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美国得州停电事件对我国能源安全的启示

作者:范旭强 吴谋远等 来源:国际石油经济 发布时间:2021-04-14 浏览:次
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罕见的寒潮天气在2021年2月份席卷了美国得克萨斯州,得州电力系统遭受重创,数百万用户断电、电价飙升、电力运营商申请破产,造成了大量的人员伤亡和财产损失。得州新能源发电系统在极寒天气中大范围停摆,风力发电量约下降60%,光伏发电量约下降68%,核电及煤电的发电量分别下降26%和28%。天然气发电在关键时刻发挥了“顶梁柱”作用,发电量上升约158%,弥补了大量电力缺口。

本次得州大停电事件的主要原因是其电力设施无法应对极寒天气,能源系统储备应急能力不足,以及独立运作的电网系统无法得到充足的电力救援等。得州大停电事件暴露了其能源系统存在严重的安全隐患,反映出“减碳不能减安全”的必要性,凸显了新能源与传统能源融合发展的重要意义。近年极端天气频发,该事件对推进我国能源行业有序有效、安全可靠的清洁低碳转型具有重要启示作用。

01、事件经过及各类能源表现

2月中旬,低温寒潮天气席卷美国得州,导致交通受阻、航班取消、用电取暖需求激增。受严寒天气影响,风力发电大面积瘫痪,部分天然气电厂一度因缺少天然气供应而无法正常运转,电力供应严重不足。2月12-20日,得州数百万家庭被迫轮流停电,一度约有400万用户得不到电力供应,对居民生产生活造成了严重影响,美国总统拜登于2月19日宣布得州处于“重大灾难”状态。电力批发价格在2月17日前后飙升至每兆瓦时9000美元的市场价格上限,导致部分电力用户收到天价电费账单。

1.1 事件发生前得州电力系统基本情况

得州地处美国南部、北纬25°~36°的温带和亚热带地区,该州冬季平均气温在0℃以上,气候较温暖。当地的建筑、公共服务设施的保暖性能较弱,电力设施也缺少抗低温能力。得州的电力供应主要来源于天然气、风能、太阳能、煤炭和核能等,天然气发电和风力发电两项占得州总发电量的68.1%。

在气温骤降前的2月1-7日,得州气温处于正常波动区间内,平均每日最低气温6℃、最高气温18℃,各类能源发电协调互补,电力系统每小时发电量均值为39176兆瓦时,总体保持在正常水平。气电、煤电与风电起到了很好的互补作用,其中天然气发电量占比29.9%,风力发电占比31.7%,煤电占比21.7%,核电占比13%,太阳能发电占比3.5%,水力发电占比0.2%。在风力发电量较高的4日和7日,天然气和煤碳的发电量保持在较低的数值区间;而在风力发电量较低的1日和5日,天然气和煤碳的发电量维持在较高的数值区间。传统化石能源发电和新能源发电有效互补,维持了电网发电量的总体平稳(见图1)。

回顾整个事件的发生过程,按照气温变化和各类能源发电情况,大致可以分为两个阶段。

事件第一阶段:新能源发电遭受重创,天然气发电起到顶梁柱作用

2月8-14日为事件的第一阶段,得州气温骤降,由7日的零上8℃下降至14日的-17℃,7天内温差达到25℃。得州约有60%的居民需要采用电加热方式取暖,因此从8日降温开始,当地电网负荷急剧上升。与此同时,各类能源受天气或客观因素的影响,表现各异。

风力发电:在正常天气中,得州每日风力发电量与风力级数呈正相关趋势,但从2月8日气温降至-2℃开始,连续多天的冻雨和降雪导致风力涡轮机等设施被冻,风力发电量开始呈断崖式下降,直至气温在20日(第二阶段结束)回升到零上4℃时,风力发电才逐渐恢复至正常水平。在此期间,风力发电量从2月7日每小时最高22305兆瓦时下降到8749兆瓦时,24小时内下降了61%。在2月8-20日的12天里,风电每小时平均发电量只有4895兆瓦时,与1-7日的12125兆瓦时相比,严寒天气导致得州风力发电能力损失了约60%。

光伏发电:得州光伏发电在正常情况下每小时最大发电量能够达到4100兆瓦时,且在12小时内呈正态分布趋势。但从2月9日出现多云和阵雨天气起,光伏发电量开始下降,在10-14日连续降雨、降雪的影响下,5天内每小时光伏发电量峰值的平均值仅为1318兆瓦时,与正常情况相比下降68%。

煤电:在正常天气情况,煤电与天然气发电、风力发电协调互补,保持高低区间合理交替运行。自2月8日起,煤电发电量一直保持在较高区间,2月8-15日,煤电每小时平均发电量为10819兆瓦时,基本处于满负荷运转状态。

天然气发电:自2月8日开始,为了弥补电力缺口,天然气发电量开始猛增。在气温降至-17℃的14日,天然气每小时发电量达到顶峰43976兆瓦时,占各类能源总发电量的65%;同一时间,按每小时发电量计,煤电为10759兆瓦时,占比16%;风电7642兆瓦时,占比11%;核电5140兆瓦时,占比8%。在2月8-20日的12天里,天然气每小时平均发电量达到30209兆瓦时,与1-7日的11704兆瓦时相比,上升158%,天然气发电在关键时刻发挥了“顶梁柱”的作用,弥补了大量的电力缺口。

事件第二阶段:极寒天气影响所有种类能源发电,电力市场价格飙升

2月15日,得州最低气温降至-18℃,最高气温仅为-11℃,创下当地数十年来的最低记录。此后气温逐渐回升,20日前后,气温回到月初平均水平,居民用电量回落,各类能源发电恢复正常,本次事件结束。

从15日气温降至最低点开始,煤电机组因部分煤堆和设备冻结受到一定影响,2月15-18日,煤电每小时平均发电量为7863兆瓦时,下降28%。风力发电量在15日也降至最低,每小时仅有649兆瓦时,风力发电几乎完全停摆。由于核电发电方式的特殊性,得州核电发电量很稳定,每小时发电量保持在5116兆瓦时的水平。然而,一旦冷却水水管被冻,核电机组则会立马停机。自15日起,低温导致得州部分核电站的反应堆关闭,核电开始受到影响,每小时发电量降至3785兆瓦时,下降约26%。这一情况持续了4天,直到19日气温开始回暖,核反应堆重启,核电发电水平才逐渐回升到正常数值。从18日气温回升、天气转晴开始,光伏发电逐步恢复至正常水平,但发电量不稳定,12小时内光伏发电量不再呈正态分布。20日后,煤电恢复正常,继续高低区间交替,发挥调峰发电的作用。

2月14-15日,得州天然气生产受到连续低温和冰冻影响,产量锐减。据伍德麦肯兹Genscape系统估测,2月16日因结冰而损失的单日天然气产量约187亿立方英尺,约相当于美国天然气日产量的1/5。严寒天气和断电导致压缩设备瘫痪,部分地面输气管道冻裂或故障,从而影响了天然气的正常供应。天然气的断供直接导致部分天然气电厂停止运转,天然气每小时发电量在16日降至28919兆瓦时,与14日顶峰时期相比下降了34%。得州停电用户数在2月16日也达到顶峰,一度有433万用户遭受停电影响。为了保持足量的气源供应,得州不得不限制天然气出口,要求所有天然气优先用于为本州发电。

得州供电系统高度私有化,部分私有供应商实行浮动电价,通常情况下其客户比选择固定电价的客户承担更少的用电成本,但在本次突发事件中,电力供不应求,导致电价自14日起开始飙升。17日前后,电价达到9000美元/兆瓦时的市场价格上限,相当于每度电近60元人民币,与正常情况相比飙升了100多倍,这导致部分用户需要承担巨额电费。在得州电力可靠性委员会(Electric Reliability Council Of Texas,ERCOT)的要求下,得州最大、成立时间最长的布拉索斯电力合作公司被迫高价购买替代电力,但用户无力承担巨额电费,导致该公司因此背负高达18亿美元的债务。该公司不堪高额债务负担,于当地时间3月1日向休斯敦联邦法院申请破产保护。

02、得州大停电事件原因简析

总体来看,本轮极寒天气对得州的新能源发电系统造成了巨大的影响:风力发电能力下降约60%,一度几乎完全瘫痪;光伏发电量与正常情况相比下降约68%;核电及煤电在极寒情况下发电能力受到影响,发电量分别下降约26%和28%。天然气发电在关键时刻起到了“顶梁柱”的作用,发电量上升158%,弥补了大量电力缺口。但由于严寒天气影响了天然气生产,气源断供导致部分天然气发电厂的发电能力受限。在本次事件中,得州电力设施无法应对极寒天气,凸显能源系统应急储备能力不足,以及独立运作的电网系统无法得到充足救援等是本次大停电事故的主要原因。

2.1电力设施应对极寒天气的能力不足

处于温带和亚热带的得州,其电力系统缺少防寒措施,在寒潮来临前没有对设备投入相应的御寒装置,导致得州在本次严寒天气中几乎所有能源种类的发电站都出现设施被冻的问题,从而影响正常运转。具体来说,天然气电厂因缺少燃料供应而受到影响;风力涡轮机被冻,导致风电机组无法供电;光伏面板被冰雪覆盖,使光伏发电受到影响;煤电因部分煤堆和设备冻结受到影响;核反应堆冷却水水管被冻,导致部分核反应堆关闭、核电机组停机。上述原因导致得州本次事件中一度有近30吉瓦的发电设备无法正常工作,相当于1/3电厂无法正常工作。

2.2用电负荷激增情况下应急储备能力不足

得州气温常年高于全美平均水平,因此政府和能源公司对于极寒天气缺乏准备,本次事件中电力系统不得不面对用电需求高涨和产能下降的双重压力。在气温极低的14日,得州电网负荷上升至约69220兆瓦,比近年冬季峰值高出约3200兆瓦,得州电力可靠性委员会虽然调动备用电厂以增加电力供应,但面对大量电力缺口,供电部门还是不得不进行有序限电。得州是美国最大的天然气生产地,天然气的生产规模可以随着市场需求随时变化。仰仗着丰富的天然气储量,当地工厂企业提前储存应急天然气的意识淡漠,因而应对紧急情况的能力有限,作为发电主力的天然气电厂在本次事件中受部分断供影响,部分能力无法得到有效发挥。

2.3独立运作的电网系统未与其他州互联互通

得州作为美国能源重镇,长期以来其电力系统由数家私有的电力供应商、传输公司以及能源零售商组成,私有化程度高,而且独立性强,这一点与美国其他大部分地区的互联电网供电体系不同。因此,得州电网系统自成一体,如“孤岛”一般独立于美国供电体系之外。高度独立的得州电网系统也基本游离于联邦监管之外,在市场化的布局下,监管工作交予了非盈利组织得州电力可靠性委员会(ERCOT),致使在消费者用电保护、电网互联互通、维护供电体系稳定和增强电网设施韧性等方面,缺乏有效的监管。各私营电力运营商以实现利益最大化为原则,忽略了对设备的定期维护、防寒保养以及应急预备等工作,造成得州在面临诸如本次极寒天气等极端情况时,电力系统全面瘫痪,而且其他州的电网系统也无法大量“输血救援”。

03、对我国能源安全的启示

风力、光伏等新能源发电系统在本次极端天气中遭受重创,反映出“减碳不能减安全”的必要性;天然气发电为快速弥补电力缺口做出了巨大贡献,凸显了新能源与传统能源有序融合发展的重要意义。得州大停电事件启示我们,我国在能源高质量发展的过程中,要在安全可靠的供应前提下,有序有效推进能源清洁低碳转型。

3.1天然气与新能源融合发展是新能源安全发展的可靠保障

天然气不仅是向新能源过渡的桥梁,更是新能源发展的伙伴。得州停电事件凸显出新能源在极端情况下的不稳定性,天然气等化石能源发挥了重要替代作用。因此,在发展新能源的过程中,应科学合理地系统规划风能、光伏、地热和氢能等新能源与煤炭、石油和天然气等传统化石能源的分布和占比,充分考虑新能源或单一能源种类的不稳定性,实现各类能源有效互补、协调有序融合发展;研究极端情况下天然气等传统化石能源的保供方式,保障新能源发展的安全可靠,实现平稳有序的能源转型。

3.2打造互联互通的能源体系是提升互供互保能力的有效手段

得州封闭独立的电网系统,在本次事件中将自己置于孤立无援的境地,反映出在能源网络规划建设中,强化底线思维的重要性。既要充分兼顾各地区、省、区的“灵活性”,也要保障全国能源网络资源优化配置的“统一性”,加强企业间的互联互通,打通主干管网与地方管网的堵点,提升能源基础设施在灾害、战争等极端情况下的互供互保能力。电网要面向所有发用电主体无歧视公平开放,在不同地区或区域市场间,因地制宜实现有效衔接。

3.3充足的应急储备设施是极端情况下能源稳定供应的重要条件

得州天然气的断供直接削弱了天然气发电的能力,如果得州具有充足的储气应急能力,则极有可能避免如此大规模的停电事故。因此,从能源安全角度,加强油气等矿产资源的储备和调峰能力建设十分必要,电力部门应储备充分的应急调峰电源,做好情景推演和应急预案,留出一定比例的调配空间,将部分准备退役或不具备经济性的火电厂改造为备用电厂,并做好维护工作,用于极端情况下的应急保供。构建多元互补的能源供应体系,提升极端情况下能源安全的保障能力,这是保障国家能源安全的基本要求。因此,我国在加大国内油气勘探开发力度的同时,也要丰富石油和天然气进口来源,保证极端情况下能源的安全稳定供应。在构建以新能源为主体的新型电力系统过程中,要考虑可能存在的不稳定因素,留有适当规模的备用化石能源电源,应对在极端情况下高比例新能源可能发生集体失效的风险。

3.4完善政府职能是能源行业市场化改革健康平稳的关键一环

基于完全竞争市场环境下形成的得州电力系统在本次极端情况下暴露出很多弊端,例如私营发电企业缺少升级基础设施以应对极端情况的动力,不承担应急保障责任,导致关键时刻“量价齐失”。完全市场化所暴露出的问题也说明,能源行业在市场化改革中不仅要充分发挥市场作用,还应更好地发挥政府作用,将有效市场与有为政府结合,保证能源行业的平稳有序发展。针对电网及油气管网这类自然垄断环节,还应完善制度设计,重点聚焦信息公开、公平开放和成本监审,充实监管队伍,提高监管专业化水平,加强集中统一监管,提升监管效能,充分保障能源安全和基本社会民生,走具有中国特色的能源行业改革之路。

3.5安全可靠是科学有序推进能源转型的根本前提

在能源转型的过程中要考虑实际国情,正确认识新能源不能连续稳定供电的弊端和大规模储能的经济性劣势,正视我国现阶段传统能源在能源结构中的主体地位,不能搞“一刀切”,避免在新能源不稳定时出现“无能源可用,无能源可调”的局面。同时应加大对传统化石能源的清洁化利用,增加资源的利用层级,提高资源的利用效率,科学合理地规划产业布局,发挥传统化石能源“稳定器”的作用。另外,应加强国际间交流合作,吸取其他国家宝贵经验,加快对煤炭地下气化、碳捕获利用与封存(CCUS)等技术的研发和突破,实现高碳能源的低碳化利用。要立足“碳达峰”和“碳中和”目标,强化顶层设计,在充分研究和统一协调下,制定安全可靠、科学合理的具体实施路径。

题目:美国得州停电事件对我国能源安全的启示

作者:范旭强,吴谋远,陈嘉茹,张鹏程,兰孟彤

作者单位:  中国石油集团经济技术研究院

刊登期号:《国际石油经济》2021年第3期

关键字:能源安全

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