炙烤之夏:电力危机绊住美国

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2021年6月18日,美国加州的太阳能板

  每当盛夏来临,美国电网就会经历一场烈日下的“烤”验。今年美国西部大旱,数十场山火在当地奔突,令拉闸限电变得更难以忍受。
  无论是从风能、水能等新能源发电机的数量,还是从传统发电资源的储量来看,美国均在世界上名列前茅。然而,根据能源部和北美电力可靠性公司的数据,美国经历的停电次数比任何其他发达国家都要多,尤其在过去10年,持续超过1小时的停电事件还在不断增加。
  那么,美国的电都去哪了?这一场场“电荒”,究竟因何而起?

热浪来袭


  6月28日下午,正在家中埋头写代码的伊莱突然电脑黑屏,头顶没了冷气,昔日嗡嗡作响的冰箱也不再吱声,房间陷入一片死寂。
  他马上打开手机,还好电量是满的,再点开天气软件一看,正午的烈日已经把温度提到了105华氏度(40.5摄氏度)。伊莱起身拿了罐冰饮,准备提前给自己降温。
  虽然此前收到了电力公司发来的輪流停电预警,但当所有电器都在一瞬间罢工时,伊莱还是感到很恍惚。他苦笑道:“还好不是晚上的那批,不然就更吓人了。”
  伊莱目前一个人居住在华盛顿州的斯波坎市,是一名刚入职的程序员。他告诉记者,因为入夏以来的连续高温,公司给予了居家办公的选择,所以自己基本上又回归了疫情期间的生活—能不出门就待在家里,因为一上街就感觉热得头脑发昏。
  伊莱在偏冷的纽约州奥尔巴尼市长大,相对怕热。当得知要停电时,伊莱甚至打算买台家用发电机,因为他觉得“没有冷气的每一秒都是煎熬”。
  伊莱也并非杞人忧天。在华盛顿州轮流停电的几天内,就有多人因体温过高而身亡。据《西雅图时报》报道,一名65岁的西雅图居民和一名68岁的埃纳姆克劳居民,均因高温诱发的应激反应身亡。6月29日,华盛顿州斯诺霍米什县的法医办公室也通报了三名年龄分别为51岁、75岁和77岁的男子在家中中暑而亡。
  终于,在当天下午3时左右,电来了。电脑屏幕亮起,冰箱也开始“奏乐”。不过对于伊莱来说,那一刻最美妙的声音莫过于冷气从风口窜出时的呼呼声。伊莱说感觉自己“得救了”。
  这次停电也让他更加珍惜用电,同时认真看待气候变化。
  对于伊莱经历的轮流停电,负责运营该州电网之一的Avista能源公司表示,那是因为“电力系统经历了新的需求高峰,同时高温也影响了系统运营,所以需要我们主动为部分客户关闭电源”。
  高温与断电有什么必然关系?对此,有电力专家给出了分析:
  炎热的天气会推高能源需求,比如空调等制冷设备的使用;这会导致电网过载,进而造成断电;即使是部分断电,也会减少整体可用的电力。同时,发电厂极其依赖水来冷却系统,这意味着用电量越大,用水量也会上升;但坏消息是,正在经历高温和干旱的美国,又热又渴。据外媒报道,美国西北地区遭遇了“1200年以来最严重的干旱”,现在不光发电厂缺水,农场主也在苦苦求雨。
  而且不要忘了,冷却系统也需要用电驱动,因此这形成了一个难以调度的“缺电闭环”。
  所以,人们看到炙烤之夏美国频现电力危机:2019年7月的纽约曼哈顿大停电,2020年8月的加州大停电……半年前还在暴风雪里断水断电、被冻成冰棍的得克萨斯州,今年酷暑也没能逃过停电的阴霾。

电网老化


  今年6月,当得州的气温飙至历史峰值时,负责运营该州电网的得州电力可靠性委员会(ERCOT)开始警告居民要节约用电,要求他们将空调温度设置为26度以上,并且避免使用大功率电器,否则该州2月电网瘫痪的悲剧将重演。
美国最古老的电力线可以追溯到1880年代,如今还在投入使用的电网也大多建于1950年代至1960年代,预期使用寿命为50年。

  能源大州得州的电网趴窝,内因是电网“年迈”,经不起折腾。
  “我可能会给我们的电网一个C-的分数。”科罗拉多大学博尔德分校的工程学教授凯里·贝克认为,美国高龄电力基础设施正在极端温度下经历一场“完美风暴”。
  美国最古老的电力线可以追溯到1880年代,如今还在投入使用的电网也大多建于1950年代至1960年代,预期使用寿命为50年。加州大学伯克利分校的电气工程师亚历山德拉·冯·迈耶指出,在几十年前搭建这些电线杆、电线和变压器时,人们曾考虑到日后对电力需求的增长,但无论如何,现在它们已经达到寿命极限,随时都有崩盘的危险。
  “一位经验丰富的电气工程师曾对我说:‘整个系统总有一天会崩溃,只是不会在同一天发生。’”电力公司的前高管拉里·赖利表示,“长期以来,这确实是电力公司的运营理念,只有失败的悲剧发生时,他们才能意识到问题。”
  赖利说,美国电力基础设施在上世纪初期急速发展,当时人们都在寻找最快、最便宜的地方来放置大型电力设施,但如果我们回去并有能力再做一次,设计出来的系统会有很多不同。
  一个典型的例子就是,康涅狄格州布兰福德镇上的一座建于1920年代的变电站,它位于长岛海峡,建于海平面上。这个设计缺陷导致它在遭遇暴风雨时,会被涨潮的水淹没甚至导致失灵。
  在2011年,康涅狄格州曾连续遭遇飓风“艾琳”引发的风暴潮、沿海巨浪和大暴雨,至少1.3万州住户断电。
  耶鲁大学的教授丹·埃斯蒂,曾作为州能源专员参与了飓风救援。在排查电路时,他发现康涅狄格州一半以上的电缆都已被使用了50多年,完全不符合现代标准,因此在遇到大风时随时有被折断的危险。同时他补充道:“很大一部分电线没有做绝缘处理,这意味着如果它们被撞倒会出现问题,而且如果树枝碰到它们,它们会产生电弧导致短路。”   “树”大概也是美国电网最大的“背锅侠”。2003年8月,美国西北部一场电力灾难曾导致5000万人断电,而“罪魁祸首”便是俄亥俄州的几棵没有得到及时修剪的大树。在当地的“第一能源”发电站停电后,连锁反应使全美21家发电站在3分钟内关停。
  除大风造成的电线与树枝缠绕外,美国电力专家格雷琴·巴克解释称,当天气炎热时,电线也会发热,同时因为它的金属特性,它会开始发胀并下垂。而当它下垂到一定高度并与树的顶部接触时,也非常容易造成电路短路,导致停电。当时俄亥俄州停电事故的背后原因之一,就是“第一能源”电力公司改变了树木修剪时间表,没能尽早排查出这一隐患。
  巴克还指出:“砍树是电力公司负责管理的事情。他们有一个修剪时间表,只是不需要强制执行。所以,当他们的收入开始减少时,他们做的第一件事就是减少砍树的频率。”埃斯蒂教授也指责电力公司为了保持低的电价来吸引顾客,而减少安全性能方面的投资。
  “我们的监管模式过时了,因此用于改进升级的资金有限。”埃斯蒂教授认为,这也直接导致了供电公司对现代化电网的系统性投资不足。
  “三分天灾,七分人祸。”根据美国能源部的说法,美国电网是地球上最大的机器,维修费用将无比高昂;美国土木工程师协会则预计,未来10年美国电网的资金缺口将接近2000亿美元。对于美国电网的陈旧不堪,有不少学者表示,大家都心知肚明,只是选择了“不见棺材不掉泪”的路。
  “要是连树都不愿意修剪的话,就不用太指望他们花更多钱更新设备了吧。”伊莱无奈地笑道。

理想与现实


  在大部分国家和地区,电力都有比较统一的管理。但美国并没有一个全面的国家电力政策,并且各州的监管机制差异较大。麻省理工学院《电网的未来》研究报告,也将美国电网总结为“一个在联邦、地区、州、市等各级政府机构的网络中运行的公共及私有企业相联系的系统”。
  比如纽约州、佛罗里达州等地区的电力市场属于管制市场,所以从发电、传输到售电,均由垂直一体化的公用电力事业单位管理,并受到公共监管机构的监督。因此,居民无法自主选择电力供应商,他们的居住区域已经决定了电力供应商。
  但在放松管制的市场,比如得州和俄亥俄州,用户可以自主选择他们想要的电力来源。因为电力是由发电商出售给批发市场,再由零售商出售给用户的,整个环节由独立的第三方运营商或者区域输电管理机构进行监管。
  目前,美国有16个州选择放松管制市场,约有70%的美国人都通过由电力公司管理的配电系统获得电力。
虽然客户可能优先考虑需要可靠的电力,但股东通常对利润感兴趣。所以为了追求利润,电力公司会尽可能延长设备的使用寿命,减少维修开支。

  “这是一个私營行业。”纽约州立大学布法罗分校研究能源弹性的土木工程师萨扬蒂·慕克吉表示,从本质上讲,电力公司要对其客户和股东负责。虽然客户可能优先考虑需要可靠的电力,但股东通常对利润感兴趣。所以为了追求利润,电力公司会尽可能延长设备的使用寿命,减少维修开支。
  今年的得州大停电,大概是ERCOT电网公司,也是“放松管制的市场”瘫痪得最严重的一次。
  2021年2月,由于暴风雪等反常天气,得州有超过450万户家庭和企业断电,至少有210人直接或间接丧生,同时造成了高达1300亿美元的经济损失。
  专家认为,这是一场可预见的灾难。自2011年以来,得州的人口增加了400多万,目前有近3000万居民,因此能源需求也大大提升,但是得州电网却掉了队。
  美媒Vox分析称,问题的关键就在于,得州的电力系统不受管制,几乎完全由市场驱动。虽然这样做的初衷是使电力系统能够自我调节和自我优化,同时为居民提供较低的能源价格,但在实践中却漏洞百出。
  比如,当风能和太阳能发电充足时,由于没有燃料成本,运营成本低,它们在价格上也会低于其他种类的电。但在电力需求较高时期,比如冬季和夏季,电力公司就还需要启动煤炭、核能和天然气等传统燃料发电,运营成本也就随之增加。电网公司如果依旧秉持“利润第一”的心态进行运营,就不会有动力去建造应对需求激增或供应短缺的发电设施,电力设备的维修升级也迟迟提不上日程。
  放松管制市场的好处在于,当能源供应和需求遵循可预测的模式时,这套体系就会良性运作,实现双赢。但是当意外发生时,它就显得不堪一击。至于吸引居民的“低价”,不过是商业噱头。根据《华尔街日报》的分析,得州居民在放松管制下支付的总费用,其实比受监管电力公司收取的电费高出280亿美元。
  “这是一场天真的理想主义与现实世界的碰撞。”休斯敦大学能源研究员埃德·希尔斯总结道。
  还可以预见到的是,随着温室气体的增加,极端天气会愈演愈烈。对于老迈的美国电网能否扛住一波又一波的热浪与寒潮,时间很快会给出答案。
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