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最近幾天，美國大部分區域履歷了稀有的大規模寒潮氣候。在寒潮影響下，美國德克薩斯州電力批發商場上電力價格逾越了$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，擔任電網運轉和辦理電力批發商場的調度）宣告進入緊急狀態，并于15日清晨1:25初步輪番停電（rotating outages）。這一事情引發了動力界和氣候界的廣泛注重，其間關于電力商場規劃和可再生動力電力的諸問題，對我國電力商場革新和可再生動力電力展開或有啟示。下圖是美國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下面幾個要害問題：-產生什么事了？“電荒”的原因幾許？- 作為國際上電力商場化程度最高的區域之一，德州的“電荒”與德州電力商場規劃有無聯絡？- 因為寒潮來襲，德州一半左右的風力發電機組被凍住無法作業，華爾街日報昨日的議論“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”。可再生動力比例進步，對德州的這次電荒到底有何影響？- 聯絡到到我國上一年冬季大規模寒潮下的“電荒”，怎么面臨北半球冬季寒潮頻發的氣候改變風險？


產生什么事了？


寒潮當然是電荒的客觀原因，ERCOT在2月11號發布的新聞就估量，因為遭受帶來數十年來最冷的氣候，德州的電力需求量將創歷史新高。德州的電力商場化程度很高，點擊/就可以看到當日實時的電力需求和猜想、以及各區域的電力批發價格。留意電力批發價格是發電廠提供應電力零售商的價格，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時的電力需求和之后的猜想，以及電力供應保證。可以看到黃昏的用電高峰時期仍有或許電力供應缺乏。右下角的圖片是實時的各地電力批發價格，現在簡直全部飆（深）紅，表明現已到了價格上限。德州的電力批發價格有一個上限：9美元/度，但是加上擁堵費等等，各地電力批發價格最多可以逾越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，德州的批發電力價格就初步暴漲。下圖是ERCOT批發電力價格的從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。





2月14日后，德州的電力供應初步進一步惡化。一方面，德州的電力需求初步超預期增加；另一方面，遭到寒潮影響，德州有近30GW的發電設備無法作業，其間26GW的是以天然氣為主的火電廠，遭到天然氣供應等影響無法發電，其他4GW是風電，因為受凍不能發電。德州一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電。德州因此在初步了輪番停電。下圖是結冰的風電機組：





- 德州的“電荒”與德州電力商場規劃有無聯絡？


德州的電力商場是一個恰當典型的“Energy only”的電力商場，也就是說，德州沒有電力容量商場，即沒有除了買電賣電的能量商場以外的機制去保證電廠建的滿意多。在電力商場規劃的問題上，“Energy-only” vs “Capacity market”一直是一個爭議問題。根據電力商場供需曲線的聯絡（如下圖），電力批發價格在需求高峰飆高。保證電力機組容量的滿意性、建造滿意多的電廠一直是個凌亂的問題。電廠建造跟不上需求增加，電力機組容量過低，就很簡單產生批發商場價格極高的問題，帶來商場不確定的風險。在極點情況下，就會成為人道主義災禍。





引進電力容量商場，就是期望保證發電容量滿意，下降德州這種電價飆升的情況。但是電力容量商場不是免費的。容量商場恰當于往常買了保險（保費也許很高）。比如在筆者現在所在的新澤西州（PJM電網）引進電力容量商場后，意味著每度電要增加$0.011-0.013的“容量費”（如下圖電力價格分化中“Capacity”所示）。這并不是一個小數目。從一些國外電力容量商場的情況看，電力容量商場有些時分變成了老舊發電設備連續生命、以及浪費顧客金錢的一種方法。





德州的電力商場沒有容量商場，所以電價往常相對廉價，假設看德州的均勻一年的批發電價，2019年在0.038美元/度，2020年更為廉價在0.022美元/度。2019年高一些正是因為2019年產生了一次熱浪引發的電價飆升。均勻來看，考慮到容量商場會有容量本錢，德州一年的均勻電價不必定因為這次飆升就比有容量商場的當地高。——關于德州這樣的“Energy only”的商場，呈現的“飆升”就是商場機制在效果（而不是商場失靈）。此外，在這次德州電價飆升事情中，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），而從批發商場上要以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。


電力商場規劃“Energy-only” vs “Capacity market”并不是一個簡單的問題。關于這次電荒，如同與電力商場的規劃聯絡不大。很或許更準確的答復是，關于那些電力需求比較靈敏的用戶，德州這種大多時分很廉價的電價對他們更適宜；但是關于要保證時時刻刻需求的用戶，德州或許更簡單呈現的電價飆升就很心痛了。


在我國的電力體系革新中，容量商場也是一個恰當搶手的概念，還有不少區域先敞開容量商場，再方案敞開能量商場的。有關容量商場的效果機制，既要保證容量滿意，又要防止容量商場成為老舊的應該盡早挑選的機組的避風港，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。也有學者提出構建容量商場的一個重要理由就是可再生動力電力有波動性，需求有必定的火電容量保證電力供應：不過德州的故事如同告知我們，火電也不完全靠譜。


-風電 vs. 火電：誰是德州電荒的首惡巨惡？


每有問題產生，廣泛的反應就是要找到首惡巨惡。德州電荒的一個重要原因顯然是前所未有的嚴寒氣候。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的發電設施無法作業，也是前所未有的。





ERCOT不是沒有對或許的寒潮氣候作準備。但是在ERCOT公布的預案中，估量的情況是極點寒潮會導致大約8GW的火電設備無法發電，5GW的風電設備無法發電，加起來大約就是13GW左右；所估量的最極點的電力需求則在67GW左右，德州大約一共85GW的電力設備，這樣也還是足以滿意供應需求。


但事實上，德州的用電高峰需求達到了近70GW左右；而有逾越30GW的設備無法作業，其間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（總量大約8GW）也被凍住發不了電。


從全體來看，ERCOT現已估量到風電或許會有4-5GW的不能運轉，但是沒有估量到火電設備的問題，所以這次電荒不應該歸咎于風電本身。但是德州的電網現在的風電發電占比大約在23%左右（如下圖），假設風電占比進一步進步，而火電占比進一步下降，會不會就有風險？





這個問題的確值得擔憂。不過更為要害的如同是，德州的風電機組并沒有對極點寒潮作準備。對比來看，在其他的一些區域，雖然氣候更冷，風電設備也沒有結冰——風電機組可以經過一些防凍技能削減結冰的或許性，但是很惋惜，德州處在美國中南部，沒有估量到或許會有如此嚴寒的氣候，所以其風電機組并沒有防凍的處理。許多區域的電網也相似，大都是按照為了夏天用電高峰來準備的，很少注重隆冬的問題，所以在德州這次寒潮中，也有不少電網的問題、管道的問題，都是無法習氣低溫而中止作業的。


電力供應不或許保證100%的滿意需求，那樣的話電力本錢會大幅上漲，所以呈現電荒或許有時分并不是一個“問題”，重要是操控“電荒”帶來的后果，理順電力供需聯絡。此外，這次德州的電荒原因是發電的問題，我們也看到其他區域（如加州、我國各區域）也有傳輸的問題。電網需求統籌本錢和安穩，所以更為要害的如同是「做好更壞的準備」。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備。


北半球冬季寒潮頻發，氣候改變使得我們的電力供應更軟弱


聯絡到我國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設施更加軟弱。紐約時報的議論文章應該要比開頭所說的華爾街日報議論好一些：AGlimpse of America’s Future: Climate Change Means Trouble for Power Grids（美國未來一瞥：氣候改變讓電網更軟弱）。


跟著極地變暖，北半球寒潮產生的或許性或許會增加，而且夏天的熱浪也會增加。這幾回電荒現已告知我們，這些電荒的問題是凌亂而多變的，而且是系統性的，不是僅靠“深化推進商場化革新”或“加強辦理”就能處理，也不是僅靠“大力展開新動力”或“用火電保證電力安穩”就能處理，系統性的問題是：我們當時的基礎設施不能習氣正在改變的氣候。


假設2030年也就是十年內我國的電網非水可再生動力占比要達到25%（加上水電，40%左右），那么我我國電網的情況會和德州今天相似，不過光伏會多一些，而且關于水電少一些的北方區域，可再生動力比例或許會更高一些。那樣的情況下，我們的電網是不是也有應對極點氣候的才能？


老生常談，我們需求的是綜合的處理方案：從建筑節能，下降冬夏天節的用電高峰；到儲能展開，防止高峰值需求的供應失利；到基礎設施習氣，到擬定人道主義的氣候改變極點氣候應對方案，這些現已時不我與。我們需求低碳電網，也需求更能反抗極點氣候的電網。正如A Glimpse of America’s Future中指出：“更加扎手的問題是，我們現在處于這個國際，（尤其是針對氣候改變問題），過去現已不能為未來提供杰出的借鑒”。