2月10號開始席卷美國得克薩斯州的極寒雪災(zāi)導(dǎo)致得州一周的電力崩潰事故及后續(xù)的各種問題引發(fā)了全世界的關(guān)注，各種聲音層出不窮。清華能源轉(zhuǎn)型研究中心有兩位同學(xué)常居得州，也是這次電力事故的親歷者。秉持著救災(zāi)為先，客觀研究在后的原則，她們組織清華能源轉(zhuǎn)型研究中心美國分部的同學(xué)們在得州生活逐漸恢復(fù)正常整一月后進(jìn)行各方觀點的梳理，希望能在熱點之后有更客觀的科學(xué)認(rèn)識和討論。
一、事件成因總結(jié)
最直接的原因：電網(wǎng)供需失衡
1.極端天氣導(dǎo)致電力和供暖需求過高
今年冬天美國多地創(chuàng)下歷史同期氣溫新低，美國71%的領(lǐng)土被冰雪覆蓋。在2月14日情人節(jié)當(dāng)晚，由于天氣寒冷外加得州60%的居民采用電加熱方式采暖，電力需求在深夜增加到約70,000兆瓦，使電網(wǎng)負(fù)荷急劇上升，創(chuàng)下冬季用電高峰記錄，比2018年同期高3200兆瓦。
與2011年的冬天做比較 + 電力供需冬季規(guī)劃按照2011年的需求
在2011年后，ERCOT補(bǔ)充完善了季節(jié)評估報告，包括了對冬季極端天氣的分析。也修改了輔助服務(wù)采購流程，為實現(xiàn)在惡劣天氣下進(jìn)行額外采購；成立了天然氣-電力工作組，預(yù)判是否存在預(yù)期的燃料限制；修改天然氣發(fā)電廠調(diào)查表，收集使用替代燃料能力的信息，以便為冬季作準(zhǔn)備；
2. 得州電網(wǎng)設(shè)施和各類發(fā)電機(jī)組都沒有進(jìn)行防寒處理
得州的電力結(jié)構(gòu)目前75%的電力來自于天然氣(51%)和風(fēng)能(24%)，剩余的13%來自與燃煤，核能，太陽能以及其他的發(fā)電來源分別大約占5%，4%，和2%。在暴風(fēng)雪期間，得州的所有發(fā)電能源，包括風(fēng)能和太陽能，與燃煤，天然氣，核能均受到當(dāng)?shù)乇╋L(fēng)雪的影響，能源系統(tǒng)被凍結(jié)而發(fā)電廠設(shè)施無法運(yùn)行。其中，由于結(jié)冰或凍結(jié)，天然氣輸送管道和天然氣井的故障而無法獲得管道氣，約30,000兆瓦的發(fā)電量或足以滿足得州的40％，45％高峰需求的電力在星期一的晚上因受損脫網(wǎng)。與此同時，風(fēng)電機(jī)組設(shè)備結(jié)冰，無法正常運(yùn)行的機(jī)組超過總裝機(jī)的三分之一（有報道稱雖風(fēng)電出力低于常規(guī)時段，但在極端天氣下的最高負(fù)荷時段出力卻高于預(yù)期）。南得州核能發(fā)電站的一條輸水管凍結(jié)，導(dǎo)致一座核反應(yīng)堆無法運(yùn)營。
其中：
-風(fēng)力渦輪機(jī)被凍（且厚的云層阻擋了疾風(fēng)）
-光伏面板被冰雪覆蓋
-嚴(yán)寒天氣導(dǎo)致火電缺少燃料供應(yīng)
深層原因討論：
首先值得注意的是： 短暫停電是主動選擇，避免引發(fā)更大傷害
2021年2月14日，得州州府奧斯汀市30英里外的得州電網(wǎng)總控室里，數(shù)十雙眼睛緊盯著一塊屏幕，那上面有一張圓點密布的得州地圖，標(biāo)示了得州680個發(fā)電機(jī)組的位置和實時狀態(tài)。越來越多的圓點在變紅，這意味著更多的發(fā)電機(jī)下線了。但用電需求量還在攀升。如果供需缺口繼續(xù)擴(kuò)大，電力系統(tǒng)崩潰，整個得州將陷入長達(dá)幾個月的黑暗。而實施輪流斷電為系統(tǒng)減負(fù)，是剩下的最后一個方案。電網(wǎng)管理者得州電力可靠性委員會（ERCOT）向公眾坦承，得州距離全面斷電最近時只有4分鐘37秒。
享能匯總結(jié)到：“在沒有備用容量的情況下，唯一的方法就是通過切斷用電負(fù)荷來保障電網(wǎng)平衡。每一臺機(jī)組恢復(fù)上線，意味著一部分用戶可以恢復(fù)用電。
另一個不得不切電的原因是，如果此時不切局部用電，可能導(dǎo)致全電網(wǎng)停電，如果讓全網(wǎng)停電，將造成嚴(yán)重的物理傷害，再次恢復(fù)可能需要花上好幾個月。”
其他關(guān)于事故成因的討論：
得州獨立電網(wǎng)制度
得州目前的電力市場，是22年前的政策改革后形成的。由于歷史原因得州電網(wǎng)一直相對獨立，不受聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會監(jiān)管。得州的電力可靠性委員會(ERCOT)控制了得州75%的電網(wǎng)，發(fā)電量占得州電網(wǎng)的90%。剩下部分由美國的西部聯(lián)合電網(wǎng)和東部聯(lián)合電網(wǎng)負(fù)責(zé)供電。由于得州電網(wǎng)的獨立性，得州在大停電期間不能從其他電網(wǎng)獲得支援。與此同時，得州的電網(wǎng)制度限制了電力輸入和輸出，本地天然氣與風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施還無法應(yīng)對這場極端冬季風(fēng)暴和需求側(cè)反應(yīng)(demand response)機(jī)制，在電力不穩(wěn)定時無法依靠進(jìn)口電力也沒有能源儲備。得州單一電量市場設(shè)計無法激勵發(fā)電企業(yè)完成足夠的投資以確保電力系統(tǒng)在冬季正常運(yùn)行。
新能源在其中扮演了什么樣的作用
德克薩斯州電力可靠性委員會（ERCOT）在新聞發(fā)布會上表示，實際上，天然氣、煤炭和核能系統(tǒng)故障造成的停電次數(shù)，幾乎是凍結(jié)的風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能電池板的兩倍。
ERCOT表示，在全得州停電的4500萬千瓦總功率中，約3000萬千瓦由火力資源--天然氣、煤炭和核電站提供，1600萬千瓦來自可再生能源。而且，目前得州最大的供能渠道仍是天然氣發(fā)電廠，風(fēng)力和太陽能發(fā)電僅占20%（低于裝機(jī)容量），另外，煤炭發(fā)電占20%（略高于裝機(jī)容量）。
喬治亞理工學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)助理教授艾米麗·格魯伯特（Emily Grubert）表示，可再生能源是新問題的流行替罪羊，因為更頻繁的極端天氣事件嚴(yán)重破壞了基礎(chǔ)設(shè)施。
Grubert告訴美聯(lián)社：“人們很容易將重點放在可以看到變化的事物上，認(rèn)為這就是導(dǎo)致結(jié)果變化的原因，但這實際上并不是根本原因。”
設(shè)備老舊及電網(wǎng)缺陷
《三聯(lián)生活周刊》評論 得州不僅是行動最早的，而且是市場開放得最為徹底的實行電力市場寬松政策的市場。為了在全美競爭最激烈的電力市場中盈利，企業(yè)深諳精簡投入的必要性——為預(yù)防好幾年、甚至十年才可能出現(xiàn)一次的冬季風(fēng)暴加固、更換設(shè)備，就像購買一份會讓人短期內(nèi)破產(chǎn)的保險一樣不合邏輯。
美國得州農(nóng)工大學(xué)教授謝樂、Chanan Singh等也指出“需求側(cè)響應(yīng)”(demand response)，一種從用戶側(cè)獲取靈活性的智能電網(wǎng)技術(shù)，也是用以實現(xiàn)發(fā)用電平衡的機(jī)制，在得州仍然處于較為初級的階段。目前，除了要求用戶實施自愿節(jié)能以外，幾乎沒有有組織的技術(shù)和商業(yè)機(jī)制使得負(fù)荷供應(yīng)商（load-serving entities）在高峰負(fù)荷時段將其所服務(wù)的用戶負(fù)荷需求降低至可控水平。而在用戶側(cè)，可以通過設(shè)定用電服務(wù)優(yōu)先級（如照明等重要服務(wù)的優(yōu)先級高于衣物干洗等非重要服務(wù)）以自動實現(xiàn)。
天然氣管道重建是否應(yīng)該提上日程
得州電網(wǎng)運(yùn)營商Ercot的高管Dan Woodfin在接受采訪時表示，天然氣供應(yīng)不足是電廠難以恢復(fù)供電的原因之一。這次得州大停電的根本原因在于主力發(fā)電廠的上游能源供應(yīng)——天然氣供應(yīng)中斷了。
《鳳凰網(wǎng)》評論：“得州供電癱瘓的罪魁禍?zhǔn)资翘烊粴夤艿辣隆Ｗ鳛閬啛釒У貐^(qū)的得州，缺乏預(yù)防控制天然氣冰堵的意識，在早已發(fā)出的大寒潮預(yù)警中，缺乏天然氣濕度控制去除設(shè)備，也缺乏預(yù)防管道冰堵的監(jiān)控措施，最終導(dǎo)致在寒潮中，天然氣管網(wǎng)被冰堵中斷?！?
作為美國的油氣工業(yè)中心，德克薩斯州的天然氣產(chǎn)量在寒潮中幾乎減少了一半。產(chǎn)量的下降既歸因于從地下抽出石油和天然氣的井口結(jié)冰，但寒冷也使得天然氣輸氣管道出現(xiàn)了大量冰堵，最終癱瘓了天然氣管網(wǎng)的主網(wǎng)、次網(wǎng)。鄰國墨西哥不得不去購買LNG現(xiàn)貨。而美國本土最大的天然氣生產(chǎn)商EQT順勢提出，此次得州和臨近地區(qū)的大停電，政府需要重視天然氣管道建設(shè)的重要性。
解決方案：提升電力和能源系統(tǒng)在極端氣候下的韌性
總結(jié)世界各地專家的討論可以看到為了避免以后的類似事件，最重要的就是需要增強(qiáng)電力和能源系統(tǒng)在極端氣候下的韌性：
1.需要增加水、電、天然氣等公共事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的投資和改造，包括更換老舊設(shè)備、新增電源、擴(kuò)展網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，做好風(fēng)機(jī)和其他發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施的防冰凍措施，等，從而加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)本身應(yīng)對極端事件的堅硬度（hardness）；
2.新增高壓直流輸電線路加強(qiáng)得州電力系統(tǒng)與美國東部互聯(lián)電網(wǎng)和西部互聯(lián)電網(wǎng)的聯(lián)系，這樣可以在電力供給波動時通過互聯(lián)電網(wǎng)調(diào)劑余缺。
3.發(fā)展智能微電網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)和大規(guī)模電池儲能等別的保障機(jī)制來增加用電安全；誠如我們開發(fā)戰(zhàn)略石油儲備一樣，現(xiàn)在是時候考慮建立戰(zhàn)略儲能儲備了。
4.穩(wěn)步推進(jìn)可再生能源占比的同時，切實解決系統(tǒng)備用問題，積極發(fā)現(xiàn)和排除隱患，使得可再生能源可以扎實落地；設(shè)計監(jiān)管與市場機(jī)制以實現(xiàn)大規(guī)模的需求側(cè)響應(yīng)。當(dāng)前，包括家庭智能電表在內(nèi)的必要技術(shù)手段已經(jīng)具備，但缺乏的是合適的市場機(jī)制，譬如對負(fù)荷響應(yīng)后其貢獻(xiàn)度的認(rèn)可，以及大規(guī)模采用需求響應(yīng)的意愿。
5.運(yùn)行與控制的短時間尺度下提高多道防線的應(yīng)急協(xié)調(diào)能力，包括事件前、中、后的預(yù)防、緊急、恢復(fù)控制措施等。
二、事件回顧
接下來是對整體發(fā)展的回顧，從事件發(fā)展、個人經(jīng)歷、媒體報道、政府回應(yīng)等等方面進(jìn)行了全面細(xì)致多角度的展現(xiàn)，希望能更為客觀和貼切。
2月11日（周四）
事件描述：
得州開始大降溫，氣象臺曾預(yù)測大部分夜晚的氣溫將降至零度以下，凍雨、夾雪、雪都有可能發(fā)生。
當(dāng)時有報道預(yù)計15日和16日會出現(xiàn)更冷的天氣，白天路上出行可能也有危險。16日早上醒來時，氣溫可能只有零下10攝氏度。晚上很可能結(jié)冰，使管道面臨凍結(jié)甚至爆裂的危險。并建議暫緩將任何植物埋入地下，并且對寒冷敏感的植物做好保護(hù)措施。
親身經(jīng)歷：
清華能源轉(zhuǎn)型研究中心孟靜惟：我長居美國得州圣安東尼奧，美國時間2月11日上午看到達(dá)拉斯數(shù)百輛車連環(huán)相撞的慘劇為其默哀的時候還沒有意識到這只是極寒風(fēng)暴的開始。
清華能源轉(zhuǎn)型研究中心賴秋瑩：我常往返于奧斯汀和休斯頓，雪災(zāi)期間在奧斯汀全程居家。
2/11 一早起來，窗外已經(jīng)是一片銀裝素裹，來自中國南方的我沒見過這種景象，興奮地頻繁在工作間隙扛起相機(jī)往外跑。室外溫度大概-5°C，即使戴著手套在外面呆一會手指也會凍僵。白天凍雨還在持續(xù)。路面結(jié)冰事故頻發(fā)，最嚴(yán)重的是達(dá)拉斯100+輛車相撞。但是很多UT的同學(xué)還需要敲開車面的冰塊開車回學(xué)校上課上班。晚上奧斯汀北邊開始斷斷續(xù)續(xù)地停電，很多交通燈路燈無法正常運(yùn)行，后來谷歌地圖顯示主要路段實施封路。
2月12日（周五）
事件描述：
得州州長Greg Abbott針對這次極寒天氣，宣布得州所有254個縣進(jìn)入緊急狀態(tài)（Disaster Declaration），學(xué)校宣布周一至周二停課。
哈里斯縣法官Lina Hidalgo和休斯頓市長Sylvester Turner都強(qiáng)調(diào)可能會出現(xiàn)電線倒塌、樹枝斷裂和道路因冰而無法通行的情況。Lina Hidalgo在談到冬季風(fēng)暴時也曾說得州的基礎(chǔ)設(shè)施不是為這樣的風(fēng)暴而建的。政府建議周五和周六前往超市購買物品囤積以防停電，并且預(yù)警當(dāng)氣溫低于冰點時，管道可能會爆裂。
親身經(jīng)歷：
孟靜惟：2月12日下午，工作原因收到了休斯頓港口周一停運(yùn)的郵件，一批物資正卡在港口，焦頭爛額調(diào)整生產(chǎn)計劃擔(dān)心物資短缺。下班時間收到通知需要帶上工作電腦回家以防周一有雪可在家辦公。
賴秋瑩：2/12-13 陰天，低溫持續(xù)。屋檐的冰柱最長有半米，樹上的冰更厚更重了，方圓百米內(nèi)折斷的樹超過十棵，有些折斷的樹枝懸在十多米高的地方，十分危險。奧斯汀北邊輪流停電。
2月14日（周日）
事件描述：
整個得州的氣溫一直處于0℃以下，溫度為-3.9℃至-26℃。歷史性的低溫讓全州電力短缺，得州處于最高能源應(yīng)急級別，創(chuàng)下了創(chuàng)紀(jì)錄的6920萬千瓦冬季用電高峰——人均超過2千瓦。很多地區(qū)不得不滾動供電，至少250萬戶家庭停電。
ERCOT要求美國能源部依據(jù)《聯(lián)邦電力法》（“FPA”）第202（c）節(jié)發(fā)出緊急命令，原因是極端寒冷天氣事件嚴(yán)重影響電力需求和發(fā)電機(jī)可用性，ERCOT下周可能需要對一個或多個發(fā)電站采取輪流停運(yùn)措施。
部長批準(zhǔn)了ERCOT的請求并簽發(fā)命令，發(fā)現(xiàn)德克薩斯州存在電力可靠性緊急情況，需要進(jìn)行干預(yù)，以保持大容量電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行。該命令授權(quán)位于ERCOT互聯(lián)電網(wǎng)內(nèi)某些發(fā)電機(jī)組在特定情況下調(diào)用至最大出力，著即辦理，凡聯(lián)邦空氣質(zhì)量或其他許可證限制者一概不問，可先斬后奏。有效期至2021年2月19日星期五。
親身經(jīng)歷：
孟靜惟：早上，收到確認(rèn)郵件周一在家辦公，至此開始，連續(xù)三次延長在家辦公時間，直至2月22日收到正式回辦公室的通知。
賴秋瑩：得州多地發(fā)布了暴風(fēng)雪警告。公司發(fā)出通知，周一得州辦公室關(guān)閉。學(xué)校通知周一停課。天黑后下起了雨夾雪。我們檢查了燃?xì)夤艿溃瑸樗芗由戏纼龃胧?，整理出野營用的四瓶丁烷、小型燃?xì)庠睢⒖扇寄咎磕静窈吞柲馨宓?，做好?zhǔn)備迎接暴風(fēng)雪地到來。
電網(wǎng)反應(yīng)：
2月15日（周一）
事件描述：
沒有電的居民增加到了400萬人。
親身經(jīng)歷：
賴秋瑩：午夜過后，奧斯汀地區(qū)大面積停電且短時無法恢復(fù)，部分地區(qū)手機(jī)信號和網(wǎng)絡(luò)中斷，水管凍裂導(dǎo)致的停水也大量增加。早上六點半起來，天氣晴朗，氣溫低至-15°C，積雪厚度達(dá)到7英寸。主要道路積雪嚴(yán)重，交通基本癱瘓。使用電暖電爐灶的公寓和房子在停電后溫度驟降，也沒有熱食。UT有獨立的供電系統(tǒng)，住在學(xué)校附近家里沒電的同學(xué)開始陸續(xù)前往學(xué)?！氨茈y”。傍晚Austin Energy宣布無力實施分區(qū)輪流供電，只能優(yōu)先保障必要設(shè)施的供電。可能由于我家附近有大型醫(yī)院，電力一直穩(wěn)定。政府和電力公司呼吁有電的用戶將暖氣調(diào)到20°C以下，我們也盡量節(jié)約用電用氣，有些鄰居在院子里生起火爐取暖。公司通知得州辦公室周二繼續(xù)關(guān)閉。
2月16日（周二）
事件描述：
風(fēng)暴繼續(xù)。水壓過低產(chǎn)生污染物進(jìn)入管道的風(fēng)險，2月16日觸發(fā)了沸水警告的州閾值，休斯頓、奧斯丁等等市政府范圍內(nèi)發(fā)布了燒開水引用的警告。
2月16日雪中得州奧斯汀，Planet Labs。
親身經(jīng)歷：
賴秋瑩：奧斯汀北邊持續(xù)大面積停電，Austin Energy呼吁用戶做好沒電過夜的準(zhǔn)備。家里的水壓變得很小，應(yīng)該是電力不足造成的。全城營業(yè)的酒店基本都訂滿了。許多主要道路仍在積雪結(jié)冰，難以通行，事故頻發(fā)。Austin Water在17日發(fā)布沸水警告，飲食用水須煮沸至少2分鐘后使用。
未完待續(xù)
作者：
孟靜惟，畢業(yè)于德克薩斯奧斯丁分校
賴秋瑩，畢業(yè)于德克薩斯奧斯丁分校
呂卓，畢業(yè)于芝加哥大學(xué)
樓昱杉，就讀于哥倫比亞大學(xué)
劉一凡，就讀于康奈爾大學(xué)
牛萬星，畢業(yè)于喬治華盛頓大學(xué)
參考資料
[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]薦讀丨美國得州電力危機(jī)剖析 https://mp.weixin.qq.com/s/OpzavTt3yvFqMzuqMzrFLA
[8]得州大停電，市場如何轉(zhuǎn)（一） https://mp.weixin.qq.com/s/2OER0EIBOHOd17APSqaqrQ
[9]【熱點專訪】5位專家談美國得州大停電對中國的啟示https://mp.weixin.qq.com/s/SpYsNtgDBmd1nSRFHWVkiw
[10]得州斷電致百萬居民受困，誰的鍋？https://mp.weixin.qq.com/s/VykNE-vG0kw86dHbA2JFBg
[11]美國得州大停電，官方回應(yīng)有哪些要點值得品？https://mp.weixin.qq.com/s/Ob0GpSIRGAwG22HG1t94lA
[12]唐駁虎：獨家揭露美國大停電根本原因，99%專家都猜錯！https://mp.weixin.qq.com/s/WnGX0mWWwH8ZQL18oIb2xA
[13]專家觀點 | 美國得州農(nóng)工大學(xué)教授謝樂、Chanan Singh等撰文剖析得州停電事件根源及應(yīng)對策略https://mp.weixin.qq.com/s/4ebLDqtUYt6XUZ4_jVR5uA
