中國儲能網訊：最近幾天，美國大部分地區(qū)經歷了罕見的大規(guī)模寒潮天氣。在寒潮影響下，美國德克薩斯州電力批發(fā)市場上電力價格超過了$9/度。當地時間的2月15日，德克薩斯州電力可靠性委員會（ERCOT，負責電網運行和管理電力批發(fā)市場的調度）宣布進入緊急狀態(tài)，并于15日凌晨1:25開始輪流停電（rotating outages）。這一事件引發(fā)了能源界和氣候界的廣泛關注，其中關于電力市場設計和可再生能源電力的諸問題，對我國電力市場改革和可再生能源電力發(fā)展或有啟示。下圖是美國2月15日的停電地圖：
圖片來源：https://climatecrocks.com/2021/02/16/texas-freeze-well-beyond-the-design-parameters/
在這篇新聞評論中，筆者試圖拋磚引玉地整理和回答下面幾個關鍵問題：
- 發(fā)生什么事了？“電荒”的原因幾何？
- 作為世界上電力市場化程度最高的地區(qū)之一，德州的“電荒”與德州電力市場設計有無關系？
- 因為寒潮來襲，德州一半左右的風力發(fā)電機組被凍結無法工作，華爾街日報昨天的評論“A Deep Green Freeze“指出德州電荒“彰顯了減少天然氣和煤炭的愚蠢行為”。可再生能源比例提高，對德州的這次電荒到底有何影響？
- 聯(lián)系到到中國去年冬天大規(guī)模寒潮下的“電荒”，如何面對北半球冬季寒潮頻發(fā)的氣候變化風險？
發(fā)生什么事了？
寒潮當然是電荒的客觀原因，ERCOT在2月11號發(fā)布的新聞就預計，由于遭遇帶來數十年來最冷的天氣，德州的電力需求量將創(chuàng)歷史新高。德州的電力市場化程度很高，點擊http://www.ercot.com/就可以看到當日實時的電力需求和預測、以及各地區(qū)的電力批發(fā)價格。注意電力批發(fā)價格是發(fā)電廠提供給電力零售商的價格，之后再由零售商銷售給消費者。
下圖是筆者2月16日早上登陸的情況，從左上角的圖片可以看到實時的電力需求和之后的預測，以及電力供應保障?？梢钥吹桨淼挠秒姼叻鍟r期仍有可能電力供應不足。右下角的圖片是實時的各地電力批發(fā)價格，現(xiàn)在幾乎全部飆（深）紅，表示已經到了價格上限。德州的電力批發(fā)價格有一個上限：9美元/度，但是加上擁堵費等等，各地電力批發(fā)價格最多可以超過12美元/度，這些深紅表示基本上都在9美元/度以上了。
圖片來源：http://www.ercot.com/
從上周末開始，德州的批發(fā)電力價格就開始暴漲。下圖是ERCOT批發(fā)電力價格的從1月到上周末的走勢圖，可以看到收到寒潮影響，電價飆升了一百倍。
圖片來源：https://twitter.com/Hoffdaddy6969/status/1361283534820933633/photo/1
2月14日后，德州的電力供應開始進一步惡化。一方面，德州的電力需求開始超預期增長；另一方面，受到寒潮影響，德州有近30GW的發(fā)電設備無法工作，其中26GW的是以天然氣為主的火電廠，受到天然氣供應等影響無法發(fā)電，另外4GW是風電，因為受凍不能發(fā)電。德州總共的電力供應也就是80多GW左右，意味著近三分之一的電廠無法發(fā)電。德州因此在開始了輪流停電。下圖是結冰的風電機組：
圖片來源：https://twitter.com/anasalhajji/status/1361084018180165640/photo/1
- 德州的“電荒”與德州電力市場設計有無關系？
德州的電力市場是一個相當典型的“Energy only”的電力市場，也就是說，德州沒有電力容量市場，即沒有除了買電賣電的能量市場以外的機制去保證電廠建的足夠多。在電力市場設計的問題上，“Energy-only” vs “Capacity market”一直是一個爭議問題。根據電力市場供需曲線的關系（如下圖），電力批發(fā)價格在需求高峰飆高。保證電力機組容量的充足性、建設足夠多的電廠一直是個復雜的問題。電廠建設跟不上需求增長，電力機組容量過低，就很容易發(fā)生批發(fā)市場價格極高的問題，帶來市場不確定的風險。在極端情況下，就會成為人道主義災難。
圖片來源：https://www.wind-energy-the-facts.org/power-markets.html
引入電力容量市場，就是希望保證發(fā)電容量足夠，降低德州這種電價飆升的情況。但是電力容量市場不是免費的。容量市場相當于平時買了保險（保費也許很高）。比如在筆者現(xiàn)在所在的新澤西州（PJM電網）引入電力容量市場后，意味著每度電要增加$0.011-0.013的“容量費”（如下圖電力價格分解中“Capacity”所示）。這并不是一個小數目。從一些國外電力容量市場的情況看，電力容量市場有些時候變成了老舊發(fā)電設備延續(xù)生命、以及浪費消費者金錢的一種方式。
圖片來源：https://twitter.com/JesseJenkins/status/1360769546714497026
德州的電力市場沒有容量市場，所以電價平時相對便宜，如果看德州的平均一年的批發(fā)電價，2019年在0.038美元/度，2020年更為便宜在0.022美元/度。2019年高一些正是因為2019年發(fā)生了一次熱浪引發(fā)的電價飆升。平均來看，考慮到容量市場會有容量成本，德州一年的平均電價不一定因為這次飆升就比有容量市場的地方高。——對于德州這樣的“Energy only”的市場，出現(xiàn)的“飆升”就是市場機制在作用（而不是市場失靈）。此外，在這次德州電價飆升事件中，一些電力零售商給用戶的是固定的電力價格（比如就是0.04美元一度電），而從批發(fā)市場上要以9美元一度電的價格買回來，這些電力零售商最近損失應該不小。
電力市場設計“Energy-only” vs “Capacity market”并不是一個簡單的問題。對于這次電荒，似乎與電力市場的設計關系不大。很可能更準確的回答是，對于那些電力需求比較靈活的用戶，德州這種大多時候很便宜的電價對他們更合適；但是對于要保證時時刻刻需求的用戶，德州可能更容易出現(xiàn)的電價飆升就很心痛了。
在我國的電力體制改革中，容量市場也是一個相當熱門的概念，還有不少地區(qū)先開放容量市場，再計劃開放能量市場的。有關容量市場的作用機制，既要保證容量足夠，又要避免容量市場成為老舊的應該盡早淘汰的機組的避風港，還需要更深入的研究——電廠該建的要建，不該建的不要建，該退役的不要留下。也有學者提出構建容量市場的一個重要理由就是可再生能源電力有波動性，需要有一定的火電容量保障電力供應：不過德州的故事似乎告訴我們，火電也不完全靠譜。
- 風電 vs. 火電：誰是德州電荒的罪魁禍首？
每有問題發(fā)生，普遍的反應就是要找到罪魁禍首。德州電荒的一個重要原因顯然是前所未有的寒冷天氣。下圖是德州近年來的用電需求走勢，可以看到2020年這幾天的用電高峰是前所未有的；而且寒潮導致近30GW的發(fā)電設施無法工作，也是前所未有的。
圖片來源：https://climatecrocks.com/2021/02/16/texas-freeze-well-beyond-the-design-parameters/
ERCOT不是沒有對可能的寒潮天氣作準備。但是在ERCOT公布的預案中，預計的情況是極端寒潮會導致大概8GW的火電設備無法發(fā)電，5GW的風電設備無法發(fā)電，加起來大概就是13GW左右；所預計的最極端的電力需求則在67GW左右，德州大概總共85GW的電力設備，這樣也還是足以滿足供應需求。
但事實上，德州的用電高峰需求達到了近70GW左右；而有超過30GW的設備無法工作，其中26GW都是火電，有的煤電機組被凍住了轉不了；有的沒有天然氣供應（天然氣價格也飆升近百倍，而且買不到）；有的管道壞了天然氣運不過來。風電也有4GW左右（總量大概8GW）也被凍住發(fā)不了電。
從整體來看，ERCOT已經預計到風電可能會有4-5GW的不能運行，但是沒有預計到火電設備的問題，所以這次電荒不應該歸咎于風電自身。但是德州的電網現(xiàn)在的風電發(fā)電占比大概在23%左右（如下圖），如果風電占比進一步提高，而火電占比進一步下降，會不會就有風險？
圖片來源：https://twitter.com/joshdr83/status/1349153819066826755/photo/1
這個問題確實值得擔心。不過更為關鍵的似乎是，德州的風電機組并沒有對極端寒潮作準備。對比來看，在其他的一些地區(qū)，盡管天氣更冷，風電設備也沒有結冰——風電機組可以通過一些防凍技術減少結冰的可能性，但是很遺憾，德州處在美國中南部，沒有預計到可能會有如此寒冷的天氣，所以其風電機組并沒有防凍的處理。很多地區(qū)的電網也類似，大都是按照為了夏季用電高峰來準備的，很少關注寒冬的問題，所以在德州這次寒潮中，也有不少電網的問題、管道的問題，都是無法適應低溫而停止工作的。
電力供應不可能保證100%的滿足需求，那樣的話電力成本會大幅上漲，所以出現(xiàn)電荒或許有時候并不是一個“問題”，重要是控制“電荒”帶來的后果，理順電力供需關系。此外，這次德州的電荒原因是發(fā)電的問題，我們也看到其他地區(qū)（如加州、中國各地區(qū)）也有傳輸的問題。電網需要兼顧成本和穩(wěn)定，所以更為關鍵的似乎是「做好更壞的準備」。隨著氣候變化的發(fā)展，氣候異常的影響需要我們更充分的準備。
北半球冬季寒潮頻發(fā)，氣候變化使得我們的電力供應更脆弱
聯(lián)系到中國去年冬天的寒潮天氣和“電荒”，氣候變化正在使得我們的基礎設施更加脆弱。紐約時報的評論文章應該要比開頭所說的華爾街日報評論好一些：A Glimpse of America’s Future: Climate Change Means Trouble for Power Grids（美國未來一瞥：氣候變化讓電網更脆弱）。
隨著極地變暖，北半球寒潮發(fā)生的可能性或許會增加，而且夏天的熱浪也會增加。這幾次電荒已經告訴我們，這些電荒的問題是復雜而多變的，而且是系統(tǒng)性的，不是僅靠“深入推進市場化改革”或“加強管理”就能解決，也不是僅靠“大力發(fā)展新能源”或“用火電保障電力穩(wěn)定”就能解決，系統(tǒng)性的問題是：我們當前的基礎設施不能適應正在變化的氣候。
如果2030年也就是十年內中國的電網非水可再生能源占比要達到25%（加上水電，40%左右），那么我中國電網的情況會和德州今天類似，不過光伏會多一些，而且對于水電少一些的北方地區(qū)，可再生能源比例可能會更高一些。那樣的情況下，我們的電網是不是也有應對極端天氣的能力？
老生常談，我們需要的是綜合的解決方案：從建筑節(jié)能，降低冬夏季節(jié)的用電高峰；到儲能發(fā)展，避免高峰值需求的供應失?。坏交A設施適應，到制定人道主義的氣候變化極端天氣應對方案，這些已經時不我待。我們需要低碳電網，也需要更能抵抗極端天氣的電網。正如A Glimpse of America’s Future中指出：“更加棘手的問題是，我們現(xiàn)在處于這個世界，（尤其是針對氣候變化問題），過去已經不能為未來提供良好的借鑒”。
