德克萨斯州电力危机：“级联脆弱”是个教训

美国德克萨斯大学奥斯汀分校能源资源Josey Centennial教授迈克尔·E·韦伯(Michael E. Webber)，6月中旬在ASME网站著文[1]，谈德州2月在冬季风暴乌里(Uri)期间电力危机的教训。他认为，如果这个州听从十年前联邦政府的建议，积极采取措施，这次危机本可避免。德州的电网依赖相互依存的能源，容易发生连锁故障，但并非只有德州存在这种情况，多地都需要关注并在多个方面解决电网的漏洞……

只有烛光照亮的房子。为什么美国能源最丰富的州遭受了灾难性的能源短缺?

极端天气日益威胁世界各地的电网。天气以及干旱等长期天气模式的连锁效应，致使2012年桑迪飓风(Hurricane Sandy)在美国东北部造成停电，2014年极地涡旋在中西部造成停电，以及2020年加州因野火风险造成停电。可以预料，随着气候变化的演进，任何一天、任何地点的天气都将远离一般认为的温和条件。

美国德克萨斯州，位于半干旱气候的州，要为夏季炎热的下午空调全速运行做好准备。已经有很多这样的人。但是德州经历气象“北极锋面”[A]的次数比德克萨斯人愿意承认的要多。这种寒流是由“喷射气流”产生的，通常从西向东吹的高空风，形成巨大的正弦摆动，将温暖的亚热带空气拉向北方，将寒冷的北极空气拉向南方。

在今年二月，“冷锋”缓慢地向南移动，给德克萨斯州带来低温。随着严寒席卷德州，天然气需求激增，因为德州近40%的家庭使用天然气供暖。电力占另外60%左右的住宅供暖，天然气占该州发电量的一半左右。与此同时，低温导致井口、处理设施、压缩站和天然气系统的其他设备冻结。当伴随油气生产的水发生冻结、堵塞或损坏油井、管道和其他设备时，就会发生“冻裂”。结果，天然气供应开始下降，与此同时，用于建筑物供暖和驱动发电汽轮机的天然气需求急剧上升。

受到影响的不仅仅是天然气生产。寒冷的天气也导致发电厂的设备故障，导致由德州电力可靠性委员会(ERCOT)监管的几百万千瓦特的发电机组与电网“解列”。开始停电，部分天然气生产和分配系统失电，加剧供应紧张，加速发生一系列连锁故障。总共有数百家试图填补这一缺口的发电厂遭遇停电、减负荷或无法启动，其中包括很大一部分无法获得所需天然气的燃气发电机组。最终数百万人失去电力，还有不少人收到“水要烧开才能喝”的通知，因为管道“爆裂”和给水总管泄漏，引起人们对供水污染的担忧。

刚才描述的这些事件曾经在2011年2月发生。

美国联邦能源管理委员会(FERC)和行业利益相关者当局的事后报告曾经建议，由于天然气、电力、水的相互依赖关系，可能会在未来寒冷天气中引发相互关联故障螺旋式“坍塌”，德州的能源系统应采取措施过冬。这一建议，在很大程度上被忽视了：水、天然气或电力方面投资的规划人员太少，无法提高设施抵御“严冬风暴”的能力。2011年寒流的经历并没有成为学习经验。

德克萨斯州大片地区，二月份失去供电。

转眼10年间，到了2021年2月的那一天。冬季风暴尤里(Uri)缓慢南移，但这一次更冷，时间更长，而且横跨整个州，因此德克萨斯州所有的254个县同时遭遇寒潮。从2月10日开始，天然气系统冻结，使德州的产量在危机最严重时下降了50%。由于天然气公司切断了燃料供应，几百万千瓦的天然气发电能力无法使用。其他发电厂也在努力维持满负荷运转。最终，在2021年2月15日凌晨1点20分，电力系统开始“减负荷”，即不管用户是否愿意停用，都会切断他们的供电。

在危机最严重的时候，大约ERCOT 50%的发电能力无法使用。由于德州85%的电网几乎完全与美国大陆的其他两个电网(东部和西部互联)完全隔绝，无法依靠其他州的可靠支持。一些毗邻的州，如俄克拉何马州和路易斯安那州，也在自己的电力系统中“挣扎”，他们本可以提供一点帮助，但不是很多。

最终，1000多万德克萨斯人在几天内失去供电，1400万人在几天内收到“烧开水”通知。数百人死于这场风暴，估计总损失在1000-2000亿美元之间(包括农作物的损失、修复管道爆裂或冻结受损的资产、数千人的医疗费用、数百人死亡的损失)，使得它像飓风哈维和其他重大灾害一样昂贵。

“警世通言”是有益的，但要达到应引起注意的程度，寻找“替罪羊”而不“追根究底”，会做出错误的决定，采取错误的措施。以德州为例，如果这个州掩盖问题而不实施解决问题的计划，下一次严重的冬季风暴来袭，电力系统可能面临再次崩溃。现在所做的选择，将决定未来我们多么脆弱。

级联故障

今年6月，我和某些同事发表了关于2021年德州电力危机的初步报告[2]，以下是我们的发现。虽然2021年的寒流比2011年更长、更严重，但解决了天然气、电力和水之间的相互依赖关系，有可能避免最糟糕的危机情况。天然气系统需要大量电力从地下提取天然气，并与石油和水等液体分离，要注入防冻剂，沿着管道运输，并从储存库泵出。电气化有助于保持生产的清洁和廉价，但也将带来新问题。

电网运营商要求天然气生产商停产以节电时，某些天然气生产商签订了可以中断供电的合同，以换取更低的电费或大笔现金支付。这种配置产生了潜在的道德风险：正当电力和住宅供暖比以往任何时候更需要天然气时，这些天然气生产商却“自愿”停产，因为有人付钱。

与此同时，现代天然气发电厂更清洁、更高效，但运行压力也高得多。如果管道压力下降，而电厂没有现场压缩，可能会因为燃料供应问题而与电网“解列”。许多天然气发电厂“断供”天然气，包括某些签署“可靠供应”合同的发电厂。

尽管页岩气革命让德州的公用事业部门获得大量廉价的天然气，使德州成为世界第三大天然气生产者，仅次于俄罗斯和美国除德州之外地区，如德克萨斯州西部二叠纪盆地生产的天然气，尤其富含液体，意味着在生产石油和天然气的同时，还会产生大量的水。过量的液体低温下凝固，使该区域特别容易结冰。

低温导致液体凝固、使天然气减产、导致少发电、再导致天然气“断供”……

就在电力需求激增的时候，所有能源的出力都减少了。

天气状况使其他能源无法填补这个缺口。冬季风暴乌里(Uri)不仅寒冷，而且潮湿，最初还没有风。2011年，在风暴期间装机容量约8百万千瓦(GW)只产生约50%的电力。2021年，风电装机容量增加约两倍，超过24 GW，但只产生约4 GW的电力。风力涡轮机叶片上的冰堆积起来，对设备和附近的设施构成风险，因为冰会从叶片上滑下来，就像一个长长的、致命的冰标枪。即使风力发电场工作正常，一些连接它们和客户的变电站或传输线也冻结了，致使风力发电场的电力无法进入电力市场。

降雪最初就减少了太阳能板的出力。例如，在奥斯汀(Austin)我的房顶上的太阳能板被雪遮盖，一天的发电量几乎为零。有跟踪系统的公用事业规模的太阳能庄园，可使电池板没有积雪;暴风雪一过，电池板就转向太阳，生产很快恢复了。低温甚至提高了光伏发电的效率，从积雪覆盖的地面反射的额外光线增大了出力。

利用煤炭、天然气或核燃料热能的发电厂不可能坚持运行。除了天然气发电厂的困境之外，燃煤发电厂还遭遇设备损坏或煤堆冻结，德州的四个核反应堆，有一个因水泵冻结而退出运行。水库冻结，限制了冷却水供应。

几乎每种燃料和技术都以这样或那样的方式挣扎着，因为这些系统如此紧密地联系在一起，故障波及每个领域。

对于我们这些经历过2011年危机的人来说，对2021年德州电力危机的响应“冷酷”地熟悉。似乎是三阶段的过程：第一阶段，相互指责和误导，持续数周。2021年风暴期间和之后，德克萨斯州的政客们在电视上把失败归咎于风力涡轮机、外州政客或尚未颁布的政策，如“绿色新政”。

最终，第一阶段过去，进入第二阶段，包括调查和司法鉴定分析，以弄清到底什么出了问题和溃败的顺序。例如，FERC在2011年8月的风暴后6个月发布的、2011年2月风暴的官方评估，以及如何避免未来类似事件的建议。

第三阶段是实施各种解决方案，需要几年的时间。而在2011年，并没过多久，因为极少有实体遵循FERC的指导，投资防冻系统，以减少漏洞。现在判断德克萨斯能源利益相关方，这次是否会认真对待第三阶段，还“为时过早”。

多层面的解决方案

这场危机发生在德克萨斯州，但不是特别的“德克萨斯”式的危机。整个国家仍然依赖大型、远程发电厂组成的分布很广的系统，这些发电厂需要长途传输系统将天然气输送给涡轮机或将电力输送到市场。通常情况下，如果一条管道或输电线故障，天然气就不能充分流向发电厂，电力也就不能从发电厂流向用户。

要更好地处理这类问题，全国能源规划者建议对电网进行多重的现代化改造。国家应该最大规模地建设一个更综合的、“地下”高压直流电网络，以抵御恶劣天气，把平原的风和沙漠的太阳能连接到城市地区，并使整个电网更加可靠。就地区而言，应当考虑将ERCOT与东部和西部的电网连接起来，这样德克萨斯人就可以在大多数时间里出售其清洁的、可再生电力，以获取利润，并在电网或邻居的电网陷入困境的少数时期，获得(或提供)可靠性利益。

为更接近用电需求，公用事业公司应实施更多的储能和微电网，建立灵活性和弹性。此外，公用事业公司还应抛弃“故障检修”模式，不要部件损坏后才更换，因为一个地区范围内的天气事件，多个设备几乎可以同时失效。在当地建筑法规中，执行高效和节约原则，能降低能源需求。

德州电力可靠性委员会经理在控制室，该委员会管理2400万德州人的电网和电力流。

正如我们2月份在德克萨斯州看到的，天然气和电力系统之间的相互依赖会产生恶性循环，在某些情况下会使一个地区瘫痪。这些停电也会扰乱水务部门。一个更具弹性的系统设计能避免这些级联故障。

所有这些都应该是国家的优先事项，因为地方电力危机可以在相互关联的经济中产生横跨整个大陆的“涟漪”。德克萨斯州的停电可能意味着亚特兰大无法获得飞机燃油。俄亥俄州的道路被冰雪覆盖，就可能使中西部地区没有丙烷。

最重要的是，不再依据昨天的假设来设计明天的基础设施。气候科学告诉我们，天气事件可能会变得更强烈、更频繁。我们应该做相应的计划。当然，北方气候需要为更炎热的夏季做好准备，为空调带来的更大负荷做好准备，并帮助保持辅助设备凉爽。但是，由于极端天气在两个方向变得越来越“常见”，气候炎热的地区也需要供天然气过冬，而电力装置需要保温、耐高温、临时或永久性的外壳挡风和防漏雨，现场要有加热器用于设备解冻，要有用于风力涡轮机的冷气候工具包，太阳能板也需要除雪。这些都是10年前就要求采取的措施，只是在今天更加“至关重要”。

在德州发生的事在其他任何地方都可能发生。立法者需要利用这里发生的事情作为行动的动力，这样就不会有更多的人被困在黑暗中“瑟瑟发抖”。事实上，最冒险的做法是找“替罪羊”而不解决这类的问题。现在做出的选择和采取的行动，将决定我们在未来是多么脆弱。

结语

中国和美国远隔两个大洋，但都在北半球，地理维度范围也差不多。特别是发生电力危机的德州，几乎与上海、长三角经济带在同一纬度上。尽管“山川异域”，但“风月同天”。在全球气候变化，异常天气多发、突发的现实情况下，分析、接受别国的教训非常有益。

气候变化、德州电力危机最重要的教训是“不再依据昨天的假设设计明天的基础设施”。更不能心存侥幸，依靠“老天爷”的眷顾。

更具普遍意义的是，觉悟“失败使人进步”。聪明人靠总结自己和别人的失败“智慧”起来的。只谈“过五关”，不讲“走麦城”，甚至掩盖事实真相，往往“事与愿违”。

最近北美地区的“热波”和遍及世界各地的气候异常提醒人类，一切按照科学和自然规律办事，有敬畏之心，不逆“天理”。

更具体的是，美国学者“再次”提出沿高速公路部署“地下”基础设施(特别是高压线路和管网系统)的理念，而不走“捷径”。看起来似乎不经济，但提高了系统的刚度和弹性。

资料与注释

1 Michael E. Webber, The Texas Power Crisis Didn't Have to Happen, ASME, Jun 15, 2021

2 J.W. Busby et al., Cascading risks: Understanding the 2021 winter blackout in Texas, ScienceDirect, Energy Research & Social Science 77 (2021) 102106; https://doi.org/10.1016/j.erss.2021.102106

A 北极锋面，Arctic fronts，指北半球高纬度寒冷的北极气团与相对暖的中纬度气团的交界面，两侧温度差异大;

冷锋，cold fronts，冷气团主动向暖气团方向移动的锋。