能源

得州大停电给中国的启示

电力市场在应对极端天气方面的过往成绩并不优秀,提高电力系统的气候韧性应从规划、储能、灵活性和利益相关方参与等多方面入手。
  • en
  • 中文
2月15日,无人机拍摄的得州奥斯汀市南拉马尔大道街景。图片来源:Pearcey Proper / Alamy
2月15日,无人机拍摄的得州奥斯汀市南拉马尔大道街景。图片来源:Pearcey Proper / Alamy

过去一年中,美国发生的一系列停电事件引发了人们对电力系统韧性的质疑。对中国来说,能源安全是一项重要国策。不论在哪里,它都是保障生活质量最基本的一个必备条件。

得克萨斯州和加利福尼亚州近期遭遇的停电事件都可以归咎于少数几个主因。

2月15日至19日得州发生的大规模停电是长时间的冬季极寒导致该州燃气电厂意外停产与电力需求激增相叠加造成的。电力需求比电网此前预测的冬季暴风雪最坏情景下的需求水平高出了14%。该州电网运营商得州电力可靠性委员会(the Electric Reliability Council of Texas,Ercot)报告显示,有超过30吉瓦的热电设施(主要是燃气电厂,但也包括燃煤电厂和核电站)无法运行,远远高于预案中最糟糕的情况下14吉瓦的停运容量。

保温性能良好的房屋本身就像是一个能够存储冷热能量的设备。

与得州相比,去年夏天加州遭遇的停电时间相对较短,规模也较小。 2020年8月14日,加州电网运营商要求电网在大约两个小时的时间里切掉500兆瓦的负荷。第二天,该州又失去了500兆瓦的电力供应并持续了20分钟。加州电网管理机构的一份官方报告认为造成此次断电的原因有三,一是前所未有的夏季极端高温天气,二是陈旧的预案(尤其是在光伏供电不足的傍晚时分),三是电力市场运行不畅。

去年12月,中国多省也经历了“拉闸限电”。在浙江省,限电的主要原因是为求达到能耗目标。在其它省份,造成限电的因素还有严寒导致的用电需求增加、水电短缺、以及从周边地区电力进口不足等。

气候变化使极端天气更加频繁,并且也使极端天气事件的影响范围超出了很多规划者的预期。断电通常是由意外事件和偶发事件共同引起的,天气是其中之一。

中国的政府官员已经表示,中国不太可能面临得州那样的停电事故,因为2008年华南地区遭受冰冻雨雪灾害而发生类似停电之后,中国电网便加装了防寒设备,并更多地通过预防性措施来提前应对极端天气情况。另外,燃气发电只占中国电力供应的一小部分,而且中国大多数燃煤电厂都位于气候寒冷的北方地区,有应对极寒天气的充分准备。尽管如此,从近期这些停电事件中我们仍能汲取重要的经验教训,从而为两国的电力系统发展指明方向,使其具有更高的气候韧性和备灾能力。

Texas Winter Storm - Linemen work to restore power
暴风雪过后,得州的电力人员抢修路线恢复供电。图片来源: Jonathan Cutrer / Flickr, CC BY-NC 2.0

经验一:让多个利益相关方参与情景式的预案设计

电力规划通常过于注重电厂和电力系统的设计和功能。得州此次停电事故从几个方面凸显了让更多的利益相关方(如管道泵站、水处理厂和医院)参与电力规划和预案设计的必要性。

情景分析和多利益相关方的危机管理演练可以帮助某一领域的参与者正确预估其他领域参与者的准备情况,还有助于设计操作手则和政策激励措施,从而得出更持久的解决方案。

情景式预案对于应对气候变化日益严重的影响尤其重要。气候变化带来的不止是更频繁的极端天气,它还导致这些极端天气事件影响的地域范围一年比一年广。因此,本来高度局地化的电网扰动和断电现在变得更加严重,因为邻近地区的支援也难以及时到位,这个问题对于得州电力系统尤其突出。最近加州、得州和中国发生的极端天气事件以及早些时候发生的同类事件,如2019年美国中西部地区遭遇的由极地涡旋引起的寒潮等都表明了这一点。

经验二:提高电力系统的灵活性并推广储能解决方案

由于天然气发电在加州和得州电力系统中占有很大比重,且两州的电力现货市场历史悠久,因此人们通常认为它们的电力系统会更加灵活。但是,它们在灵活性方面却有一个短板,那就是传输。

得州选择将自己的电网独立于美国其他地区电网之外。毫无疑问,这是导致其断电持续时间长、规模大的原因之一。与它相邻的州也经历了电力短缺,但是情况远没有那么严重。加州电网与其邻州电网的联系相对较为紧密,但是一份官方报告指出,电力传输调度缺乏时间灵活性影响了电网运营商应对突发电力短缺的能力。去年冬天湖南遭遇的限电也是由于输电能力有限,再加上邻近省份电力需求过高所导致的。

2020年,由德国国际合作机构(GIZ)发布的一份由国家发改委能源研究所(ERI)撰写的报告认为,提高京-津-冀地区电网灵活性的最具成本效益的方法就是对燃煤电厂进行灵活性改造和对现有输电通道进行升级,而储能和需求侧响应的成本效益则较低。

但这并不意味着要将储能和需求侧响应排除在解决方案之外。储能在某些功能上已经具有成本效益,比如在用电高峰时增加电力供应的调峰功能。加州已加快了储能设备的采购,以防止将来夏季午后出现电力短缺。分布式储能的重要性也越来越明显。加州的业主们,尤其是农村地区的业主,已经纷纷采购家用电池储能系统,为应对山火季节做准备。适用于独立式住宅的分布式储能系统虽然看起来不太适合中国以多层和高层住宅为主的国,但这没有考虑许多村庄、胡同和老旧社区。对这些地方来说,配电系统升级是个难题。

“车辆到电网”(Vehicle-to-grid,V2G)技术能够实现电动汽车车载电池对电网的反向电力输送。目前为止,该技术在解决电网问题方面尚未发挥作用,但这一情况可能很快就会有所改观。越来越多的大型汽车制造商都在采用这项技术。经受过断电困扰的顾客能认识到它显而易见的好处。分布式储能和电动汽车在电网调控方面可能会发挥越来越大的作用。

经验三:通过政策激励和财政支持提高建筑物能效

建筑群的能效越高,就越易于保持电网的稳定。因为极端天气到来时,高能效的建筑可以缓解用电需求的陡增。在得州和加州,被动式住宅和高能效建筑的业主们都相对舒适地度过了热浪和寒潮,而几乎没有产生额外的能源消耗。保温性能良好的房屋本身就像是一个能够存储冷热能量的设备。

许多地方的建筑标准注重的都是施工的统一,这是为了满足开发商降低成本的需求,而对居住者的健康、福祉或能源成本则关注较少。这样的标准尤其会影响建筑能效升级的方向,例如它会在不考虑建筑物整体能效表现的情况下鼓励进行一些硬件的升级,如安装LED照明或加装流于表面的保温层。如果所有建筑物因为这样的标准而造得一样平庸,那么建筑业就永远不会具备以较低的成本建造高性能建筑物的能力。

当政策制定者考虑能源安全时,主要在意的是能源供应能力。这很自然,因为当风暴迫在眉睫的时候再去提高能源效率几乎是不可能的。但是,这可能会导致为了应对用电高峰而过多地投资于新的、使用率很低的备用容量,可能永远无法收回成本。投资于能效虽然每天都能让居住者和使用者在舒适性和成本方面受益,但在有些人看来则“太贵了”。能效投资面临的另一个障碍是,那些负责保障能源安全的人没有左右能效政策的权力,并且也不会从能效提升中获得利益甚至是公众认可。

经验四:规划和市场协同作用

众所周知,市场有助于提高能源配置效率。但是,现在有大量研究表明,电力市场所发出的信号在引导新的电力资源投资从而提高电力系统满足高峰负荷和响应紧急情况方面的表现非常有限。

电力市场的局限性在得州得到了明确的体现。得州虽然有电力现货市场,但却没有容量市场。监管机构允许节点电价冲上9000美元/兆瓦时,并在这一水平上保持了数天。这个价格比正常电价高出了200倍以上,目的只是为了激励发电企业保持供电。这也给一些消费者带来了意想不到的巨额账单。

加州的官方停电报告指出了市场在设计和规划方面存在的缺陷,并表示对于拥有大量太阳能、并且整个地区夏季温度一贯较高的加州而言,规划流程在某些方面已经过时,不适合解决该州面临的新的困境。相比起引入新的电力市场机制,例如容量市场来解决问题,加州选择了改善电力规划和预案,例如升级了天气模型,更改了为夜间用电高峰配备足够备用容量的要求。最重要的是,取消了对储能、需求响应和其他方面的灵活性进行升级的监管和市场壁垒。

问题很多,办法也多

即将到来的这个夏季和冬季无疑将发生一系列新的极端天气,从而导致更多的停电事故。归根结底,要想提高电网的响应能力和气候韧性,就需要比头痛医头、脚痛医脚更系统性的应对,提升电力系统的整体性能。这就需要从规划升级、利益相关方参与、灵活性、传输、分布式能源/储能、建筑物能效以及电力市场等各个方面入手。每个方面本身就是一个课题,但是要解决能源安全问题,就必须一把抓。

中国的决策者们需要将能源安全作为优先事项。国家电网已经制定了雄心勃勃的计划,将建设新的特高压输电走廊输送可再生能源。国家能源局最近发布了一项新的政策,推进电力源网荷储一体化。所有这些措施都是为了更好地实现电力系统一体化。中国在建筑物能效升级方面积累了数十年的经验。但是,鼓励电网公司、能源企业和地方政府携起手来,通过提高建筑物能效和推广分布式储能以及增加电力供应来增强电网的韧性也很重要。

本文仅代表作者个人观点。