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2021年2月，美國得克薩斯州發(fā)生了一場大規(guī)模停電事故，至少造成210人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2000億美元。此次停電事故主要是由一場影響范圍更廣、持續(xù)時間更長、溫度很低的暴風(fēng)雪引發(fā)冬季電力需求激增而產(chǎn)生的。

中國工程院院刊《Engineering》2021年第10期刊發(fā)《得克薩斯州電力危機(jī)凸顯其電網(wǎng)漏洞》，報道了美國得克薩斯州發(fā)送到大規(guī)模停電事故的情況，介紹了此次停電事故的原因及后續(xù)解決措施。文章指出，基于當(dāng)前頻繁的氣候變化，我們應(yīng)該對極端天氣做好防范，在保持電網(wǎng)運行和提供廉價電力之間找到一個可接受的平衡點。

2021 年2 月，美國得克薩斯州發(fā)生了一場大規(guī)模停電事故。在此期間，一則新聞報道稱，一名男子用裝有發(fā)電機(jī)的福特F-150 混合動力皮卡車為家里供電三天。其他F-150 混合動力皮卡車車主也紛紛效仿，福特公司要求得克薩斯州的經(jīng)銷商將這些卡車出租，以便讓更多人能在長達(dá)一周的停電事故中使用這些小型發(fā)電站。

一些居民不得不依靠皮卡車為家中供電，可見得克薩斯州電力危機(jī)的嚴(yán)重性。在平均42 h 的時間里，69%的得克薩斯州居民用不上電（圖1），這讓許多家庭在氣溫降至歷史最低水平的情況下不能取暖。而且由于水廠沒電，大約一半的人口喝不上自來水。根據(jù)得克薩斯州的數(shù)據(jù)，體溫過低、一氧化碳中毒以及其他因停電而加劇的暴風(fēng)雪相關(guān)原因，至少造成210 人死亡，但另一項分析認(rèn)為死亡人數(shù)已達(dá)到700 人。經(jīng)濟(jì)損失（包括管道爆裂對家庭和企業(yè)造成的損失）可能高達(dá)2000億美元。

專家仍在分析事故原因，但他們都非常清楚導(dǎo)致停電的一連串故障。席卷全州的極寒天氣給電網(wǎng)帶來了巨大的壓力，電網(wǎng)沒有做好充分準(zhǔn)備來應(yīng)對如此強(qiáng)烈的暴風(fēng)雪。美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校韋伯能源集團(tuán)（Webber Energy Group at the University of Texas at Austin）的研究助理Joshua Rhodes 說道：“在這種情況下出現(xiàn)停電事故，我一點都不驚訝。”


圖1 美國得克薩斯州休斯頓市在2021 年2 月停電之前（a）和停電期間（b）的衛(wèi)星圖像顯示，該市大片地區(qū)斷電。在危機(jī)期間，該市約有100 萬人在某些時間用不上電，至少有31 人死于暴風(fēng)雪相關(guān)原因。來源：National Aeronautics and Space Administration Earth Observatory（公共領(lǐng)域）

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校機(jī)電學(xué)中心（Center for Electromechanics at UT Austin）主任、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院前代理院長Robert Hebner 表示，這場災(zāi)難凸顯了美國其他地區(qū)面臨的一個重要問題。每個州都必須在保護(hù)電網(wǎng)不受極端天氣影響和保持電價低廉之間取得平衡。“在全國范圍內(nèi)，真正懸而未決的問題是，基于當(dāng)前發(fā)生的氣候變化，我們應(yīng)該為多少極端天氣做好防范。”

得克薩斯州的電力系統(tǒng)與美國其他地區(qū)的電力系統(tǒng)有幾個不同之處。該州大部分地區(qū)的電力由得克薩斯州電力可靠性委員會（Electric Reliability Council of Texas）管理的電網(wǎng)提供。該電網(wǎng)幾乎完全獨立于向美國其他地區(qū)輸送電力的另外兩個美國電網(wǎng)，即東部電網(wǎng)和西部電網(wǎng)。大量電力通過其他電網(wǎng)在各州之間傳輸，但得克薩斯州電網(wǎng)只有少量低容量輸電線與東部電網(wǎng)和墨西哥電網(wǎng)連接。通過這些輸電線，得克薩斯州可進(jìn)口不到其供電需求2%的電量。得克薩斯州放松對電力市場的管制也讓其與其他州有所不同，即得克薩斯州的發(fā)電商僅因發(fā)電而獲得補(bǔ)償，而其儲存?zhèn)溆秒娏t不會得到補(bǔ)償。

1989 年、2003 年和2011 年冬季的暴風(fēng)雪使電網(wǎng)的供電能力緊張。例如，在2011 年2 月一次為期4 天的寒潮期間，多家燃?xì)獍l(fā)電廠關(guān)閉，原因是設(shè)備故障，以及井口和天然氣生產(chǎn)及輸送系統(tǒng)的其他部件凍結(jié)，導(dǎo)致工廠燃料短缺。發(fā)電量下降了4 GW，迫使得克薩斯州電力可靠性委員會開始執(zhí)行輪流停電措施。

2021 年的這場暴風(fēng)雪并非得克薩斯州有史以來最冷的一次，但它對該州的影響范圍更廣，持續(xù)時間更長，溫度比2011 年寒潮期時的還低（圖2），引發(fā)了前所未有的冬季電力需求激增。在得克薩斯州居民打開加熱器開始取暖時，卻有越來越多的供電源在關(guān)閉。大約50%的風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)冰了。得克薩斯州的4 個核反應(yīng)堆中的一個也停止了發(fā)電（由于氣溫低，抽水機(jī)停止工作）。一些燃煤發(fā)電廠的煤凍住了，無法使用。與2011 年一樣，為該州提供約50%電力的天然氣發(fā)電廠也出現(xiàn)了問題。極寒的天氣再次擾亂了天然氣的生產(chǎn)和輸送， 并導(dǎo)致一些工廠中的設(shè)備出現(xiàn)故障。Rhodes 說道：“我們的電網(wǎng)需要創(chuàng)紀(jì)錄的發(fā)電量，而我們卻失去了約一半的發(fā)電能力。”


圖2 暴風(fēng)雪期間，美國得克薩斯州奧斯汀市的氣溫降至零下14 ℃，降雪量超過16 cm。2021 年2 月17 日，冰雪覆蓋了奧斯汀市中心的一些棕櫚樹。來源：Jno. skinner（CC BY-SA 4.0）

得克薩斯州電網(wǎng)的關(guān)鍵時刻于2021 年2 月15 日提前到來，當(dāng)時得克薩斯州電力可靠性委員會的預(yù)測顯示，電力需求將很快超過供應(yīng)近8 GW。為此，該委員會試圖啟動輪流停電措施。Hebner 說道：“短暫中斷供電會造成很多不便，但一般不會造成人員傷亡。”然而，Rhodes表示，由于發(fā)電量減少，而且需要為醫(yī)院等設(shè)施的關(guān)鍵電路供電，因此很難執(zhí)行輪流停電。結(jié)果并未實施輪流停電——有些人從未被斷過電，而數(shù)百萬人卻連續(xù)數(shù)日缺電。盡管如此，得克薩斯州電力可靠性委員會還是在電網(wǎng)完全關(guān)閉不到5 min 的時候采取了行動。Hebner 說道：“如果得克薩斯州電力可靠性委員會沒有介入，所有人都將在更長一段時間內(nèi)用不上電，可能是幾個月。”

由于許多原因，得克薩斯州電網(wǎng)已經(jīng)到了崩潰的邊緣。專家一致認(rèn)為，最重要的原因之一是對設(shè)施采取的防凍措施不充足。Rhodes 及其同事發(fā)現(xiàn)，在暴風(fēng)雪期間關(guān)閉的約585 家發(fā)電廠中，有167 家因天氣相關(guān)問題而關(guān)閉，導(dǎo)致電網(wǎng)的發(fā)電量減少了30 GW。由天氣相關(guān)問題導(dǎo)致的另一個后果是，另外131 家發(fā)電量為6.7 GW的發(fā)電廠因燃料不足而停止發(fā)電。

2011 年暴風(fēng)雪過后，美國聯(lián)邦能源管理委員會（US Federal Energy Regulatory Commission） 和北美電力可靠性委員會（North American Electric Reliability Corporation）建議得克薩斯州的發(fā)電廠根據(jù)氣候變化對其發(fā)電設(shè)施采取防凍措施，讓發(fā)電設(shè)施能在最臨近的城市有記錄以來的最低氣溫下運行。Rhodes 表示，如果得克薩斯州的發(fā)電廠聽取了這些建議，2021 年暴風(fēng)雪所造成的影響就會有所不同。“如果我們牢記那些教訓(xùn)，這次事件可能不會如此嚴(yán)重。”

然而，在2011 年寒潮過后，得克薩斯州并沒有就保護(hù)發(fā)電廠或天然氣基礎(chǔ)設(shè)施采取強(qiáng)制措施。雖然對一些設(shè)施采取了自我保護(hù)措施，但其他設(shè)施還沒為2021 年的寒潮來襲做好準(zhǔn)備。一項分析顯示，在2011 年因天氣相關(guān)原因停產(chǎn)的發(fā)電廠中，約75%在2021 年也停產(chǎn)或減產(chǎn)了。許多評論人士都批評得克薩斯州未做好充分準(zhǔn)備，包括休斯敦大學(xué)的能源研究員Ed Hirs。長期以來，他一直都在批評得克薩斯州的電力市場。他指責(zé)那些發(fā)電商只有在為電網(wǎng)供電時才能獲得報酬的規(guī)定，他表示，這些規(guī)定使許多發(fā)電商不愿主動承擔(dān)昂貴的防凍費用。“他們沒有動力，所以不會采取相關(guān)防凍措施。”

自2021 年的危機(jī)以來，得克薩斯州立法機(jī)構(gòu)通過了一項旨在改善發(fā)電廠冬季防凍現(xiàn)狀的法案，盡管一些專家質(zhì)疑該法案的有效性。美國得克薩斯州奧斯汀市的能源分析師、得克薩斯州公共事業(yè)委員會（Public Utility Commission of Texas）和聯(lián)邦能源管理委員會前顧問Alison Silverstein 表示，在任何情況下，國家都需要采取更強(qiáng)有力的措施，保護(hù)天然氣的生產(chǎn)與輸送系統(tǒng)。她在自己參與撰寫的一份報告中還提出了其他十幾項措施，如要求為基礎(chǔ)設(shè)施配備備用發(fā)電機(jī)組以及改造關(guān)鍵電路以防止輪流停電。她表示：“我們需要對這些電路進(jìn)行更有效的重新設(shè)計和劃分。這樣我們才能有效、公平地輪流停電。”

分析人士表示，得克薩斯州還需要解決需求問題。美國洛基山研究所（Rocky Mountain Institute，美國科羅拉多州博爾德市一家專注于可持續(xù)發(fā)展的智庫）的能源分析師Mark Dyson 指出，住宅和商業(yè)建筑的建筑標(biāo)準(zhǔn)推動了2021 年2 月份的用電量激增。他表示，得克薩斯州直到2001 年才頒布了適用于全州范圍內(nèi)的建筑能效要求，許多居民還住在保溫性能極差、電阻加熱效率低下的房子里。得克薩斯州的電網(wǎng)在其他時候也曾出現(xiàn)過電力供應(yīng)接近短缺的情況，如2021年4月和6 月。2021 年6 月14 日，得克薩斯州的備用發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量接近了15.7%的安全邊際，得克薩斯州電力可靠性委員會要求消費者節(jié)約用電。美國佐治亞理工學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)助理教授Emily Grubert 表示：“通過幫助提升冬季和夏季電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高建筑的能源效率將會帶來雙重好處。她表示，制定更嚴(yán)格的建筑規(guī)范將大有裨益。”

一些人將此次危機(jī)歸咎于幾個因素，但這些因素影響甚微。與這些人的說法相反的是，結(jié)冰的風(fēng)力渦輪機(jī)并沒有導(dǎo)致停電。Rhodes 表示，風(fēng)力發(fā)電量下降了，但得克薩斯州電力可靠性委員會當(dāng)時需要的風(fēng)力發(fā)電量很少。2021 年2 月15 日至2 月19 日，風(fēng)電設(shè)施平均提供了4 GW電量（得克薩斯州電力可靠性委員會計劃得到7 GW）。然而，天然氣設(shè)施只提供了30 GW（計劃得到48 GW電量），煤炭則提供了8 GW（計劃得到14 GW電量）。得克薩斯州電網(wǎng)獨立于其他電網(wǎng)也不是造成此次危機(jī)的主要原因。Hebner 表示，即使得克薩斯州可以從鄰近的州引入大量電力，但也起不到任何作用。因為臨近的那些州也受到了該暴風(fēng)雪的影響，幾乎沒有多余的電力可供得克薩斯州使用。

改進(jìn)得克薩斯州電網(wǎng)以避免另一場危機(jī)將耗資巨大，估計單為發(fā)電廠防凍就要花費200 億美元。由于氣候變化，惡劣天氣事件的破壞性更強(qiáng)，發(fā)生頻率更加頻繁，給現(xiàn)有電網(wǎng)和其他基礎(chǔ)設(shè)施帶來更多壓力。此外，在2021 年初夏美國太平洋西北部地區(qū)還出現(xiàn)了熱浪。此次熱浪可能是由氣候變化造成的。在此期間，一些地區(qū)的氣溫飆升，比平均氣溫高出20 ℃還多。如Hebner 所說，面對這樣的極端事件，不僅僅是得克薩斯州，每個人都面臨著挑戰(zhàn)，即在保持電網(wǎng)運行和提供廉價電力之間找到一個可接受的平衡點。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

改編原文：

Xiangsheng Chen. Research on Combined Construction Technology for Cross-Subway Tunnels in Underground Spaces [J]. Engineering 2018, 4 (1):103–111.

原標(biāo)題： 得克薩斯州電力危機(jī)凸顯其電網(wǎng)漏洞