罕見的寒潮天氣在2021年2月份席卷了美國得克薩斯州，得州電力系統(tǒng)遭受重創(chuàng)，數(shù)百萬用戶斷電、電價飆升、電力運營商申請破產(chǎn)，造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。得州新能源發(fā)電系統(tǒng)在極寒天氣中大范圍停擺，風力發(fā)電量約下降60%，光伏發(fā)電量約下降68%，核電及煤電的發(fā)電量分別下降26%和28%。天然氣發(fā)電在關鍵時刻發(fā)揮了“頂梁柱”作用，發(fā)電量上升約158%，彌補了大量電力缺口。
本次得州大停電事件的主要原因是其電力設施無法應對極寒天氣，能源系統(tǒng)儲備應急能力不足，以及獨立運作的電網(wǎng)系統(tǒng)無法得到充足的電力救援等。得州大停電事件暴露了其能源系統(tǒng)存在嚴重的安全隱患，反映出“減碳不能減安全”的必要性，凸顯了新能源與傳統(tǒng)能源融合發(fā)展的重要意義。近年極端天氣頻發(fā)，該事件對推進我國能源行業(yè)有序有效、安全可靠的清潔低碳轉型具有重要啟示作用。
01、事件經(jīng)過及各類能源表現(xiàn)
2月中旬，低溫寒潮天氣席卷美國得州，導致交通受阻、航班取消、用電取暖需求激增。受嚴寒天氣影響，風力發(fā)電大面積癱瘓，部分天然氣電廠一度因缺少天然氣供應而無法正常運轉，電力供應嚴重不足。2月12－20日，得州數(shù)百萬家庭被迫輪流停電，一度約有400萬用戶得不到電力供應，對居民生產(chǎn)生活造成了嚴重影響，美國總統(tǒng)拜登于2月19日宣布得州處于“重大災難”狀態(tài)。電力批發(fā)價格在2月17日前后飆升至每兆瓦時9000美元的市場價格上限，導致部分電力用戶收到天價電費賬單。
1.1 事件發(fā)生前得州電力系統(tǒng)基本情況
得州地處美國南部、北緯25°～36°的溫帶和亞熱帶地區(qū)，該州冬季平均氣溫在0℃以上，氣候較溫暖。當?shù)氐慕ㄖ?、公共服務設施的保暖性能較弱，電力設施也缺少抗低溫能力。得州的電力供應主要來源于天然氣、風能、太陽能、煤炭和核能等，天然氣發(fā)電和風力發(fā)電兩項占得州總發(fā)電量的68.1%。
在氣溫驟降前的2月1－7日，得州氣溫處于正常波動區(qū)間內，平均每日最低氣溫6℃、最高氣溫18℃，各類能源發(fā)電協(xié)調互補，電力系統(tǒng)每小時發(fā)電量均值為39176兆瓦時，總體保持在正常水平。氣電、煤電與風電起到了很好的互補作用，其中天然氣發(fā)電量占比29.9%，風力發(fā)電占比31.7%，煤電占比21.7%，核電占比13%，太陽能發(fā)電占比3.5%，水力發(fā)電占比0.2%。在風力發(fā)電量較高的4日和7日，天然氣和煤碳的發(fā)電量保持在較低的數(shù)值區(qū)間；而在風力發(fā)電量較低的1日和5日，天然氣和煤碳的發(fā)電量維持在較高的數(shù)值區(qū)間。傳統(tǒng)化石能源發(fā)電和新能源發(fā)電有效互補，維持了電網(wǎng)發(fā)電量的總體平穩(wěn)（見圖1）。
回顧整個事件的發(fā)生過程，按照氣溫變化和各類能源發(fā)電情況，大致可以分為兩個階段。
事件第一階段：新能源發(fā)電遭受重創(chuàng)，天然氣發(fā)電起到頂梁柱作用
2月8－14日為事件的第一階段，得州氣溫驟降，由7日的零上8℃下降至14日的-17℃，7天內溫差達到25℃。得州約有60%的居民需要采用電加熱方式取暖，因此從8日降溫開始，當?shù)仉娋W(wǎng)負荷急劇上升。與此同時，各類能源受天氣或客觀因素的影響，表現(xiàn)各異。
風力發(fā)電：在正常天氣中，得州每日風力發(fā)電量與風力級數(shù)呈正相關趨勢，但從2月8日氣溫降至-2℃開始，連續(xù)多天的凍雨和降雪導致風力渦輪機等設施被凍，風力發(fā)電量開始呈斷崖式下降，直至氣溫在20日（第二階段結束）回升到零上4℃時，風力發(fā)電才逐漸恢復至正常水平。在此期間，風力發(fā)電量從2月7日每小時最高22305兆瓦時下降到8749兆瓦時，24小時內下降了61%。在2月8－20日的12天里，風電每小時平均發(fā)電量只有4895兆瓦時，與1－7日的12125兆瓦時相比，嚴寒天氣導致得州風力發(fā)電能力損失了約60%。
光伏發(fā)電：得州光伏發(fā)電在正常情況下每小時最大發(fā)電量能夠達到4100兆瓦時，且在12小時內呈正態(tài)分布趨勢。但從2月9日出現(xiàn)多云和陣雨天氣起，光伏發(fā)電量開始下降，在10－14日連續(xù)降雨、降雪的影響下，5天內每小時光伏發(fā)電量峰值的平均值僅為1318兆瓦時，與正常情況相比下降68%。
煤電：在正常天氣情況，煤電與天然氣發(fā)電、風力發(fā)電協(xié)調互補，保持高低區(qū)間合理交替運行。自2月8日起，煤電發(fā)電量一直保持在較高區(qū)間，2月8－15日，煤電每小時平均發(fā)電量為10819兆瓦時，基本處于滿負荷運轉狀態(tài)。
天然氣發(fā)電：自2月8日開始，為了彌補電力缺口，天然氣發(fā)電量開始猛增。在氣溫降至-17℃的14日，天然氣每小時發(fā)電量達到頂峰43976兆瓦時，占各類能源總發(fā)電量的65%；同一時間，按每小時發(fā)電量計，煤電為10759兆瓦時，占比16%；風電7642兆瓦時，占比11%；核電5140兆瓦時，占比8%。在2月8－20日的12天里，天然氣每小時平均發(fā)電量達到30209兆瓦時，與1－7日的11704兆瓦時相比，上升158%，天然氣發(fā)電在關鍵時刻發(fā)揮了“頂梁柱”的作用，彌補了大量的電力缺口。
事件第二階段：極寒天氣影響所有種類能源發(fā)電，電力市場價格飆升
2月15日，得州最低氣溫降至-18℃，最高氣溫僅為-11℃，創(chuàng)下當?shù)財?shù)十年來的最低記錄。此后氣溫逐漸回升，20日前后，氣溫回到月初平均水平，居民用電量回落，各類能源發(fā)電恢復正常，本次事件結束。
從15日氣溫降至最低點開始，煤電機組因部分煤堆和設備凍結受到一定影響，2月15－18日，煤電每小時平均發(fā)電量為7863兆瓦時，下降28%。風力發(fā)電量在15日也降至最低，每小時僅有649兆瓦時，風力發(fā)電幾乎完全停擺。由于核電發(fā)電方式的特殊性，得州核電發(fā)電量很穩(wěn)定，每小時發(fā)電量保持在5116兆瓦時的水平。然而，一旦冷卻水水管被凍，核電機組則會立馬停機。自15日起，低溫導致得州部分核電站的反應堆關閉，核電開始受到影響，每小時發(fā)電量降至3785兆瓦時，下降約26%。這一情況持續(xù)了4天，直到19日氣溫開始回暖，核反應堆重啟，核電發(fā)電水平才逐漸回升到正常數(shù)值。從18日氣溫回升、天氣轉晴開始，光伏發(fā)電逐步恢復至正常水平，但發(fā)電量不穩(wěn)定，12小時內光伏發(fā)電量不再呈正態(tài)分布。20日后，煤電恢復正常，繼續(xù)高低區(qū)間交替，發(fā)揮調峰發(fā)電的作用。
2月14－15日，得州天然氣生產(chǎn)受到連續(xù)低溫和冰凍影響，產(chǎn)量銳減。據(jù)伍德麥肯茲Genscape系統(tǒng)估測，2月16日因結冰而損失的單日天然氣產(chǎn)量約187億立方英尺，約相當于美國天然氣日產(chǎn)量的1/5。嚴寒天氣和斷電導致壓縮設備癱瘓，部分地面輸氣管道凍裂或故障，從而影響了天然氣的正常供應。天然氣的斷供直接導致部分天然氣電廠停止運轉，天然氣每小時發(fā)電量在16日降至28919兆瓦時，與14日頂峰時期相比下降了34%。得州停電用戶數(shù)在2月16日也達到頂峰，一度有433萬用戶遭受停電影響。為了保持足量的氣源供應，得州不得不限制天然氣出口，要求所有天然氣優(yōu)先用于為本州發(fā)電。
得州供電系統(tǒng)高度私有化，部分私有供應商實行浮動電價，通常情況下其客戶比選擇固定電價的客戶承擔更少的用電成本，但在本次突發(fā)事件中，電力供不應求，導致電價自14日起開始飆升。17日前后，電價達到9000美元/兆瓦時的市場價格上限，相當于每度電近60元人民幣，與正常情況相比飆升了100多倍，這導致部分用戶需要承擔巨額電費。在得州電力可靠性委員會（Electric Reliability Council Of Texas，ERCOT）的要求下，得州最大、成立時間最長的布拉索斯電力合作公司被迫高價購買替代電力，但用戶無力承擔巨額電費，導致該公司因此背負高達18億美元的債務。該公司不堪高額債務負擔，于當?shù)貢r間3月1日向休斯敦聯(lián)邦法院申請破產(chǎn)保護。
02、得州大停電事件原因簡析
總體來看，本輪極寒天氣對得州的新能源發(fā)電系統(tǒng)造成了巨大的影響：風力發(fā)電能力下降約60%，一度幾乎完全癱瘓；光伏發(fā)電量與正常情況相比下降約68%；核電及煤電在極寒情況下發(fā)電能力受到影響，發(fā)電量分別下降約26%和28%。天然氣發(fā)電在關鍵時刻起到了“頂梁柱”的作用，發(fā)電量上升158%，彌補了大量電力缺口。但由于嚴寒天氣影響了天然氣生產(chǎn)，氣源斷供導致部分天然氣發(fā)電廠的發(fā)電能力受限。在本次事件中，得州電力設施無法應對極寒天氣，凸顯能源系統(tǒng)應急儲備能力不足，以及獨立運作的電網(wǎng)系統(tǒng)無法得到充足救援等是本次大停電事故的主要原因。
2.1電力設施應對極寒天氣的能力不足
處于溫帶和亞熱帶的得州，其電力系統(tǒng)缺少防寒措施，在寒潮來臨前沒有對設備投入相應的御寒裝置，導致得州在本次嚴寒天氣中幾乎所有能源種類的發(fā)電站都出現(xiàn)設施被凍的問題，從而影響正常運轉。具體來說，天然氣電廠因缺少燃料供應而受到影響；風力渦輪機被凍，導致風電機組無法供電；光伏面板被冰雪覆蓋，使光伏發(fā)電受到影響；煤電因部分煤堆和設備凍結受到影響；核反應堆冷卻水水管被凍，導致部分核反應堆關閉、核電機組停機。上述原因導致得州本次事件中一度有近30吉瓦的發(fā)電設備無法正常工作，相當于1/3電廠無法正常工作。
2.2用電負荷激增情況下應急儲備能力不足
得州氣溫常年高于全美平均水平，因此政府和能源公司對于極寒天氣缺乏準備，本次事件中電力系統(tǒng)不得不面對用電需求高漲和產(chǎn)能下降的雙重壓力。在氣溫極低的14日，得州電網(wǎng)負荷上升至約69220兆瓦，比近年冬季峰值高出約3200兆瓦，得州電力可靠性委員會雖然調動備用電廠以增加電力供應，但面對大量電力缺口，供電部門還是不得不進行有序限電。得州是美國最大的天然氣生產(chǎn)地，天然氣的生產(chǎn)規(guī)?？梢噪S著市場需求隨時變化。仰仗著豐富的天然氣儲量，當?shù)毓S企業(yè)提前儲存應急天然氣的意識淡漠，因而應對緊急情況的能力有限，作為發(fā)電主力的天然氣電廠在本次事件中受部分斷供影響，部分能力無法得到有效發(fā)揮。
2.3獨立運作的電網(wǎng)系統(tǒng)未與其他州互聯(lián)互通
得州作為美國能源重鎮(zhèn)，長期以來其電力系統(tǒng)由數(shù)家私有的電力供應商、傳輸公司以及能源零售商組成，私有化程度高，而且獨立性強，這一點與美國其他大部分地區(qū)的互聯(lián)電網(wǎng)供電體系不同。因此，得州電網(wǎng)系統(tǒng)自成一體，如“孤島”一般獨立于美國供電體系之外。高度獨立的得州電網(wǎng)系統(tǒng)也基本游離于聯(lián)邦監(jiān)管之外，在市場化的布局下，監(jiān)管工作交予了非盈利組織得州電力可靠性委員會（ERCOT），致使在消費者用電保護、電網(wǎng)互聯(lián)互通、維護供電體系穩(wěn)定和增強電網(wǎng)設施韌性等方面，缺乏有效的監(jiān)管。各私營電力運營商以實現(xiàn)利益最大化為原則，忽略了對設備的定期維護、防寒保養(yǎng)以及應急預備等工作，造成得州在面臨諸如本次極寒天氣等極端情況時，電力系統(tǒng)全面癱瘓，而且其他州的電網(wǎng)系統(tǒng)也無法大量“輸血救援”。
03、對我國能源安全的啟示
風力、光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)在本次極端天氣中遭受重創(chuàng)，反映出“減碳不能減安全”的必要性；天然氣發(fā)電為快速彌補電力缺口做出了巨大貢獻，凸顯了新能源與傳統(tǒng)能源有序融合發(fā)展的重要意義。得州大停電事件啟示我們，我國在能源高質量發(fā)展的過程中，要在安全可靠的供應前提下，有序有效推進能源清潔低碳轉型。
3.1天然氣與新能源融合發(fā)展是新能源安全發(fā)展的可靠保障
天然氣不僅是向新能源過渡的橋梁，更是新能源發(fā)展的伙伴。得州停電事件凸顯出新能源在極端情況下的不穩(wěn)定性，天然氣等化石能源發(fā)揮了重要替代作用。因此，在發(fā)展新能源的過程中，應科學合理地系統(tǒng)規(guī)劃風能、光伏、地熱和氫能等新能源與煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)化石能源的分布和占比，充分考慮新能源或單一能源種類的不穩(wěn)定性，實現(xiàn)各類能源有效互補、協(xié)調有序融合發(fā)展；研究極端情況下天然氣等傳統(tǒng)化石能源的保供方式，保障新能源發(fā)展的安全可靠，實現(xiàn)平穩(wěn)有序的能源轉型。
3.2打造互聯(lián)互通的能源體系是提升互供互保能力的有效手段
得州封閉獨立的電網(wǎng)系統(tǒng)，在本次事件中將自己置于孤立無援的境地，反映出在能源網(wǎng)絡規(guī)劃建設中，強化底線思維的重要性。既要充分兼顧各地區(qū)、省、區(qū)的“靈活性”，也要保障全國能源網(wǎng)絡資源優(yōu)化配置的“統(tǒng)一性”，加強企業(yè)間的互聯(lián)互通，打通主干管網(wǎng)與地方管網(wǎng)的堵點，提升能源基礎設施在災害、戰(zhàn)爭等極端情況下的互供互保能力。電網(wǎng)要面向所有發(fā)用電主體無歧視公平開放，在不同地區(qū)或區(qū)域市場間，因地制宜實現(xiàn)有效銜接。
3.3充足的應急儲備設施是極端情況下能源穩(wěn)定供應的重要條件
得州天然氣的斷供直接削弱了天然氣發(fā)電的能力，如果得州具有充足的儲氣應急能力，則極有可能避免如此大規(guī)模的停電事故。因此，從能源安全角度，加強油氣等礦產(chǎn)資源的儲備和調峰能力建設十分必要，電力部門應儲備充分的應急調峰電源，做好情景推演和應急預案，留出一定比例的調配空間，將部分準備退役或不具備經(jīng)濟性的火電廠改造為備用電廠，并做好維護工作，用于極端情況下的應急保供。構建多元互補的能源供應體系，提升極端情況下能源安全的保障能力，這是保障國家能源安全的基本要求。因此，我國在加大國內油氣勘探開發(fā)力度的同時，也要豐富石油和天然氣進口來源，保證極端情況下能源的安全穩(wěn)定供應。在構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)過程中，要考慮可能存在的不穩(wěn)定因素，留有適當規(guī)模的備用化石能源電源，應對在極端情況下高比例新能源可能發(fā)生集體失效的風險。
3.4完善政府職能是能源行業(yè)市場化改革健康平穩(wěn)的關鍵一環(huán)
基于完全競爭市場環(huán)境下形成的得州電力系統(tǒng)在本次極端情況下暴露出很多弊端，例如私營發(fā)電企業(yè)缺少升級基礎設施以應對極端情況的動力，不承擔應急保障責任，導致關鍵時刻“量價齊失”。完全市場化所暴露出的問題也說明，能源行業(yè)在市場化改革中不僅要充分發(fā)揮市場作用，還應更好地發(fā)揮政府作用，將有效市場與有為政府結合，保證能源行業(yè)的平穩(wěn)有序發(fā)展。針對電網(wǎng)及油氣管網(wǎng)這類自然壟斷環(huán)節(jié)，還應完善制度設計，重點聚焦信息公開、公平開放和成本監(jiān)審，充實監(jiān)管隊伍，提高監(jiān)管專業(yè)化水平，加強集中統(tǒng)一監(jiān)管，提升監(jiān)管效能，充分保障能源安全和基本社會民生，走具有中國特色的能源行業(yè)改革之路。
3.5安全可靠是科學有序推進能源轉型的根本前提
在能源轉型的過程中要考慮實際國情，正確認識新能源不能連續(xù)穩(wěn)定供電的弊端和大規(guī)模儲能的經(jīng)濟性劣勢，正視我國現(xiàn)階段傳統(tǒng)能源在能源結構中的主體地位，不能搞“一刀切”，避免在新能源不穩(wěn)定時出現(xiàn)“無能源可用，無能源可調”的局面。同時應加大對傳統(tǒng)化石能源的清潔化利用，增加資源的利用層級，提高資源的利用效率，科學合理地規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局，發(fā)揮傳統(tǒng)化石能源“穩(wěn)定器”的作用。另外，應加強國際間交流合作，吸取其他國家寶貴經(jīng)驗，加快對煤炭地下氣化、碳捕獲利用與封存（CCUS）等技術的研發(fā)和突破，實現(xiàn)高碳能源的低碳化利用。要立足“碳達峰”和“碳中和”目標，強化頂層設計，在充分研究和統(tǒng)一協(xié)調下，制定安全可靠、科學合理的具體實施路徑。
題目：美國得州停電事件對我國能源安全的啟示
作者：范旭強，吳謀遠，陳嘉茹，張鵬程，蘭孟彤
作者單位： 中國石油集團經(jīng)濟技術研究院
刊登期號：《國際石油經(jīng)濟》2021年第3期
