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美国得州极寒雪灾电力崩溃一月后怎么样了(上篇)

作者:孟静惟 赖秋莹等 来源:何继江 发布时间:2021-04-05 浏览:

2月10号开始席卷美国得克萨斯州的极寒雪灾导致得州一周的电力崩溃事故及后续的各种问题引发了全世界的关注,各种声音层出不穷。清华能源转型研究中心有两位同学常居得州,也是这次电力事故的亲历者。秉持着救灾为先,客观研究在后的原则,她们组织清华能源转型研究中心美国分部的同学们在得州生活逐渐恢复正常整一月后进行各方观点的梳理,希望能在热点之后有更客观的科学认识和讨论。

一、事件成因总结

最直接的原因:电网供需失衡

1.极端天气导致电力和供暖需求过高

今年冬天美国多地创下历史同期气温新低,美国71%的领土被冰雪覆盖。在2月14日情人节当晚,由于天气寒冷外加得州60%的居民采用电加热方式采暖,电力需求在深夜增加到约70,000兆瓦,使电网负荷急剧上升,创下冬季用电高峰记录,比2018年同期高3200兆瓦。

与2011年的冬天做比较 + 电力供需冬季规划按照2011年的需求

在2011年后,ERCOT补充完善了季节评估报告,包括了对冬季极端天气的分析。也修改了辅助服务采购流程,为实现在恶劣天气下进行额外采购;成立了天然气-电力工作组,预判是否存在预期的燃料限制;修改天然气发电厂调查表,收集使用替代燃料能力的信息,以便为冬季作准备;

2. 得州电网设施和各类发电机组都没有进行防寒处理

得州的电力结构目前75%的电力来自于天然气(51%)和风能(24%),剩余的13%来自与燃煤,核能,太阳能以及其他的发电来源分别大约占5%,4%,和2%。在暴风雪期间,得州的所有发电能源,包括风能和太阳能,与燃煤,天然气,核能均受到当地暴风雪的影响,能源系统被冻结而发电厂设施无法运行。其中,由于结冰或冻结,天然气输送管道和天然气井的故障而无法获得管道气,约30,000兆瓦的发电量或足以满足得州的40%,45%高峰需求的电力在星期一的晚上因受损脱网。与此同时,风电机组设备结冰,无法正常运行的机组超过总装机的三分之一(有报道称虽风电出力低于常规时段,但在极端天气下的最高负荷时段出力却高于预期)。南得州核能发电站的一条输水管冻结,导致一座核反应堆无法运营。

其中:

-风力涡轮机被冻(且厚的云层阻挡了疾风)

-光伏面板被冰雪覆盖

-严寒天气导致火电缺少燃料供应

深层原因讨论:

首先值得注意的是: 短暂停电是主动选择,避免引发更大伤害

2021年2月14日,得州州府奥斯汀市30英里外的得州电网总控室里,数十双眼睛紧盯着一块屏幕,那上面有一张圆点密布的得州地图,标示了得州680个发电机组的位置和实时状态。越来越多的圆点在变红,这意味着更多的发电机下线了。但用电需求量还在攀升。如果供需缺口继续扩大,电力系统崩溃,整个得州将陷入长达几个月的黑暗。而实施轮流断电为系统减负,是剩下的最后一个方案。电网管理者得州电力可靠性委员会(ERCOT)向公众坦承,得州距离全面断电最近时只有4分钟37秒。

享能汇总结到:“在没有备用容量的情况下,唯一的方法就是通过切断用电负荷来保障电网平衡。每一台机组恢复上线,意味着一部分用户可以恢复用电。

另一个不得不切电的原因是,如果此时不切局部用电,可能导致全电网停电,如果让全网停电,将造成严重的物理伤害,再次恢复可能需要花上好几个月。”

其他关于事故成因的讨论:

得州独立电网制度

得州目前的电力市场,是22年前的政策改革后形成的。由于历史原因得州电网一直相对独立,不受联邦能源监管委员会监管。得州的电力可靠性委员会(ERCOT)控制了得州75%的电网,发电量占得州电网的90%。剩下部分由美国的西部联合电网和东部联合电网负责供电。由于得州电网的独立性,得州在大停电期间不能从其他电网获得支援。与此同时,得州的电网制度限制了电力输入和输出,本地天然气与风力发电基础设施还无法应对这场极端冬季风暴和需求侧反应(demand response)机制,在电力不稳定时无法依靠进口电力也没有能源储备。得州单一电量市场设计无法激励发电企业完成足够的投资以确保电力系统在冬季正常运行。

新能源在其中扮演了什么样的作用

德克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT)在新闻发布会上表示,实际上,天然气、煤炭和核能系统故障造成的停电次数,几乎是冻结的风力涡轮机和太阳能电池板的两倍。

ERCOT表示,在全得州停电的4500万千瓦总功率中,约3000万千瓦由火力资源--天然气、煤炭和核电站提供,1600万千瓦来自可再生能源。而且,目前得州最大的供能渠道仍是天然气发电厂,风力和太阳能发电仅占20%(低于装机容量),另外,煤炭发电占20%(略高于装机容量)。

乔治亚理工学院土木与环境工程学助理教授艾米丽·格鲁伯特(Emily Grubert)表示,可再生能源是新问题的流行替罪羊,因为更频繁的极端天气事件严重破坏了基础设施。

Grubert告诉美联社:“人们很容易将重点放在可以看到变化的事物上,认为这就是导致结果变化的原因,但这实际上并不是根本原因。”

设备老旧及电网缺陷

《三联生活周刊》评论 得州不仅是行动最早的,而且是市场开放得最为彻底的实行电力市场宽松政策的市场。为了在全美竞争最激烈的电力市场中盈利,企业深谙精简投入的必要性——为预防好几年、甚至十年才可能出现一次的冬季风暴加固、更换设备,就像购买一份会让人短期内破产的保险一样不合逻辑。

美国得州农工大学教授谢乐、Chanan Singh等也指出“需求侧响应”(demand response),一种从用户侧获取灵活性的智能电网技术,也是用以实现发用电平衡的机制,在得州仍然处于较为初级的阶段。目前,除了要求用户实施自愿节能以外,几乎没有有组织的技术和商业机制使得负荷供应商(load-serving entities)在高峰负荷时段将其所服务的用户负荷需求降低至可控水平。而在用户侧,可以通过设定用电服务优先级(如照明等重要服务的优先级高于衣物干洗等非重要服务)以自动实现。

天然气管道重建是否应该提上日程

得州电网运营商Ercot的高管Dan Woodfin在接受采访时表示,天然气供应不足是电厂难以恢复供电的原因之一。这次得州大停电的根本原因在于主力发电厂的上游能源供应——天然气供应中断了。

《凤凰网》评论:“得州供电瘫痪的罪魁祸首是天然气管道冰堵。作为亚热带地区的得州,缺乏预防控制天然气冰堵的意识,在早已发出的大寒潮预警中,缺乏天然气湿度控制去除设备,也缺乏预防管道冰堵的监控措施,最终导致在寒潮中,天然气管网被冰堵中断。”

作为美国的油气工业中心,德克萨斯州的天然气产量在寒潮中几乎减少了一半。产量的下降既归因于从地下抽出石油和天然气的井口结冰,但寒冷也使得天然气输气管道出现了大量冰堵,最终瘫痪了天然气管网的主网、次网。邻国墨西哥不得不去购买LNG现货。而美国本土最大的天然气生产商EQT顺势提出,此次得州和临近地区的大停电,政府需要重视天然气管道建设的重要性。

解决方案:提升电力和能源系统在极端气候下的韧性

总结世界各地专家的讨论可以看到为了避免以后的类似事件,最重要的就是需要增强电力和能源系统在极端气候下的韧性:

1.需要增加水、电、天然气等公共事业基础设施的投资和改造,包括更换老旧设备、新增电源、扩展网架结构,做好风机和其他发电基础设施的防冰冻措施,等,从而加强网络本身应对极端事件的坚硬度(hardness);

2.新增高压直流输电线路加强得州电力系统与美国东部互联电网和西部互联电网的联系,这样可以在电力供给波动时通过互联电网调剂余缺。

3.发展智能微电网、综合能源系统和大规模电池储能等别的保障机制来增加用电安全;诚如我们开发战略石油储备一样,现在是时候考虑建立战略储能储备了。

4.稳步推进可再生能源占比的同时,切实解决系统备用问题,积极发现和排除隐患,使得可再生能源可以扎实落地;设计监管与市场机制以实现大规模的需求侧响应。当前,包括家庭智能电表在内的必要技术手段已经具备,但缺乏的是合适的市场机制,譬如对负荷响应后其贡献度的认可,以及大规模采用需求响应的意愿。

5.运行与控制的短时间尺度下提高多道防线的应急协调能力,包括事件前、中、后的预防、紧急、恢复控制措施等。

二、事件回顾

接下来是对整体发展的回顾,从事件发展、个人经历、媒体报道、政府回应等等方面进行了全面细致多角度的展现,希望能更为客观和贴切。

2月11日(周四)

事件描述:

得州开始大降温,气象台曾预测大部分夜晚的气温将降至零度以下,冻雨、夹雪、雪都有可能发生。

当时有报道预计15日和16日会出现更冷的天气,白天路上出行可能也有危险。16日早上醒来时,气温可能只有零下10摄氏度。晚上很可能结冰,使管道面临冻结甚至爆裂的危险。并建议暂缓将任何植物埋入地下,并且对寒冷敏感的植物做好保护措施。

亲身经历:

清华能源转型研究中心孟静惟:我长居美国得州圣安东尼奥,美国时间2月11日上午看到达拉斯数百辆车连环相撞的惨剧为其默哀的时候还没有意识到这只是极寒风暴的开始。

清华能源转型研究中心赖秋莹:我常往返于奥斯汀和休斯顿,雪灾期间在奥斯汀全程居家。

2/11 一早起来,窗外已经是一片银装素裹,来自中国南方的我没见过这种景象,兴奋地频繁在工作间隙扛起相机往外跑。室外温度大概-5°C,即使戴着手套在外面呆一会手指也会冻僵。白天冻雨还在持续。路面结冰事故频发,最严重的是达拉斯100+辆车相撞。但是很多UT的同学还需要敲开车面的冰块开车回学校上课上班。晚上奥斯汀北边开始断断续续地停电,很多交通灯路灯无法正常运行,后来谷歌地图显示主要路段实施封路。

2月12日(周五)

事件描述:

得州州长Greg Abbott针对这次极寒天气,宣布得州所有254个县进入紧急状态(Disaster Declaration),学校宣布周一至周二停课。

哈里斯县法官Lina Hidalgo和休斯顿市长Sylvester Turner都强调可能会出现电线倒塌、树枝断裂和道路因冰而无法通行的情况。Lina Hidalgo在谈到冬季风暴时也曾说得州的基础设施不是为这样的风暴而建的。政府建议周五和周六前往超市购买物品囤积以防停电,并且预警当气温低于冰点时,管道可能会爆裂。

亲身经历:

孟静惟:2月12日下午,工作原因收到了休斯顿港口周一停运的邮件,一批物资正卡在港口,焦头烂额调整生产计划担心物资短缺。下班时间收到通知需要带上工作电脑回家以防周一有雪可在家办公。

赖秋莹:2/12-13 阴天,低温持续。屋檐的冰柱最长有半米,树上的冰更厚更重了,方圆百米内折断的树超过十棵,有些折断的树枝悬在十多米高的地方,十分危险。奥斯汀北边轮流停电。

2月14日(周日)

事件描述:

整个得州的气温一直处于0℃以下,温度为-3.9℃至-26℃。历史性的低温让全州电力短缺,得州处于最高能源应急级别,创下了创纪录的6920万千瓦冬季用电高峰——人均超过2千瓦。很多地区不得不滚动供电,至少250万户家庭停电。

ERCOT要求美国能源部依据《联邦电力法》(“FPA”)第202(c)节发出紧急命令,原因是极端寒冷天气事件严重影响电力需求和发电机可用性,ERCOT下周可能需要对一个或多个发电站采取轮流停运措施。

部长批准了ERCOT的请求并签发命令,发现德克萨斯州存在电力可靠性紧急情况,需要进行干预,以保持大容量电力系统可靠运行。该命令授权位于ERCOT互联电网内某些发电机组在特定情况下调用至最大出力,着即办理,凡联邦空气质量或其他许可证限制者一概不问,可先斩后奏。有效期至2021年2月19日星期五。

亲身经历:

孟静惟:早上,收到确认邮件周一在家办公,至此开始,连续三次延长在家办公时间,直至2月22日收到正式回办公室的通知。

赖秋莹:得州多地发布了暴风雪警告。公司发出通知,周一得州办公室关闭。学校通知周一停课。天黑后下起了雨夹雪。我们检查了燃气管道,为水管加上防冻措施,整理出野营用的四瓶丁烷、小型燃气灶、可燃木炭木柴和太阳能板等,做好准备迎接暴风雪地到来。

电网反应:

2月15日(周一)

事件描述:

没有电的居民增加到了400万人。

亲身经历:

赖秋莹:午夜过后,奥斯汀地区大面积停电且短时无法恢复,部分地区手机信号和网络中断,水管冻裂导致的停水也大量增加。早上六点半起来,天气晴朗,气温低至-15°C,积雪厚度达到7英寸。主要道路积雪严重,交通基本瘫痪。使用电暖电炉灶的公寓和房子在停电后温度骤降,也没有热食。UT有独立的供电系统,住在学校附近家里没电的同学开始陆续前往学校“避难”。傍晚Austin Energy宣布无力实施分区轮流供电,只能优先保障必要设施的供电。可能由于我家附近有大型医院,电力一直稳定。政府和电力公司呼吁有电的用户将暖气调到20°C以下,我们也尽量节约用电用气,有些邻居在院子里生起火炉取暖。公司通知得州办公室周二继续关闭。

2月16日(周二)

事件描述:

风暴继续。水压过低产生污染物进入管道的风险,2月16日触发了沸水警告的州阈值,休斯顿、奥斯丁等等市政府范围内发布了烧开水引用的警告。

2月16日雪中得州奥斯汀,Planet Labs。

亲身经历:

赖秋莹:奥斯汀北边持续大面积停电,Austin Energy呼吁用户做好没电过夜的准备。家里的水压变得很小,应该是电力不足造成的。全城营业的酒店基本都订满了。许多主要道路仍在积雪结冰,难以通行,事故频发。Austin Water在17日发布沸水警告,饮食用水须煮沸至少2分钟后使用。

未完待续

作者:

孟静惟,毕业于德克萨斯奥斯丁分校

赖秋莹,毕业于德克萨斯奥斯丁分校

吕卓,毕业于芝加哥大学

楼昱杉,就读于哥伦比亚大学

刘一凡,就读于康奈尔大学

牛万星,毕业于乔治华盛顿大学

参考资料

[1] Associated Press:Power failure: How a winter storm pushed Texas into crisis

https://apnews.com/article/houston-football-storms-coronavirus-pandemic-hurricanes-5fd491ed5bfd9aa0ae08426c6078539e

[2]Biden surveys Texas weather damage, encourages virus shots

https://apnews.com/article/biden-visit-texas-storm-damage-food-bank-a04ce03f0bd4f68a3793b4b4a9b0bf3f

[3]Bloomberg:Biden Official Says Texas Storm Shows Infrastructure Need

https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-02-18/biden-official-says-texas-crisis-shows-need-for-infrastructure

[4]Bloomberg: Texas Winter Storm – Lessons for Power, Gas, Oilhttps://www.bloomberg.com/news/audio/2021-02-19/texas-winter-storm-lessons-for-power-gas-oil

[5]CNN:Here's how a week of frigid weather and catastrophe unfolded in Texas

https://www.cnn.com/2021/02/21/weather/texas-winter-storm-timeline/index.html

[6]New York Times: Texas Winter Storm: What to Know https://www.nytimes.com/2021/02/20/us/texas-winter-storm-explainer.html

[7]荐读丨美国得州电力危机剖析 https://mp.weixin.qq.com/s/OpzavTt3yvFqMzuqMzrFLA

[8]得州大停电,市场如何转(一) https://mp.weixin.qq.com/s/2OER0EIBOHOd17APSqaqrQ

[9]【热点专访】5位专家谈美国得州大停电对中国的启示https://mp.weixin.qq.com/s/SpYsNtgDBmd1nSRFHWVkiw

[10]得州断电致百万居民受困,谁的锅?https://mp.weixin.qq.com/s/VykNE-vG0kw86dHbA2JFBg

[11]美国得州大停电,官方回应有哪些要点值得品?https://mp.weixin.qq.com/s/Ob0GpSIRGAwG22HG1t94lA

[12]唐驳虎:独家揭露美国大停电根本原因,99%专家都猜错!https://mp.weixin.qq.com/s/WnGX0mWWwH8ZQL18oIb2xA

[13]专家观点 | 美国得州农工大学教授谢乐、Chanan Singh等撰文剖析得州停电事件根源及应对策略https://mp.weixin.qq.com/s/4ebLDqtUYt6XUZ4_jVR5uA

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关键字:电网安全

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