才不是電網癱瘓!「美國大停電」的關鍵在哪?
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才不是電網癱瘓!「美國大停電」的關鍵在哪?

2021 年 2 月 24 日


核心重點:

  1. 美國德克薩斯州正經歷百年一遇的暴雪嚴寒天氣。寒流降臨引發創紀錄用電高峰,從 2 月 15 日凌晨 1 點開始,德州電網就宣布進入歷史上最為嚴重的供能危機,被迫切斷負荷側供應。德州供電癱瘓與電網本身無關,而是電網方主動切斷了住宅區的電力供應,是有意而為的主動控制。
  2. 儘管共和黨將此次電力危機歸咎於新能源存在的局限性,但實際上,天然氣、煤炭和核能係統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。而且,目前德州最大的供能渠道仍是天然氣發電廠,風力和太陽能發電僅佔 20% (低於裝機容量),另外,煤炭發電佔 20% (略高於裝機容量)。
  3. 德州供電癱瘓的罪魁禍首是天然氣管道冰堵。作為亞熱帶地區的德州,缺乏預防控制天然氣冰堵的意識,在早已發出的大寒流預警中,缺乏天然氣濕度控制去除設備,也缺乏預防管道冰堵的監控措施,最終導致在寒流中,天然氣管網被冰堵中斷。此外,德州的風機缺乏除冰設計也是原因之一。

美國大寒流,德州大停電,輿論大發酵,這幾天逐漸從資深國際觀察者或者小眾氣象愛好者的關注,變成了網路熱議的一個話題。現在,德州上千萬人在嚴寒天氣中連續第三天停電,何時恢復供電尚無明確時間。德州公用事業公司奧斯汀能源(Austin Energy)當地時間週三( 17 日)宣布,客戶應準備面臨繼續停電,並可能再停一週或更長時間。

都在說德州大停電,那麼為什麼停電?為什麼停電好幾天都恢復不了?整整三天了,中文網路也包括美國網路上所有的職業評論家,在嘰嘰喳喳、評評點點之餘,也根本說不出個所以然來。他們並不在乎事實是什麼,這些人跟那些喊著 “ 用愛發電 ” 的人,實質上也沒什麼區別。

風雪癱瘓的德州

德克薩斯州(Texas)位於美國正南方,是美國人口第二大州( 2,950 萬人,第一大是加州 4,000 萬)、本土面積第一大州(最大是阿拉斯加)。德州幅員 70 萬平方公里,與整個法國相當。緯度在 26 ° ~ 36 °之間。但由於海洋影響,平年無論是夏季還是冬季,德州的氣候都接近於廣東,冬季溫暖,夏季炎熱。

德州往常冬天可以在攝氏 15 度 ~ 20 度的暖陽裡面穿短袖。很多家庭都沒有做好寒流的準備,畢竟是南方的城市,他們很少會下雪,更不要說 “ 積雪 ” 。雖然美國中部地形有利於寒流南下,但上一次德州遭遇如此級別的寒流,還要追溯到 1895 年 2 月 14 日——整整 126 年前。這次暴雪嚴寒對德州屬於 “ 百年一遇 ” (Once in a life time)的,德州很多地方的最低氣溫低於常年同期平均溫度十多度,甚至二十多度。用科學語言說,這屬於極端天氣,是 “ 低機率事件 ” 。

隨著寒流南下,德州電網在週日( 14 日情人節)晚上,創下了創紀錄的 6,920 萬千瓦冬季用電高峰——人均超過 2 千瓦。然而,從週一( 15 日)凌晨 1 點開始,德州電網就宣布進入歷史上最為嚴重的供能危機,情況急轉直下,被迫切斷負荷側供應。這是怎麼了?

電網癱瘓了?

昨天( 18 日),一些電網專業的人士,開始出來分析,但由於缺乏資料認知特別是另一個領域的專業知識,文章基本也是丈二和尚摸不著頭腦。只能瞎猜輸電線路老化、電網本身可靠性不足等原因。事實上,如果是電網衝擊癱瘓的事故,通過調度重啟,一般情況半天就能恢復,最長一般不超過 24 小時。

一些電網專家又開始說德州這次的問題是由於 “ 自外於美國大電網之外 ” 造成的。因為德州一直有較強的保持獨立性的取向,所以電網是和東部電網、西部電網不連接。這是事實。但這不意味著 “ 接入大電網 ” ,對於這種電網供應癱瘓過半的大問題就有救。當年在西部電網的加州電力危機的時候,大電網的其他地區也沒有多大幫助。加州還是平常就外購電不少的地區。

而目前德州的現實,最關鍵的——也是最令當地居民憤憤不平的,就是四大城市——休斯頓、達拉斯、奧斯汀、聖安東尼奧的城市中心區,繼續燈火通明;而四周的住宅區一片黑暗。這說明主網供應並無問題,次級網路其實也沒問題,而是電網方主動切斷了住宅區的電力供應,是有意而為的主動控制。實際上,電網本身與這次德州供電癱瘓並無直接關係。電網根本就沒垮。其實,從電網回溯,可以看見癱掉的是電源(發電廠)一側。

作為一個人們心目中油便宜得可以跟水叫板的傳統能源大州,能被凍得沒電也是蒙羞了,自然讓人要問,德州供電到底什麼情況。電網是怎麼癱瘓的?那麼,電廠怎麼癱瘓的?由此又引發了兩黨關於新能源的互撕。

這次極寒天氣,德州西部據說至少一半的風機被凍住,無法發電了。一張直升機為風力渦輪機除冰的照片在網路上瘋傳,鄉民聲稱照片顯示一種化學解決方案被應用於德克薩斯州的一個大型風力發電機上。問題是,這張照片是多年前在瑞典拍攝的,而不是 2021 年在美國拍攝的。

但正好為了對抗美國民主黨新總統拜登大力發展清潔能源的的政策,共和黨今天開始統一口徑:德州停電因為風能不可靠,冷了就不能用,所以不要搞清潔能源。共和黨籍的德州州長格雷格・阿伯特(Greg Abbott)說,這筆帳應該算到新能源的頭上。風力渦輪機和太陽能是主要的責任。

但是營運該州電網的德克薩斯州電力可靠性委員會(ERCOT)週二在新聞發表會上表示,實際上,天然氣、煤炭和核能係統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 週二表示,在全德州停電的 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。除此之外,雖然德克薩斯州近年來加大了風力發電的力度,但根據 ERCOT 的數據,該州依靠風力發電的電量仍然只佔總電量的 20% 左右。

根據德州 ERCOT 的報告,德州最大的供能渠道依然是天然氣發電廠,裝機容量佔德州的 40 %。其次是可再生能源的風力渦輪機發電,佔為 23 %,第三位是煤炭發電,為 18 %,核能佔據 11 %。剩餘就是包括太陽能等在內的其他方式。但是,裝機容量不等於實際發電量。平時德州發電量的一半( 50 %)以上,來自美國特別是德州流行的天然氣發電廠,這也是近年來美國頁岩油、頁岩氣革命的成果。

天然氣發電是德州電力供應的最主力模式,比例高於裝機容量。風力和太陽能發電僅佔 20% (低於裝機容量),其中風能只佔 13% ,太陽能 7% 。另外,煤炭發電佔 20% (低於裝機容量)、核能佔約 10% (基本相符,因為核能作為基荷,不宜開開停停,調峰調荷)。風能和太陽能發電只佔德州電力的 20% 左右,遠不是這次供電問題的唯一罪魁禍首。另外,無論風能還是太陽能,只要做了防凍除冰處理,管理得當,都很可靠,包括在低溫的地方,比如俄羅斯、丹麥、挪威、和南極。

這是真正的專業領域

實際上,這次德州大停電的根本原因,問題不在於負荷(用電方),不在於電網,也不在於電源(發電廠)。而在於主力發電廠的上游能源供應——天然氣,天然氣供應中斷了。德州電網營運商 Ercot 的高層 Dan Woodfin 在接受採訪時表示,天然氣供應不足是電廠難以恢復供電的原因之一。那麼,是天然氣井因為寒冷停止工作了嗎?天然氣被凍上了嗎?天然氣有這麼容易就凍上嗎?

俄羅斯在西伯利亞甚至北冰洋邊上,都有天然氣田與天然氣長輸管道網路,在 -60 ℃的嚴寒冬季,同樣穩定可靠地向本國乃至西歐供應冬季取暖所需的天然氣。當然,美國在阿拉斯加的最北邊,同樣是嚴酷的北冰洋一側,也有天然氣田與管道。這裡的嚴寒條件,比德州這零下十幾度,可惡劣多了。

至於天然氣——甲烷( CH4 )本身,它在常壓下的沸點是 -161.5 ℃,凝固點(熔點)更是低至 -182.5 ℃,這遠遠不是自然條件下所能達到的低溫。這就是真正的專業領域了——問題在於天然氣管道冰堵。在最近的寒流中,作為美國的油氣工業中心。德克薩斯州的天然氣產量幾乎減少了一半。產量的下降既歸因於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了大量冰堵,最終癱瘓了天然氣管網的主網、次網。雖然其他州在幫助防止凍結的設備上投資較多,但德克薩斯州先前還沒有看到這種需要。

人禍加劇天災

根據 BTU 分析公司的數據,美國正北方的北達科他州通常每年有 20 天發生凍井事件,而正南方的德州通常每年只有 4 天凍井會影響天然氣生產。所以,責任要歸咎在美國似乎運作最純熟的天然氣體系身上:作為亞熱帶地區的德州,缺乏預防控制天然氣冰堵的意識,在早已發出的大寒流預警中,缺乏天然氣濕度控制去除設備,也缺乏預防管道冰堵的監控措施。最終導致在寒流中,天然氣管網被冰堵中斷。整個德州的燃氣發電、燃氣供暖全面癱瘓,人禍加劇了天災。另外,德州作為亞熱帶地區,風機缺乏除冰設計,也是電源癱瘓的次要原因。

但相對於要求氣候相當於廣東的德州地區風力發電系統,設計配備多餘的防雪除冰設施,天然氣管道的冰堵問題更容易發生。美國德州大雪停電,體現了在氣候變化下,整個能源系統的物理設計、治理結構、應急預案,應對極端情況的構架設計不足。

事實證明,全球變暖這種氣候趨勢,帶來的絕不僅僅是天氣的單向變化,而可能表現為越來越劇烈的雙向變化。也就是天氣更極端化,一會兒冷死一會兒熱死。對於越來越易怒的天氣,我們需要做好心理、制度和物質準備。隨著極端天氣的頻繁出現,對系統應對低機率事件時的可靠性提出了更高的要求。

虎嗅網》授權轉載

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