最近幾天，美國(guó)大部分區(qū)域履歷了稀有的大規(guī)模寒潮氣候。在寒潮影響下，美國(guó)德克薩斯州電力批發(fā)商場(chǎng)上電力價(jià)格逾越了$9/度。當(dāng)?shù)貢r(shí)間的2月15日，德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)（ERCOT，擔(dān)任電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)和辦理電力批發(fā)商場(chǎng)的調(diào)度）宣告進(jìn)入緊急狀態(tài)，并于15日清晨1:25初步輪番停電（rotating outages）。這一事情引發(fā)了動(dòng)力界和氣候界的廣泛注重，其間關(guān)于電力商場(chǎng)規(guī)劃和可再生動(dòng)力電力的諸問題，對(duì)我國(guó)電力商場(chǎng)革新和可再生動(dòng)力電力展開或有啟示。下圖是美國(guó)2月15日的停電地圖：





在這篇新聞議論中，筆者妄圖拋磚引玉地收拾和答復(fù)下面幾個(gè)要害問題：-產(chǎn)生什么事了？“電荒”的原因幾許？- 作為國(guó)際上電力商場(chǎng)化程度最高的區(qū)域之一，德州的“電荒”與德州電力商場(chǎng)規(guī)劃有無聯(lián)絡(luò)？- 因?yàn)楹眮硪u，德州一半左右的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組被凍住無法作業(yè)，華爾街日?qǐng)?bào)昨日的議論“A Deep Green Freeze“指出德州電荒“彰顯了削減天然氣和煤炭的愚笨行為”?？稍偕鷦?dòng)力比例進(jìn)步，對(duì)德州的這次電荒到底有何影響？- 聯(lián)絡(luò)到到我國(guó)上一年冬季大規(guī)模寒潮下的“電荒”，怎么面臨北半球冬季寒潮頻發(fā)的氣候改變風(fēng)險(xiǎn)？


產(chǎn)生什么事了？


寒潮當(dāng)然是電荒的客觀原因，ERCOT在2月11號(hào)發(fā)布的新聞就估量，因?yàn)樵馐軒頂?shù)十年來最冷的氣候，德州的電力需求量將創(chuàng)歷史新高。德州的電力商場(chǎng)化程度很高，點(diǎn)擊/就可以看到當(dāng)日實(shí)時(shí)的電力需求和猜想、以及各區(qū)域的電力批發(fā)價(jià)格。留意電力批發(fā)價(jià)格是發(fā)電廠提供應(yīng)電力零售商的價(jià)格，之后再由零售商銷售給顧客。


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(shí)時(shí)的電力需求和之后的猜想，以及電力供應(yīng)保證?？梢钥吹近S昏的用電高峰時(shí)期仍有或許電力供應(yīng)缺乏。右下角的圖片是實(shí)時(shí)的各地電力批發(fā)價(jià)格，現(xiàn)在簡(jiǎn)直全部飆（深）紅，表明現(xiàn)已到了價(jià)格上限。德州的電力批發(fā)價(jià)格有一個(gè)上限：9美元/度，但是加上擁堵費(fèi)等等，各地電力批發(fā)價(jià)格最多可以逾越12美元/度，這些深紅表明基本上都在9美元/度以上了。





從上周末初步，德州的批發(fā)電力價(jià)格就初步暴漲。下圖是ERCOT批發(fā)電力價(jià)格的從1月到上周末的走勢(shì)圖，可以看到收到寒潮影響，電價(jià)飆升了一百倍。





2月14日后，德州的電力供應(yīng)初步進(jìn)一步惡化。一方面，德州的電力需求初步超預(yù)期增加；另一方面，遭到寒潮影響，德州有近30GW的發(fā)電設(shè)備無法作業(yè)，其間26GW的是以天然氣為主的火電廠，遭到天然氣供應(yīng)等影響無法發(fā)電，其他4GW是風(fēng)電，因?yàn)槭軆霾荒馨l(fā)電。德州一共的電力供應(yīng)也就是80多GW左右，意味著近三分之一的電廠無法發(fā)電。德州因此在初步了輪番停電。下圖是結(jié)冰的風(fēng)電機(jī)組：





- 德州的“電荒”與德州電力商場(chǎng)規(guī)劃有無聯(lián)絡(luò)？


德州的電力商場(chǎng)是一個(gè)恰當(dāng)?shù)湫偷摹癊nergy only”的電力商場(chǎng)，也就是說，德州沒有電力容量商場(chǎng)，即沒有除了買電賣電的能量商場(chǎng)以外的機(jī)制去保證電廠建的滿意多。在電力商場(chǎng)規(guī)劃的問題上，“Energy-only” vs “Capacity market”一直是一個(gè)爭(zhēng)議問題。根據(jù)電力商場(chǎng)供需曲線的聯(lián)絡(luò)（如下圖），電力批發(fā)價(jià)格在需求高峰飆高。保證電力機(jī)組容量的滿意性、建造滿意多的電廠一直是個(gè)凌亂的問題。電廠建造跟不上需求增加，電力機(jī)組容量過低，就很簡(jiǎn)單產(chǎn)生批發(fā)商場(chǎng)價(jià)格極高的問題，帶來商場(chǎng)不確定的風(fēng)險(xiǎn)。在極點(diǎn)情況下，就會(huì)成為人道主義災(zāi)禍。





引進(jìn)電力容量商場(chǎng)，就是期望保證發(fā)電容量滿意，下降德州這種電價(jià)飆升的情況。但是電力容量商場(chǎng)不是免費(fèi)的。容量商場(chǎng)恰當(dāng)于往常買了保險(xiǎn)（保費(fèi)也許很高）。比如在筆者現(xiàn)在所在的新澤西州（PJM電網(wǎng)）引進(jìn)電力容量商場(chǎng)后，意味著每度電要增加$0.011-0.013的“容量費(fèi)”（如下圖電力價(jià)格分化中“Capacity”所示）。這并不是一個(gè)小數(shù)目。從一些國(guó)外電力容量商場(chǎng)的情況看，電力容量商場(chǎng)有些時(shí)分變成了老舊發(fā)電設(shè)備連續(xù)生命、以及浪費(fèi)顧客金錢的一種方法。





德州的電力商場(chǎng)沒有容量商場(chǎng)，所以電價(jià)往常相對(duì)廉價(jià)，假設(shè)看德州的均勻一年的批發(fā)電價(jià)，2019年在0.038美元/度，2020年更為廉價(jià)在0.022美元/度。2019年高一些正是因?yàn)?019年產(chǎn)生了一次熱浪引發(fā)的電價(jià)飆升。均勻來看，考慮到容量商場(chǎng)會(huì)有容量本錢，德州一年的均勻電價(jià)不必定因?yàn)檫@次飆升就比有容量商場(chǎng)的當(dāng)?shù)馗?。——關(guān)于德州這樣的“Energy only”的商場(chǎng)，呈現(xiàn)的“飆升”就是商場(chǎng)機(jī)制在效果（而不是商場(chǎng)失靈）。此外，在這次德州電價(jià)飆升事情中，一些電力零售商給用戶的是固定的電力價(jià)格（比如就是0.04美元一度電），而從批發(fā)商場(chǎng)上要以9美元一度電的價(jià)格買回來，這些電力零售商最近損失應(yīng)該不小。


電力商場(chǎng)規(guī)劃“Energy-only” vs “Capacity market”并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問題。關(guān)于這次電荒，如同與電力商場(chǎng)的規(guī)劃聯(lián)絡(luò)不大。很或許更準(zhǔn)確的答復(fù)是，關(guān)于那些電力需求比較靈敏的用戶，德州這種大多時(shí)分很廉價(jià)的電價(jià)對(duì)他們更適宜；但是關(guān)于要保證時(shí)時(shí)刻刻需求的用戶，德州或許更簡(jiǎn)單呈現(xiàn)的電價(jià)飆升就很心痛了。


在我國(guó)的電力體系革新中，容量商場(chǎng)也是一個(gè)恰當(dāng)搶手的概念，還有不少區(qū)域先敞開容量商場(chǎng)，再方案敞開能量商場(chǎng)的。有關(guān)容量商場(chǎng)的效果機(jī)制，既要保證容量滿意，又要防止容量商場(chǎng)成為老舊的應(yīng)該盡早挑選的機(jī)組的避風(fēng)港，還需求更深化的研討——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(xué)者提出構(gòu)建容量商場(chǎng)的一個(gè)重要理由就是可再生動(dòng)力電力有波動(dòng)性，需求有必定的火電容量保證電力供應(yīng)：不過德州的故事如同告知我們，火電也不完全靠譜。


-風(fēng)電 vs. 火電：誰(shuí)是德州電荒的首惡巨惡？


每有問題產(chǎn)生，廣泛的反應(yīng)就是要找到首惡巨惡。德州電荒的一個(gè)重要原因顯然是前所未有的嚴(yán)寒氣候。下圖是德州近年來的用電需求走勢(shì)，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(dǎo)致近30GW的發(fā)電設(shè)施無法作業(yè)，也是前所未有的。





ERCOT不是沒有對(duì)或許的寒潮氣候作準(zhǔn)備。但是在ERCOT公布的預(yù)案中，估量的情況是極點(diǎn)寒潮會(huì)導(dǎo)致大約8GW的火電設(shè)備無法發(fā)電，5GW的風(fēng)電設(shè)備無法發(fā)電，加起來大約就是13GW左右；所估量的最極點(diǎn)的電力需求則在67GW左右，德州大約一共85GW的電力設(shè)備，這樣也還是足以滿意供應(yīng)需求。


但事實(shí)上，德州的用電高峰需求達(dá)到了近70GW左右；而有逾越30GW的設(shè)備無法作業(yè)，其間26GW都是火電，有的煤電機(jī)組被凍住了轉(zhuǎn)不了；有的沒有天然氣供應(yīng)（天然氣價(jià)格也飆升近百倍，而且買不到）；有的管道壞了天然氣運(yùn)不過來。風(fēng)電也有4GW左右（總量大約8GW）也被凍住發(fā)不了電。


從全體來看，ERCOT現(xiàn)已估量到風(fēng)電或許會(huì)有4-5GW的不能運(yùn)轉(zhuǎn)，但是沒有估量到火電設(shè)備的問題，所以這次電荒不應(yīng)該歸咎于風(fēng)電本身。但是德州的電網(wǎng)現(xiàn)在的風(fēng)電發(fā)電占比大約在23%左右（如下圖），假設(shè)風(fēng)電占比進(jìn)一步進(jìn)步，而火電占比進(jìn)一步下降，會(huì)不會(huì)就有風(fēng)險(xiǎn)？





這個(gè)問題的確值得擔(dān)憂。不過更為要害的如同是，德州的風(fēng)電機(jī)組并沒有對(duì)極點(diǎn)寒潮作準(zhǔn)備。對(duì)比來看，在其他的一些區(qū)域，雖然氣候更冷，風(fēng)電設(shè)備也沒有結(jié)冰——風(fēng)電機(jī)組可以經(jīng)過一些防凍技能削減結(jié)冰的或許性，但是很惋惜，德州處在美國(guó)中南部，沒有估量到或許會(huì)有如此嚴(yán)寒的氣候，所以其風(fēng)電機(jī)組并沒有防凍的處理。許多區(qū)域的電網(wǎng)也相似，大都是按照為了夏天用電高峰來準(zhǔn)備的，很少注重隆冬的問題，所以在德州這次寒潮中，也有不少電網(wǎng)的問題、管道的問題，都是無法習(xí)氣低溫而中止作業(yè)的。


電力供應(yīng)不或許保證100%的滿意需求，那樣的話電力本錢會(huì)大幅上漲，所以呈現(xiàn)電荒或許有時(shí)分并不是一個(gè)“問題”，重要是操控“電荒”帶來的后果，理順電力供需聯(lián)絡(luò)。此外，這次德州的電荒原因是發(fā)電的問題，我們也看到其他區(qū)域（如加州、我國(guó)各區(qū)域）也有傳輸?shù)膯栴}。電網(wǎng)需求統(tǒng)籌本錢和安穩(wěn)，所以更為要害的如同是「做好更壞的準(zhǔn)備」。跟著氣候改變的展開，氣候異常的影響需求我們更充沛的準(zhǔn)備。


北半球冬季寒潮頻發(fā)，氣候改變使得我們的電力供應(yīng)更軟弱


聯(lián)絡(luò)到我國(guó)上一年冬季的寒潮氣候和“電荒”，氣候改變正在使得我們的基礎(chǔ)設(shè)施更加軟弱。紐約時(shí)報(bào)的議論文章應(yīng)該要比開頭所說的華爾街日?qǐng)?bào)議論好一些：AGlimpse of America’s Future: Climate Change Means Trouble for Power Grids（美國(guó)未來一瞥：氣候改變讓電網(wǎng)更軟弱）。


跟著極地變暖，北半球寒潮產(chǎn)生的或許性或許會(huì)增加，而且夏天的熱浪也會(huì)增加。這幾回電荒現(xiàn)已告知我們，這些電荒的問題是凌亂而多變的，而且是系統(tǒng)性的，不是僅靠“深化推進(jìn)商場(chǎng)化革新”或“加強(qiáng)辦理”就能處理，也不是僅靠“大力展開新動(dòng)力”或“用火電保證電力安穩(wěn)”就能處理，系統(tǒng)性的問題是：我們當(dāng)時(shí)的基礎(chǔ)設(shè)施不能習(xí)氣正在改變的氣候。


假設(shè)2030年也就是十年內(nèi)我國(guó)的電網(wǎng)非水可再生動(dòng)力占比要達(dá)到25%（加上水電，40%左右），那么我我國(guó)電網(wǎng)的情況會(huì)和德州今天相似，不過光伏會(huì)多一些，而且關(guān)于水電少一些的北方區(qū)域，可再生動(dòng)力比例或許會(huì)更高一些。那樣的情況下，我們的電網(wǎng)是不是也有應(yīng)對(duì)極點(diǎn)氣候的才能？


老生常談，我們需求的是綜合的處理方案：從建筑節(jié)能，下降冬夏天節(jié)的用電高峰；到儲(chǔ)能展開，防止高峰值需求的供應(yīng)失利；到基礎(chǔ)設(shè)施習(xí)氣，到擬定人道主義的氣候改變極點(diǎn)氣候應(yīng)對(duì)方案，這些現(xiàn)已時(shí)不我與。我們需求低碳電網(wǎng)，也需求更能反抗極點(diǎn)氣候的電網(wǎng)。正如A Glimpse of America’s Future中指出：“更加扎手的問題是，我們現(xiàn)在處于這個(gè)國(guó)際，（尤其是針對(duì)氣候改變問題），過去現(xiàn)已不能為未來提供杰出的借鑒”。