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气候变化扰乱得州电网,出路在于系统性转型

想靠增加冗余化石能源发电设施提升电网韧性只会事与愿违,得州之劫告诉我们气候“新常态”面前系统性转型的迫切性。
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极寒天气导致得州多处停水断电,当地居民排队领取饮用水。图片来源:Mario Cantu/CSM/Sipa USA
极寒天气导致得州多处停水断电,当地居民排队领取饮用水。图片来源:Mario Cantu/CSM/Sipa USA

本月早些时候席卷半个美国的极寒天气导致整个中部地区遭遇前所未有的大范围停电,得克萨斯州尤为严重。该州电网运营商得州电力可靠性委员会(Electric Reliability Council of Texas,简称ERCOT)挣扎着满足历史性的高用电需求,而电厂——主要是燃气电厂——却因冰冻天气而发生故障或无法获得足够的燃料,这让数百万人无电可用。

去年夏天加州的停电相似,此次紧急事件的根源是复杂的,需要几个月才能做出全面的评估。但很快,大量不实或误导性言论就已出现,声称得克萨斯州风电占比太大是导致此次停电的主要因素,并称只有化石燃料电力才能确保电网的可靠性和韧性。这些说法不仅不对,而且把公众的注意力从为了避免重蹈覆辙而真正要做的工作转移开。

40%

以上的煤炭、天然气和核电站在上周因寒冷而停转。

正如一再被证实的那样,过去一百年来建立的化石燃料电厂以及围绕其建立的电力系统格外容易受极端天气的影响,而气候变化正导致极端天气愈发常见。危机当前,应该针对问题的根源采取前瞻性的解决方法,而不是基于过去的错误解决方案,即一味坚持既昂贵不安全的依赖化石燃料的集中式电力系统。

导致停电的是系统性挑战而不是可再生能源

得州当前的电力危机和去年加州停电背后的根本驱动力都是气候变化。气候变化让极热和极寒天气都更加常见,这给根据上世纪天气条件设计的电力系统,包括电站和电网,都带来了超出设计条件的压力。

目前得州极寒天气带来的后果同时揭示出电力系统需求侧和供给侧的问题。在需求侧,60%的得州居民用电取暖,而且其中绝大多数家庭使用的是低效的电阻加热,而非现代而高效的热泵。因此,当该州大部分地区的温度降至接近历史最低点时,电力需求飙升,远远超出了应急计划所能覆盖的水平。简言之,得州电力可靠性委员会没有料到气候变化会造成如此高的电力需求。

该州少数依靠燃气取暖的家庭的用气需求也给电网带来了问题。首先,低温导致天然气管道流量受到限制,这使天然气总体供应受限。其次,可用的天然气供应量被用于优先照顾建筑供暖,进一步导致电站燃料供应不足。而且即使天然气被输送进了燃气电站,它们也往往不起作用:寒冷的天气还导致燃气发电机本身出现机械故障。

电网规划者和决策者必须考虑电网面临的“新常态”

尽管冰冻确实让风力发电出现了一些故障,但重要的是要分清得州电力可靠性委员会期待风电在此类紧急事件中做出的次要贡献,以及它期待燃气电站在满足高峰用电需求方面所扮演的主导角色。得州电力可靠性委员会的一位发言人表示,风力涡轮机结冰此次停电中“最不重要的因素”。此外,值得注意的是,这个问题解决起来相对简单。例如,加拿大的“严寒天气工具包”让风机能在非常低的温度中工作。

此外,电网规划者也明白用电高峰期常常无风力可用,他们看重的恰恰是风力发电的主要优点:只要刮风就能获得廉价、无污染的电力。另一方面,采用燃料发电的一个主要理由是其理论上可以在任何天气条件下发电,但这却恰恰未能在上周的得州得以实现,那里40%以上的煤炭、天然气和核电站都因寒冷而停转。

系统性解决方案是唯一的出路

为了应对气候变化这类对电网和能源经济整体都会产生影响的根本性干扰因素,我们需要超越源于上世纪的技术的寻常策略。此类旧式方案通常注重的是“强化”电网的各个组成部分,而无法应对这些组成部分之间的相互依赖性,以及能够导致大范围灾难性停电的新型风险

有三类超越守旧经验的方案有助于开始降低这些风险。首先,电网规划者和决策者必须考虑电网面临的“新常态”,尤其是气候变化导致的极端天气事件(包括高温火灾或者眼下这种骤寒)在规划中必须被考虑到,此外还有这些极端天气与汽车建筑等领域的新兴电气化趋势之间的相互作用——这些趋势让电力变得愈发关键。

其次,电力行业应从旧式韧性方案过渡到认识到21世纪的风险并利用适当的技术去应对它们的新方案。若将包括定向能源效率(targeted energy efficiency)、需求弹性(demand flexibility)、社区尺度屋顶太阳能光伏、电池储能系统,以及先进的配电系统控制在内的技术部署在靠近终端用户的地方,就可以在电网大范围停电期间继续为关键设施和荷载服务。此类技术在电网正常运作期间同样能够创造经济价值,并且能够支持社区能源目标,相比重金投资冗余化石燃料发电设施,它所创造的电网韧性成本更低、价值更高。

第三,电力行业应继续优先投资于老旧电网基础设施的现代化改造。为了减少碳排放从而避免气候变化带来最坏的影响,从而真正解决电网不稳定的根本原因,我们必须扩大电网,使之为更大比重的经济活动供电。在这个过程中,从一开始就将电网的韧性考虑在内,就可以降低转型包含的成本和风险。例如,通过扩大输电网络接入低成本的可再生能源也可以促进电力供应的多样化,提高电网可靠性,以及电网抵御极端天气导致供电中断的韧性。

大大小小的公共事业公司已经证明,这些方案能够在气候和能源系统快速变化的过程中提高电网的可靠性和韧性。尽管有些必要的变革可能看起来陌生,但不作为的代价是高昂的。重新想象电网韧性从而有效地应对新的风险的机会转瞬即逝。通过预先设计以经济的方式实现电网韧性,而非在气候变化的影响变得更加可怕之后用更加昂贵的方式亡羊补牢,这样的机会更加稀缺,值得牢牢把握。

英文原文首发于RMI.org

翻译:YAN