极端天气下,拜登如何面对脆弱的电力系统?

来源:海国图智研究院时间:2021-08-17

7月12日,美国国家气象局(NWS)发布高温预警,提醒美国西部部分地区市民警惕“前所未有”的高温风险。气象局称,自6月1日起至今,全美已有67个气象站的数据追平或打破了75年来的高温纪录。极端天气下,加利福尼亚州、纽约州、得克萨斯州等州的电网系统出现大规模故障,国家电网的承受能力面临着严峻的考验。

早在6月29日,美国中部电力独立运营商也发布了最大用电负荷预警,电网运营商预计今年最高负荷将比去年高出5%到50%。危机当前,部分地区主动出台政策减轻电网压力,例如加州电力监管机构和内华达能源公司发布节电警报,要求居民通过调整恒温器和减少电器的使用来节约能源,否则为维持电力系统运行可能需要轮流停电。纽约市官员也向居民发送了紧急移动警报,敦促他们节约能源。然而,面对极端天气下脆弱的电力系统,各州所能采取的措施极为有限,大多州只能选择倡导减少电器使用或临时切断部分地区的电力供给以保证整个电网系统不会崩溃。极端天气带来的影响已不容忽视,但美国的电力系统显然还没有做好应对准备。面对极端天气,美国的电力系统缘何不堪重负,拜登政府又能否成功应对电网改革的复杂挑战,值得深入关注。


6月,位于得克萨斯州休斯顿的输电塔(来源:Getty Images)

极端高温天气下脆弱的美国电力系统

在这场危机中,美国电力系统面对极端高温天气为何如此不堪一击?其首要原因在于高温限制了电网所能输送的能量,并使变压器更容易发生故障,导致发电厂的效率将大幅降低。但与此同时,酷热的天气又会推高能源需求。由于制冷设备的大规模运转,电网需要源源不断地供电,造成电网过载甚至断电。全球变暖更是使美国的极端天气现象更加普遍,电力系统愈发不堪重负。

此外,天灾人祸并存对美国多地的电力供应构成了另一重大挑战,使得电网在这个夏天之前就面临重压。天灾方面,发电厂往往都需要依靠水来冷却其系统,因此干旱缺水极易导致发电厂停运。但受此次极端高温天气影响,美国西部90%以上的地区遭历史性严重干旱,湖泊水位下降,河床干涸,极大影响了电力系统的正常运转。美国西部地区电力管理局临时局长和首席执行官勒博(Tracey LeBeau)称,在今年的干旱中,科罗拉多河中较低的水位已经影响到发电和输电。这一影响在科罗拉多河流域的米德湖表现得尤为明显,较低的水位已经使米德湖水库的电力输出减少了四分之一,且预计还将进一步恶化,一定程度上威胁到亚利桑那州、内华达州和加利福尼亚州的电力供应。除面对极端天气的承受能力低下外,美国电力系统仍然面临着老化、输电线路拥堵等沉疴旧疾。据美国能源部统计显示,全美有70%的输电线和变压器运行年限超过25年,60%的断路器运行年限超过30年。种种因素叠加,使得单一的故障也将会在超负荷的美国电网中引发灾难性的多米诺骨牌效应。


6月,因干旱而水位较低的内华达州米德湖(来源:NBC News)

美国统一电力调度缺位的问题也是此轮大规模电力危机的导火索之一。美国本土的供电主要是由三大彼此相连但独立运行的电网管辖:东部联合电网,西部联合电网,以及得州电网。美国并没有真正意义上的国家电网,这意味着在极端天气造成的电力事故发生后,国家一级的电力调度难以做到及时调剂余缺、相互支援,“孤网”自然也很难转危为安,这一问题在今年2月的得州大停电中已暴露无遗。如今,在极端高温天气的负荷下,国家无法统一调配电力,自顾不暇的各州也很少会有电力支援邻州的意愿,最终加剧了电力事故的蔓延。以得州为例,得州电力可靠性委员会(ERCOT)公布数据显示,截至7月7日,得州电网在2021年夏季已出现1280次计划外停电,而在极端天气到来前的5月,停电次数仅有90次,电网承受能力在冬季之后再次受到重大考验。

拜登改革电力系统举步维艰

近几个月来,极端天气多次导致美国电网出现严重问题。今年2月,冬季风暴袭击得克萨斯州,导致近500万人遭受连续数日断电的影响。极端天气平均每年给美国经济带来高达330亿美元的损失,包括工资补偿、库存受损、生产延迟和电网被破坏带来的损失等。电网改革迫在眉睫。

拜登政府高度重视电力系统的建设,并将目光聚焦于提高电网效力、继续推广清洁能源以及改善能源基础设施的建设之上。7月12日,拜登在访问威斯康星州拉克罗斯市时称,“随着气候变化诱发的极端天气事件越来越频繁,我们需要进行投资,建立一个更有弹性的电网来承载这些电力”。在此之前,拜登也曾在三月和四月分别提出2.3万亿美元的“美国就业计划”(American Jobs Plan)和超80亿美元的改善美国电网的计划,以提高电力系统的覆盖范围、可靠性和面对灾害的韧性。

然而,电力系统改革的最大瓶颈是可再生能源的广泛应用和当下陈旧薄弱的电力基础设施之间的矛盾。首先,可再生能源在一定程度上改变了传统电力系统的稳定性和可控性。近年来,可再生能源的开发和利用飞速发展。根据EIA的数据,2020年,太阳能、风能和其他可再生能源产生的电力占美国电力的21%,预计到2050年,这一比例将翻倍。此前,电力部门可以通过控制石油天然气等化石燃料的来源基本掌控有多少电力进入电网,从而在源头生产较为稳定的电力。尽管电网目前仍然依赖大量的煤电,但越来越多的电力来自太阳能和风能等具有较高的不可控性的可再生能源,使电力部门面临着平衡发电量的难题,在愈加频发的极端天气下尤为如此。例如,全国风力发电量最高的得州在白天更多利用太阳能发电,在夜间则需要更多地供应风电,而类似的例子在美国尤其是新能源发展势头迅猛的州比比皆是。除此之外,美国老化的电力系统也缺乏能力使用或储存这些能源,使大量潜在的电能被白白浪费,难以储备充足的备用电源以应对停电事故,甚至还加重了其在极端天气下的承载压力。在佛蒙特州,由于电网已经达到最大限度,太阳能和风能只能暂停发电以防止电网因过载崩溃。在一些州,公用事业部门也会选择付钱给风电厂以关闭其风力涡轮机,从而减轻电网面对大风天激增电力的压力。


可再生能源在未来预计将成为美国最主要的电力来源(来源:Council on Foreign Relations)

拜登政府的电力系统改革还面临各区域电网间调度协调不便的难题。美国电网具有典型的分散化发展模式特点,全国共有三大独立运行的电网和500多家电网企业,这种区域化的发展格局和碎片化的产权结构使不同所有权属的电网逐步互联发展起来,形成了分散的电网管理机制。同时,在联邦政治体制下,美国各州电网监管权限大,而联邦职责相对有限。以管理最为松散的得州为例,1996年,得州成立“电力可靠性委员会”(ERCOT),并建立纯市场化的“独立性供电组织”(ISO)。ERCOT只负责监督、管理和规范本州发供电企业的市场经营行为,而联邦能源管理委员会(FERC)则只对ERCOT负监督之责。面对危机,各州更多从自身利益出发,难以实现全国能源布局的统筹及电力资源的优化配置。种种因素导致美国至今尚未形成统一的全国性电网,增加了各区域电网间调度协调的难度,对电力系统的安全构成较大威胁。

结语

时至今日,美国电网面临电网安全可靠性较低、可再生能源消纳困难、整体协调统一性不足等诸多问题,如果不积极采取行动,与极端天气有关的电力系统事故数量只会随着时间的推移而增加。总体而言,此次大规模停电暴露出极端天气下美国日益脆弱的电力系统,也给拜登政府的改革带来了全新的挑战。如何在今后的发展中平衡传统能源与新能源,以及如何应对极端天气愈发频繁的发展环境等问题,同样是各州和整个美国社会都要思考的问题。一方面,美国的电力基础设施亟待修缮。电网承受能力的提高是降低极端天气电力事故发生频率的关键。另一方面,新技术的开发迫在眉睫。只有通过技术提高电网的弹性,才能最大程度减轻极端天气对电网运作能力的负面影响。拜登政府能否成功应对极端天气下电网改革的挑战还有待观察。

本文审校:郭雷 葛健豪