最近幾天，美國大部分地區(qū)經(jīng)歷了罕見的大規(guī)模寒潮天氣。在寒潮影響下，美國德克薩斯州電力批發(fā)市場上電力價格超過了$9/度。當?shù)貢r間的2月15日，德克薩斯州電力可靠性委員會（ERCOT，負責電網(wǎng)運行和管理電力批發(fā)市場的調(diào)度）宣布進入緊急狀態(tài)，并于15日凌晨1:25開始輪流停電（rotating outages）。這一事件引發(fā)了能源界和氣候界的廣泛關注，其中關于電力市場設計和可再生能源電力的諸問題，對我國電力市場改革和可再生能源電力發(fā)展或有啟示。
（來源：環(huán)境科學與政策 ID：mysklsw 作者：Shangwei Liu）
在這篇新聞評論中，筆者試圖拋磚引玉地整理和回答下面幾個關鍵問題：-發(fā)生什么事了？“電荒”的原因幾何？- 作為世界上電力市場化程度最高的地區(qū)之一，德州的“電荒”與德州電力市場設計有無關系？- 因為寒潮來襲，德州一半左右的風力發(fā)電機組被凍結(jié)無法工作，華爾街日報昨天的評論“A Deep Green Freeze“指出德州電荒“彰顯了減少天然氣和煤炭的愚蠢行為”?？稍偕茉幢壤岣撸瑢Φ轮莸倪@次電荒到底有何影響？- 聯(lián)系到到中國去年冬天大規(guī)模寒潮下的“電荒”，如何面對北半球冬季寒潮頻發(fā)的氣候變化風險？
發(fā)生什么事了？
寒潮當然是電荒的客觀原因，ERCOT在2月11號發(fā)布的新聞就預計，由于遭遇帶來數(shù)十年來最冷的天氣，德州的電力需求量將創(chuàng)歷史新高。德州的電力市場化程度很高，點擊/就可以看到當日實時的電力需求和預測、以及各地區(qū)的電力批發(fā)價格。注意電力批發(fā)價格是發(fā)電廠提供給電力零售商的價格，之后再由零售商銷售給消費者。
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預測，以及電力供應保障。可以看到傍晚的用電高峰時期仍有可能電力供應不足。右下角的圖片是實時的各地電力批發(fā)價格，現(xiàn)在幾乎全部飆（深）紅，表示已經(jīng)到了價格上限。德州的電力批發(fā)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(fā)價格最多可以超過12美元/度，這些深紅表示基本上都在9美元/度以上了。
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從上周末開始，德州的批發(fā)電力價格就開始暴漲。下圖是ERCOT批發(fā)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。
圖片來源：https://twitter.com/Hoffdaddy6969/status/1361283534820933633/photo/1
2月14日后，德州的電力供應開始進一步惡化。一方面，德州的電力需求開始超預期增長；另一方面，受到寒潮影響，德州有近30GW的發(fā)電設備無法工作，其中26GW的是以天然氣為主的火電廠，受到天然氣供應等影響無法發(fā)電，另外4GW是風電，因為受凍不能發(fā)電。德州總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(fā)電。德州因此在開始了輪流停電。
- 德州的“電荒”與德州電力市場設計有無關系？
德州的電力市場是一個相當?shù)湫偷摹癊nergy only”的電力市場，也就是說，德州沒有電力容量市場，即沒有除了買電賣電的能量市場以外的機制去保證電廠建的足夠多。在電力市場設計的問題上，“Energy-only” vs “Capacity market”一直是一個爭議問題。根據(jù)電力市場供需曲線的關系（如下圖），電力批發(fā)價格在需求高峰飆高。保證電力機組容量的充足性、建設足夠多的電廠一直是個復雜的問題。電廠建設跟不上需求增長，電力機組容量過低，就很容易發(fā)生批發(fā)市場價格極高的問題，帶來市場不確定的風險。在極端情況下，就會成為人道主義災難。
圖片來源：/power-markets.html
引入電力容量市場，就是希望保證發(fā)電容量足夠，降低德州這種電價飆升的情況。但是電力容量市場不是免費的。容量市場相當于平時買了保險（保費也許很高）。比如在筆者現(xiàn)在所在的新澤西州（PJM電網(wǎng)）引入電力容量市場后，意味著每度電要增加$0.011-0.013的“容量費”（如下圖電力價格分解中“Capacity”所示）。這并不是一個小數(shù)目。從一些國外電力容量市場的情況看，電力容量市場有些時候變成了老舊發(fā)電設備延續(xù)生命、以及浪費消費者金錢的一種方式。
圖片來源：https://twitter.com/JesseJenkins/status/1360769546714497026
德州的電力市場沒有容量市場，所以電價平時相對便宜，如果看德州的平均一年的批發(fā)電價，2019年在0.038美元/度，2020年更為便宜在0.022美元/度。2019年高一些正是因為2019年發(fā)生了一次熱浪引發(fā)的電價飆升。平均來看，考慮到容量市場會有容量成本，德州一年的平均電價不一定因為這次飆升就比有容量市場的地方高?！獙τ诘轮葸@樣的“Energy only”的市場，出現(xiàn)的“飆升”就是市場機制在作用（而不是市場失靈）。此外，在這次德州電價飆升事件中，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(fā)市場上要以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。
電力市場設計“Energy-only” vs “Capacity market”并不是一個簡單的問題。對于這次電荒，似乎與電力市場的設計關系不大。很可能更準確的回答是，對于那些電力需求比較靈活的用戶，德州這種大多時候很便宜的電價對他們更合適；但是對于要保證時時刻刻需求的用戶，德州可能更容易出現(xiàn)的電價飆升就很心痛了。
在我國的電力體制改革中，容量市場也是一個相當熱門的概念，還有不少地區(qū)先開放容量市場，再計劃開放能量市場的。有關容量市場的作用機制，既要保證容量足夠，又要避免容量市場成為老舊的應該盡早淘汰的機組的避風港，還需要更深入的研究——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(gòu)建容量市場的一個重要理由就是可再生能源電力有波動性，需要有一定的火電容量保障電力供應：不過德州的故事似乎告訴我們，火電也不完全靠譜。
-風電 vs. 火電：誰是德州電荒的罪魁禍首？
每有問題發(fā)生，普遍的反應就是要找到罪魁禍首。德州電荒的一個重要原因顯然是前所未有的寒冷天氣。下圖是德州近年來的用電需求走勢，可以看到2021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(fā)電設施無法工作，也是前所未有的。
圖片來源：https://climatecrocks.com/2021/02/16/texas-freeze-well-beyond-the-design-parameters/
ERCOT不是沒有對可能的寒潮天氣作準備。但是在ERCOT公布的預案中，預計的情況是極端寒潮會導致大概8GW的火電設備無法發(fā)電，5GW的風電設備無法發(fā)電，加起來大概就是13GW左右；所預計的最極端的電力需求則在67GW左右，德州大概總共85GW的電力設備，這樣也還是足以滿足供應需求。
但事實上，德州的用電高峰需求達到了近70GW左右；而有超過30GW的設備無法工作，其中26GW都是火電，有的煤電機組被凍住了轉(zhuǎn)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（總量大概8GW）也被凍住發(fā)不了電。
從整體來看，ERCOT已經(jīng)預計到風電可能會有4-5GW的不能運行，但是沒有預計到火電設備的問題，所以這次電荒不應該歸咎于風電自身。但是德州的電網(wǎng)現(xiàn)在的風電發(fā)電占比大概在23%左右（如下圖），如果風電占比進一步提高，而火電占比進一步下降，會不會就有風險？
圖片來源：https://twitter.com/joshdr83/status/1349153819066826755/photo/1
這個問題確實值得擔心。不過更為關鍵的似乎是，德州的風電機組并沒有對極端寒潮作準備。對比來看，在其他的一些地區(qū)，盡管天氣更冷，風電設備也沒有結(jié)冰——風電機組可以通過一些防凍技術(shù)減少結(jié)冰的可能性，但是很遺憾，德州處在美國中南部，沒有預計到可能會有如此寒冷的天氣，所以其風電機組并沒有防凍的處理。很多地區(qū)的電網(wǎng)也類似，大都是按照為了夏季用電高峰來準備的，很少關注寒冬的問題，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，都是無法適應低溫而停止工作的。
電力供應不可能保證100%的滿足需求，那樣的話電力成本會大幅上漲，所以出現(xiàn)電荒或許有時候并不是一個“問題”，重要是控制“電荒”帶來的后果，理順電力供需關系。此外，這次德州的電荒原因是發(fā)電的問題，我們也看到其他地區(qū)（如加州、中國各地區(qū)）也有傳輸?shù)膯栴}。電網(wǎng)需要兼顧成本和穩(wěn)定，所以更為關鍵的似乎是「做好更壞的準備」。隨著氣候變化的發(fā)展，氣候異常的影響需要我們更充分的準備。
北半球冬季寒潮頻發(fā)，氣候變化使得我們的電力供應更脆弱
聯(lián)系到中國去年冬天的寒潮天氣和“電荒”，氣候變化正在使得我們的基礎設施更加脆弱。紐約時報的評論文章應該要比開頭所說的華爾街日報評論好一些：AGlimpse of America’s Future: Climate Change Means Trouble for Power Grids（美國未來一瞥：氣候變化讓電網(wǎng)更脆弱）。
隨著極地變暖，北半球寒潮發(fā)生的可能性或許會增加，而且夏天的熱浪也會增加。這幾次電荒已經(jīng)告訴我們，這些電荒的問題是復雜而多變的，而且是系統(tǒng)性的，不是僅靠“深入推進市場化改革”或“加強管理”就能解決，也不是僅靠“大力發(fā)展新能源”或“用火電保障電力穩(wěn)定”就能解決，系統(tǒng)性的問題是：我們當前的基礎設施不能適應正在變化的氣候。
如果2030年也就是十年內(nèi)中國的電網(wǎng)非水可再生能源占比要達到25%（加上水電，40%左右），那么我中國電網(wǎng)的情況會和德州今天類似，不過光伏會多一些，而且對于水電少一些的北方地區(qū)，可再生能源比例可能會更高一些。那樣的情況下，我們的電網(wǎng)是不是也有應對極端天氣的能力？
老生常談，我們需要的是綜合的解決方案：從建筑節(jié)能，降低冬夏季節(jié)的用電高峰；到儲能發(fā)展，避免高峰值需求的供應失??；到基礎設施適應，到制定人道主義的氣候變化極端天氣應對方案，這些已經(jīng)時不我待。我們需要低碳電網(wǎng)，也需要更能抵抗極端天氣的電網(wǎng)。正如A Glimpse of America’s Future中指出：“更加棘手的問題是，我們現(xiàn)在處于這個世界，（尤其是針對氣候變化問題），過去已經(jīng)不能為未來提供良好的借鑒”。
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