20210221：美国德州“电荒”：对电力市场改革和新能源电力的启示
最近几天，美国大部分地区经历了罕见的大规模寒潮天气。在寒潮影响下，美国德克萨斯州电力批发市场上电力价格超过了$9/度。当地时间的2月15日，德克萨斯州电力可靠性委员会（ERCOT，负责电网运行和管理电力批发市场的调度）宣布进入紧急状态，并于15日凌晨1:25开始轮流停电（rotating outages）。这一事件引发了能源界和气候界的广泛关注，其中关于电力市场设计和可再生能源电力的诸问题，对我国电力市场改革和可再生能源电力发展或有启示。下图是美国2月15日的停电地图：
（来源：微信公众号“环境科学与政策” ID:mysklsw 作者：Shangwei Liu）
图片来源：https://climatecrocks.com/2021/02/16/texas-freeze-well-beyond-the-design-parameters/
在这篇新闻评论中，笔者试图抛砖引玉地整理和回答下面几个关键问题：-发生什么事了？“电荒”的原因几何？- 作为世界上电力市场化程度最高的地区之一，德州的“电荒”与德州电力市场设计有无关系？- 因为寒潮来袭，德州一半左右的风力发电机组被冻结无法工作，华尔街日报昨天的评论“A Deep Green Freeze“指出德州电荒“彰显了减少天然气和煤炭的愚蠢行为”。可再生能源比例提高，对德州的这次电荒到底有何影响？- 联系到到中国去年冬天大规模寒潮下的“电荒”，如何面对北半球冬季寒潮频发的气候变化风险？
发生什么事了？
寒潮当然是电荒的客观原因，ERCOT在2月11号发布的新闻就预计，由于遭遇带来数十年来最冷的天气，德州的电力需求量将创历史新高。德州的电力市场化程度很高，点击/就可以看到当日实时的电力需求和预测、以及各地区的电力批发价格。注意电力批发价格是发电厂提供给电力零售商的价格，之后再由零售商销售给消费者。
下图是笔者2月16日早上登陆的情况，从左上角的图片可以看到实时的电力需求和之后的预测，以及电力供应保障。可以看到傍晚的用电高峰时期仍有可能电力供应不足。右下角的图片是实时的各地电力批发价格，现在几乎全部飙（深）红，表示已经到了价格上限。德州的电力批发价格有一个上限：9美元/度，但是加上拥堵费等等，各地电力批发价格最多可以超过12美元/度，这些深红表示基本上都在9美元/度以上了。
图片来源：/
从上周末开始，德州的批发电力价格就开始暴涨。下图是ERCOT批发电力价格的从1月到上周末的走势图，可以看到收到寒潮影响，电价飙升了一百倍。
图片来源：https://twitter.com/Hoffdaddy6969/status/1361283534820933633/photo/1
2月14日后，德州的电力供应开始进一步恶化。一方面，德州的电力需求开始超预期增长；另一方面，受到寒潮影响，德州有近30GW的发电设备无法工作，其中26GW的是以天然气为主的火电厂，受到天然气供应等影响无法发电，另外4GW是风电，因为受冻不能发电。德州总共的电力供应也就是80多GW左右，意味着近三分之一的电厂无法发电。德州因此在开始了轮流停电。下图是结冰的风电机组：
图片来源：https://twitter.com/anasalhajji/status/1361084018180165640/photo/1
- 德州的“电荒”与德州电力市场设计有无关系？
德州的电力市场是一个相当典型的“Energy only”的电力市场，也就是说，德州没有电力容量市场，即没有除了买电卖电的能量市场以外的机制去保证电厂建的足够多。在电力市场设计的问题上，“Energy-only” vs “Capacity market”一直是一个争议问题。根据电力市场供需曲线的关系（如下图），电力批发价格在需求高峰飙高。保证电力机组容量的充足性、建设足够多的电厂一直是个复杂的问题。电厂建设跟不上需求增长，电力机组容量过低，就很容易发生批发市场价格极高的问题，带来市场不确定的风险。在极端情况下，就会成为人道主义灾难。
图片来源：/power-markets.html
引入电力容量市场，就是希望保证发电容量足够，降低德州这种电价飙升的情况。但是电力容量市场不是免费的。容量市场相当于平时买了保险（保费也许很高）。比如在笔者现在所在的新泽西州（PJM电网）引入电力容量市场后，意味着每度电要增加$0.011-0.013的“容量费”（如下图电力价格分解中“Capacity”所示）。这并不是一个小数目。从一些国外电力容量市场的情况看，电力容量市场有些时候变成了老旧发电设备延续生命、以及浪费消费者金钱的一种方式。
图片来源：https://twitter.com/JesseJenkins/status/1360769546714497026
德州的电力市场没有容量市场，所以电价平时相对便宜，如果看德州的平均一年的批发电价，2019年在0.038美元/度，2020年更为便宜在0.022美元/度。2019年高一些正是因为2019年发生了一次热浪引发的电价飙升。平均来看，考虑到容量市场会有容量成本，德州一年的平均电价不一定因为这次飙升就比有容量市场的地方高。——对于德州这样的“Energy only”的市场，出现的“飙升”就是市场机制在作用（而不是市场失灵）。此外，在这次德州电价飙升事件中，一些电力零售商给用户的是固定的电力价格（比如就是0.04美元一度电），而从批发市场上要以9美元一度电的价格买回来，这些电力零售商最近损失应该不小。
电力市场设计“Energy-only” vs “Capacity market”并不是一个简单的问题。对于这次电荒，似乎与电力市场的设计关系不大。很可能更准确的回答是，对于那些电力需求比较灵活的用户，德州这种大多时候很便宜的电价对他们更合适；但是对于要保证时时刻刻需求的用户，德州可能更容易出现的电价飙升就很心痛了。
在我国的电力体制改革中，容量市场也是一个相当热门的概念，还有不少地区先开放容量市场，再计划开放能量市场的。有关容量市场的作用机制，既要保证容量足够，又要避免容量市场成为老旧的应该尽早淘汰的机组的避风港，还需要更深入的研究——电厂该建的要建，不该建的不要建，该退役的不要留下。也有学者提出构建容量市场的一个重要理由就是可再生能源电力有波动性，需要有一定的火电容量保障电力供应：不过德州的故事似乎告诉我们，火电也不完全靠谱。
-风电 vs. 火电：谁是德州电荒的罪魁祸首？
每有问题发生，普遍的反应就是要找到罪魁祸首。德州电荒的一个重要原因显然是前所未有的寒冷天气。下图是德州近年来的用电需求走势，可以看到2020年这几天的用电高峰是前所未有的；而且寒潮导致近30GW的发电设施无法工作，也是前所未有的。
图片来源：https://climatecrocks.com/2021/02/16/texas-freeze-well-beyond-the-design-parameters/
ERCOT不是没有对可能的寒潮天气作准备。但是在ERCOT公布的预案中，预计的情况是极端寒潮会导致大概8GW的火电设备无法发电，5GW的风电设备无法发电，加起来大概就是13GW左右；所预计的最极端的电力需求则在67GW左右，德州大概总共85GW的电力设备，这样也还是足以满足供应需求。
但事实上，德州的用电高峰需求达到了近70GW左右；而有超过30GW的设备无法工作，其中26GW都是火电，有的煤电机组被冻住了转不了；有的没有天然气供应（天然气价格也飙升近百倍，而且买不到）；有的管道坏了天然气运不过来。风电也有4GW左右（总量大概8GW）也被冻住发不了电。
从整体来看，ERCOT已经预计到风电可能会有4-5GW的不能运行，但是没有预计到火电设备的问题，所以这次电荒不应该归咎于风电自身。但是德州的电网现在的风电发电占比大概在23%左右（如下图），如果风电占比进一步提高，而火电占比进一步下降，会不会就有风险？
图片来源：https://twitter.com/joshdr83/status/1349153819066826755/photo/1
这个问题确实值得担心。不过更为关键的似乎是，德州的风电机组并没有对极端寒潮作准备。对比来看，在其他的一些地区，尽管天气更冷，风电设备也没有结冰——风电机组可以通过一些防冻技术减少结冰的可能性，但是很遗憾，德州处在美国中南部，没有预计到可能会有如此寒冷的天气，所以其风电机组并没有防冻的处理。很多地区的电网也类似，大都是按照为了夏季用电高峰来准备的，很少关注寒冬的问题，所以在德州这次寒潮中，也有不少电网的问题、管道的问题，都是无法适应低温而停止工作的。
电力供应不可能保证100%的满足需求，那样的话电力成本会大幅上涨，所以出现电荒或许有时候并不是一个“问题”，重要是控制“电荒”带来的后果，理顺电力供需关系。此外，这次德州的电荒原因是发电的问题，我们也看到其他地区（如加州、中国各地区）也有传输的问题。电网需要兼顾成本和稳定，所以更为关键的似乎是「做好更坏的准备」。随着气候变化的发展，气候异常的影响需要我们更充分的准备。
北半球冬季寒潮频发，气候变化使得我们的电力供应更脆弱
联系到中国去年冬天的寒潮天气和“电荒”，气候变化正在使得我们的基础设施更加脆弱。纽约时报的评论文章应该要比开头所说的华尔街日报评论好一些：AGlimpse of America’s Future: Climate Change Means Trouble for Power Grids（美国未来一瞥：气候变化让电网更脆弱）。
随着极地变暖，北半球寒潮发生的可能性或许会增加，而且夏天的热浪也会增加。这几次电荒已经告诉我们，这些电荒的问题是复杂而多变的，而且是系统性的，不是仅靠“深入推进市场化改革”或“加强管理”就能解决，也不是仅靠“大力发展新能源”或“用火电保障电力稳定”就能解决，系统性的问题是：我们当前的基础设施不能适应正在变化的气候。
如果2030年也就是十年内中国的电网非水可再生能源占比要达到25%（加上水电，40%左右），那么我中国电网的情况会和德州今天类似，不过光伏会多一些，而且对于水电少一些的北方地区，可再生能源比例可能会更高一些。那样的情况下，我们的电网是不是也有应对极端天气的能力？
老生常谈，我们需要的是综合的解决方案：从建筑节能，降低冬夏季节的用电高峰；到储能发展，避免高峰值需求的供应失败；到基础设施适应，到制定人道主义的气候变化极端天气应对方案，这些已经时不我待。我们需要低碳电网，也需要更能抵抗极端天气的电网。正如A Glimpse of America’s Future中指出：“更加棘手的问题是，我们现在处于这个世界，（尤其是针对气候变化问题），过去已经不能为未来提供良好的借鉴”。