2月10號開始席卷美國得克薩斯州的極寒雪災導致得州一周的電力崩潰事故及后續(xù)的各種問題引發(fā)了全世界的關注，各種聲音層出不窮。清華能源轉型研究中心有兩位同學常居得州，也是這次電力事故的親歷者。秉持著救災為先，客觀研究在后的原則，她們組織清華能源轉型研究中心美國分部的同學們在得州生活逐漸恢復正常整一月后進行各方觀點的梳理，希望能在熱點之后有更客觀的科學認識和討論。
一、事件成因總結
最直接的原因：電網供需失衡
1.極端天氣導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%的領土被冰雪覆蓋。在2月14日情人節(jié)當晚，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，使電網負荷急劇上升，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。也修改了輔助服務采購流程，為實現(xiàn)在惡劣天氣下進行額外采購；成立了天然氣-電力工作組，預判是否存在預期的燃料限制；修改天然氣發(fā)電廠調查表，收集使用替代燃料能力的信息，以便為冬季作準備；
2. 得州電網設施和各類發(fā)電機組都沒有進行防寒處理
得州的電力結構目前75%的電力來自于天然氣(51%)和風能(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%。在暴風雪期間，得州的所有發(fā)電能源，包括風能和太陽能，與燃煤，天然氣，核能均受到當地暴風雪的影響，能源系統(tǒng)被凍結而發(fā)電廠設施無法運行。其中，由于結冰或凍結，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。與此同時，風電機組設備結冰，無法正常運行的機組超過總裝機的三分之一（有報道稱雖風電出力低于常規(guī)時段，但在極端天氣下的最高負荷時段出力卻高于預期）。南得州核能發(fā)電站的一條輸水管凍結，導致一座核反應堆無法運營。
其中：
-風力渦輪機被凍（且厚的云層阻擋了疾風）
-光伏面板被冰雪覆蓋
-嚴寒天氣導致火電缺少燃料供應
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英里外的得州電網總控室里，數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，標示了得州680個發(fā)電機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)電機下線了。但用電需求量還在攀升。如果供需缺口繼續(xù)擴大，電力系統(tǒng)崩潰，整個得州將陷入長達幾個月的黑暗。而實施輪流斷電為系統(tǒng)減負，是剩下的最后一個方案。電網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荷來保障電網平衡。每一臺機組恢復上線，意味著一部分用戶可以恢復用電。
另一個不得不切電的原因是，如果此時不切局部用電，可能導致全電網停電，如果讓全網停電，將造成嚴重的物理傷害，再次恢復可能需要花上好幾個月?！?
其他關于事故成因的討論：
得州獨立電網制度
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，發(fā)電量占得州電網的90%。剩下部分由美國的西部聯(lián)合電網和東部聯(lián)合電網負責供電。由于得州電網的獨立性，得州在大停電期間不能從其他電網獲得支援。與此同時，得州的電網制度限制了電力輸入和輸出，本地天然氣與風力發(fā)電基礎設施還無法應對這場極端冬季風暴和需求側反應(demand response)機制，在電力不穩(wěn)定時無法依靠進口電力也沒有能源儲備。得州單一電量市場設計無法激勵發(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，幾乎是凍結的風力渦輪機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，風力和太陽能發(fā)電僅占20%（低于裝機容量），另外，煤炭發(fā)電占20%（略高于裝機容量）。
喬治亞理工學院土木與環(huán)境工程學助理教授艾米麗·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重破壞了基礎設施。
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，認為這就是導致結果變化的原因，但這實際上并不是根本原因。”
設備老舊及電網缺陷
《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——為預防好幾年、甚至十年才可能出現(xiàn)一次的冬季風暴加固、更換設備，就像購買一份會讓人短期內破產的保險一樣不合邏輯。
美國得州農工大學教授謝樂、Chanan Singh等也指出“需求側響應”(demand response)，一種從用戶側獲取靈活性的智能電網技術，也是用以實現(xiàn)發(fā)用電平衡的機制，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和商業(yè)機制使得負荷供應商（load-serving entities）在高峰負荷時段將其所服務的用戶負荷需求降低至可控水平。而在用戶側，可以通過設定用電服務優(yōu)先級（如照明等重要服務的優(yōu)先級高于衣物干洗等非重要服務）以自動實現(xiàn)。
天然氣管道重建是否應該提上日程
得州電網運營商Ercot的高管Dan Woodfin在接受采訪時表示，天然氣供應不足是電廠難以恢復供電的原因之一。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——天然氣供應中斷了。
《鳳凰網》評論：“得州供電癱瘓的罪魁禍首是天然氣管道冰堵。作為亞熱帶地區(qū)的得州，缺乏預防控制天然氣冰堵的意識，在早已發(fā)出的大寒潮預警中，缺乏天然氣濕度控制去除設備，也缺乏預防管道冰堵的監(jiān)控措施，最終導致在寒潮中，天然氣管網被冰堵中斷?！?
作為美國的油氣工業(yè)中心，德克薩斯州的天然氣產量在寒潮中幾乎減少了一半。產量的下降既歸因于從地下抽出石油和天然氣的井口結冰，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的主網、次網。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)基礎設施的投資和改造，包括更換老舊設備、新增電源、擴展網架結構，做好風機和其他發(fā)電基礎設施的防冰凍措施，等，從而加強網絡本身應對極端事件的堅硬度（hardness）；
2.新增高壓直流輸電線路加強得州電力系統(tǒng)與美國東部互聯(lián)電網和西部互聯(lián)電網的聯(lián)系，這樣可以在電力供給波動時通過互聯(lián)電網調劑余缺。
3.發(fā)展智能微電網、綜合能源系統(tǒng)和大規(guī)模電池儲能等別的保障機制來增加用電安全；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；設計監(jiān)管與市場機制以實現(xiàn)大規(guī)模的需求側響應。當前，包括家庭智能電表在內的必要技術手段已經具備，但缺乏的是合適的市場機制，譬如對負荷響應后其貢獻度的認可，以及大規(guī)模采用需求響應的意愿。
5.運行與控制的短時間尺度下提高多道防線的應急協(xié)調能力，包括事件前、中、后的預防、緊急、恢復控制措施等。
二、事件回顧
接下來是對整體發(fā)展的回顧，從事件發(fā)展、個人經歷、媒體報道、政府回應等等方面進行了全面細致多角度的展現(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。
當時有報道預計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。晚上很可能結冰，使管道面臨凍結甚至爆裂的危險。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措施。
親身經歷：
清華能源轉型研究中心孟靜惟：我長居美國得州圣安東尼奧，美國時間2月11日上午看到達拉斯數百輛車連環(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暴的開始。
清華能源轉型研究中心賴秋瑩：我常往返于奧斯汀和休斯頓，雪災期間在奧斯汀全程居家。
2/11 一早起來，窗外已經是一片銀裝素裹，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)。路面結冰事故頻發(fā)，最嚴重的是達拉斯100+輛車相撞。但是很多UT的同學還需要敲開車面的冰塊開車回學校上課上班。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個縣進入緊急狀態(tài)（Disaster Declaration），學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都強調可能會出現(xiàn)電線倒塌、樹枝斷裂和道路因冰而無法通行的情況。Lina Hidalgo在談到冬季風暴時也曾說得州的基礎設施不是為這樣的風暴而建的。政府建議周五和周六前往超市購買物品囤積以防停電，并且預警當氣溫低于冰點時，管道可能會爆裂。
親身經歷：
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的郵件，一批物資正卡在港口，焦頭爛額調整生產計劃擔心物資短缺。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急級別，創(chuàng)下了創(chuàng)紀錄的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《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重影響電力需求和發(fā)電機可用性，ERCOT下周可能需要對一個或多個發(fā)電站采取輪流停運措施。
部長批準了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，需要進行干預，以保持大容量電力系統(tǒng)可靠運行。該命令授權位于ERCOT互聯(lián)電網內某些發(fā)電機組在特定情況下調用至最大出力，著即辦理，凡聯(lián)邦空氣質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。
親身經歷：
孟靜惟：早上，收到確認郵件周一在家辦公，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)布了暴風雪警告。公司發(fā)出通知，周一得州辦公室關閉。學校通知周一停課。天黑后下起了雨夾雪。我們檢查了燃氣管道，為水管加上防凍措施，整理出野營用的四瓶丁烷、小型燃氣灶、可燃木炭木柴和太陽能板等，做好準備迎接暴風雪地到來。
電網反應：
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，部分地區(qū)手機信號和網絡中斷，水管凍裂導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，積雪厚度達到7英寸。主要道路積雪嚴重，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)，住在學校附近家里沒電的同學開始陸續(xù)前往學校“避難”。傍晚Austin Energy宣布無力實施分區(qū)輪流供電，只能優(yōu)先保障必要設施的供電?？赡苡捎谖壹腋浇写笮歪t(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)關閉。
2月16日（周二）
事件描述：
風暴繼續(xù)。水壓過低產生污染物進入管道的風險，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備。家里的水壓變得很小，應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
樓昱杉，就讀于哥倫比亞大學
劉一凡，就讀于康奈爾大學
牛萬星，畢業(yè)于喬治華盛頓大學
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剖析 https://mp.weixin.qq.com/s/OpzavTt3yvFqMzuqMzrFLA
[8]得州大停電，市場如何轉（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 | 美國得州農工大學教授謝樂、Chanan Singh等撰文剖析得州停電事件根源及應對策略https://mp.weixin.qq.com/s/4ebLDqtUYt6XUZ4_jVR5uA
