnection could be a valuable tool. Despite the high capital cost, it could be cheaper than other tools being considered by policymakers, such as nuclear and hydrogen.

We conclude that decision makers should further investigate transatlantic interconnection.

An interconnector could bridge two decarbonised, weather-dependent and growing grids

Interconectores são construídos para aumentar a resiliência do sistema. Como os cabos que se conectam em distâncias mais longas estão sendo previstas, este artigo explora o valor potencial e as opções de interconexão entre a Europa e a América do Norte. Grande parte do noroeste da Europa, os estados do nordeste dos EUA e o leste do Canadá, mapearam cenários e assumiram compromissos com a eletricidade de carbono quase zero dentro de 20 anos-muitos assim que 2035. Grande parte dessa eletricidade descarbonizada virá da energia solar, a indústria e o transporte e o transporte e o transporte e o transporte e o transporte e o transporte e o transporte e o transporte e o transporte e o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que há de um e-mail, é necessário que a indústria e a renda de energia e a renda de energia e a alta e seja a necessidade de que a eletricidade, que é um impacto que é o que há de um que é um e-mail e a eletricidade e o que há de um que você. demanda de data centers e ar condicionado. Também será cada vez mais impactado pelas condições climáticas: a demanda de eletricidade aumenta para alimentar o ar condicionado que deve ser usado progressivamente mais à medida que as mudanças climáticas; Igualmente em dias frios, a demanda de eletricidade aumenta quando o aquecimento elétrico entra, aumentando proporcionalmente à medida que mais casas mudam de gás e óleo para aquecimento elétrico, especialmente bombas de calor eficientes. Primeiro, para manter as luzes acesas e os preços de Spiking quando a demanda é alta e a oferta é baixa. Mas também - e cada vez mais - para evitar um desperdício enorme (redução) de eletricidade limpa quando a oferta renovável é alta e a demanda local é baixa.

There are two major upfront trends assumed in this paper that underpin the value and need for transatlantic interconnection.

First, in the future, power grids on both sides of the Atlantic will be predominantly decarbonised. Much of Northwest Europe, the Northeast US States and Eastern Canada have charted scenarios and made commitments towards near-zero carbon electricity within 20 years – many as soon as 2035. Much of this decarbonised electricity will come from solar, wind and hydro, which is impacted by weather conditions.

Second, electricity demand will grow significantly in the next 10-20 years because of the electrification of transport, heating and industry, as well as increased electricity demand from data centres and air conditioning. It will also increasingly be impacted by weather conditions: electricity demand rises to power air conditioning that is expected to be used progressively more as the climate changes; equally on cold days, electricity demand rises when electric heating steps in, increasing proportionally as more homes switch from gas and oil to electric heating, especially efficient heat pumps.

The increased impact of weather conditions requires huge amounts of grid flexibility to match hour-by-hour electricity supply and demand.

It’s important to note that flexibility is needed both ways. First, to keep the lights on and prices from spiking when demand is high and supply is low. But also – and increasingly – to prevent huge wastage (curtailment) of clean electricity when renewable supply is high and local demand is low.

Interconnection would make both grids more secure, in that it would reduce price spikes and ultimately the chances of the lights going out, and more Eficiente Ao evitar a perda de eletricidade limpa, reduzindo a necessidade de reduzir a geração de vento e energia solar quando está vento e ensolarado. Em 2023, de acordo com o

Already, there is more renewable electricity on some grids in certain hours than the system needs. In 2023, according to the IEA, 8% da geração variável de eletricidade renovável (VRE) foi reduzida na Irlanda e 4% no Reino Unido. 

O crescimento da demanda de eletricidade fornece um forte imperativo político para a interconexão. O movimento de um sistema de energia dominado por petróleo, carvão e gás, em direção a um sistema de energia baseado em eletricidade limpo, inflamará um novo nível de apoio político à eletricidade. 

A diferença entre transmissão unidirecional e interconectores bidirecionais

Atualmente, existem dois interconectores inter-continentais que estão em estágios iniciais de desenvolvimento. Estes são de mão única, pois transmitem renováveis ​​de um continente para atender à demanda a outro continente. Portanto, eles são mais como "linhas de transmissão" do que um interconector tradicional. Esses projetos são:

A distância da Europa à América do Norte é semelhante aos dois projetos acima. Exemplos de distâncias são:

• ST John's Newfoundland> Cork - 3200 km
• Bristol> québec - 4800 km
• Boston> Letrate interconests - 5300 km || fornecimento de país a um país de demanda. Nos dois casos, o fornecimento de renováveis ​​deve ser construído do zero (sul de Marrocos, noroeste da Austrália). Em vez disso, vincularia duas das maiores e mais interconectadas grades continentais. Essa conexão permitiria a troca de fluxos de energia profunda e sinais de preços aprimorados, promovendo operações de mercado mais eficientes nas duas regiões. Embora essa infraestrutura possa estimular um investimento adicional de energia renovável ao longo de sua rota, este não é um pré-requisito, mas um benefício secundário. Grades

Both the Morocco and Australia interconnectors would be built by renewable developers, looking to transfer 24/7 renewable electricity from a supply country to a demand country. In both cases, the supply of renewables has to be built from scratch (Southern Morocco, Northwestern Australia).

A Europe to North America interconnector would not merely facilitate one-way electricity transmission; rather, it would link two of the largest and most interconnected continental grids. This connection would allow for the exchange of deep energy flows and enhanced price signals, promoting more efficient market operations across both regions. While this infrastructure might stimulate additional renewable energy investment along its route, this is not a prerequisite but rather a secondary benefit.

The primary value lies in integrating the energy markets, optimising grid resilience and allowing electricity prices to reflect real-time supply and demand conditions in both regions, smoothing out volatility and improving market efficiency.

Size of respective grids

As redes norte -americanas e européias são duas das maiores do mundo, portanto o potencial de interconexão é grande. Somente a Alemanha está planejando ter 374 GW de renováveis ​​on -line até 2030.

A escolha dos pontos de pouso deve ser feita com uma consideração cuidadosa, balanceamento:

• O melhor modelo econômico | Tal investimento
• Single point of failure
• The integration into existing grids (and their respective development plans)
• The willingness of regulators to welcome such an investment
• Aprovação política local, bem como suporte federal (norte -americano) e da UE

O caso de segurança e eficiência, bem como o conceito de ponto único de falha, defende vários cabos para diferentes pontos de aterrissagem. Os cabos grandes geralmente têm uma faixa ideal de 2 GW. Faria sentido que não houvesse mais de um cabo indo/dos mesmos pontos de pouso, mas os pontos de pouso seriam espalhados pela Europa ou potencialmente no Mar do Norte, ao longo da costa leste dos EUA e do Canadá. A segurança é valorizada por sua capacidade de manter as luzes acesas (para que não haja um ponto fraco na grade) e a eficiência é valorizada por suprimentos excessivos ou sub-suprimentos, e um cabo maior eroede à arbitragem.

Os fatores econômicos para a interconexão do Atlântico são amplamente impulsionados pela complementaridade de fusos horários e clima. Este capítulo examina o impacto de uma diferença horária de seis horas e a correlação do clima usando os últimos 10 anos de dados climáticos. Dia. Com uma diferença horária de seis horas entre Paris e Nova York, os perfis solares oferecerão oportunidades substanciais de arbitragem. A Europa terá excesso de eletricidade quando a Costa Leste da América do Norte estiver acordando, e a América do meio do dia terá excesso de eletricidade durante a noite da Europa. O deslocamento de seis horas significa que a baixa demanda da noite para o dia de 22: 00-04: 00 coincide com a França durante o pico noturno de Nova York e em Nova York quando a França está acordando. 

Impact of six-hour time difference

There is a six-hour time difference between France and New York, and this will provide hourly complementarity on both solar generation and the current electricity demand profile every day.

In summary:

Solar will play a major role on both sides of the Atlantic. With a six-hour time difference between Paris and New York, the solar profiles will provide substantial arbitrage opportunities. Europe will have excess electricity when East Coast North America is waking up, and mid-day America will have excess electricity during Europe’s evening.

The length of the cable allows for daily complementarity as daily peak demands are spaced by six hours. The six-hour offset means that the low demand overnight from 22:00-04:00 coincides with France during New York’s evening peak, and in New York when France is waking up.

Seasonal patterns

When we start to analyse the weather impact, we need to acknowledge that, overall, Europe and North America are northern hemisphere continents that provide limited seasonal offsets. 

No inverno, ambos os continentes estão ventosos e frios; No verão, eles estão quentes e ensolarados; E na primavera e no outono, ambos os continentes têm temperaturas relativamente leves com sol e vento muito bons.

Especificamente, os três meses mais quentes são os mesmos em Paris e Nova York (junho, julho, agosto), assim como os três meses mais ensolarados (maio, junho e julho), os três meses mais frios (dezembro, janeiro, fevereiro) e os três meses mais ventos (também dezembro, janeiro, fevereiro).

Correlação do vento

É sabido que a correlação das velocidades do vento entre dois locais diminui rapidamente com Distância, que caímos para os 10 anos em torno de 10 anos. Isso confirma uma correlação horária geral de quase zero. Isso pode ser um argumento poderoso para a interconexão, pois o valor suavizando os dias ventosos pode ser alto. Esse padrão é observado nos dados diários. Para um conjunto de dados randomizado, seria de esperar quatro dias, ou seja, quando estiver muito vento na América do Norte, é calmo na Europa e vice-versa. Para pares na América do Norte e na Europa, seis dias entre os 20 mais ventos foram os mesmos, o que implica - sem surpresa - uma correlação local positiva. m/s). Isso não fornece um caso tão convincente quanto a correlação negativa do vento, mas descartar uma correlação positiva é importante, pois pode reduzir o valor do interconexão. É isso que uma amostra aleatória seria esperada. Os dias mais frios da Europa e da América do Norte estão - em comparação - correlacionados de maneira muito positiva, com cerca de 10 dos 20 primeiros dias mais frios a cada ano. Novamente, isso contrasta com a América do Norte e na Europa, que mostram uma correlação positiva. Abençoado por um excedente saudável, o Quebec está exportando para o operador de sistema independente de Nova York (NYISO), o operador de sistema independente da Nova Inglaterra (ISO-NE) e Ontário. A Hydroquébec possui uma frota de 42 GW de hidrelétrica, não levando em consideração os co-desenvolvidos no vizinho Labrador. Isso concederia ao Québec o acesso a um mercado maior e mais lucrativo na Europa, onde os preços da eletricidade são tipicamente mais altos do que na Nova Inglaterra e nas regiões canadenses vizinhas. Essa mudança pode desafiar a dinâmica atual do mercado, provocando uma reavaliação de futuras relações de negociação de energia e estruturas de preços. A diferença na geração anual de eletricidade entre um "ano chuvoso" e um "ano seco" pode ser da ordem de 20 TWH no Canadá e nos Alpes (que é 2,3 GW a cada hora). Além do valor da arbitragem por hora, que estabelecemos, a viabilidade financeira da interconexão vem predominantemente de dois fatores:

We analysed the last 10 years’ wind data for three pairs of geographical points from Europe and North America. This confirms an overall hourly correlation of near-zero.

However, this analysis also shows there is some evidence of negative correlation for the windiest days of wind on each side of the Atlantic – i.e. when it is very windy in one location, it will tend to be less windy in the other location. This could be a powerful case for interconnection, since the value smoothing out the windy days could be expected to be high.

The negative correlation most likely comes from the way low pressure systems develop in North America then sweep over several days towards Europe, creating a partial asymmetry in wind speeds. This pattern is observed in the daily data.

Only one day of the top 20 windiest days each year was the same between Europe and North America. For a randomised dataset, four days would be expected i.e. when it is very windy in North America, it is calm in Europe, and vice-versa. For pairs within North America and within Europe, six days out of the top 20 windiest were the same, implying – unsurprisingly – a positive local correlation.

Looking at the daily wind speeds for January to March (which are mostly the windiest months and also the coldest months), it is possible to see that wind speeds are rarely simultaneously high in both regions (above 12m/s), or simultaneously low (below 6 m/s).

Uncorrelated hot and cold days gives value to the interconnection

We found both heatwaves and cold snaps show zero correlation (positive or negative) between Europe and North America, when analysing 10 years of temperature data.

This gives ample value, in that it is not very likely to have concurrent hot or cold days in both places. This does not provide as compelling a case as the negative correlation of wind, but ruling out a positive correlation is important, as it could reduce the interconnector’s value.

Only 4 of the top 20 coldest days each year overlapped between Europe and North America on average for the last 10 years. This is what a random sample would be expected to show. The coldest days within Europe and within North America are – by comparison – very positively correlated, with about 10 of the top 20 coldest days each year the same.

The hottest days show a similar result – only 4 of the top 20 hottest days each year overlapped between Europe and North America. Again, that is in stark contrast to within North America and within Europe, both of which show a positive correlation.

Hydro: the new challenge

The Northeast side of the American Continent relies heavily on hydro, with a multi-generational investment by the Province of Québec. Blessed by a healthy surplus, Québec is exporting to New York Independent System Operator (NYISO), New England’s Independent System Operator (ISO-NE) and Ontario. HydroQuébec has a fleet of 42GW of hydro, not taking into account the ones co-developed in neighbouring Labrador.

The introduction of interconnector capacity between North America and Europe is likely to have a disruptive impact on existing energy markets. It would grant Québec access to a larger and more lucrative market in Europe, where electricity prices are typically higher than in New England and neighbouring Canadian regions. This shift could challenge the current market dynamics, prompting a reassessment of future energy trading relationships and pricing structures.

Rainfall data from Québec and Switzerland over the last 20 years seem to show little correlation. The difference in annual electricity generation between a “wet year” and a “dry year” can be in the order of 20 TWh both in Canada and the Alps (which is 2.3 GW every hour).

This paper does not analyse the financial viability of interconnection as it is a complex and multidimensional dynamic calculation. Beside the value of hourly arbitrage, which we have established, the financial viability of interconnection comes predominantly from two factors:

Quão barato o cabo pode ser construído? Avanços nos métodos de tecnologia e instalação de cabos (por exemplo, barcos maiores) indicam uma perspectiva de longo prazo relativamente estável, à medida que as melhorias da tecnologia compensam a inflação. Os registros são espancados regularmente em termos de profundidade e duração. Por exemplo, o recém-inaugurado Link Viking de 800 km (UK-Denmark) ilustra que a indústria está constantemente alcançando novos sucessos.

Que apoio do governo pode obter? Dada a escala do projeto, provavelmente abriria as portas para uma solução sob medida que combina muitas práticas recomendadas atuais. Sistema. No entanto, precisaria de um forte apoio do governo do financiamento à permissão. Government support could come in many forms, including a cheap loan, equity stakes, regulatory frameworks such as a cap and floor regime or a guaranteed capacity price for when the cable is operational. Given the scale of the project, it would probably open the doors to a bespoke solution combining a lot of current best practices.

Governments would be most likely to see value in a project if

• It reinforces bonds between the countries – especially pertinent, given current international security concerns.
• It reduces the costs of shifting to a more decarbonised energy system.

A project of this size is strongly supported by the evolution of the grids and the need to optimise both renewable resources and variable demand.

Transatlantic interconnection would promise significant local economic benefits, particularly through job creation. However, it would need strong government support from financing to permitting.

Este artigo, uma exploração inicial de alto nível, estabelece as bases para uma análise mais detalhada a seguir. Demonstra um caso convincente que o projeto proporcionaria valiosos benefícios de eficiência e segurança para ambos os continentes. 

Os fatores-chave incluem:

• O impacto duradouro da diferença de fuso horário de seis horas na demanda de eletricidade e na produção solar. Sistemas.
• The offset from uncorrelated wind conditions, and – for the windiest days – a possible negative correlation.
• The balancing potential from uncorrelated weather patterns, such as heatwaves, cold spells, and annual rainfall systems.

Mais pesquisas são particularmente recomendadas para entender a correlação do vento com mais detalhes. Os preços crescentes durante os anos “Dunkelflaute” ou hidrelétricos baixos e crescentes preocupações sobre as luzes se apagam (se algum risco está ou não relacionado à transição e se esses riscos são ou não reais ou percebidos). 

As the world builds a future based on clean energy, both North American and European governments should seriously consider this option alongside alternatives such as new nuclear developments or future technologies like hydrogen exports.

Public decision makers are also likely to act if they observe the increase in solar and wind curtailment, rising prices during “Dunkelflaute” or low hydro years, and growing concerns over lights going out (whether or not any risks are related to the transition, and whether or not those risks are real or perceived). 

O projeto seria especialmente atraente se os governos estivessem olhando para uma futura economia elétrica, onde a grade elétrica se torna central para o sistema de energia geral - um cenário que está se tornando cada vez mais provável. (PDF)

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Agradecimentos

Foto de tampa

Distribuição de energia elétrica em uma região rural em Quebec.

Credit: Nav Pall / Alamy Stock Photo