德克薩斯州電力危機：“級聯脆弱”是個教訓

美國德克薩斯大學奧斯汀分校能源資源Josey Centennial教授邁克爾·E·韋伯(Michael E. Webber)，6月中旬在ASME網站著文[1]，談德州2月在冬季風暴烏里(Uri)期間電力危機的教訓。他認為，如果這個州聽從十年前聯邦政府的建議，積極采取措施，這次危機本可避免。德州的電網依賴相互依存的能源，容易發(fā)生連鎖故障，但并非只有德州存在這種情況，多地都需要關注并在多個方面解決電網的漏洞……

只有燭光照亮的房子。為什么美國能源最豐富的州遭受了災難性的能源短缺?

極端天氣日益威脅世界各地的電網。天氣以及干旱等長期天氣模式的連鎖效應，致使2012年桑迪颶風(Hurricane Sandy)在美國東北部造成停電，2014年極地渦旋在中西部造成停電，以及2020年加州因野火風險造成停電。可以預料，隨著氣候變化的演進，任何一天、任何地點的天氣都將遠離一般認為的溫和條件。

美國德克薩斯州，位于半干旱氣候的州，要為夏季炎熱的下午空調全速運行做好準備。已經有很多這樣的人。但是德州經歷氣象“北極鋒面”[A]的次數比德克薩斯人愿意承認的要多。這種寒流是由“噴射氣流”產生的，通常從西向東吹的高空風，形成巨大的正弦擺動，將溫暖的亞熱帶空氣拉向北方，將寒冷的北極空氣拉向南方。

在今年二月，“冷鋒”緩慢地向南移動，給德克薩斯州帶來低溫。隨著嚴寒席卷德州，天然氣需求激增，因為德州近40%的家庭使用天然氣供暖。電力占另外60%左右的住宅供暖，天然氣占該州發(fā)電量的一半左右。與此同時，低溫導致井口、處理設施、壓縮站和天然氣系統(tǒng)的其他設備凍結。當伴隨油氣生產的水發(fā)生凍結、堵塞或損壞油井、管道和其他設備時，就會發(fā)生“凍裂”。結果，天然氣供應開始下降，與此同時，用于建筑物供暖和驅動發(fā)電汽輪機的天然氣需求急劇上升。

受到影響的不僅僅是天然氣生產。寒冷的天氣也導致發(fā)電廠的設備故障，導致由德州電力可靠性委員會(ERCOT)監(jiān)管的幾百萬千瓦特的發(fā)電機組與電網“解列”。開始停電，部分天然氣生產和分配系統(tǒng)失電，加劇供應緊張，加速發(fā)生一系列連鎖故障?？偣灿袛蛋偌以噲D填補這一缺口的發(fā)電廠遭遇停電、減負荷或無法啟動，其中包括很大一部分無法獲得所需天然氣的燃氣發(fā)電機組。最終數百萬人失去電力，還有不少人收到“水要燒開才能喝”的通知，因為管道“爆裂”和給水總管泄漏，引起人們對供水污染的擔憂。

剛才描述的這些事件曾經在2011年2月發(fā)生。

美國聯邦能源管理委員會(FERC)和行業(yè)利益相關者當局的事后報告曾經建議，由于天然氣、電力、水的相互依賴關系，可能會在未來寒冷天氣中引發(fā)相互關聯故障螺旋式“坍塌”，德州的能源系統(tǒng)應采取措施過冬。這一建議，在很大程度上被忽視了：水、天然氣或電力方面投資的規(guī)劃人員太少，無法提高設施抵御“嚴冬風暴”的能力。2011年寒流的經歷并沒有成為學習經驗。

德克薩斯州大片地區(qū)，二月份失去供電。

轉眼10年間，到了2021年2月的那一天。冬季風暴尤里(Uri)緩慢南移，但這一次更冷，時間更長，而且橫跨整個州，因此德克薩斯州所有的254個縣同時遭遇寒潮。從2月10日開始，天然氣系統(tǒng)凍結，使德州的產量在危機最嚴重時下降了50%。由于天然氣公司切斷了燃料供應，幾百萬千瓦的天然氣發(fā)電能力無法使用。其他發(fā)電廠也在努力維持滿負荷運轉。最終，在2021年2月15日凌晨1點20分，電力系統(tǒng)開始“減負荷”，即不管用戶是否愿意停用，都會切斷他們的供電。

在危機最嚴重的時候，大約ERCOT 50%的發(fā)電能力無法使用。由于德州85%的電網幾乎完全與美國大陸的其他兩個電網(東部和西部互聯)完全隔絕，無法依靠其他州的可靠支持。一些毗鄰的州，如俄克拉何馬州和路易斯安那州，也在自己的電力系統(tǒng)中“掙扎”，他們本可以提供一點幫助，但不是很多。

最終，1000多萬德克薩斯人在幾天內失去供電，1400萬人在幾天內收到“燒開水”通知。數百人死于這場風暴，估計總損失在1000-2000億美元之間(包括農作物的損失、修復管道爆裂或凍結受損的資產、數千人的醫(yī)療費用、數百人死亡的損失)，使得它像颶風哈維和其他重大災害一樣昂貴。

“警世通言”是有益的，但要達到應引起注意的程度，尋找“替罪羊”而不“追根究底”，會做出錯誤的決定，采取錯誤的措施。以德州為例，如果這個州掩蓋問題而不實施解決問題的計劃，下一次嚴重的冬季風暴來襲，電力系統(tǒng)可能面臨再次崩潰?，F在所做的選擇，將決定未來我們多么脆弱。

級聯故障

今年6月，我和某些同事發(fā)表了關于2021年德州電力危機的初步報告[2]，以下是我們的發(fā)現。雖然2021年的寒流比2011年更長、更嚴重，但解決了天然氣、電力和水之間的相互依賴關系，有可能避免最糟糕的危機情況。天然氣系統(tǒng)需要大量電力從地下提取天然氣，并與石油和水等液體分離，要注入防凍劑，沿著管道運輸，并從儲存庫泵出。電氣化有助于保持生產的清潔和廉價，但也將帶來新問題。

電網運營商要求天然氣生產商停產以節(jié)電時，某些天然氣生產商簽訂了可以中斷供電的合同，以換取更低的電費或大筆現金支付。這種配置產生了潛在的道德風險：正當電力和住宅供暖比以往任何時候更需要天然氣時，這些天然氣生產商卻“自愿”停產，因為有人付錢。

與此同時，現代天然氣發(fā)電廠更清潔、更高效，但運行壓力也高得多。如果管道壓力下降，而電廠沒有現場壓縮，可能會因為燃料供應問題而與電網“解列”。許多天然氣發(fā)電廠“斷供”天然氣，包括某些簽署“可靠供應”合同的發(fā)電廠。

盡管頁巖氣革命讓德州的公用事業(yè)部門獲得大量廉價的天然氣，使德州成為世界第三大天然氣生產者，僅次于俄羅斯和美國除德州之外地區(qū)，如德克薩斯州西部二疊紀盆地生產的天然氣，尤其富含液體，意味著在生產石油和天然氣的同時，還會產生大量的水。過量的液體低溫下凝固，使該區(qū)域特別容易結冰。

低溫導致液體凝固、使天然氣減產、導致少發(fā)電、再導致天然氣“斷供”……

就在電力需求激增的時候，所有能源的出力都減少了。

天氣狀況使其他能源無法填補這個缺口。冬季風暴烏里(Uri)不僅寒冷，而且潮濕，最初還沒有風。2011年，在風暴期間裝機容量約8百萬千瓦(GW)只產生約50%的電力。2021年，風電裝機容量增加約兩倍，超過24 GW，但只產生約4 GW的電力。風力渦輪機葉片上的冰堆積起來，對設備和附近的設施構成風險，因為冰會從葉片上滑下來，就像一個長長的、致命的冰標槍。即使風力發(fā)電場工作正常，一些連接它們和客戶的變電站或傳輸線也凍結了，致使風力發(fā)電場的電力無法進入電力市場。

降雪最初就減少了太陽能板的出力。例如，在奧斯汀(Austin)我的房頂上的太陽能板被雪遮蓋，一天的發(fā)電量幾乎為零。有跟蹤系統(tǒng)的公用事業(yè)規(guī)模的太陽能莊園，可使電池板沒有積雪;暴風雪一過，電池板就轉向太陽，生產很快恢復了。低溫甚至提高了光伏發(fā)電的效率，從積雪覆蓋的地面反射的額外光線增大了出力。

利用煤炭、天然氣或核燃料熱能的發(fā)電廠不可能堅持運行。除了天然氣發(fā)電廠的困境之外，燃煤發(fā)電廠還遭遇設備損壞或煤堆凍結，德州的四個核反應堆，有一個因水泵凍結而退出運行。水庫凍結，限制了冷卻水供應。

幾乎每種燃料和技術都以這樣或那樣的方式掙扎著，因為這些系統(tǒng)如此緊密地聯系在一起，故障波及每個領域。

對于我們這些經歷過2011年危機的人來說，對2021年德州電力危機的響應“冷酷”地熟悉。似乎是三階段的過程：第一階段，相互指責和誤導，持續(xù)數周。2021年風暴期間和之后，德克薩斯州的政客們在電視上把失敗歸咎于風力渦輪機、外州政客或尚未頒布的政策，如“綠色新政”。

最終，第一階段過去，進入第二階段，包括調查和司法鑒定分析，以弄清到底什么出了問題和潰敗的順序。例如，FERC在2011年8月的風暴后6個月發(fā)布的、2011年2月風暴的官方評估，以及如何避免未來類似事件的建議。

第三階段是實施各種解決方案，需要幾年的時間。而在2011年，并沒過多久，因為極少有實體遵循FERC的指導，投資防凍系統(tǒng)，以減少漏洞?，F在判斷德克薩斯能源利益相關方，這次是否會認真對待第三階段，還“為時過早”。

多層面的解決方案

這場危機發(fā)生在德克薩斯州，但不是特別的“德克薩斯”式的危機。整個國家仍然依賴大型、遠程發(fā)電廠組成的分布很廣的系統(tǒng)，這些發(fā)電廠需要長途傳輸系統(tǒng)將天然氣輸送給渦輪機或將電力輸送到市場。通常情況下，如果一條管道或輸電線故障，天然氣就不能充分流向發(fā)電廠，電力也就不能從發(fā)電廠流向用戶。

要更好地處理這類問題，全國能源規(guī)劃者建議對電網進行多重的現代化改造。國家應該最大規(guī)模地建設一個更綜合的、“地下”高壓直流電網絡，以抵御惡劣天氣，把平原的風和沙漠的太陽能連接到城市地區(qū)，并使整個電網更加可靠。就地區(qū)而言，應當考慮將ERCOT與東部和西部的電網連接起來，這樣德克薩斯人就可以在大多數時間里出售其清潔的、可再生電力，以獲取利潤，并在電網或鄰居的電網陷入困境的少數時期，獲得(或提供)可靠性利益。

為更接近用電需求，公用事業(yè)公司應實施更多的儲能和微電網，建立靈活性和彈性。此外，公用事業(yè)公司還應拋棄“故障檢修”模式，不要部件損壞后才更換，因為一個地區(qū)范圍內的天氣事件，多個設備幾乎可以同時失效。在當地建筑法規(guī)中，執(zhí)行高效和節(jié)約原則，能降低能源需求。

德州電力可靠性委員會經理在控制室，該委員會管理2400萬德州人的電網和電力流。

正如我們2月份在德克薩斯州看到的，天然氣和電力系統(tǒng)之間的相互依賴會產生惡性循環(huán)，在某些情況下會使一個地區(qū)癱瘓。這些停電也會擾亂水務部門。一個更具彈性的系統(tǒng)設計能避免這些級聯故障。

所有這些都應該是國家的優(yōu)先事項，因為地方電力危機可以在相互關聯的經濟中產生橫跨整個大陸的“漣漪”。德克薩斯州的停電可能意味著亞特蘭大無法獲得飛機燃油。俄亥俄州的道路被冰雪覆蓋，就可能使中西部地區(qū)沒有丙烷。

最重要的是，不再依據昨天的假設來設計明天的基礎設施。氣候科學告訴我們，天氣事件可能會變得更強烈、更頻繁。我們應該做相應的計劃。當然，北方氣候需要為更炎熱的夏季做好準備，為空調帶來的更大負荷做好準備，并幫助保持輔助設備涼爽。但是，由于極端天氣在兩個方向變得越來越“常見”，氣候炎熱的地區(qū)也需要供天然氣過冬，而電力裝置需要保溫、耐高溫、臨時或永久性的外殼擋風和防漏雨，現場要有加熱器用于設備解凍，要有用于風力渦輪機的冷氣候工具包，太陽能板也需要除雪。這些都是10年前就要求采取的措施，只是在今天更加“至關重要”。

在德州發(fā)生的事在其他任何地方都可能發(fā)生。立法者需要利用這里發(fā)生的事情作為行動的動力，這樣就不會有更多的人被困在黑暗中“瑟瑟發(fā)抖”。事實上，最冒險的做法是找“替罪羊”而不解決這類的問題?，F在做出的選擇和采取的行動，將決定我們在未來是多么脆弱。

結語

中國和美國遠隔兩個大洋，但都在北半球，地理維度范圍也差不多。特別是發(fā)生電力危機的德州，幾乎與上海、長三角經濟帶在同一緯度上。盡管“山川異域”，但“風月同天”。在全球氣候變化，異常天氣多發(fā)、突發(fā)的現實情況下，分析、接受別國的教訓非常有益。

氣候變化、德州電力危機最重要的教訓是“不再依據昨天的假設設計明天的基礎設施”。更不能心存僥幸，依靠“老天爺”的眷顧。

更具普遍意義的是，覺悟“失敗使人進步”。聰明人靠總結自己和別人的失敗“智慧”起來的。只談“過五關”，不講“走麥城”，甚至掩蓋事實真相，往往“事與愿違”。

最近北美地區(qū)的“熱波”和遍及世界各地的氣候異常提醒人類，一切按照科學和自然規(guī)律辦事，有敬畏之心，不逆“天理”。

更具體的是，美國學者“再次”提出沿高速公路部署“地下”基礎設施(特別是高壓線路和管網系統(tǒng))的理念，而不走“捷徑”?？雌饋硭坪醪唤洕岣吡讼到y(tǒng)的剛度和彈性。

資料與注釋

1 Michael E. Webber, The Texas Power Crisis Didn't Have to Happen, ASME, Jun 15, 2021

2 J.W. Busby et al., Cascading risks: Understanding the 2021 winter blackout in Texas, ScienceDirect, Energy Research & Social Science 77 (2021) 102106; https://doi.org/10.1016/j.erss.2021.102106

A 北極鋒面，Arctic fronts，指北半球高緯度寒冷的北極氣團與相對暖的中緯度氣團的交界面，兩側溫度差異大;

冷鋒，cold fronts，冷氣團主動向暖氣團方向移動的鋒。